网站首页  词典首页

请输入您要查询的论文：

　

标题 人机任务中断下信息显示特征对信息提供率的影响研究
范文 张力 阳武 王吉鹏 周易川



摘要： 数字化控制系统在大型复杂工业系统中的逐步应用，工业系统主控室的信息显示发生了显著的变化，其中“巨量信息与有限显示”的矛盾引发新的人因问题。本文对数字化人机界面信息显示的特征进行了分析，并通过实验研究了在人机任务中断条件下，信息显示率和信息颜色编码对信息提供率的影响。实验结果表明在人机任务中断条件下：①信息显示率对信息提供率具有显著影响，随着信息显示率的增大，信息提供率会相应的降低；②在不同信息显示率水平下，信息颜色编码对信息提供率的影响不同。本文的研究对大型工业系统数字化人机界面的设计有一定的理论指导作用。
Abstract： With the application of digital control systems in complex industrial system gradually， the information display in main control rooms of industrial system has changed significantly， among which the contradiction between massive information and limited display capability has caused some new human errors steadily. This has brought new challenge for the operation safety of the industrial system. This paper analyzed the characteristics of information display in a main control room. In addition， this paper investigated the effects of information display ratio and the information color coding on information presentation ratio under task interruptions of human-computer interaction through experiments. The results of the experiment indicated that：① information display ratio have a marked impact on information presentation ratio， with the increase of information display ratio， the information presentation ratio decrease. ②the effects of information display ratio on information presentation ratio are different among different information display ratio levels. This paper will give some guide to the information display design of the digital main control room.
关键词： 人机界面；信息显示；操纵员；认知
Key words： human-machine interface；information presentation；operators；cognitive
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0292-040 引言
随着计算机技术和仪控技术的发展，数字化控制系统逐步在大型工业系统中得到广泛应用。与传统的模拟控制系统相比，数字化控制系统的人机界面由常规监视盘台发展为计算机工作站为主[1]，数字化人机界面在信息收集、信息处理方面具有优越性，其控制更集中，信息处理更精确[2]，系统的安全性和人员绩效也有了很大的提高。但也随之出现了“小孔效应”[3]、操纵员情景意识丧失[4]等新的人因问题，特别是数字化后信息数量呈几何倍数增长，而信息的显示屏幕十分有限，“巨量信息与有限显示”的矛盾突出[5]，操纵员往往需要搜索、路径选择、执行（导航、画面配置等）等来查看系统目前的状态信息，特别是在事故工况条件下，信息量突然增大、干扰增多，给操纵员带来很高的认知负荷，容易引发人因失误。操纵员在人机界面上执行任务的过程中，通常会受到各种因素的影响，而导致任务中断，心理学上认为任务中断，是日常生活中前瞻记忆活动的一个重要特征和关键的影响因素[6]，如飞行员在接受上级电话指令的时候，不得不放弃目前正在监视的任务，由于任务中断后，需要对屏幕上的信息进行恢复感知和识别等认知活动，人机任务中断后信息的延续和信息的识别效率对于正在执行的主任务的完成具有十分重要的作用，特别是对于一些大型工艺系统的人机界面、飞机的人机交互界面和汽车等设备的交互界面，如在紧急情况下，不及时恢复信息获取的渠道，可能会引发不良的后果。
