陳衛(wèi)華，陶 略，毛瑞杰，苑紅濤

(1.華晨寶馬汽車有限公司 大東工廠，遼寧 沈陽110041；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.華晨寶馬汽車有限公司 鐵西工廠，遼寧 沈陽110143)

Andon系統(tǒng)源于日本豐田汽車公司，主要用于收集生產(chǎn)線相關(guān)的質(zhì)量、設(shè)備、物料及排產(chǎn)等生產(chǎn)過程信息，并在系統(tǒng)界面加以展示，在突發(fā)狀況下利用燈光、聲音等的報警器提示負責(zé)人員到場處理，避免生產(chǎn)中斷。Andon系統(tǒng)的使用有助于實現(xiàn)生產(chǎn)信息透明化及平穩(wěn)生產(chǎn)。目前，它已成為整車生產(chǎn)線的重要組成部分[1]。Andon系統(tǒng)界面可供生產(chǎn)人員獲取多種信息。對其界面布局進行合理設(shè)計，可減少用戶搜尋信息消耗的時間，有助于用戶在突發(fā)情況下快速做出決策，減少停產(chǎn)損失。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對界面布局優(yōu)化的研究主要集中于硬件人機界面的設(shè)計，而對軟件界面優(yōu)化的研究相對較少。文獻[2]利用遺傳-蟻群算法來優(yōu)化司機控制室操縱器的布局；文獻[3]根據(jù)司機的綜合認知模型來優(yōu)化機車駕駛界面布局；文獻[4]基于視覺搜索理論，從案例中總結(jié)了可推廣的布局設(shè)計策略；文獻[5]根據(jù)FBS(Function-Behaviour-Structure)框架理論和PCP(Probabilistically-Checkable-Proof)理論，給出用于過程控制的3類系統(tǒng)界面布局方式，并根據(jù)功能測試指標(biāo)確定了適用于實際工況的方案。此外，關(guān)于界面布局優(yōu)化的研究還有考慮認知因素的研究方向，如：文獻[6]考慮用戶的感性認知習(xí)慣，采用交互式遺傳算法對產(chǎn)品意向造型設(shè)計過程進行的優(yōu)化；文獻[7]基于消費者感性需求設(shè)計的產(chǎn)品材質(zhì)意象評價方法。

通過文獻研究發(fā)現(xiàn)，在界面布局優(yōu)化領(lǐng)域尚且缺乏基于認知模型對軟件界面進行布局優(yōu)化的研究。認知模型可用于描述人的認知過程。研究用戶的認知特征規(guī)律，可明確阻礙認知的環(huán)節(jié)，進而指導(dǎo)人機界面設(shè)計，以改善用戶的使用體驗[8]。對于布局問題，若在建模時忽略認知模型中注意力分布特性、注視習(xí)慣等因素，就會導(dǎo)致用戶搜尋時間的浪費。因此，本文擬對人與Andon系統(tǒng)界面的交互過程進行認知建模與分析，基于認知模型對現(xiàn)有界面元素進行布局優(yōu)化，并提出綜合評價指標(biāo)，對新舊方案進行評估。

1 界面布局優(yōu)化問題

本文以某整車廠總裝車間的Andon系統(tǒng)界面為研究對象，進行界面布局優(yōu)化。待布界面為生產(chǎn)線旁懸掛的尺寸為531.5 mm×29.9 mm的顯示屏。其原有界面布局方案如圖1所示。

1.界面序號；2.半成品數(shù)量；3.半成品數(shù)量偏差；4.測試品數(shù)量；5.測試品數(shù)量偏差；6.成品數(shù)量；7.成品數(shù)量偏差；8.前緩沖區(qū)容量上限；9.前緩沖區(qū)在制品量；10.前緩沖區(qū)容量下限；11.生產(chǎn)區(qū)域號；12.工位累計拉繩次數(shù)；13.生產(chǎn)工位號；14.后緩沖區(qū)容量上限；15.后緩沖區(qū)在制品量；16.后緩沖區(qū)容量下限；17.北京時間；18.激勵語圖1 Andon系統(tǒng)原有界面布局方案

