陳艷，吳曉莉，謝子陽

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，核電廠主控室人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了全面的數(shù)字化，使操作更快速、準(zhǔn)確、方便,提高了工作效率、系統(tǒng)可用性和可靠性，產(chǎn)生了巨大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于操作界面巨大的信息量，增加了操作員的認(rèn)知負(fù)荷，極易造成系統(tǒng)故障，甚至重大事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前所有人-機(jī)系統(tǒng)失效事件中70%～90%直接或間接源于人的因素，而人機(jī)界面設(shè)計(jì)的不合理則是導(dǎo)致人因事故發(fā)生的關(guān)鍵因素之一。

國(guó)外對(duì)人機(jī)界面評(píng)價(jià)方面的研究開始得比較早，常用的方法有書面評(píng)價(jià)法、觀察法、專家意見法、實(shí)驗(yàn)法。即首先確定人機(jī)界面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后通過對(duì)操作人員的操作實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，諾丁漢大學(xué)[2]、蒙特利爾Ecole理工大學(xué)、日本三菱電機(jī)公司、清華大學(xué)核能技術(shù)研究院[3]等相繼開發(fā)了人機(jī)界面評(píng)價(jià)軟件及系統(tǒng)。顏聲遠(yuǎn)建立了灰色聚類分析的人因指數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型，通過對(duì)人機(jī)界面與人機(jī)工程客觀標(biāo)準(zhǔn)的符合度的評(píng)價(jià)進(jìn)行量化，作為人機(jī)界面的設(shè)計(jì)依據(jù)[4]；夏春艷提出以人為中心的思想，根據(jù)人的不確定的特點(diǎn)用模糊評(píng)價(jià)模型建立了核電廠主控室的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[5]；白雅娟在主觀系數(shù)權(quán)重基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理來計(jì)算每層系數(shù)權(quán)重，用實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、分析[6]；周蕾?gòu)拿缹W(xué)研究和美度計(jì)算的角度，提出了界面設(shè)計(jì)的美度評(píng)價(jià)方法[7]；李瓊從核電廠報(bào)警系統(tǒng)關(guān)鍵維度出發(fā)建立原始評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合考慮其灰性和模糊性建立數(shù)字化報(bào)警系統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)模型[8]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于人機(jī)界面方面的研究雖然已有很多，但將認(rèn)知層和界面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)行的研究卻很少，本文提出人機(jī)界面的優(yōu)化從以下兩點(diǎn)出發(fā)：1) 科學(xué)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)和出錯(cuò)因子；2) 建立基于出錯(cuò)因子的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，從而解決了設(shè)計(jì)師在面對(duì)復(fù)雜的智能化信息系統(tǒng)交互界面的優(yōu)化時(shí)可能會(huì)處于無處下手的尷尬境地問題。

1 基于出錯(cuò)因子的層次分析法

目前，評(píng)價(jià)因素定量化篩選常用的方法有：層次分析法、信息熵法、主成分分析法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、粗糙集屬性約簡(jiǎn)法。充分考慮核電廠主控室龐大的系統(tǒng)環(huán)境，采用層次分析法。目前層次分析法主要采用領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，主觀賦值通常需要有一定的先驗(yàn)知識(shí)，評(píng)判結(jié)果具有主觀隨意性，且核電廠交互界面的設(shè)計(jì)需要考慮到界面設(shè)計(jì)師以及核電專家兩方面人士的意見，評(píng)判側(cè)重點(diǎn)容易產(chǎn)生分歧且存在主觀性，故本文采用基于粗糙集理論的層次分析法，自動(dòng)獲取評(píng)價(jià)因子。

1.1 基于粗糙集理論的核計(jì)算

粗糙集理論[9]是由波蘭數(shù)學(xué)家Pawlak.Z于1982年提出的，對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)、信息約簡(jiǎn)、處理不確定信息方面有一定的優(yōu)勢(shì)，其主要觀點(diǎn)是保持分類能力不變的前提下，消除不相關(guān)和不重要的信息，得到事件的分類規(guī)則和決策規(guī)則。

