摘要：文章以核電界面圖符為研究對象，采取李克特量表進行語義距離評價，探究圖符整體方向、拓撲關(guān)系、外部輪廓具體性對其語義距離的影響。結(jié)果表明：核電界面中不同數(shù)據(jù)圖符呈現(xiàn)方式對其語義距離影響不一，將0°圖符左旋90°，圖符語義距離不變；拓撲關(guān)系從相互連接變?yōu)樯舷路蛛x，部分圖符語義距離變長；而輪廓具體圖符相對于輪廓抽象圖符語義距離更短。從語義角度優(yōu)化圖符呈現(xiàn)方式，智能核電圖符將實現(xiàn)更加直觀、智能化的交互體驗，提升核電運行效率和安全性。

關(guān)鍵詞：核電界面圖符；語義距離；整體方向；拓撲關(guān)系；輪廓具體性

中圖分類號： X946" 文獻標志碼： A

基金項目：核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點實驗室開放課題；項目編號：K-A2021.419。南京理工大學科研訓(xùn)練校級重點項目（2023）；項目名稱：基于注意捕獲對核電顯控界面圖標的設(shè)計研究。

作者簡介：周嘉騏（2002— ），男，本科生；研究方向：為人因與信息系統(tǒng)交互。

*通信作者：吳曉莉（1980— ），女，教授，博士；研究方向：為人因與信息系統(tǒng)交互。

0" 引言

隨著智能化工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，新一代智能核電廠主控室已全面實施集中化、自動化與精確化的數(shù)字控制系統(tǒng)［1］，但同時也帶來信息過載、信息認知困難、視覺局限等問題。而在界面中，圖符具有快捷傳遞信息的功能，是人機交互中最直觀、最顯著的影響因素。核電監(jiān)控顯示界面的圖符呈現(xiàn)方式復(fù)雜，不同整體方向、拓撲結(jié)構(gòu)、外部輪廓等影響著操縱員的操作績效。因此，應(yīng)盡量優(yōu)化核電圖符的呈現(xiàn)方式讓操縱員更加高效、安全地完成工作。

在核電界面信息顯示方面，Kim等［2］將新型生態(tài)界面設(shè)計原型應(yīng)用于核電廠數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)；蔣建軍等［3］優(yōu)化了核電廠數(shù)字化規(guī)程在屏之間的布局方法；吳曉莉等［4］表明有拓撲差異性的圖符形狀編碼突顯方式可提高操縱員視覺搜索績效；宿俊海等［5］以NicSys平臺為基礎(chǔ)，給出了核電界面圖符模板的設(shè)計流程和方法。核電界面優(yōu)化、評測可以參考劉亞明等［6］、吳曉莉等［7］人建立的交互界面優(yōu)化和評測模型。

圖符作為核電界面信息的重要組成部分，信息呈現(xiàn)需清晰、易讀，McDougall等［8］提出，語義距離（圖符與其功能表達之間關(guān)系緊密程度）能決定人們對圖符的理解程度。

針對圖形整體方向與語義的關(guān)系，Hinton等［9］提出語義識別表征的存儲與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)；Johnston［10］認為識別表征與方向有無關(guān)系取決于內(nèi)在屬性（如最長軸）與方向有無關(guān)系。而Lawson等［11］研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度大的圖像需要更多時間進行識別。Jolicoeur［12-13］、McMullen 等［14-15］通過實驗得出，相比于原始圖片，被試在為經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的圖片命名時用時更長、正確率更低。

從拓撲學角度，圖形的抽象空間屬性與認知科學密切關(guān)聯(lián)。Biederman等 ［16-17］表明感知啟動可以與大小、位置無關(guān)。Hofmann等［18］提出，自然連接的物體可能具有可以通過物體的幾何形狀（如輪廓上的凹面不連續(xù)性）來區(qū)分的顯著部分。而Spelke［19］認為，接觸和連續(xù)性不需要明確的感知表示，可以從給定的顯示中推斷出隱藏的連接（如視圖中有遮擋物）。

而在探究圖符具體性與語義距離關(guān)系的研究中，Ng等［20］表明，圖符的視覺形象越具體，圖符與其所含語義之間的關(guān)系越強。Samara［21］將輪廓表征描述劃分為“現(xiàn)實-具體-象征-抽象”4個階段，Park等［22］基于該譜系確定保持物體原始輪廓的現(xiàn)實圖符可以輕松識別信息，便于語義識別。Shen等［23］研究發(fā)現(xiàn)當圖標具體時，被試搜索效率更高，并且當任務(wù)變復(fù)雜，其增益也會增加。