該界面布局優(yōu)化問題可描述為：在滿足一定約束條件下，對元素1～18進行重新排列，使其具有更優(yōu)的理論指標(biāo)和實驗指標(biāo)。本文主要考慮重疊約束與邊界約束條件。其中，重疊約束表示任意兩個元素的矩形邊界應(yīng)具有非負的距離值；邊界約束表示任意元素的矩形邊界與布局空間邊界之間具有非負的距離值。由此可確保所有元素都能顯示在界面上且互不重疊。

2 基于認知模型的界面布局優(yōu)化

2.1 建立認知模型

生產(chǎn)人員與Andon系統(tǒng)界面的交互采用的是開環(huán)人機系統(tǒng)，其特征為：系統(tǒng)中不存在反饋回路；系統(tǒng)輸出不對系統(tǒng)控制產(chǎn)生作用[9]。用戶只能以視覺觀察界面，無法通過具體操作對界面內(nèi)容進行修改。該認知過程與計算機用戶認知圖標(biāo)的過程類似，只要了解圖標(biāo)所展示的信息含義即可。本文結(jié)合Andon系統(tǒng)界面工作特點和傳統(tǒng)方法中用戶識別圖標(biāo)[10]的認知過程，提出了圖2所示Andon系統(tǒng)界面的用戶認知模型。

圖2 Andon系統(tǒng)界面的用戶認知模型

該認知模型描述的是用戶在不清楚目前生產(chǎn)狀態(tài)的情況下，受物理刺激(如聲音吸引)或心理刺激(如習(xí)慣引發(fā))而查看Andon系統(tǒng)界面的認知過程。由圖2可知，該認知模型包含物理刺激獨有路線、心理刺激獨有路線以及兩種刺激的共有路線。

在物理刺激獨有認知路線中，用戶受物理因素驅(qū)動產(chǎn)生認知行為，對界面認知的過程是自下而上的。它包括：①用戶從待刺激狀態(tài)接收視覺刺激(如屏幕閃爍)或聽覺刺激(如Andon系統(tǒng)的警報聲音)后，搜尋自己所負責(zé)工作區(qū)域的Andon系統(tǒng)界面；②用戶對界面展示內(nèi)容進行粗識別，判斷是否需要前往該區(qū)域；③判斷為“否”時，用戶停止認知并轉(zhuǎn)入待刺激狀態(tài)，若判斷為“是”，則對出現(xiàn)問題的工位進行細識別；④細識別完成后，將識別所得信息存入工作記憶，提取長時記憶并做出相應(yīng)決策，如確定該區(qū)域所在位置、前往路徑、初步解決方案等。

在心理刺激獨有認知路線中，用戶受意愿或經(jīng)驗的驅(qū)動產(chǎn)生認知行為，對界面認知的過程是自上而下的。它包括：①用戶自發(fā)查看界面的特定內(nèi)容，主動將視線轉(zhuǎn)向其就近Andon系統(tǒng)界面的對應(yīng)區(qū)域；②對界面所示內(nèi)容進行仔細識別后，將識別所得信息存入工作記憶，調(diào)用長時記憶并做出相應(yīng)決策。

2.2 確定設(shè)計原則

從物理刺激與心理刺激的兩條認知路線可以看出，搜尋、細識別、工作記憶、決策為共有模塊，前3個模塊的執(zhí)行效率受布局影響程度較大，而決策效率除受布局影響外，還與用戶遇到的實際問題及用戶過往的經(jīng)驗有關(guān)。因此，本文將搜尋、識別、工作記憶模塊作為布局優(yōu)化設(shè)計的重點模塊。對這些模塊進行優(yōu)化，將會提高用戶搜尋與識別的速度，降低記憶負擔(dān)和決策難度。

在人機交互過程中，降低搜尋信息的難度需要保證元素的整齊程度，滿足人的注視習(xí)慣與邏輯要求；降低識別信息的難度需要調(diào)整元素密度，防止信息集中導(dǎo)致的視覺疲勞以及信息分散導(dǎo)致的空間浪費；降低記憶的難度需要降低信息的復(fù)雜程度，讓界面簡潔且有明顯的層次感。因此，可確定以下4項設(shè)計原則：一致性、易讀性、簡潔性和整體性。其中，一致性要求形狀相似或內(nèi)容相似的元素按照上下或左右對稱的布局方式進行放置；易讀性要求界面設(shè)計符合人類自左向右、自上而下的閱讀習(xí)慣；簡潔性要求界面的復(fù)雜程度低，有明確的行、列之分；整體性要求界面的元素在布局時保持適當(dāng)?shù)拈g距，防止局部元素密度過大或過小。

