吳曉莉，王琳琳，張偉偉，顧志峰

(1.南京理工大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189;3.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院人因與信息系統(tǒng)交互實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213022；4.天合光能股份有限公司，江蘇 常州 213000；5.安徽工業(yè)大學(xué) 工商學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

交互界面作為工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)承載的巨量信息與操作員的唯一溝通渠道，影響著人機(jī)交互的流暢程度。其中不同的信息結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了操作員截然不同的搜索路徑，對(duì)人機(jī)交互生產(chǎn)效率和操作員認(rèn)知績(jī)效有較大影響。因此，信息結(jié)構(gòu)是操作員操作和監(jiān)控的主要影響因素。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在工業(yè)人機(jī)交互與信息結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了相關(guān)研究，BAUERLY等[1]、LEE[2]和RYDSTROM等[3]建立了汽車(chē)導(dǎo)航界面呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头抡姝h(huán)境。JAMES等[4]闡述了數(shù)據(jù)流在不同時(shí)間尺度下的描述方法。YIM等[5]尋找在有限的屏幕空間上進(jìn)行復(fù)雜信息的界面設(shè)計(jì)呈現(xiàn)。李晶等[6-8]研究了信息多維屬性的可視化結(jié)構(gòu)映射關(guān)系；周蕾等[9-12]驗(yàn)證了界面布局感性映射模型，以有序度為基礎(chǔ)定量研究了手機(jī)APP界面的信息結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性。牛亞峰等[13]分析了腦電波幅與圖標(biāo)的關(guān)系；吳曉莉等[14-18]通過(guò)信息表征提取人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)因素。張繼國(guó)等[19]將信息熵引入到時(shí)效性和質(zhì)效性問(wèn)題。綜上所述，現(xiàn)有信息結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究非常豐富，在人機(jī)交互研究方面具有一定的基礎(chǔ)。工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面的信息承載量過(guò)大，視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息結(jié)構(gòu)相關(guān)成果在工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)人機(jī)交互的研究仍需深入。本文將通過(guò)信息與信息結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，展開(kāi)信息表征，建立一種將有序度熵理論算法應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)的量化模型。

1 有序度熵理論算法模型的構(gòu)建

1.1 信息表征

通過(guò)對(duì)工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互、視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)等方面的研究分析，可以得到信息與信息結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系。信息特征即信息的關(guān)聯(lián)屬性。從信息角度分析，信息表征過(guò)程是對(duì)信息內(nèi)在屬性和外在屬性的表征過(guò)程。吳曉莉[14]通過(guò)設(shè)計(jì)信息表征得到了航戰(zhàn)系統(tǒng)界面抽象布局圖。從信息結(jié)構(gòu)角度分析，信息表征過(guò)程是對(duì)信息結(jié)構(gòu)的外在和內(nèi)在設(shè)計(jì)過(guò)程。建立的信息表征如圖1所示，具體步驟如下。

(1)提取信息關(guān)聯(lián)屬性

信息關(guān)聯(lián)屬性是視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)因素。充分理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素是優(yōu)化視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)的前提。提取所有界面的信息元，記錄信息元的關(guān)聯(lián)屬性特征(如形式關(guān)聯(lián)屬性、時(shí)間關(guān)聯(lián)屬性、空間關(guān)聯(lián)屬性、功能關(guān)聯(lián)屬性)，形成表格。

(2)劃分功能區(qū)任務(wù)區(qū)

針對(duì)表格羅列出的信息元，進(jìn)一步從關(guān)聯(lián)屬性的角度對(duì)信息元進(jìn)行表征。依據(jù)某個(gè)關(guān)聯(lián)屬性將信息元?jiǎng)澐譃椴煌娜杭?。在工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)，依據(jù)功能關(guān)聯(lián)屬性，將功能相關(guān)的信息元?jiǎng)澐譃橐粋€(gè)群集，形成功能區(qū)。依據(jù)功能關(guān)聯(lián)屬性將屬于同一個(gè)操作任務(wù)的功能區(qū)劃分為一個(gè)群集，形成任務(wù)區(qū)。

(3)重整層級(jí)