此次研究將從圖符本身的呈現(xiàn)方式與語義的一致程度出發(fā)，探究圖符不同呈現(xiàn)方式（整體方向、拓撲關(guān)系、輪廓具體性）對核電設(shè)備圖符語義呈現(xiàn)的影響，以便核電圖符達到較短的語義距離，提高操縱員的操作績效。

1" 實驗

1.1" 實驗?zāi)康?/p>

實驗以核電系統(tǒng)界面圖符為對象，研究圖符整體方向、內(nèi)部拓撲關(guān)系、外部輪廓具體性對其語義距離的影響。

1.2" 實驗設(shè)計

1.2.1" 實驗變量

實驗以圖符整體方向（2組：0°、左旋90°）、內(nèi)部拓撲關(guān)系（2組：相互連接、上下分離）、外部輪廓具體性（2組：強具體性、弱具體性）3個因素為自變量，通過李克特量表進行數(shù)據(jù)采集，探究變量對語義距離的影響。

1.2.2" 實驗假設(shè)

假設(shè)一：0°圖符在左旋90°之后，圖符的語義距離變長。

假設(shè)二：將圖符內(nèi)部拓撲關(guān)系從相互連接變?yōu)樯舷路蛛x之后，圖符語義距離變長。

假設(shè)三：圖符外輪廓的具體性與語義距離存在顯著的相關(guān)性，具體圖符相對于抽象圖符語義距離更短。

1.2.3" 實驗材料和流程

實驗選取核電站工作界面中四類常用設(shè)備圖符中的典型圖符作為語義評價目標對象，實驗材料如圖1—3所示。

開始實驗之前，對每個圖符提供了相關(guān)簡要描述，確保每個被試了解圖符真正含義。實驗開始后，被試需要對每個圖符的語義距離在基于李克特11分制的評定量表上進行評分。每個頁面包含3對依據(jù)同一原始圖符按照3個自變量更改前和更改后的圖符，每個圖符對應(yīng)設(shè)有一個11點評定量表（1=非常不相關(guān)，11=非常相關(guān)），用于語義距離評定。

1.3" 實驗被試

實驗招募了51名被試（年齡20～25歲，平均22.4歲）。所有被試之前均未參加過類似實驗，視力或矯正視力正常，無色盲色弱現(xiàn)象，實驗結(jié)束后提供金錢激勵。

1.4" 實驗結(jié)果

該次實驗面向?qū)ο缶鶠楸究圃谛４髮W生，共得到51份數(shù)據(jù)，剔除作答異常情況，保留有效份數(shù)為45份。依據(jù)廂式圖分別對每個實驗組數(shù)據(jù)進行清洗后，整體方向?qū)嶒灲M、拓撲關(guān)系實驗組、輪廓具體性實驗組有效樣本量分別為42%、86.67%、95.56%。隨后對每個實驗組數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗。

在整體方向?qū)嶒灲M數(shù)據(jù)中，A1A2、B1B2、C1C2、D1D2語義距離差異不顯著（pgt;0.05），如表1所示，表明圖符在向左旋轉(zhuǎn)90°后對于其語義距離沒有顯著影響。考慮清洗后的數(shù)據(jù)樣本量較小可能導(dǎo)致較大的隨機偏差，嘗試將清洗前的原數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗，如表2所示，結(jié)論依舊不變。

在拓撲關(guān)系實驗組數(shù)據(jù)中，A1A3、B1B3語義距離差異具有顯著性（plt;0.001lt;0.05），平均值M均gt;

0，如表3所示，表明在安全閥與三通閥圖符上，拓撲關(guān)系為相互連接的圖符的語義距離顯著長于拓撲關(guān)系為上下分離的圖符。而C1C3、D1D3的語義距離差異不具顯著性（pgt;0.05），表明擋板圖符、泵圖符在更改拓撲關(guān)系后對其語義距離沒有顯著影響。

在輪廓具體性實驗組數(shù)據(jù)中，每個配對組語義距離差異均具有顯著性（plt;0.001lt;0.05），平均值M均lt;0，如表4所示，表明強具體性圖符的語義距離顯著短于弱具體性圖符。