2.3 優(yōu)化布局

由于設(shè)計原則與用戶認知過程、認知習(xí)慣存在密不可分的關(guān)系，因此，本文對界面元素的重要度和使用頻度進行了問卷調(diào)查。各元素的頻繁情況得分如表1所示。各元素的重要情況得分表同樣分為較不重要、不重要、中等、重要及較重要5個等級，得分依次為1、2、3、4、5，表格在此不再給出。各元素頻度與重要度的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表1 各元素的頻繁情況得分

表2 各元素頻度與重要度的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果

表2中，頻度fi為某元素頻繁情況得分與相應(yīng)提及次數(shù)之比；重要度ei為某元素重要情況得分與相應(yīng)提及次數(shù)之比；綜合指標(biāo)Ii為ei與fi的乘積。本文根據(jù)所確定的設(shè)計原則和表2中各元素的重要度、頻度、綜合指標(biāo)，對原有界面布局進行了優(yōu)化。優(yōu)化后界面布局方案如圖3所示。其中各元素與標(biāo)號的對應(yīng)關(guān)系與圖1一致。

圖3 優(yōu)化后界面布局方案

由圖3可知，優(yōu)化方案將用戶使用較頻繁且重要程度高的北京時間(17)、生產(chǎn)工位號(13)、工位累計拉繩次數(shù)(12)放置在界面的上半部，將用戶使用不頻繁且重要程度低的界面序號(1)、激勵語(18)放置在界面的下半部，可提高用戶搜尋常用或重要內(nèi)容的效率，同時保證信息密度不至于過高；將產(chǎn)量偏差相關(guān)元素(3，5，7)、產(chǎn)量相關(guān)元素(2，4，6)分別置于界面的左、右兩側(cè)，以增強界面的對稱性；按照元素原名稱中“F0-F1-F2”順序?qū)Π氤善?2，3)、測試品(4，5)、成品(6，7)各元素進行排列，以適應(yīng)用戶由小到大的認知習(xí)慣。此外，與內(nèi)容、功能相關(guān)或有序列要求的元素(如3，5，7)間的距離被縮近，易混淆的元素(如2，3)間的距離被拉大。

3 評價指標(biāo)的確定

為比較界面布局優(yōu)化前后的優(yōu)劣，本文先對傳統(tǒng)的單一均衡度評價指標(biāo)進行改進，進而提出基于平衡度、均衡度、復(fù)雜度的綜合評價指標(biāo)，對設(shè)計方案進行評估。

3.1 平衡度

平衡度體現(xiàn)的是界面整體布局重心與設(shè)定值的差異。它通常以界面框架的水平、垂直對稱軸兩側(cè)元素重心分布的差異作為衡量依據(jù)。由文獻[11]對界面布局平衡度的定義可知，界面布局平衡度為：

(1)

3.2 均衡度

均衡度體現(xiàn)的是界面各區(qū)域元素對用戶注意力的吸引程度與設(shè)定值的差異。它要求各區(qū)域包含元素數(shù)量適中，且認為關(guān)鍵的元素應(yīng)在較好的視域內(nèi)。傳統(tǒng)方法中衡量一個元素是否關(guān)鍵，可選擇表2中的綜合指標(biāo)Ii，應(yīng)使界面各區(qū)域包含元素的“總關(guān)鍵程度”比例相近[3]。但由于人的注視習(xí)慣為從左至右、從上而下，頁面左上部和中上部為“最佳視域”[12]。根據(jù)文獻[13],理想的視覺注意力分布比例如圖4所示。

圖4 理想的視覺注意力分布比例

本文將關(guān)鍵程度指標(biāo)與注意力分布相結(jié)合，得出的界面均衡度為：

(2)