信息提供率（单位时间内提供的可以被操纵员有效捕捉到的信息量）是反映、表征系统信息显示界面优劣的一个指标，对于这部分信息量所表征的信息是操纵员当前最需要捕获也是最关键的信息，否则信息捕捉绩效必然就会受到无关信息和信息量超负荷的严重影响[7]。信息提供率的研究可能成为解决“巨量信息与有限显示”这一矛盾的关键[8]。信息显示率（单位时间的信息显示量）、数据更新率、信息图形元素、信息字体大小、字体颜色等对信息提供率都可能造成影响。信息显示量过少，不利于操纵员及时获取有效的信息，信息显示量过多，则对操纵员信息获取造成极大的干扰。颜色编码是视觉信息显示的重要编码方式，人因工程学表明，颜色环境对人的生理和心理具有一定的影响，在紧急情况下，信息突然增多，操纵员心理负荷增大的情况下，根据数字化人机界面信息显示特征设计符合操纵员认知特性的人机界面，对于防止人因失误、减轻操纵員的认知负荷和保证工业系统的安全运行具有重要意义。
目前，许多学者对大屏幕信息显示做了一些研究，但针对数字化控制系统信息的颜色编码对信息提供率的影响方面的研究较少， 2016年张力等人基于信息熵理论对数字化控制系统信息提供率做了初步探究[7]，通过正交实验得到了信息显示率、信息提供率、数据更新率的最佳匹配组合[8]，但该研究并没有考虑信息颜色编码与信息显示率对信息提供率的影响。在信息显示格式方面，Chang等人对人的视觉搜索能力在不同信息显示格式（同时呈现、先后呈现）和不同信息密度条件下进行了研究，研究结果显示，信息显示密度差异、刺激数量影响被试的搜索、检测能力[9]。Speier通过实验研究了信息显示格式对复杂任务决策绩效的影响，研究显示，信息的编码格式（图、表格）以及任务的复杂度对任务完成的准确性和反应时间都有显著的影响，在简单符号任务中，判断精确度方面表格形式优于图表形式，在反应时间上图表形式优于表格形式；而在简单的空间任务中，判断精确度和反应时间图表形式都优于表格形式[10]。孙崇勇等人对学习材料的背景颜色对认知负荷及学习的影响进行了研究，通过多因素混合实验发现，背景颜色在对认知负荷的影响上与任务类型具有交互作用，暖色调背景下的认知负荷在解决创造性问题时高于冷色调背景，暖色调利于记忆测试问题的解决，冷色调利于创造性问题的解决[11]。金亮等人对显示界面目标编码颜色匹配工效进行了研究，结论表明不同的前景色/背景色组合下人的工作绩效不同[12]。针对任务中断的研究主要集中在认知心理学领域，如王红柳等人根据任务中断类型和成就动机对前瞻记忆的影响进行了研究，采用两因素的混合实验设计，研究发现任务中断类型是前瞻记忆的影响因素，并且发现成就动机对前瞻记忆没有影响[13]。王磊等人对人机互动中的任务中断问题进行了研究[6]，从心理学的研究角度对任务中断这一课题进行了归纳总结，并且对今后任务中断对主任务的影响和中断延迟期间心理作用机制研究进行了展望。
以上这些研究虽然没有直接对在人机任务中断下，信息颜色编码等因素对信息提供率的影响进行探究，但为本研究的开展提供了很好的思路。这些最新的研究表明，在人机任务中断条件下，信息显示率和信息颜色编码对人们获取界面信息可能具有一定影响，特别对操纵员获取关键信息、执行相关的规程具有非常重要的意义，探究在人机任务中断条件下，信息显示率和信息颜色编码对数字化控制系统信息提供率的影响对于预防人因失误具有重要意义。本文试图通过实验探究在人机任务中断条件下信息显示率与信息颜色编码对信息提供率的影响，为工业系统数字化控制系统信息显示界面的设计提供依据。1 实验设计
1.1 实验目的
研究在人机任务中断下信息显示率以及信息的颜色编码对数字化控制系统信息提供率的影响。
1.2 实验方法
1.2.1 被试
选取30在名校大学生作为本实验的被试，年龄在22-26之间，所有被试人员双眼视力正常或矫正后视力正常，颜色辨认正常，均能熟练操作计算机，理解本实验的目的和熟练实验操作流程，实验结束后给予被试一定的报酬。
1.2.2 实验环境与器材