定義1：信息系統(tǒng)S可用一個(gè)四元組表示為S=(U,A,V,f)，其中, U稱為論域，表示非空有限集；A=C∪D，表示屬性集合，C為條件屬性集合，D為決策屬性集合，C∩D≠?；V表示屬性A的值域，f表示U和A的關(guān)系函數(shù)集，即f(U×A)→V。

定義2：設(shè)S=(U,A,V,f)中，A中所有必要屬性組成的集合稱為A的核[10-11]CORE(A)，如果P?A，IND(P)=IND(A)，且A是獨(dú)立的，則P為A的一個(gè)最小子集，記為RED(P)。

1.2 出錯(cuò)因子影響因素的層次模型樹

首先，以AHP法的分層思想建立模型樹，以典型智能化信息系統(tǒng)——核電廠主控室為研究對(duì)象，搜集核電廠與人因事故相關(guān)的資料，對(duì)其進(jìn)行分類整理；對(duì)典型事件進(jìn)行分析，提取出錯(cuò)因子。模型樹由出錯(cuò)因子0層、認(rèn)知層R層、評(píng)價(jià)因素層F層、設(shè)計(jì)因子層D層4個(gè)層次構(gòu)成，得到0-R-F-D模型，如圖1所示。

圖1 0-R-F-D模型

1.3 基于粗糙集理論的層次分析法

根據(jù)出錯(cuò)因子所在的認(rèn)知層[12]，由界面設(shè)計(jì)師確定評(píng)價(jià)因素n個(gè)，選擇m個(gè)典型操作界面，由核電專家確定各界面對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)因素的得分，得到評(píng)判矩陣A=(aij)m×n。

評(píng)價(jià)因素自動(dòng)選取的具體算法如下：

Step1:得到評(píng)判矩陣A=(aij)m×n；

Step2:對(duì)評(píng)判矩陣進(jìn)行離散化,降低算法的復(fù)雜度；

Step3:建立分辨矩陣M(S)，得到核屬性CORE，即不可約簡(jiǎn)的評(píng)價(jià)因素，即為自動(dòng)選取的評(píng)價(jià)因素；

Step4:同樣的方法可自動(dòng)得到基于各出錯(cuò)因子所自動(dòng)篩選的所有評(píng)價(jià)因素。

2 實(shí)例分析

2.1 事件分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，核電站人因失誤類型可分為5類[13]：1) 未發(fā)現(xiàn)報(bào)警或征兆；2) 對(duì)事故征兆或時(shí)間判斷失誤；3) 操作失誤；4) 工作人員交流差錯(cuò)；5) 組織管理不當(dāng)。其中第1類失誤與操作界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有著直接的關(guān)系，故本文從第1類失誤類型出發(fā),將其作為出錯(cuò)因子，建立基于報(bào)警發(fā)現(xiàn)的評(píng)價(jià)體系。

如圖2所示為某核電站仿真模擬器的操作員界面， 操作員界面分為頁(yè)眉區(qū)和運(yùn)行操作界面區(qū)，報(bào)警顏色分為綠色、橙色、紅色。報(bào)警顯示狀態(tài)為：頁(yè)眉區(qū)的“ALARM”高亮紅色顯示，報(bào)警面板的按鈕開始閃爍。點(diǎn)擊“Acknowledge” 按鈕后:報(bào)警按鈕由綠色區(qū)回到正常狀態(tài)，閃爍狀態(tài)結(jié)束。

圖2 操作員界面

2.2 構(gòu)建層次模型樹

根據(jù)出錯(cuò)因子—未發(fā)現(xiàn)報(bào)警或征兆，對(duì)出錯(cuò)因子按照認(rèn)知特點(diǎn)(感知錯(cuò)誤、認(rèn)知失效、疏忽、記憶失誤、知覺混淆)進(jìn)行分析，將其歸類到認(rèn)知層中的疏忽層，由設(shè)計(jì)人員針對(duì)該層以及警報(bào)界面的特點(diǎn)提出了7個(gè)評(píng)價(jià)因素(元素色彩的適宜性a、字符的規(guī)范性b、圖標(biāo)意義的明確性c、縮寫詞使用的合理性d、標(biāo)簽使用的適宜性e、顯示方式的適當(dāng)性f、邊框箭頭的適當(dāng)性g)，從而建立了基于出錯(cuò)因子的交互界面的評(píng)價(jià)模型，如圖3所示。