2" 討論

根據(jù)實驗結(jié)果，此次研究探究了核電圖符整體方向（0°和左旋90°）、拓撲關(guān)系（相互連接和上下分離）、外輪廓具體性（具體和抽象）對其語義距離的影響。

在核電界面中時常依據(jù)真實工藝流程設(shè)備方向?qū)D符以90°為倍數(shù)進行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)實驗表明，左旋90°圖符與0°圖符在語義距離上不存在顯著性差異（pgt;0.05），這支持了Hinton等［9］關(guān)于語義識別表征的存儲與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)的結(jié)論。依據(jù)Johnston［10］識別表征理論，該次實驗所用核電圖符材料的內(nèi)在屬性或許與方向無關(guān)。但值得注意的是，圖符的旋轉(zhuǎn)對其語義距離與識別效率或許存在獨立的影響，Lawson等［11］研究表明，圖像旋轉(zhuǎn)后會降低再認的效率。核電界面對圖符以90°為倍數(shù)進行旋轉(zhuǎn)是否會影響操縱員的實際表現(xiàn)還需進一步的研究。

而不同類別的核電圖符或許可以采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)，以作分類和區(qū)分。將現(xiàn)有的拓撲關(guān)系由相互連接更改為上下分離后，安全閥和三通閥圖符的語義距離顯著變長（plt;0.05，Mgt;0），而擋板和泵圖符卻均不存在顯著性差異（pgt;0.05）。結(jié)合Hofmann等［18］的研究，其原因可能是閥類圖符在分割內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)時造成了過強的封閉性，喪失具有顯著部分的幾何形狀，減弱語義表達，但若要證實該猜測，需進一步實驗研究。

現(xiàn)有的核電圖符多采用抽象的基礎(chǔ)幾何形體以及字母進行語義表達。當核電圖符外輪廓由抽象變?yōu)榫唧w時，語義距離顯著變短（p均lt;0.05、Mlt;0），這也印證了Park等［22］關(guān)于具體圖符更利于語義識別的論述。雖然在此次實驗材料設(shè)計中，增強圖符具體性的同時也增強了其復(fù)雜性，使得圖符更具辨別特色［24］。但McDougall等［8］表明，圖符復(fù)雜性主要影響視覺搜索，而具體性則影響語義的獲?。籒g等［25］也表明圖符復(fù)雜性與語義距離不存在明顯的相關(guān)性。因此，可以排除復(fù)雜性對語義距離的影響，更強的具體性更有可能是縮短核電圖符語義距離的主要原因。從圖符外輪廓角度增強核電圖符的具體性，有益于操縱員的語義認知。

3" 結(jié)語

文章對智能核電界面中圖符不同視覺特征與語義距離的關(guān)系進行研究，得出以下結(jié)論：（1）0°圖符在左旋90°之后，圖符的語義距離不變。依據(jù)真實工藝流程設(shè)備方向?qū)D符逆時針旋轉(zhuǎn)90°，不影響操縱員的語義獲取。（2）將圖符內(nèi)部拓撲關(guān)系從相互連接變?yōu)樯舷路蛛x，部分圖符語義距離顯著變長。不宜分割核電圖符內(nèi)部空間。（3）輪廓具體圖符相對于輪廓抽象圖符語義距離顯著更短。從圖符外輪廓角度增強核電圖符的具體性，將更有益于操縱員的語義認知。

智能化趨勢下的核電圖符應(yīng)具有良好的可讀性和清晰度，可以通過增強核電圖符外部輪廓具體性，讓用戶輕松地理解并獲取所需信息。

參考文獻

［1］張力，楊大新，王以群.數(shù)字化控制室信息顯示對人因可靠性的影響［J］.中國安全科學學報，2010（9）：81-85.

［2］KIM S K，SUH S M，JANG G S，et al.Empirical research on an ecological interface design for improving situation awareness of operators in an advanced control room［J］.Nuclear Engineering and Design，2012（253）：226-237.

［3］蔣建軍，張力，王以群，等.核電廠數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局方法及評價［J］.工業(yè)工程，2016（3）：71-76.

［4］吳曉莉，于士康，劉志垚，等.核電廠監(jiān)控顯示界面數(shù)據(jù)圖符信息突顯研究［J］.中國安全科學學報，2022（9）：29-36.

［5］宿俊海，李立，陳山武.基于NicSys的人機界面圖符模板設(shè)計［J］.電腦知識與技術(shù)，2019（7）：203-204.