將步驟(2)中提取出的功能區(qū)任務(wù)區(qū)劃分至不同層級(jí)界面，得到層數(shù)和各層內(nèi)的功能區(qū)任務(wù)區(qū)布局。重整層級(jí)時(shí)，需劃分至一個(gè)功能區(qū)或任務(wù)區(qū)的信息元無(wú)法拆開(kāi)至不同層級(jí)；并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理多屏監(jiān)控和減少層級(jí)數(shù)量，在合理的前提下，將多個(gè)功能區(qū)、任務(wù)區(qū)顯示在一個(gè)層級(jí)。優(yōu)化過(guò)程依據(jù)信息表征方法設(shè)計(jì)。信息表征方法的3個(gè)步驟依據(jù)系統(tǒng)各信息的屬性劃分功能區(qū)、任務(wù)區(qū)與整理層級(jí)，因此為滿(mǎn)足系統(tǒng)功能性，重整層級(jí)是有最優(yōu)解的。

1.2 有序度熵理論算法模型

(1)

Rij=-PijlogPij;

(2)

Pij=Lij/L;

(3)

(4)

(5)

(6)

Hi=-FilogFi;

(7)

Fi=Di/D;

(8)

(9)

(10)

時(shí)效性與質(zhì)效性此消彼長(zhǎng)，因此用有序度表達(dá)時(shí)效性與質(zhì)效性的平衡狀態(tài)，用R表示有序度，α表示信息結(jié)構(gòu)的時(shí)效權(quán)重系數(shù)，β表示信息結(jié)構(gòu)的質(zhì)效權(quán)重系數(shù)。代入時(shí)效熵、最大時(shí)效熵、質(zhì)效熵和最大質(zhì)效熵，得到有序度R計(jì)算公式如下：

(11)

式中：R值越大，系統(tǒng)視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)的有序度越高，人機(jī)交互效率越高，信息結(jié)構(gòu)越合理;反之，R值越小，系統(tǒng)視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)的有序度越低，人機(jī)交互效率越低，信息結(jié)構(gòu)越不合理。

2 有序度熵理論算法模型的應(yīng)用

2.1 產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

某企業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化前界面屬于綜合式信息結(jié)構(gòu)，通過(guò)信息表征被轉(zhuǎn)化為樹(shù)狀式信息結(jié)構(gòu)，樹(shù)狀式信息結(jié)構(gòu)是有序度的計(jì)算基礎(chǔ)。圖1中層數(shù)和層內(nèi)抽象布局圖中的功能任務(wù)區(qū)域個(gè)數(shù)是計(jì)算對(duì)象有序度的計(jì)算基礎(chǔ)。文章將布局抽象化，優(yōu)化后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的區(qū)別為層級(jí)數(shù)目和同一層級(jí)上的功能任務(wù)區(qū)域數(shù)量不同。某企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的主要研究范圍是流程模塊和在制品管理模塊。流程模塊可以自主設(shè)計(jì)產(chǎn)線(xiàn)流程，使產(chǎn)品按設(shè)定工序自動(dòng)加工。流程模塊自首頁(yè)進(jìn)入，1級(jí)界面包含生產(chǎn)區(qū)段、流程類(lèi)別和流程設(shè)定3項(xiàng)信息元，點(diǎn)擊流程設(shè)定進(jìn)入2級(jí)界面，2級(jí)界面的訂單簽核狀態(tài)和3級(jí)界面的流程信息顯示兩項(xiàng)內(nèi)容組成列表結(jié)構(gòu)，此列表結(jié)構(gòu)與4級(jí)界面的操作方式組成雙重列表結(jié)構(gòu)，訂單簽核狀態(tài)、流程信息顯示和操作方式3種關(guān)聯(lián)屬性作為雙重列表結(jié)構(gòu)的行名、列名，各自為一個(gè)功能區(qū)。優(yōu)化前系統(tǒng)的流程模塊屬于綜合式信息結(jié)構(gòu)(即包含2種及以上結(jié)構(gòu)的信息結(jié)構(gòu))。流程模塊優(yōu)化前部分界面如圖2所示。

在制品管理模塊的作用是及時(shí)監(jiān)控產(chǎn)線(xiàn)上任一在制品的生產(chǎn)狀態(tài)。在制品管理模塊自首頁(yè)進(jìn)入，1級(jí)界面與上級(jí)界面內(nèi)容重復(fù)，應(yīng)刪除，2級(jí)界面中包含生碼作業(yè)、層壓件轉(zhuǎn)工單作業(yè)、組件序號(hào)作廢、生碼組件標(biāo)簽補(bǔ)印和生產(chǎn)批執(zhí)行5項(xiàng)信息元，點(diǎn)擊生產(chǎn)批執(zhí)行進(jìn)入3級(jí)界面，3級(jí)界面中包含內(nèi)容較多，主要內(nèi)容是選擇區(qū)域編號(hào)、區(qū)段編號(hào)、作業(yè)站編號(hào)，這3種選擇過(guò)程需要反復(fù)進(jìn)出3級(jí)界面與相應(yīng)部分子界面(3個(gè)子界面分別對(duì)應(yīng)3、4和5級(jí)界面)，3種選擇全部確定后進(jìn)入6級(jí)界面顯示具體生產(chǎn)批狀態(tài)信息。各生產(chǎn)批對(duì)應(yīng)4個(gè)相應(yīng)工作站點(diǎn)，工作站點(diǎn)即7級(jí)界面。在制品管理模塊優(yōu)化前部分界面如圖3所示。

