孫建華，蔣 婷，王春慧，劉 旺，姜昌華，孫恒碩，宋 玲，崔玉靜，楊燕昆，張小鵬，吳立濤

(1. 中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2. 西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，西安710049)

1 引言

航天工效學(xué)以航天員為中心的理念、方法貫徹到航天器和航天任務(wù)設(shè)計與研制的全周期，從系統(tǒng)層面研究人-機、人-環(huán)、人-人相互關(guān)系和影響，制定工效學(xué)要求和評價準則，開展航天工效學(xué)評價，確保航天器的適人性，提高人在航天器的工作效能進而優(yōu)化系統(tǒng)效能，實現(xiàn)人-機-環(huán)系統(tǒng)安全、高效[1-2]。 在載人航天任務(wù)中，航天員在軌工作、生活過程中，需要頻繁使用軟件產(chǎn)品來完成航天器管理、日常生活管理、科學(xué)實驗等任務(wù)操作，軟件人機界面的工效學(xué)評價是航天員工作效率、系統(tǒng)績效及安全性的重要保障。 航天器軟件人機界面的工效學(xué)評價既要考慮產(chǎn)品工程研制的不同時期，也要結(jié)合單機、分系統(tǒng)及系統(tǒng)不同層面的評價要素狀態(tài)，并針對人機界面各要素給出明確的評價結(jié)論和改進建議。

針對軟件人機界面評價指標，以國際標準組織ISO 頒布的9241 系列標準最為常用，該標準是關(guān)于辦公環(huán)境下視覺顯示終端的人機工程學(xué)國際標準，包含了信息顯示、對話原則等在內(nèi)的各種軟件界面設(shè)計的要求和指導(dǎo)原則，但并不完全適用于中國航天器軟件人機界面的工效評價。 如ISO 9241-11 提出的效率、有效性、滿意度[3]，只是對軟件進行一個整體的評價，評價人員無法通過這些指標判斷問題原因，進而無法提出改進建議[4]；早期的研究者如Shackle[5]提出了評價模型，包含有效性、易學(xué)性、效果等一級核心指標；Lewis[6]提出了ASQ 評價模型，其一級核心指標包含有用、信息質(zhì)量和界面質(zhì)量；Schneiderman[7]把網(wǎng)站響應(yīng)速度(Response speed)、用戶學(xué)習(xí)時間(User learning time)、用戶使用網(wǎng)站后長時間保持的能力(Maintain)、使用過程中的出錯率(Error rate)、使用者的主觀滿意度(Satisfaction)5 個指標列為網(wǎng)站的評價指標集；Jakob Nielsen[8]提出的評價模型包含允許動作回退、一致性、容錯性、防誤、易理解性、主觀滿意度等一級核心因素。上述評價模型在軟件人機界面工效評價領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但是每個研究者提出的軟件人機界面評價指標體系各有不同，且在對各級指標的選取原則、具體過程以及構(gòu)建的一般方法方面研究較少，定性研究較多，定量研究很少，且與相應(yīng)研究問題密切相關(guān)，在具體衡量指標體系的構(gòu)建方面未能形成較為統(tǒng)一的觀點。 在航天領(lǐng)域，NASA 認為人機界面在整個系統(tǒng)中都應(yīng)該是標準的，包括界面的標準化和整個系統(tǒng)操作運行方法的標準化，注重人機界面的一致性和易學(xué)性。 主要從可用性、簡單性、一致性和易讀性4 個通用原則進行了闡述[9]，未系統(tǒng)提出針對軟件人機界面的評價指標體系，并不適用于中國航天器軟件人機界面評價。

國內(nèi)外學(xué)者在選取人機界面綜合評價方法時會把多種評價方法進行結(jié)合[10]，包括認知預(yù)演法，啟發(fā)式評估，有聲思維、問卷法、生理評價法等。 對于航天器軟件人機界面，每一種方法都不能完全勝任工效評價的全部要求，需要把各種方法結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的特點，相互彌補不足。

