工業(yè)產線控制系統(tǒng)中信息表征的有序度算法模型及應用

吳曉莉，王琳琳，張偉偉，顧志峰

(1.南京理工大學 設計藝術與傳媒學院，江蘇 南京 210094；2.東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189;3.河海大學 機電工程學院人因與信息系統(tǒng)交互實驗室，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 工商學院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

交互界面作為工業(yè)產線控制系統(tǒng)承載的巨量信息與操作員的唯一溝通渠道，影響著人機交互的流暢程度。其中不同的信息結構導致了操作員截然不同的搜索路徑，對人機交互生產效率和操作員認知績效有較大影響。因此，信息結構是操作員操作和監(jiān)控的主要影響因素。近年來，國內外在工業(yè)人機交互與信息結構方面進行了相關研究，BAUERLY等[1]、LEE[2]和RYDSTROM等[3]建立了汽車導航界面呈現(xiàn)的實驗模型和仿真環(huán)境。JAMES等[4]闡述了數據流在不同時間尺度下的描述方法。YIM等[5]尋找在有限的屏幕空間上進行復雜信息的界面設計呈現(xiàn)。李晶等[6-8]研究了信息多維屬性的可視化結構映射關系；周蕾等[9-12]驗證了界面布局感性映射模型，以有序度為基礎定量研究了手機APP界面的信息結構優(yōu)劣性。牛亞峰等[13]分析了腦電波幅與圖標的關系；吳曉莉等[14-18]通過信息表征提取人機交互界面的設計因素。張繼國等[19]將信息熵引入到時效性和質效性問題。綜上所述，現(xiàn)有信息結構領域研究非常豐富，在人機交互研究方面具有一定的基礎。工業(yè)產線控制系統(tǒng)人機交互界面的信息承載量過大，視覺信息結構復雜，信息結構相關成果在工業(yè)產線控制系統(tǒng)人機交互的研究仍需深入。本文將通過信息與信息結構的映射關系，展開信息表征，建立一種將有序度熵理論算法應用于工業(yè)產線控制系統(tǒng)視覺信息結構的量化模型。

1 有序度熵理論算法模型的構建

1.1 信息表征

通過對工業(yè)產線控制系統(tǒng)、人機交互、視覺信息結構等方面的研究分析，可以得到信息與信息結構的映射關系。信息特征即信息的關聯(lián)屬性。從信息角度分析，信息表征過程是對信息內在屬性和外在屬性的表征過程。吳曉莉[14]通過設計信息表征得到了航戰(zhàn)系統(tǒng)界面抽象布局圖。從信息結構角度分析，信息表征過程是對信息結構的外在和內在設計過程。建立的信息表征如圖1所示，具體步驟如下。

(1)提取信息關聯(lián)屬性

信息關聯(lián)屬性是視覺信息結構的設計因素。充分理解結構設計因素是優(yōu)化視覺信息結構的前提。提取所有界面的信息元，記錄信息元的關聯(lián)屬性特征(如形式關聯(lián)屬性、時間關聯(lián)屬性、空間關聯(lián)屬性、功能關聯(lián)屬性)，形成表格。

(2)劃分功能區(qū)任務區(qū)

針對表格羅列出的信息元，進一步從關聯(lián)屬性的角度對信息元進行表征。依據某個關聯(lián)屬性將信息元劃分為不同的群集。在工業(yè)產線控制系統(tǒng)，依據功能關聯(lián)屬性，將功能相關的信息元劃分為一個群集，形成功能區(qū)。依據功能關聯(lián)屬性將屬于同一個操作任務的功能區(qū)劃分為一個群集，形成任務區(qū)。