綜上，優(yōu)化前的系統(tǒng)的樹(shù)狀式信息結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2 信息表征的應(yīng)用

以流程模塊為例，優(yōu)化前流程模塊層級(jí)冗余、功能混亂，功能相關(guān)的信息元散落，信息關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，針對(duì)此問(wèn)題，信息表征在流程模塊的應(yīng)用如下。圖1步驟1提取信息關(guān)聯(lián)屬性和步驟2劃分功能區(qū)任務(wù)區(qū)應(yīng)用于流程模塊的表征結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 流程模塊信息元表征

將步驟2中提取出的功能區(qū)任務(wù)區(qū)重整至不同層級(jí)界面，得到層數(shù)和各層內(nèi)抽象布局圖(以2級(jí)界面為例)。重整后的信息元、功能區(qū)、任務(wù)區(qū)匯總?cè)缦拢毫鞒棠K待整合的信息元共28項(xiàng)。其中信息元1～信息元3屬于1級(jí)界面，不參與2級(jí)界面區(qū)域整合；信息元4～信息元28由原來(lái)的多個(gè)層級(jí)被整合至2級(jí)界面，優(yōu)化后流程模塊界面的2級(jí)界面布局如圖5所示。圖5從信息關(guān)聯(lián)屬性角度顯示了2級(jí)界面信息元構(gòu)成的區(qū)塊的詳細(xì)布局。其中信息元4～信息元18構(gòu)成任務(wù)區(qū)1(包含功能區(qū)1、功能區(qū)2、8號(hào)動(dòng)態(tài)信息元)，信息元19～信息元28構(gòu)成任務(wù)區(qū)2(包含功能區(qū)3、28號(hào)動(dòng)態(tài)信息元)。整合后的層數(shù)由4個(gè)層級(jí)變?yōu)?個(gè)層級(jí)，1級(jí)界面包含信息元1～信息元3，2級(jí)界面包含余下的信息元、功能區(qū)、任務(wù)區(qū)。在制品管理模塊與流程模塊的分析同理。

2.3 優(yōu)化后的視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)如圖6所示，將綜合式信息結(jié)構(gòu)通過(guò)信息表征轉(zhuǎn)化為樹(shù)狀式信息結(jié)構(gòu)。

3 有序度計(jì)算

3.1 優(yōu)化前后系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)圖

將圖4和圖6轉(zhuǎn)化為抽象的信息結(jié)構(gòu)圖，分別命名為結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2，如圖7和圖8所示。其中，兩結(jié)構(gòu)最底層的黑色點(diǎn)數(shù)量一致，代表兩種結(jié)構(gòu)的目標(biāo)信息元的數(shù)量與功能一致，不同點(diǎn)是兩種結(jié)構(gòu)中信息鏈的長(zhǎng)度與內(nèi)容不同，導(dǎo)致信息關(guān)聯(lián)不同，操作員找到目標(biāo)信息的搜索路徑不同。虛線(xiàn)方框標(biāo)記在對(duì)應(yīng)圓點(diǎn)左側(cè)，代表該圓點(diǎn)的次數(shù)k(便于后續(xù)計(jì)算)。

3.2 時(shí)效性與質(zhì)效性的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)路徑長(zhǎng)度不同可以總結(jié)出兩種信息結(jié)構(gòu)的時(shí)效性特點(diǎn)，如表2所示。根據(jù)2種信息結(jié)構(gòu)中信息節(jié)點(diǎn)的連通情況，可以總結(jié)出不同結(jié)構(gòu)的質(zhì)效性特點(diǎn)，如表3所示。結(jié)合圖7和圖8，虛線(xiàn)方框代表該點(diǎn)的次數(shù)k，如當(dāng)k=1時(shí)，經(jīng)計(jì)數(shù)可得，結(jié)構(gòu)1的N1值為46，即結(jié)構(gòu)1中有46個(gè)D1次點(diǎn)。