針對以上問題，本文對航天器軟件人機界面評價指標體系構(gòu)建的一般方法進行探討，給出指標體系構(gòu)建的相關(guān)原則和實施措施。 根據(jù)軟件人機界面要素特點和評價原則，提取評價指標，形成指標體系，并進行有效性檢驗。 針對航天器軟件人機界面評價指標的特點，選擇對應(yīng)的評價方法。對航天器軟件人機界面進行系統(tǒng)的工效學(xué)評價，定位工效問題，并針對工效評價指標給出結(jié)論，提出改進建議。

2 評價指標

2.1 要素分析

界面要素具有不同類型的屬性，這些屬性會影響軟件整體的易用性、可用性。 每個界面要素的屬性可分為3 類：要素屬性、整合屬性和交互屬性[11]，屬性定義及舉例如表1 所示。

表1 界面要素屬性分析[11]Table 1 Interface element attribute analysis[11]

進行航天器軟件人機界面評價時，需針對軟件人機界面具體設(shè)計給出評價結(jié)論[12]。 在梳理評價指標時要將軟件人機界面分解為界面要素。在對航天器軟件人機界面層次架構(gòu)及界面組成分析的基礎(chǔ)上，按照界面要素屬性和交互屬性將界面要素歸為5 類：文字按鈕、文字標簽、圖像按鈕、圖像標簽、文本框，具體特征，如表2 所示。 如界面上有1 個由文字組成的控件，可以點擊，點擊后有反饋，不能輸入文字，不含圖片，則該控件可歸類為文字按鈕。 工效評價人員可根據(jù)表中所述特點對界面要素進行歸類。

表2 界面要素分類Table 2 Classification of interface elements

2.2 評價指標體系

航天器產(chǎn)品的工效學(xué)評價通常根據(jù)產(chǎn)品的層級關(guān)系分為單機級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級評價，在不同層級根據(jù)產(chǎn)品的接口屬性評價不同的工效學(xué)指標及內(nèi)容。 據(jù)此原則，航天器軟件人機界面評價原則分為2 個部分：一是界面要素的可視性、可讀性、可懂性，軟件人機界面被定義為用戶看到、聽到、觸摸或操作的對象的集合，要給出每類顯示頁面中各元素三方面的評價結(jié)論和建議；二是軟件界面的任務(wù)匹配性，評價重點關(guān)注軟件人機界面要素能否完整有效地支撐操作任務(wù)完成、能否保障航天員快捷有效的操作、能否防止誤操作風(fēng)險。

將評價原則向界面要素分解提取評價指標，如評價原則中的任務(wù)匹配性，將該原則向界面要素分解，操作軟件執(zhí)行特定的任務(wù)，首先要考慮的是任務(wù)中需要操作的每個界面要素的屬性；該特定任務(wù)涉及的界面要素大于等于2 個，指的是界面要素的整合屬性；用戶操作界面要素的交互動作，指的是界面要素的交互屬性。 所以任務(wù)匹配性需要將界面要素的3 個屬性都考慮進去。

軟件人機界面的設(shè)計是在軟件使用情境及用戶需求分析的基礎(chǔ)上，進行界面要素、邏輯結(jié)構(gòu)、交互流程的具體設(shè)計[13]。 對軟件人機界面評價可從以下3 個維度考慮：一是界面層，是指界面要素和邏輯結(jié)構(gòu)，對應(yīng)到界面要素屬性是指界面要素的個體屬性和整合屬性；二是操作層，主要是指交互流程的設(shè)計，針對界面要素屬性是交互屬性；三是需求層，是指界面設(shè)計的前提是用戶需求分析，從軟件整體的設(shè)計上來說，是否滿足用戶執(zhí)行該軟件完成特定任務(wù)所需的功能，對軟件的整體使用是否滿意。