为了避免实验过程中受到其他因素的干扰，本实验选择在安静、明亮的实验室进行，便于被试集中注意力，提高实验的精确度和可靠度。实验仪器包括戴尔计算机一台、20寸液晶显示器（屏幕分辨率为1366*768像素）、鼠标、键盘。实验程序由E-Prime2.0软件编写，实验程序操作简单，被试只需要按照程序指示进行操作即可，试验程序能够自动、能精确记录实验结果。本文的信息量采用香浓信息熵度量，运用平均自信息量的数学表达式[14]：
式（1）中，i=1，2，3……，xi代表第i个状态，P（xi）代表出现第i个状态的概率，H（x）是平均自信息量，即事件出现 n 种结果所获信息量的数学期望，也称为信息熵（a取2，单位为bit）。在本试验中，信息显示屏中设置24个均匀分布的信息区域，每个信息显示区域随机呈现英文字母，即26个英文字母在每个信息区域出现的概率都为1/26，由信息熵的定义以及公式（1）计算可得，每个信息区域的信息量为4.7bit。根据文献[7]和[8]的研究结论，本实验选取初始信息显示界面时间为固定值3s时，其信息提供率为28.2 bit。在本实验中设置初始信息显示界面的显示时间为3s，且固定目标信息总量为28.2 bit，即每个类型实验都只需要捕获6个字母信息区域的信息，而字母颜色分为红、黄、蓝、绿四种，要求被试在不同的信息显示率和不同信息颜色编码下获取固定目标信息总量，因此，随着信息显示率的增大，带有黑色阴影方框的数量也会增多，而固定目标信息量也随机在这些黑色方框的信息区域中显示，对固定目标信息量的获取造成干扰也会随之增大。本实验选取工业系统数字化信息显示界面常见的灰白色作为信息显示的底色。
1.2.3 自变量
自变量有两个因素，一是信息显示率，根据文献[9]信息显示密度的方法，拟选取24个信息区域的25%、50%、75%（低、中、高）三个水平，由公式（1）计算其显示信息量分别为：6×4.7bit=28.2bit、12×4.7bit=56.4bit、18×4.7bit=84.6bit。二是不同颜色编码的字母信息，分为红、黄、蓝、绿四种颜色字母信息。
1.2.4 因变量
在人机任务中断后，被试判断初始界面信息与探测刺激界面信息是否一致的正确率与反应时间。
1.3 实验过程
在实验前，被试需要进行足够的训练，确保被试能够熟练操作实验程序。实验正式开始前，被试坐于计算机显示屏前，调整到最佳位置状态，双眼正对屏幕，点击实验程序，实验正式开始。在计算机显示屏中央显示注视点“+”2s后，呈现人机界面信息3s，计算机屏幕显示一道简单的个位数加减乘的算术题5s，要求被试进行计算，并将简单算术题的答案读出来，实验监视员监督，以此来模拟人机任务中断，随后再次呈现人机界面信息5s，要求被试做出判断，该信息与之前的人机界面信息是否一致，如一致在键盘上按“J”键，反之按“F”键，如在5s之内被试做出了判断，则继续进行下一个试次，如判断时间超过5s则视为做出了错误的判断，以此来证明被试是否有效捕捉到界面上的信息，依此循环，直至实验结束，实验流程如图1所示。程序自动记录被试信息识别的反应时间和正误。按照实验设计的方案，本试验中每个被试需要完成3（不同信息显示率）*4（不同信息颜色编码）=12种类型的实验，每种类型实验需完成30个试次，因此，每个被试需要完成12*30=360个试次，选取30名被试，一共产生30*480=10800組数据，被试完成一次实验可以进行适当的休息。
为了帮助理解实验过程，如图1所示，（a）为初始刺激界面；（b）人机任务中断模拟图片；（c）为探测刺激界面。在本例中，在信息显示率为28.2bit（共6个带有黑色阴影的信息区域），字母信息编码为红色，探测刺激信息界面与原始信息界面相比字母P发生了变化，被试按键盘“F”键表示“否”是正确的反应，证明在人机任务中断条件下被试有效捕捉到了初始刺激界面中的信息。2 结果与分析
实验结果由E-Prime2.0自动记录，导出到Excel2007进行汇总和初步整理，运用SPSS20.0对数据进行分析处理。实验所得到的不同信息显示率和不同信息颜色编码下，操纵员实验的正确率和反应时间如图2所示。
为了验证信息显示率和信息颜色编码对信息提供率的影响，把所有数据导入到SPSS20.0进行多因素方差分析，得到主体间效应检验结果（如表1所示）。从表1可以看出，信息显示率的正确率检验统计量（F=89.155，p<0.05），和反应时间检验统计量（F=926.644，p<0.05），其p值均小于0.05，说明在实验条件下，信息显示率对信息提供率在正确率和反应时间上都具有显著的影响。结合图1，信息显示率为28.2bit、56.4bit、84.6bit时，其正确率均值分别为97.36%、92.75%、89.56%，其反应时均值分别为1485ms、1713ms、2053ms，说明随着信息显示率的增大，被试的实验正确率降低，反应时间增大。信息颜色编码的正确率检验统计量（F=0.133，p>0.05）、反应时的检验统计量（F=748888.889，p>0.05），说明在实验条件下，在相同的信息显示率条件下信息颜色编码的不同，对被试实验的正确率和反应时的影响差异并不明显。
