防空反導(dǎo)裝備指控艙顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

王大顏, 瞿 玨，2, 王 崴, 張港生，朱 帥

(1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安, 710051; 2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 西安, 710072)

防空反導(dǎo)裝備指控艙顯控臺(tái)顯示界面的直感交互設(shè)計(jì)是指針對(duì)目前指控臺(tái)上顯示界面所存在的問題應(yīng)用直感交互相關(guān)理論進(jìn)行界面元素以及界面布局的設(shè)計(jì)。在當(dāng)前防空反導(dǎo)裝備的顯示界面上，存在著狀態(tài)參數(shù)顯示重復(fù)過多，元素顏色不直觀以及部分參數(shù)的位置設(shè)計(jì)不合理等問題，導(dǎo)致操作人員無法準(zhǔn)確的獲得戰(zhàn)場(chǎng)上的關(guān)鍵信息，增加了認(rèn)知負(fù)荷，降低了操作績效。

傳統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足操作人員的需求，而界面的直感交互設(shè)計(jì)可以充分地考慮操作人員的認(rèn)知特性[1-5]，有效降低操作人員的認(rèn)知負(fù)荷[6]，提高操作績效。針對(duì)界面的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，目前較為適用的評(píng)價(jià)方法有灰色綜合評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法[7-9]。模糊綜合評(píng)價(jià)法相比較于灰色綜合評(píng)價(jià)法更適合用于多種方案的優(yōu)選[10-15]。

本文主要針對(duì)防空反導(dǎo)裝備顯控臺(tái)顯示界面顯示區(qū)域不合理的問題進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)流程，將界面元素分區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域，并建立直感交互界面布局模型對(duì)防空反導(dǎo)裝備顯控臺(tái)界面進(jìn)行直覺化設(shè)計(jì)。最終應(yīng)用多屬性模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行優(yōu)化界面的評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

1 建立界面布局模型

本文依據(jù)任務(wù)流程中指揮控制顯控臺(tái)人機(jī)界面的功能和特征，將界面元素分為信息顯示區(qū)、火力參數(shù)區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)。目前態(tài)勢(shì)信息顯示區(qū)的表格顯示區(qū)的顏色搭配和布局位置不合理，圖符與目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度差，即隱喻度較低。火力參數(shù)區(qū)中狀態(tài)參數(shù)顯示重復(fù)過多、功能、狀態(tài)均使用文字-顏色特征捆綁進(jìn)行區(qū)分，火力參數(shù)區(qū)位置不合理，使得操作人員對(duì)狀態(tài)參數(shù)的直感交互程度低。系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)布局位置不合理，占據(jù)了界面較大的面積，指揮控制席系統(tǒng)狀態(tài)欄不同裝備和系統(tǒng)之間顏色及區(qū)域劃分不明顯，不符合格式塔原則[16-17]。總之，3個(gè)不同的區(qū)域都存在著布局位置不合理的共性問題，因此本文從界面的布局方面出發(fā)，將隱喻度、直感交互、格式塔原則引入界面設(shè)計(jì)中，從而解決界面設(shè)計(jì)不合理的問題。

指揮控制顯控臺(tái)完成作戰(zhàn)任務(wù)需要多種顯示和交互控件，這些控件依據(jù)功能布置在不同的區(qū)域中，設(shè)待布區(qū)域的總數(shù)為M個(gè)，則直感交互界面布局設(shè)計(jì)模型可以描述為將M個(gè)待布區(qū)域合理地分配到交互界面中，并滿足約束條件、設(shè)計(jì)原則以及優(yōu)化目標(biāo)。圖1所示為布局設(shè)計(jì)模型示意圖[18]。

圖1 直感交互界面布局設(shè)計(jì)模型示意圖

以界面左下角為布局空間原點(diǎn)o，建立二維坐標(biāo)系o-xy。設(shè)待布顯示和交互區(qū)域共有M個(gè)，則第i個(gè)待布區(qū)域c可用其中心坐標(biāo)ci=(xi,yi,βi)表示，其中xi,yi表示第i個(gè)待布區(qū)域在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[18]。