界面層主要是指要素屬性和整合屬性，要素屬性主要是指界面要素獨立具有的屬性；整合屬性主要指的是多個界面要素組合起作用，如界面要素的布局、排序或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)等，可將一級指標梳理為界面布局、界面層級、界面信息、界面要素；操作層主要是指界面要素的交互屬性，是用戶操作軟件人機界面時發(fā)生的屬性，可從操作流程和交互要求兩方面進行考慮，操作流程指標是指任務(wù)操作流程應(yīng)該符合用戶操作習(xí)慣和認知期待，用戶可以順暢高效地完成任務(wù)；交互要求指標是指軟件應(yīng)支持用戶完成任務(wù)操作。 針對交互要求共提取了7 個二級指標：操作反饋、防誤、返回功能、搜索、交互暗示、一致性。 以操作反饋指標為例：用戶在操作任務(wù)時，系統(tǒng)應(yīng)不斷告知用戶目前它正在做什么及是如何響應(yīng)用戶輸入的[14]。 反饋是人與界面交互過程中非常重要的一環(huán)，指在執(zhí)行任務(wù)操作時，應(yīng)有信息反饋告知用戶軟件當(dāng)前操作狀態(tài)，如某一任務(wù)操作結(jié)束后應(yīng)有反饋信息，告知用戶任務(wù)是否完成。 以系統(tǒng)響應(yīng)時間為例，0.1 s 是用戶能夠承受的“控制性”的極限；1 s 是用戶能夠承受的“得到回應(yīng)”的極限；10 s 是用戶能夠等待一個動作完成的極限，對應(yīng)響應(yīng)時間應(yīng)提供相應(yīng)的操作反饋；需求層主要從用戶需求、用戶滿意度兩方面來考慮。 最終形成8 個一級指標，51 個二級(底層)指標構(gòu)成的指標體系，一級指標如表3 所示。

2.3 評價指標體系有效性檢驗

對航天器軟件人機界面評價指標體系有效性檢驗，主要是檢驗指標是否覆蓋航天器軟件人機界面所有評價項及每個指標是否必要。 從必要度、重疊度、完備度3 個角度對指標體系進行有效性性檢驗，必要度是檢驗指標體系中各底層指標存在的目的性、必要性[15]；重疊度是檢驗軟件人機界面指標體系的結(jié)構(gòu)冗余度；完備度是檢驗指標體系涵蓋的指標是否全面。

表3 評價指標體系Table 3 Evaluation indicator system

邀請12 名航天工效評價專家對51 個單項指標的必要度進行打分(1，2，3，4，5 分別代表指標非常不必要、比較不必要、一般、比較必要、非常必要)，結(jié)合必要度評判的集中度和離散度求取必要度系數(shù)。 必要度系數(shù)為離散度/集中度，離散度取值越小說明評判意見越集中，一般若離散度取值小于0.63，說明離散度符合要求；集中度取值越大說明重要程度越高，設(shè)置集中度界值為2，說明至少達到一般等級[16]；離散度越小，集中度越高，必要度系數(shù)越小，則該指標必要度越高，限制必要度系數(shù)≤0.63/2 ＝0.315，51 個指標的必要度系數(shù)取值均小于0.315，符合必要度系數(shù)要求。 12名專家對兩兩的重疊度進行打分，第i 個指標與第j 個指標重疊度取值為rij∈[0，1]， rij取值為0，表示兩個指標完全不存在重疊關(guān)系，rij取值為1，表示兩個指標完全重疊。 指標體系綜合重疊度為所有指標重疊度取值之和，設(shè)定嚴格綜合重疊度度系數(shù)為0.1，限制指標集綜合重疊度≤底層指標個數(shù)×嚴格綜合重疊度系數(shù)＝51×0.1 ＝5.1。指標體系綜合重疊度取值為1.83≤5.1，符合重疊度要求。

在對指標體系進行必要度和重疊度打分后，12 名專家已對指標體系有了充分地了解，在此基礎(chǔ)上詢問專家指標體系是否全面。 專家一致認為現(xiàn)有指標體系已覆蓋軟件人機界面評價項目，未提出新指標，現(xiàn)有指標體系符合完備度要求。

3 評價方法

根據(jù)評價指標特點將指標體系中的51 個底層評價指標分為3 種類型：可視可測量指標、用戶操作類指標、主觀感受類指標。 可視可測量的指標可以通過眼睛觀察判斷，也可借助技術(shù)手段來獲取具體的定量數(shù)據(jù)，如字體大小、對比度等；用戶操作類指標主要針對操作反饋、搜索等；用戶主觀感受類指標受到用戶主觀感受及日常操作習(xí)慣及認知的影響，不能由評價者自行評價，需要對用戶進行任務(wù)后調(diào)查來獲取可信的數(shù)據(jù)，進而判斷指標是否達標。 這一類指標主要是指用戶主觀滿意度。