信息的颜色编码（红、黄、蓝、绿）在实验条件下所得到的结果对信息提供率并無显著的影响。而由表1可以得出，在信息显示率较低（28.2bit）的水平下，被试在不同信息颜色编码的实验正确率排序为：红（97.56%）>蓝（97.44%）>绿（97.33%）>黄（97.12%）；在信息显示率为适中的水平下，实验正确率排序为：红（93.67%）>蓝（92.89%）>绿（92.33%）>黄（92.11%）；在信息显示率为较高的水平下，实验正确率排序为：蓝（90.33%）>红（89.56%）>绿（89.33%）>黄（89.00%），说明红色、蓝色信息编码较绿色、黄色信息编码在不同信息率显示水平上对被试获取界面上的关键信息具有优势。
进一步对不同信息显示率的实验正确率和反应时结果进行LSD比较（如表2所示），由表2可以详细看出不同信息显示率对实验正确率和反应时的影响都十分显著，说明信息显示率对信息提供率具有较为显著的影响。3 讨论
信息提供率是表征数字化人机界面优劣的一个重要指标，对操纵员获取人机界面上的信息具有重要的影响。在本实验中信息显示率由28.2bit、56.4bit、84.6bit递增时，被试的正确率分别为97.36%、92.75%、89.56%，依次递减，呈负相关性。信息显示率是数字化控制系统信息量剧增的一个最重要特征，信息的集中显示有利于操纵员及时查看相关的信息，完成监视、处理异常事件的任务，所以，单位时间内信息显示的数量，必须能够保证支持操纵员对于异常事件的处理。另一方面，也要考虑单位时间内信息显示数量过多，对信息提供率也会形成干扰，增加操纵员的认知和心理负荷。根据本研究的结果表明，在人机任务中断条件下，信息显示率对信息提供率具有显著影响，信息显示率越大，被试的认知负荷也会加大，信息提供率会相应的降低，反应时间增多。因此，在人机界面设计时，必须以满足保持操纵员良好的情景意识为前提，信息显示率既能提供供操纵员决策的全面的信息，又能使操纵员在单位时间内有效获取。
在本文实验中，信息显示率为低、中水平时，被试获取界面信息正确率的高低顺序为：红>蓝>绿>黄，而在信息显示率为高水平时，则有了变化，其获取界面信息正确率的高低顺序为：蓝（90.33%）>红（89.56%）>绿（89.33%）>黄（89.00%），说明不管信息显示率在何种情况下，在帮助操纵员在单位时间内能够获取界面上的关键信息的能力，黄、绿颜色信息编码不如红、蓝颜色信息编码，这与张磊等人基于不同脑力负荷和任务类型的信息颜色编码的实验研究结果具有一定的相似性[15]。许多研究通过实验验证了红色、蓝色等对认知任务绩效的不同影响，但都没有得到一致的结论。Soldat通过实验验证了红色与积极的情绪有一定的联系，能激活非系统的加工模式，降低认知任务的绩效，而蓝色与消极情绪有一定的关系，并能激活系统的加工模式，提高认知任务的绩效[16]。在高信息显示率水平下，对被试获取界面上的关键信息已经形成了较大的干扰，红色信息编码又增加操纵员的认知负荷，因此在试验结果中，蓝色（90.33%）的正确率高于红色（89.56%）的正确率。由此，本研究认为，在信息显示率较高的水平下，帮助获取关键信息的信息颜色编码优先利用顺序为：蓝、红、绿、黄。4 结论与展望
①在人机任务中断条件下，信息显示率对信息提供率具有显著的影响，不同信息显示率水平下，对信息提供率的影响也不同，信息显示率越大，对被试有效获取界面信息形成的干扰越大，反映时间也越长，要合理安排信息显示数量，使操纵员能够保持良好的情景意识；②在不同信息显示率条件下，颜色信息编码对信息提供率的影响并不显著，信息显示率在低、中水平下，信息提供率的绩效优先顺序为：红>蓝>绿>黄，而信息显示率在高水平下，信息提供率的绩效优先顺序为：蓝>红>绿>黄。
信息显示是复杂过程控制系统人机界面的核心元素，也是操纵员保持良好情景意识的一个基本输入方式。随着设备可靠性的提高，人因因素已经成为工业系统中引发事故的主要因素[17]。数字化后人机界面有了很大改变，出现多种新的人因失误，信息数量剧增，信息显示也呈现出不同的特征，信息的颜色、形状等物理状态有了改变，这些因素对于在人机任务中断的紧急情况下操纵员获取界面的关键信息都具有一定的影响。本文在人机任务中断条件下从信息显示率和信息颜色编码对信息提供率的影响出发进行试验研究，旨在为解决“巨量信息与有限显示”这一矛盾奠定基础，在今后的研究中，一方面要从心理学的角度探究任务中断后操作者的信息处理机制，研究人机任务中断影响前瞻记忆的机理；另一方面需要把工业系统中数字化主控室信息显示的相关因素进行划分、归类，结合操纵员的信息处理模型和工作模式来研究，建立操纵员信息捕捉绩效与各信息显示特征等相关因素之间的数学模型，为数字化人机界面信息显示的设计提供理论基础，为工业系统的安全运行保驾护航。参考文献：