圖3 評(píng)價(jià)模型

2.3 評(píng)判矩陣的建立

Step1:提供12個(gè)警告界面I1、I2， …I12，由核電專家分別給12個(gè)警告界面按照上述7個(gè)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)得分，得到專家評(píng)判矩陣A。

Step2:對(duì)評(píng)判矩陣中的數(shù)據(jù)按等區(qū)間法(equal-width-intervals)，采用(max(i)-min(i))/3來獲得插值點(diǎn)，如表1所示，對(duì)數(shù)據(jù)離散化，去除重復(fù)記錄，得到判斷矩陣B。

表1 插值區(qū)間

Step3:根據(jù)判斷矩陣B計(jì)算分辨矩陣M(S)，由分辨矩陣得到表2，由于分辨矩陣M(S)是一個(gè)主對(duì)角線為0的對(duì)稱矩陣，故這里僅用下三角矩陣表示，如表2所示。

表2 分辨矩陣

由表2可知，應(yīng)用粗糙集屬性對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行約簡(jiǎn)后，得到基于出錯(cuò)因子—疏忽的核屬性為b、c、e、f，即字符的規(guī)范性、圖標(biāo)意義的明確性、標(biāo)簽使用的適宜性、顯示方式的適當(dāng)性。

2.4 結(jié)果分析與優(yōu)化策略

1) 本文從各評(píng)價(jià)因素的數(shù)據(jù)本身出發(fā)，由計(jì)算機(jī)選取了評(píng)價(jià)因素，避免了評(píng)價(jià)者人為評(píng)價(jià)的主觀性，同時(shí)本文所得到的核屬性符合大眾對(duì)這一問題的認(rèn)知，也驗(yàn)證了該方法的可行性。

2) 設(shè)計(jì)師可以從約簡(jiǎn)后得到的評(píng)價(jià)因素出發(fā)，將評(píng)價(jià)因素看作設(shè)計(jì)要素B、C、E、F，根據(jù)自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行展開得到幾種設(shè)計(jì)因子,[B1、B2、B3……] 、[C1、C2、C3……] 、[E1、E2、E3……] 、[F1、F2、F3……] ，繼而對(duì)各設(shè)計(jì)要素采用正交設(shè)計(jì)法將設(shè)計(jì)因子進(jìn)行合理的正交設(shè)計(jì)組合，得到n套設(shè)計(jì)方案,即為n套交互界面。各種方案都將會(huì)對(duì)用戶的注意力分配產(chǎn)生直接的影響[14]。采用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)各方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到各設(shè)計(jì)要素的最優(yōu)設(shè)計(jì)因子[15]。

3) 同樣的算法可得到基于其他各出錯(cuò)因子的評(píng)價(jià)因素。

3 結(jié)語

智能化系統(tǒng)信息交互界面常應(yīng)用于重要場(chǎng)合，每一次出錯(cuò)都可能會(huì)造成重大損失，而本文提出的方法正是從失誤中尋求財(cái)富，采用層次分析法與粗糙集約簡(jiǎn)屬性相結(jié)合的方法對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行篩選。以核電站操作員界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)交互界面的優(yōu)化，可得出主要結(jié)論如下：

1) 構(gòu)建出錯(cuò)因子影響因素的層次模型樹， 從失誤的根源—出錯(cuò)因子出發(fā)，建立出錯(cuò)因子—認(rèn)知—評(píng)價(jià)因素—設(shè)計(jì)的層次模型樹。

2) 采用粗糙集約簡(jiǎn)屬性對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行約簡(jiǎn),從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，由計(jì)算機(jī)完成篩選，避免了主觀確定的不足，同時(shí)融合了界面設(shè)計(jì)師與程序開發(fā)人員的觀點(diǎn)，也避免了他們之間意見相左的矛盾。

3) 本文提出的方法和觀點(diǎn)對(duì)智能化系統(tǒng)信息交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。