表2 2種信息結(jié)構(gòu)的時(shí)效性計(jì)算結(jié)果

表3 2種信息結(jié)構(gòu)的質(zhì)效性計(jì)算結(jié)果

由表2表3可知，結(jié)構(gòu)1中存在大量中間層級(jí)，“鑰匙孔效應(yīng)”嚴(yán)重，信息搜索過(guò)程中節(jié)路數(shù)量大大增加外，結(jié)構(gòu)1雖與結(jié)構(gòu)2的質(zhì)效性相差不大，但是結(jié)構(gòu)1語(yǔ)義指代不明，需要頻繁地進(jìn)出層級(jí)，時(shí)效性較差。

3.3 有序度的計(jì)算過(guò)程

首先計(jì)算兩種信息結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵與最大時(shí)效熵的比值，然后計(jì)算兩種信息結(jié)構(gòu)的質(zhì)效熵與最大質(zhì)效熵的比值，最后選擇合適的權(quán)重系數(shù)α和β，得出兩種信息結(jié)構(gòu)的有序度。

(1)結(jié)構(gòu)1的時(shí)效熵與最大時(shí)效熵的比值

由表2可得：

L結(jié)構(gòu)1=63×1+61×2+57×3+48×4+

43×5+6×6+5×7+4×8=866。

由式(1)～式(5)可得：

=[63×1/866×lg(866/1)+61×2/866×

lg(866/2)+57×3/866×lg(866/3)+

48×4/866×lg(866/4)+43×5/866×

lg(866/5)+6×6/866×lg(866/6)+

5×7/866×lg(866/7)+4×8/866×

lg(866/8)]/lg(866)=0.815 0。

(2)結(jié)構(gòu)2的時(shí)效熵與最大時(shí)效熵的比值

由表2可得：

L結(jié)構(gòu)2=52×1+50×2+46×3+5×4+

4×5+0×6+0×7+0×8=330。

由式(1)～式(5)可得：

=[52×1/330×lg(330/1)+5×2/330×

lg(330/2)+46×3/330×lg(330/3)+

5×4/330×lg(330/4)+4×5/330×

lg(330/5)+0+0+0]/lg(330)=0.853 2。

(3)結(jié)構(gòu)1的質(zhì)效熵與最大質(zhì)效熵的比值

由表3可得:

D結(jié)構(gòu)1=46×1+10×2+1×4+2×5+

1×6+4×10+0×37=126。

由式(6)～式(10)可得：

=[46×1/126×lg(126/1)+10×2/126×

lg(126/2)+1×4/126×lg(126/4)+2×5/

126×lg(126/5)+1×6/126×lg(126/6)+

4×10/126×lg(126/10)+0]/lg(126)

=0.772 9。

(4)結(jié)構(gòu)2的質(zhì)效熵與最大質(zhì)效熵的比值

由表3可得:

D結(jié)構(gòu)2=46×1+3×2+1×4+1×5+

1×6+0×10+1×37=104。

由式(6)～式(10)可得：

=[46×1/104×lg(104/1)+3×2/104×

lg(104/2)+1×4/104×lg(104/4)+1×5/104×

lg(104/5)+1×6/104×lg(104/6)+0+

1×37/104×lg(104/37)]/lg(104)

=0.664 4。

(5)結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的有序度

基于準(zhǔn)確、快速的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，取權(quán)重系數(shù)α和β的值為0.5，計(jì)算過(guò)程如下：

帶入前兩項(xiàng)計(jì)算結(jié)果得：

R1=0.206 1,

R2=0.241 2。

由此求得，2種信息結(jié)構(gòu)的有序度分別為0.206 1和0.241 2。總體來(lái)看，結(jié)構(gòu)2有序度較高，結(jié)構(gòu)1有序度較差，結(jié)構(gòu)2優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。因此，對(duì)MES產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是有意義的。

4 優(yōu)化方案

流程模塊、在制品管理模塊2級(jí)界面布局信息結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)過(guò)程如表4所示。

表4 系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)方案(以2級(jí)界面為例)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)信息、信息結(jié)構(gòu)的研究層次，分析得出信息與信息結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系。針對(duì)工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)內(nèi)在設(shè)計(jì)，建立了基于信息表征的有序度熵理論算法模型，將該模型應(yīng)用于某企業(yè)MES產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)，得到了優(yōu)化的信息結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算有序度驗(yàn)證了模型的有效性。將信息結(jié)構(gòu)和界面布局的研究結(jié)果應(yīng)用于MES產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的流程模塊，得到了優(yōu)化后的視覺(jué)信息結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)方案。

該信息表征的有序度算法模型，能夠廣泛應(yīng)用于制造集成系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，有效提高多維度復(fù)雜信息呈現(xiàn)下的有序性。