針對以上3 類指標，對應(yīng)選取了5 種具體的評價方法，指標類型與評價方法對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 指標類型與評價方法Table 4 Evaluation indicators and evaluation methods

如表4 所示，按照指標類型及適配的評價方法，將軟件人機界面評價分為3 個輪次：界面要素評價、單一操作任務(wù)評價和情境任務(wù)評價。 單一操作任務(wù)評價主要考慮軟件操作的覆蓋性，情境任務(wù)是在覆蓋性分析的基礎(chǔ)上選取典型情境任務(wù)。

3.1 界面要素評價

采用專家走查法，確定評價指標項，如文字按鈕-字體大小、文字按鈕-字體間距、文字按鈕-對比度、文字按鈕-字體顏色等，編制界面要素走查表，由2～3 名航天工效評價專家持游標卡尺、亮度計等測量工具進行基于顯示界面要素的靜態(tài)評價。

3.2 單一操作任務(wù)評價

單一操作任務(wù)主要考慮軟件操作的覆蓋性，覆蓋軟件所有的功能。 根據(jù)測試任務(wù)梳理對應(yīng)評價指標項，通過任務(wù)操作是否出錯，判斷該任務(wù)涉及的軟件界面是否有工效問題。 判別工效問題主要依據(jù)以下兩點：一是受試者是否能完成任務(wù)，針對設(shè)計好的測試任務(wù)，測試前，預(yù)先定義好每個任務(wù)的標準操作路徑。 測試完成后，與受試者的任務(wù)操作路徑對比，判斷是否出錯，并定位出錯步驟；二是受試者是否能高效地完成任務(wù)，針對受試者操作路徑與標準操作路徑相同的步驟，將受試者任務(wù)操作步驟時長與專家用戶操作步驟時長進行對比。 選取了9 個數(shù)據(jù)指標輔助判別工效問題，如標準操作步數(shù)、受試者實際操作步數(shù)、受試者第i 步驟的操作時長、第i 步驟界面要素是否有注視點等，并針對數(shù)據(jù)指標設(shè)計工效問題判別式。

受試者的選取需滿足具有航天知識背景，接觸過大量軟硬件產(chǎn)品，熟悉航天器艙體環(huán)境，根據(jù)《可用性工程》中“5 個受試者可以發(fā)現(xiàn)80%以上的可用性問題”[14]，確定單一操作任務(wù)評價輪次受試者數(shù)量為5～8 人。

3.3 情境任務(wù)評價

軟件使用環(huán)境決定了使用者的需求特異性，用戶需求指標對于軟件整體設(shè)計來說起決定作用。 單一操作任務(wù)考慮了軟件功能的覆蓋性，但是無法發(fā)現(xiàn)軟件在各種使用情境下可能出現(xiàn)的問題。 所以在覆蓋性分析的基礎(chǔ)上，選取典型情境任務(wù)，結(jié)合真實使用場景進行測試，評價軟件是否滿足真實使用場景下的需求，此評價方法無需設(shè)計測試任務(wù)，在航天員執(zhí)行真實任務(wù)時采集數(shù)據(jù)即可。

4 評價實踐

基于航天器軟件人機界面工效評價指標和評價方法，針對在軌物資信息管理系統(tǒng)軟件、通用計算機程序?qū)Ｓ孟螺d軟件、綜合顯示單元軟件、音頻單元軟件、電子手冊軟件、醫(yī)學(xué)信息綜合管理軟件6 個航天器軟件進行工效評價，來驗證本文提出的航天器軟件人機界面工效評價指標和評價方法，并總結(jié)現(xiàn)有航天器軟件人機界面普遍存在的工效問題，提出改進建議，為之后的軟件界面研制提供設(shè)計指導(dǎo)。