防空反導(dǎo)裝備布局設(shè)計(jì)可以看作典型的組合優(yōu)化問題，即尋求最優(yōu)待布區(qū)域坐標(biāo)組合解，在滿足約束條件的情況下實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)最優(yōu)。本文以待布區(qū)域序列C=(c1,c2,…,cM)為設(shè)計(jì)變量，區(qū)域的位置序號(hào)與待布區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，則布局設(shè)計(jì)問題可用式(1)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)[18]：

C={c1,c2,…,cm}，

(1)

式中:ck表示位置k處對(duì)應(yīng)的待布區(qū)域的序號(hào)。

2 模糊層次分析法

2.1 量化分析方法的選擇

人機(jī)交互過程中具有很多不確定的因素，采用傳統(tǒng)的分析方法很難將其中的不確定性展示出來。直覺化的人機(jī)界面比傳統(tǒng)的界面更強(qiáng)調(diào)一種界面對(duì)能夠體現(xiàn)操作人員直覺的生理參數(shù)的理解。傳統(tǒng)的層次分析法在檢驗(yàn)判斷矩陣是否一致時(shí)非常困難，并且檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有一致性缺乏科學(xué)的依據(jù)[18]。模糊層次分析法不僅可以將人機(jī)交互過程中的不確定性表示出來，可以將直覺交互界面的直覺性表達(dá)出來。因此，本文采取模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP)進(jìn)行布局原則的量化。

在進(jìn)行直感交互界面設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)表1的標(biāo)度方法對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行兩兩比較，從而構(gòu)建出判斷矩陣A=(aij)n×n。如果A中的元素滿足式(2)，則將此判斷矩陣稱為模糊互補(bǔ)的判斷矩陣：

表1 判斷矩陣標(biāo)度

aii=0.5,i=1,2,…，m
aij+aji=1,i,j=1,2,…，m

(2)

建立模糊判斷矩陣之后，還需要進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算以及一致性的檢驗(yàn)。模糊判斷矩陣的權(quán)重計(jì)算為：

(3)

式中：aij為判斷矩陣第i行第j列的元素，m為待布區(qū)域個(gè)數(shù)。

由于布局問題涉及的因素較多，而且對(duì)待布區(qū)域的認(rèn)知較為模糊，判斷矩陣的一致性較低，因此本文采用陳友華等[19]提出的一致性檢驗(yàn)方法：

1)相容性指標(biāo)：設(shè)矩陣A=(aij)n×n和B=(bij)n×n均為模糊判斷矩陣，則矩陣A和B的相容性指標(biāo)可表示為：

(4)

2)特征矩陣：設(shè)W=(W1,W2,…,Wn)T為A的權(quán)重向量，其中：

(5)

令Wij=WiWj+Wj,(i,j=1,2,…,n)，則A的特征矩陣為：

W*=(Wij)n×n(4)

(6)

如果相容性指標(biāo)I(A,B)

2.2 構(gòu)建子目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 隱喻度子目標(biāo)函數(shù)

隱喻是直感交互界面常用的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)區(qū)域的隱喻度是直感交互界面布局的重要考量因素。我們邀請(qǐng)武器系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)專家、學(xué)院教員以及參加接改裝訓(xùn)練的戰(zhàn)勤人員對(duì)每個(gè)區(qū)域的隱喻度進(jìn)行評(píng)判，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 隱喻度矩陣標(biāo)度

構(gòu)建隱喻度模糊判斷矩陣為：

(7)

式中：r表示參與評(píng)價(jià)的人數(shù);Mij表示第i個(gè)待布區(qū)域由第j個(gè)評(píng)價(jià)人員給出的隱喻度數(shù)值。

參與評(píng)價(jià)的人員的資歷與權(quán)威不同，因此我們建立式(8)所示專家權(quán)重矩陣：

ωZ=[ωZ1,ωZ2,…,ωZr]T

(8)