3.3 復(fù)雜度

Comber與Maltby[14]提出的“布局復(fù)雜度”度量方法是根據(jù)元素在各方向?qū)R點的個數(shù)來衡量特定界面布局復(fù)雜程度的。沿垂直方向或水平方向的系統(tǒng)界面布局復(fù)雜度為：

(3)

式中：N為元素數(shù)量；m為某方向的對齊點數(shù)量；pn為基于頻率計算出的第n個對齊點出現(xiàn)的概率?？倧?fù)雜度為各方向復(fù)雜度平方和的平方根。

3.4 綜合評價指標(biāo)

本文提出基于權(quán)重的界面布局綜合評價指標(biāo)S。

S=ωB·B+ωE·E+ωC·C

(4)

式中ωB，ωE,ωC分別為各子指標(biāo)的權(quán)重，由專家組根據(jù)經(jīng)驗打分獲得。這里，ωB=ωE=0.45，ωC=0.1。

按式(1)—式(4)計算，可得優(yōu)化前后的界面布局得分(表3)。

表3 優(yōu)化前后的界面布局得分

由表3可知，優(yōu)化后界面布局方案的平衡度、均衡度、復(fù)雜度和綜合評價指標(biāo)均優(yōu)于原界面布局方案。其中，子評價指標(biāo)的優(yōu)化提升率最高達41%，綜合評價指標(biāo)優(yōu)化提升率為16%。這說明，優(yōu)化后方案布局更加合理、整潔，便于用戶對所需信息的搜尋與認知。

4 眼動實驗

眼動測試是一種較為有效的無意識認知評估方法。為驗證優(yōu)化后界面布局方案的效果，本文使用Senso Motoric Instruments公司的頭戴式眼動儀，測試用戶對布局優(yōu)化前后界面的認知效率；在實驗中模擬生產(chǎn)員工尋找特定元素的過程，并記錄用戶的注視軌跡、注視點個數(shù)和注視時間。

實驗任務(wù)分別為搜尋第六工位的段前在途庫存、在制品偏差、成品數(shù)量、拉繩時間、拉繩次數(shù)(分別記作工作任務(wù)1、任務(wù)2、任務(wù)3、任務(wù)4、任務(wù)5)。眼動實驗結(jié)果如表4所示。

表4 眼動實驗結(jié)果

由表4可知，從優(yōu)化后界面搜尋5項任務(wù)所需平均注視點個數(shù)、所需平均搜尋時間均小于優(yōu)化前方案，其中優(yōu)化效果最明顯的任務(wù)為第六工位的拉繩次數(shù)，平均注視點個數(shù)減少75%，平均搜尋時間減少78%，可見優(yōu)化后方案能夠快速將用戶注意力轉(zhuǎn)移至目標(biāo)元素，有效縮短用戶的工作時長。根據(jù)眼動實驗結(jié)果計算可得，5項任務(wù)在優(yōu)化后方案中注視點個數(shù)平均減少51%，搜尋時間平均減少54%。分析可知，理論指標(biāo)與眼動實驗結(jié)果都表明本文布局優(yōu)化方法有效，用戶對界面信息的識別能力和響應(yīng)能力均得到提高。

5 結(jié)束語

本文基于認知模型對Andon系統(tǒng)界面進行布局優(yōu)化，提出了用戶對該系統(tǒng)界面的認知模型，明確了認知過程中的重點認知模塊；針對這些模塊，根據(jù)一致性、易讀性、簡潔性和整體性界面設(shè)計原則設(shè)計了新的布局方案；提出了基于界面布局平衡度、均衡度、復(fù)雜度的綜合評價指標(biāo)，對優(yōu)化前后方案進行評估。結(jié)果顯示，優(yōu)化后方案各指標(biāo)均優(yōu)于優(yōu)化前，子評價指標(biāo)的優(yōu)化提升率最高達41%，綜合評價指標(biāo)優(yōu)化提升率為16%。本文利用眼動儀測試了搜尋界面特定元素時的注視點個數(shù)和搜尋時間。實驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后方案顯著減少了用戶搜尋元素的注視點個數(shù)及搜尋時間，其中注視點個數(shù)平均減少51%,搜尋時間平均減少54%。因此，基于認知模型的Andon界面布局設(shè)計方法可有效避免用戶的非生產(chǎn)時間浪費，提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)流程精益化。