[1]刘素娟.核电厂数字化控制室界面管理任务对控制室运行人员的影响[J].中国核电，2008，1（2）：162-167.
[2]谷鹏飞，倪莹，陈卫华，等.基于人机界面发展的核电站控制室设计[J].原子能科学技术，2015，49：391-395.
[3]Seong P H. Reliability and risk issues in large scale safety-critical digital control systems[M].New York：Springer，2009.
[4]李鹏程，张力，戴立操.核电厂数字化主控室操纵员的情景意識可靠性模型[J].系统工程理论与实践，2016，36（1）：243-252.
[5]张力，杨大新，王以群.数字化控制室信息显示对人因可靠性的影响[J].中国安全科学学报，2010，20（9）：81-85.
[6]王磊，伍麟.人机互动中的任务中断：新环境中的新问题[J].心理科学，2012，35（2）：88-92.
[7]张力，周易川，贾惠侨，等.数字化控制系统信息显示特征对操纵员信息捕获绩效的影响及优化研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（10）：62-67.
[8]张力，周易川，贾惠侨.基于信息熵表征的数字化控制系统信息提供率研究[J].工业工程与管理，2016，21（4）：107-113.
[9]Chang T W， Kinshuk， Chen N S， et al. The effects of presentation method and information density on visual search ability and working memory load[J]. Computers &Education; ，2012，58：721-731.
[10]Speier C.The influence of information presentation formats on complex task decision-making performance[J].Int. J. Human-Computer Studies， 2006，64：1115-1131.
[11]孙崇勇，刘电芝.学习材料的背景颜色对认知负荷及学习的影响[J].心理科学，2016，39（4）：869-874.
[12]金亮，廖镇，周颖伟，等.显示界面目标颜色匹配工效研究[J].舰船电子工，2016，36（5）：109-111.
[13]红柳，李征澜，余林.任务中断类型和成就动机对前瞻记忆的影响[J].黑河学刊，2010，156（8）：145-149.
[14]Shannon C E， Weaver W， The Mathematical Theory of Communication. Urbana， IL： Univ. Illinois， 1949.
[15]Soldat，A.S.Sinclair，R.C.，Mark，M.M. Color as an environmental processing cue：External affective cues can directly affect processing strategy without affecting mood. Social Congnition， 1997，15：462-479.
[16]张磊，庄达民，完颜笑如.基于不同脑力负荷和任务类型的信息颜色编码[J].兵工学报，2009，30（11）：1522-1526.
[17]Hollnagel E. Cognitive Reliability and Error Analysis Method[M]. Amsterdam：Elsevier Science Ltd， 1998.
随便看

　

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。

　

Copyright © 2004-2023 puapp.net All Rights Reserved
更新时间：2025/3/16 7:27:52