Zi=MijωZ

(9)

根據(jù)式(3)計(jì)算隱喻度模糊判斷矩陣的隱喻度權(quán)值，其中待布區(qū)域的重要度權(quán)值用Mai表示。根據(jù)式(4～6)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

點(diǎn)P表示界面最佳視點(diǎn)，通常認(rèn)為界面中心為最佳視點(diǎn)。用歐氏距離dip表示區(qū)域中心點(diǎn)到最佳視點(diǎn)P的距離，計(jì)算方法為：

(10)

則各待布區(qū)域的隱喻度子目標(biāo)函數(shù)為：

(11)

式中：X=(x1,x2,…,xn)是待布區(qū)域在界面空間中x軸方向的坐標(biāo)；Y=(y1,y2,…,yn)表示在y軸方向的坐標(biāo)，待布控件i的x軸坐標(biāo)與y軸坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)[18]。D為常數(shù)，其具體值與界面空間的大小、待布區(qū)域的形狀有關(guān)，也可由專家確定。

2.2.2 重要度子目標(biāo)函數(shù)

待布區(qū)域的重要度取決于區(qū)域中控件的功能以及戰(zhàn)勤人員的主觀認(rèn)知，首先構(gòu)建重要度模糊判斷矩陣：

(12)

式中：r表示參與評(píng)價(jià)的人數(shù)；Iij表示第i個(gè)待布區(qū)域由第j個(gè)評(píng)價(jià)人員給出的重要度數(shù)值。

則待布區(qū)域i的加權(quán)重要度評(píng)分為：

Zi=IijωZ

(13)

根據(jù)式(3)計(jì)算重要度模糊判斷矩陣的重要度權(quán)值，其中待布區(qū)域i的重要度權(quán)值用Imi表示。根據(jù)式(4～6)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

則各待布區(qū)域的重要度子目標(biāo)函數(shù)為：

(14)

2.2.3 使用頻率子目標(biāo)函數(shù)

操作人員執(zhí)行防空反導(dǎo)人機(jī)交互任務(wù)時(shí)，點(diǎn)擊某一區(qū)域的次數(shù)可以用來表征界面上某區(qū)域的重要程度，故某一區(qū)域的使用頻率可以作為評(píng)判界面優(yōu)劣的一個(gè)依據(jù)。通過專家給出的使用頻率的矩陣可以表示為：

(15)

式中：fij表示第i個(gè)待布區(qū)域在任務(wù)j中的使用頻率評(píng)分。

在執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)，每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行頻率決定每個(gè)任務(wù)的權(quán)重，并且相關(guān)的專家會(huì)結(jié)合以往的作戰(zhàn)使用的數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)，給出概率矩陣的參考：

ωE=[ωE1,ωE2,…,ωEg]T

(16)

則待布控區(qū)域i的加權(quán)使用頻率評(píng)分為：

Ei=fijωE

(17)

根據(jù)表1的標(biāo)度法得出使用頻率的模糊判斷矩陣之后，根據(jù)式(3)計(jì)算使用頻率模糊判斷矩陣的重要度權(quán)值，其中待布區(qū)域i的使用頻率權(quán)值用Fri表示。根據(jù)式(4～6)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。則各待布區(qū)域使用頻率子函數(shù)為：

(18)

2.2.4 子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重

常見的確定權(quán)重的方法包括：專家打分法、聚類求均值法、因子排序法、層次分析法以及判別分析法等。本文采用對(duì)各個(gè)子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，見表3。

表3 各個(gè)子目標(biāo)判別分析法計(jì)算示例

在對(duì)各個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行兩兩比較判斷分析時(shí)，重要程度相同的分別2分；兩者相比，較為重要的3分，另一個(gè)1分；兩者相比，更重要的4分，另一個(gè)0分。子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)為：

(19)

式中：gi表示第i個(gè)子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)；ki表示總分；n表示子目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)。