(3)重整層級

將步驟(2)中提取出的功能區(qū)任務區(qū)劃分至不同層級界面，得到層數和各層內的功能區(qū)任務區(qū)布局。重整層級時，需劃分至一個功能區(qū)或任務區(qū)的信息元無法拆開至不同層級；并實現(xiàn)生產管理多屏監(jiān)控和減少層級數量，在合理的前提下，將多個功能區(qū)、任務區(qū)顯示在一個層級。優(yōu)化過程依據信息表征方法設計。信息表征方法的3個步驟依據系統(tǒng)各信息的屬性劃分功能區(qū)、任務區(qū)與整理層級，因此為滿足系統(tǒng)功能性，重整層級是有最優(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)

時效性與質效性此消彼長，因此用有序度表達時效性與質效性的平衡狀態(tài)，用R表示有序度，α表示信息結構的時效權重系數，β表示信息結構的質效權重系數。代入時效熵、最大時效熵、質效熵和最大質效熵，得到有序度R計算公式如下：

(11)

式中：R值越大，系統(tǒng)視覺信息結構的有序度越高，人機交互效率越高，信息結構越合理;反之，R值越小，系統(tǒng)視覺信息結構的有序度越低，人機交互效率越低，信息結構越不合理。

2 有序度熵理論算法模型的應用

2.1 產線控制系統(tǒng)的結構

某企業(yè)產線控制系統(tǒng)的優(yōu)化前界面屬于綜合式信息結構，通過信息表征被轉化為樹狀式信息結構，樹狀式信息結構是有序度的計算基礎。圖1中層數和層內抽象布局圖中的功能任務區(qū)域個數是計算對象有序度的計算基礎。文章將布局抽象化，優(yōu)化后系統(tǒng)結構與優(yōu)化前系統(tǒng)結構的區(qū)別為層級數目和同一層級上的功能任務區(qū)域數量不同。某企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)產線控制系統(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計產線流程，使產品按設定工序自動加工。流程模塊自首頁進入，1級界面包含生產區(qū)段、流程類別和流程設定3項信息元，點擊流程設定進入2級界面，2級界面的訂單簽核狀態(tài)和3級界面的流程信息顯示兩項內容組成列表結構，此列表結構與4級界面的操作方式組成雙重列表結構，訂單簽核狀態(tài)、流程信息顯示和操作方式3種關聯(lián)屬性作為雙重列表結構的行名、列名，各自為一個功能區(qū)。優(yōu)化前系統(tǒng)的流程模塊屬于綜合式信息結構(即包含2種及以上結構的信息結構)。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監(jiān)控產線上任一在制品的生產狀態(tài)。在制品管理模塊自首頁進入，1級界面與上級界面內容重復，應刪除，2級界面中包含生碼作業(yè)、層壓件轉工單作業(yè)、組件序號作廢、生碼組件標簽補印和生產批執(zhí)行5項信息元，點擊生產批執(zhí)行進入3級界面，3級界面中包含內容較多，主要內容是選擇區(qū)域編號、區(qū)段編號、作業(yè)站編號，這3種選擇過程需要反復進出3級界面與相應部分子界面(3個子界面分別對應3、4和5級界面)，3種選擇全部確定后進入6級界面顯示具體生產批狀態(tài)信息。各生產批對應4個相應工作站點，工作站點即7級界面。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)的樹狀式信息結構圖如圖4所示。

2.2 信息表征的應用

以流程模塊為例，優(yōu)化前流程模塊層級冗余、功能混亂，功能相關的信息元散落，信息關聯(lián)性不強，針對此問題，信息表征在流程模塊的應用如下。圖1步驟1提取信息關聯(lián)屬性和步驟2劃分功能區(qū)任務區(qū)應用于流程模塊的表征結果見表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)任務區(qū)重整至不同層級界面，得到層數和各層內抽象布局圖(以2級界面為例)。重整后的信息元、功能區(qū)、任務區(qū)匯總如下：流程模塊待整合的信息元共28項。其中信息元1～信息元3屬于1級界面，不參與2級界面區(qū)域整合；信息元4～信息元28由原來的多個層級被整合至2級界面，優(yōu)化后流程模塊界面的2級界面布局如圖5所示。圖5從信息關聯(lián)屬性角度顯示了2級界面信息元構成的區(qū)塊的詳細布局。其中信息元4～信息元18構成任務區(qū)1(包含功能區(qū)1、功能區(qū)2、8號動態(tài)信息元)，信息元19～信息元28構成任務區(qū)2(包含功能區(qū)3、28號動態(tài)信息元)。整合后的層數由4個層級變?yōu)?個層級，1級界面包含信息元1～信息元3，2級界面包含余下的信息元、功能區(qū)、任務區(qū)。在制品管理模塊與流程模塊的分析同理。