［6］劉亞明，黃慧.基于視覺感知的人機交互界面優(yōu)化設(shè)計研究［J］.機械設(shè)計與制造工程，2021（3）：5-8.

［7］吳曉莉，鄒義瑤，李琦桉.工業(yè)制造系統(tǒng)信息交互界面綜合認知績效評價模型［J］.機械設(shè)計與制造工程，2022（1）：97-102.

［8］MCDOUGALL S J P，CURRY M B，DE BRUIJN O.Measuring symbol and icon characteristics：Norms for concreteness，complexity，meaningfulness，familiarity，and semantic distance for 239 symbols［J］.Behavior Research Methods，Instruments，and Computers，1999（3）：487-519.

［9］HINTON G E，PARSONS L M.Attention and Performance IX［C］.London：Psychology Press，1984.

［10］JOHNSTON J C.Perception of Print：Reading Research in Experimental Psychology［C］.Hillsdale：Routledge，1981.

［11］LAWSON R，JOLICOEUR P.The effects of plane rotation on the re-cognition of brief masked pictures of familiar objects［J］.Memory and Cognition，1998（4）：791-803.

［12］JOLICOEUR P.Identification of disoriented objects：A dual-systems theory［J］.Mind amp; Language，1990（4）：387-410.

［13］JOLICOEUR P.The time to name disoriented natural objects［J］.Memory and cognition，1985（4）：289-303.

［14］MCMULLEN P A，JOLICOEUR P.The spatial frame of reference in object naming and discrimination of left-right reflections［J］.Memory and Cognition，1990（1）：99-115.

［15］MCMULLEN P A，JOLICOEUR P.Reference frame and effects of orientation on finding the tops of rotated objects［J］.Journal of Experimental Psychology：Human Perception and Performance，1992（3）：807-820.

［16］BIEDERMAN I，COOPER E E.Evidence for complete translational and reflectional invariance in visual object priming［J］.Perception，1991（5）：585-593.

［17］BIEDERMAN I，COOPER E E.Size invariance in visual object priming［J］.Journal of Experimental Psychology：Human Perception and Performance，1992（1）：121-133.

［18］HOFFMAN D D，RICHARDS W A.Parts of recognition［J］.Cognition，1984（1-3）：65-96.

［19］SPELKE E S.Principles of object segregation［J］.Cognitive Science，1990（1）：29-56.

［20］NG A，CHAN A.Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2006，June 20-22，2006［C］.Hong Kong：Newswood Limited，2006.

［21］SAMARA T.Design elements：A graphic style manual［M］.Gloucester：Rockport publishers，2007.

［22］PARK S，LEE Y，PARK S.The study concerning the Concreteness and Abstractness of Icon Design Focused［J］.International Journal of Asia Digital Art and Design Association，2014（3）：48-58.

［23］SHEN Z，ZHANG L，LI R，et al.The effects of icon internal characteristics on complex cognition［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2020（2）：102-990.

［24］GARCA M，BADRE A N，STASKO J T.Development and validation of icons varying in their abstractness［J］.Interacting with Computers，1994（2）：191-211.

［25］NG A，CHAN A.Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2008 Vol II IMECS 2008，March 19-21，2008［C］.Hong Kong：Newswood Limited，2008.

（編輯" 王永超）

Research on the impact of different presentation methods of intelligent nuclear power interface icons on semantic distance

ZHOU" Jiaqi， LUO" Yue， WU" Xiaoli*

（School of Design Arts and Media， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract：" This article takes nuclear power interface symbols as the research object， uses the Likert scale for semantic distance evaluation， and explores the impact of the overall direction， topological relationship， and specificity of external contours on their semantic distance. The results indicate that the presentation mode of different data symbols in the nuclear power interface has varying effects on their semantic distance. Rotating the 0° symbol counterclockwise by 90° does not change the semantic distance of the symbol， changing the topological relationship from interconnected to separated top and bottom increases the semantic distance of some symbols. Symbols with specific outlines have shorter semantic distances compared to symbols with abstract outlines. By optimizing the presentation mode of symbols from a semantic perspective， intelligent nuclear power symbols will achieve a more intuitive and intelligent interactive experience， enhancing the efficiency and safety of nuclear power operation.

Key words： nuclear power interface icon; semantic distance; overall direction; topological relationship; outline concreteness