2.2.5 布局總目標(biāo)函數(shù)

將各個(gè)子目標(biāo)函數(shù)與子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)結(jié)合起來，最終可以得到直感交互界面布局設(shè)計(jì)問題總目標(biāo)函數(shù)：

(20)

式中：fi(X,Y)為各子目標(biāo)函數(shù)。

2.3 直感交互界面布局設(shè)計(jì)模型Matlab實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本文所提出的直感交互界面設(shè)計(jì)模型的有效性，我們以指揮控制顯控臺(tái)人機(jī)界面為例進(jìn)行防空反導(dǎo)裝備界面直覺化設(shè)計(jì)。該界面中包含的待布區(qū)域都可以被簡(jiǎn)化成長方形，通過測(cè)量可以得到各個(gè)區(qū)域的大小，如表4所示。布局空間的尺寸為515 mm×287 mm。原顯示界面的布局見圖2。

表4 待布控件尺寸

圖2 原顯示界面布局

2.3.1 布局設(shè)計(jì)模型子目標(biāo)函數(shù)相關(guān)值

利用模糊層次分析法計(jì)算5個(gè)待布控件的隱喻度、重要度、使用頻率子目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)權(quán)值。

1)隱喻度子目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)式(9)計(jì)算出各個(gè)待布區(qū)域的隱喻度加權(quán)評(píng)分，根據(jù)表1的標(biāo)度方法構(gòu)建表5所示的隱喻度模糊判斷矩陣。

表5 隱喻度模糊判斷矩陣

根據(jù)式(3～6)進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算以及一致性的檢驗(yàn)后得到各待布區(qū)域的隱喻度權(quán)值，見表6。

表6 各待布區(qū)域的隱喻度權(quán)值

2)重要度子目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)式(13)計(jì)算出各個(gè)待布區(qū)域重要度加權(quán)之后的評(píng)分，之后根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行排序并且計(jì)算各個(gè)區(qū)域評(píng)分之間的差值，最后依據(jù)評(píng)分和評(píng)分差值大小對(duì)照表1中給出的比較規(guī)則，構(gòu)建出表7的重要度模糊判斷矩陣。

表7 重要程度模糊判斷矩陣

進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算以及一致性的檢驗(yàn)后得到各待布控件的重要度權(quán)值，如表8所示。

表8 各待布控件的重要度權(quán)值

3)使用頻率子目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)式(17)以及表1的標(biāo)度法得出使用頻率的模糊判斷矩陣，如表9所示。

表9 使用頻率模糊判斷矩陣

進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算以及一致性的檢驗(yàn)后得到各待布控件的使用頻率權(quán)值，如表10所示。

表10 各待布控件的使用頻率權(quán)值

最后利用判別分析法計(jì)算3個(gè)布局原則的權(quán)重，并將其帶入適應(yīng)度函數(shù)中(見表11)。

表11 各個(gè)子目標(biāo)判別分析法計(jì)算示例

2.3.2 基于MATLAB的遺傳算法求解

界面的直感交互設(shè)計(jì)需要更多考慮人機(jī)交互過程中的直覺性，具有不確定性和隨意性，而遺傳算法針對(duì)帶有猜測(cè)性質(zhì)的問題優(yōu)化具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此本文選用遺傳算法進(jìn)行布局優(yōu)化問題的求解。

實(shí)驗(yàn)中，得到如圖3所示的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值曲線圖，根據(jù)圖3繪制如圖4所示優(yōu)化后界面布局幾何簡(jiǎn)圖，之后將實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際界面布局設(shè)計(jì)當(dāng)中，如圖5所示。

圖3 目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值曲線圖

圖4 直感交互界面各個(gè)區(qū)域布局圖

圖5 優(yōu)化后界面布局

3 基于多屬性模糊綜合評(píng)價(jià)法的界面評(píng)價(jià)