2.3 優(yōu)化后的視覺信息結構

優(yōu)化后的視覺信息結構如圖6所示，將綜合式信息結構通過信息表征轉化為樹狀式信息結構。

3 有序度計算

3.1 優(yōu)化前后系統(tǒng)的抽象結構圖

將圖4和圖6轉化為抽象的信息結構圖，分別命名為結構1和結構2，如圖7和圖8所示。其中，兩結構最底層的黑色點數量一致，代表兩種結構的目標信息元的數量與功能一致，不同點是兩種結構中信息鏈的長度與內容不同，導致信息關聯(lián)不同，操作員找到目標信息的搜索路徑不同。虛線方框標記在對應圓點左側，代表該圓點的次數k(便于后續(xù)計算)。

3.2 時效性與質效性的計算結果

根據路徑長度不同可以總結出兩種信息結構的時效性特點，如表2所示。根據2種信息結構中信息節(jié)點的連通情況，可以總結出不同結構的質效性特點，如表3所示。結合圖7和圖8，虛線方框代表該點的次數k，如當k=1時，經計數可得，結構1的N1值為46，即結構1中有46個D1次點。

表2 2種信息結構的時效性計算結果

表3 2種信息結構的質效性計算結果

由表2表3可知，結構1中存在大量中間層級，“鑰匙孔效應”嚴重，信息搜索過程中節(jié)路數量大大增加外，結構1雖與結構2的質效性相差不大，但是結構1語義指代不明，需要頻繁地進出層級，時效性較差。

3.3 有序度的計算過程

首先計算兩種信息結構的時效熵與最大時效熵的比值，然后計算兩種信息結構的質效熵與最大質效熵的比值，最后選擇合適的權重系數α和β，得出兩種信息結構的有序度。

(1)結構1的時效熵與最大時效熵的比值

由表2可得：

L結構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)結構2的時效熵與最大時效熵的比值

由表2可得：

L結構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)結構1的質效熵與最大質效熵的比值

由表3可得:

D結構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)結構2的質效熵與最大質效熵的比值

由表3可得:

D結構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)結構1與結構2的有序度

基于準確、快速的結構設計原則，取權重系數α和β的值為0.5，計算過程如下：

帶入前兩項計算結果得：

R1=0.206 1,

R2=0.241 2。

由此求得，2種信息結構的有序度分別為0.206 1和0.241 2?？傮w來看，結構2有序度較高，結構1有序度較差，結構2優(yōu)于結構1。因此，對MES產線控制系統(tǒng)視覺信息結構的設計是有意義的。

4 優(yōu)化方案

流程模塊、在制品管理模塊2級界面布局信息結構呈現(xiàn)過程如表4所示。

表4 系統(tǒng)信息結構呈現(xiàn)方案(以2級界面為例)

5 結束語

本文通過信息、信息結構的研究層次，分析得出信息與信息結構的映射關系。針對工業(yè)產線控制系統(tǒng)的視覺信息結構內在設計，建立了基于信息表征的有序度熵理論算法模型，將該模型應用于某企業(yè)MES產線控制系統(tǒng)，得到了優(yōu)化的信息結構，通過計算有序度驗證了模型的有效性。將信息結構和界面布局的研究結果應用于MES產線控制系統(tǒng)的流程模塊，得到了優(yōu)化后的視覺信息結構呈現(xiàn)方案。

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