將評價指標與評價方法應(yīng)用到航天器軟件人機界面的工效評價中，發(fā)現(xiàn)不同航天器軟件存在的工效問題具有共性。 經(jīng)統(tǒng)計，各評價輪次發(fā)現(xiàn)的不合格指標數(shù)量占比如圖1 所示。

圖1 各評價輪次發(fā)現(xiàn)不合格指標數(shù)量占比Fig.1 Quantity proportion of unqualified indicators found in each evaluation round

由圖1 所示，界面要素評價輪次發(fā)現(xiàn)不合格指標數(shù)量占比為6%，在所有評價輪次中占比最少，說明航天器軟件整體的可視可讀性較好。 界面要素評價輪次占比較大的不合格指標類型主要是涉及圖像按鈕的對比度、圖像大小及操作空間等，航天器軟件設(shè)計可適當(dāng)增大按鈕與背景界面的對比度；適當(dāng)放大圖像按鈕尺寸及操作空間。

單一操作任務(wù)評價輪次主要考慮軟件操作的覆蓋性，覆蓋軟件所有的功能，發(fā)現(xiàn)的不合格指數(shù)量占比為單一操作任務(wù)評價占比(74%)與單一操作任務(wù)評價＆ 情境任務(wù)評價占比(12%)之和(86%)。 在所有評價輪次中比重最大。 按照指標體系的一級指標對不合格指標分類，界面要素類(24.55%)、交互要求類(22.73%)、界面布局類(20.91%)不合格指標占比較大，3 類不合格指標占比之和占所有不合格指標的68.19%。 建議著重從航天器軟件人機界面的交互方式及界面布局進行改進設(shè)計。

情境任務(wù)評價輪次是在覆蓋性分析的基礎(chǔ)上選取典型情境任務(wù)，結(jié)合真實的使用場景進行測試，發(fā)現(xiàn)的不合格指數(shù)量占比為圖1 中情境任務(wù)評價占比8%及單一操作任務(wù)評價＆ 情境任務(wù)評價占比12%，之和為20%。 情境任務(wù)評價發(fā)現(xiàn)的不合格指標中有57.69%，同單一操作任務(wù)評價發(fā)現(xiàn)的不合格指標一致，情境任務(wù)評價單獨發(fā)現(xiàn)的不合格指標占比為42.31%，說明情境任務(wù)評價可以發(fā)現(xiàn)單一操作任務(wù)評價發(fā)現(xiàn)不了的不合格指標項，證明情境任務(wù)評價是非常必要的。

情境任務(wù)單獨發(fā)現(xiàn)的不合格指標類型數(shù)量占比如圖2 所示。 從圖2 中可以看出用戶需求類不合格指標占比最大，比值為55%，用戶需求對于軟件整體設(shè)計來說是非常重要的，情境任務(wù)評價旨在分析軟件是否滿足真實使用場景的用戶需求，再次驗證了情境任務(wù)評價輪次的必要性和重要性。 建議在軟件設(shè)計前期對航天員進行用戶需求調(diào)研，確保軟件人機界面設(shè)計符合用戶需求。

圖2 情境任務(wù)評價輪次-不合格指標類型數(shù)量占比Fig.2 Situational tasks evaluation round-quantity proportion of unqualified indicator types

5 結(jié)論

1)構(gòu)建了適配于航天器軟件人機界面的工效評價指標體系，含8 個一級指標，51 個二級(底層)指標，并通過了必要度、重疊度和完備度檢驗；

2)構(gòu)建了適配于航天器軟件人機界面評價指標體系的評價方法，包含5 種評價方法，共分為3 個評價輪次；

3)經(jīng)過航天器軟件人機界面工效評價實踐，驗證了評價指標與評價方法的有效性，提煉了現(xiàn)有航天器軟件人機界面普遍存在的工效問題，有助于改進現(xiàn)有航天器軟件人機界面及指導(dǎo)新的航天器軟件人機界面規(guī)避此類工效問題，可提升航天器軟件的可用性、易用性、通用性，對提高航天器軟件人機界面的設(shè)計水平具有直接的應(yīng)用價值。 并可減少培訓(xùn)的學(xué)習(xí)消耗，提升航天員的安全性和工作效率，提高系統(tǒng)績效，保障飛行安全。

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