本文對(duì)原始界面，基于灰色關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化界面以及基于隱喻度子函數(shù)、重要度子函數(shù)和使用頻率子函數(shù)的遺傳算法的優(yōu)化界面進(jìn)行評(píng)價(jià)，界面分布如圖6。原始界面圖6(a)作為參考，圖6(b)定義為待評(píng)價(jià)方案1，本文優(yōu)化界面圖5定義為待評(píng)價(jià)方案2。

圖6 基于不同優(yōu)化方法的界面布局

3.1 建立模型

1)建立指標(biāo)矩陣F對(duì)于由m個(gè)評(píng)價(jià)方案n個(gè)因素指標(biāo)組成的因素指標(biāo)矩陣F有：

(21)

(22)

(23)

從而得出各對(duì)象的加權(quán)距離，其中將di中的最小者即di=min(d1,d2,…,dm)確定為最優(yōu)方案。

3.2 數(shù)據(jù)分析與處理

近似熵和θ波功率計(jì)算公式分別為[20]：

(24)

(25)

依據(jù)式(24)和(25)計(jì)算得到該時(shí)間段的近似熵平均值和θ波功率平均值。腦電信號(hào)處理前后見圖7～8。處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表12?？梢钥闯觯瑑?yōu)化方案不僅提高了被試的操作績效，而且降低了被試的認(rèn)知負(fù)荷。

圖7 原始腦電信號(hào)

圖8 預(yù)處理后的腦電信號(hào)

表12 實(shí)驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)

根據(jù)前文所述，由各評(píng)價(jià)對(duì)象構(gòu)成的集合為：

A={原始界面，待評(píng)價(jià)界面1，待評(píng)價(jià)界面2}

評(píng)價(jià)指標(biāo)集合為：

X={反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)錯(cuò)誤率，近似熵，θ波功率}

對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到3個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的矩陣F為：

(26)

利用德菲爾法[15]確定反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)錯(cuò)誤率、近似熵以及θ波功率等評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為：

W=(0.367，0.349，0.142，0.142)

(27)

(28)

于是，可分別得到各評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)值與最優(yōu)值之間的廣義加權(quán)距離：

d1=1

(29)

d2=0.585

(30)

d3=0.387

(31)

d=min(d1,d2,d3)=d3

(32)

從數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的界面設(shè)計(jì)提高了被試的反應(yīng)速度和反應(yīng)正確率，并降低了腦力負(fù)荷，待評(píng)價(jià)方案1和2更加合理。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于重要度子函數(shù)、隱喻度子函數(shù)和使用頻率子函數(shù)的界面布局優(yōu)化模型，該模型考慮到操作人員的操作習(xí)慣、認(rèn)知和心理特性，并利用遺傳算法進(jìn)行求解；同時(shí)應(yīng)用基于多屬性模糊綜合評(píng)價(jià)的界面評(píng)價(jià)方法，將傳統(tǒng)的人機(jī)界面評(píng)價(jià)指標(biāo)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)錯(cuò)誤率和操作人員的腦電指標(biāo)近似熵、θ波功率相結(jié)合，完成了防空反導(dǎo)裝備指揮控制臺(tái)顯示界面評(píng)價(jià)案例分析。利用本文的評(píng)價(jià)方法對(duì)原始界面、本文優(yōu)化界面以及基于灰色關(guān)聯(lián)度優(yōu)化的界面進(jìn)行評(píng)估結(jié)果證明本文優(yōu)化模型優(yōu)化的界面更加合理。

后續(xù)的工作將進(jìn)行界面上其它顯示元素的研究，比如顯示圖標(biāo)的顏色、大小、目標(biāo)的移動(dòng)速度以及目標(biāo)的動(dòng)態(tài)顯示等，進(jìn)一步完善優(yōu)化方案的界面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將操作人員的眼動(dòng)數(shù)據(jù)和腦電數(shù)據(jù)結(jié)合起來，用于優(yōu)化方案的評(píng)價(jià)，提高結(jié)論的可信度。