基于認(rèn)知模型的Andon系統(tǒng)界面布局優(yōu)化

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(yáng)110041；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.華晨寶馬汽車有限公司 鐵西工廠，遼寧 沈陽(yáng)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(guò)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(bào)警器提示負(fù)責(zé)人員到場(chǎng)處理，避免生產(chǎn)中斷。Andon系統(tǒng)的使用有助于實(shí)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(duì)其界面布局進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可減少用戶搜尋信息消耗的時(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)界面布局優(yōu)化的研究主要集中于硬件人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，而對(duì)軟件界面優(yōu)化的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[2]利用遺傳-蟻群算法來(lái)優(yōu)化司機(jī)控制室操縱器的布局；文獻(xiàn)[3]根據(jù)司機(jī)的綜合認(rèn)知模型來(lái)優(yōu)化機(jī)車駕駛界面布局；文獻(xiàn)[4]基于視覺(jué)搜索理論，從案例中總結(jié)了可推廣的布局設(shè)計(jì)策略；文獻(xiàn)[5]根據(jù)FBS(Function-Behaviour-Structure)框架理論和PCP(Probabilistically-Checkable-Proof)理論，給出用于過(guò)程控制的3類系統(tǒng)界面布局方式，并根據(jù)功能測(cè)試指標(biāo)確定了適用于實(shí)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(rèn)知因素的研究方向，如：文獻(xiàn)[6]考慮用戶的感性認(rèn)知習(xí)慣，采用交互式遺傳算法對(duì)產(chǎn)品意向造型設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行的優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]基于消費(fèi)者感性需求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品材質(zhì)意象評(píng)價(jià)方法。

通過(guò)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，在界面布局優(yōu)化領(lǐng)域尚且缺乏基于認(rèn)知模型對(duì)軟件界面進(jìn)行布局優(yōu)化的研究。認(rèn)知模型可用于描述人的認(rèn)知過(guò)程。研究用戶的認(rèn)知特征規(guī)律，可明確阻礙認(rèn)知的環(huán)節(jié)，進(jìn)而指導(dǎo)人機(jī)界面設(shè)計(jì)，以改善用戶的使用體驗(yàn)[8]。對(duì)于布局問(wèn)題，若在建模時(shí)忽略認(rèn)知模型中注意力分布特性、注視習(xí)慣等因素，就會(huì)導(dǎo)致用戶搜尋時(shí)間的浪費(fèi)。因此，本文擬對(duì)人與Andon系統(tǒng)界面的交互過(guò)程進(jìn)行認(rèn)知建模與分析，基于認(rèn)知模型對(duì)現(xiàn)有界面元素進(jìn)行布局優(yōu)化，并提出綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)新舊方案進(jìn)行評(píng)估。

1 界面布局優(yōu)化問(wèn)題

本文以某整車廠總裝車間的Andon系統(tǒng)界面為研究對(duì)象，進(jìn)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(hào)；2.半成品數(shù)量；3.半成品數(shù)量偏差；4.測(cè)試品數(shù)量；5.測(cè)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(hào)；12.工位累計(jì)拉繩次數(shù)；13.生產(chǎn)工位號(hào)；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(shí)間；18.激勵(lì)語(yǔ)圖1 Andon系統(tǒng)原有界面布局方案

該界面布局優(yōu)化問(wèn)題可描述為：在滿足一定約束條件下，對(duì)元素1～18進(jìn)行重新排列，使其具有更優(yōu)的理論指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)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(gè)元素的矩形邊界應(yīng)具有非負(fù)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(fù)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(rèn)知模型的界面布局優(yōu)化

2.1 建立認(rèn)知模型

生產(chǎn)人員與Andon系統(tǒng)界面的交互采用的是開(kāi)環(huán)人機(jī)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(duì)系統(tǒng)控制產(chǎn)生作用[9]。用戶只能以視覺(jué)觀察界面，無(wú)法通過(guò)具體操作對(duì)界面內(nèi)容進(jìn)行修改。該認(rèn)知過(guò)程與計(jì)算機(jī)用戶認(rèn)知圖標(biāo)的過(guò)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(diǎn)和傳統(tǒng)方法中用戶識(shí)別圖標(biāo)[10]的認(rèn)知過(guò)程，提出了圖2所示Andon系統(tǒng)界面的用戶認(rèn)知模型。

圖2 Andon系統(tǒng)界面的用戶認(rèn)知模型

該認(rèn)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(rèn)知過(guò)程。由圖2可知，該認(rèn)知模型包含物理刺激獨(dú)有路線、心理刺激獨(dú)有路線以及兩種刺激的共有路線。

在物理刺激獨(dú)有認(rèn)知路線中，用戶受物理因素驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生認(rèn)知行為，對(duì)界面認(rèn)知的過(guò)程是自下而上的。它包括：①用戶從待刺激狀態(tài)接收視覺(jué)刺激(如屏幕閃爍)或聽(tīng)覺(jué)刺激(如Andon系統(tǒng)的警報(bào)聲音)后，搜尋自己所負(fù)責(zé)工作區(qū)域的Andon系統(tǒng)界面；②用戶對(duì)界面展示內(nèi)容進(jìn)行粗識(shí)別，判斷是否需要前往該區(qū)域；③判斷為“否”時(shí)，用戶停止認(rèn)知并轉(zhuǎn)入待刺激狀態(tài)，若判斷為“是”，則對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的工位進(jìn)行細(xì)識(shí)別；④細(xì)識(shí)別完成后，將識(shí)別所得信息存入工作記憶，提取長(zhǎng)時(shí)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(dú)有認(rèn)知路線中，用戶受意愿或經(jīng)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生認(rèn)知行為，對(duì)界面認(rèn)知的過(guò)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(dòng)將視線轉(zhuǎn)向其就近Andon系統(tǒng)界面的對(duì)應(yīng)區(qū)域；②對(duì)界面所示內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)識(shí)別后，將識(shí)別所得信息存入工作記憶，調(diào)用長(zhǎng)時(shí)記憶并做出相應(yīng)決策。

2.2 確定設(shè)計(jì)原則

從物理刺激與心理刺激的兩條認(rèn)知路線可以看出，搜尋、細(xì)識(shí)別、工作記憶、決策為共有模塊，前3個(gè)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(shí)際問(wèn)題及用戶過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。因此，本文將搜尋、識(shí)別、工作記憶模塊作為布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)模塊。對(duì)這些模塊進(jìn)行優(yōu)化，將會(huì)提高用戶搜尋與識(shí)別的速度，降低記憶負(fù)擔(dān)和決策難度。

在人機(jī)交互過(guò)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(shí)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(jué)疲勞以及信息分散導(dǎo)致的空間浪費(fèi)；降低記憶的難度需要降低信息的復(fù)雜程度，讓界面簡(jiǎn)潔且有明顯的層次感。因此，可確定以下4項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：一致性、易讀性、簡(jiǎn)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(duì)稱的布局方式進(jìn)行放置；易讀性要求界面設(shè)計(jì)符合人類自左向右、自上而下的閱讀習(xí)慣；簡(jiǎn)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(shí)保持適當(dāng)?shù)拈g距，防止局部元素密度過(guò)大或過(guò)小。

2.3 優(yōu)化布局

由于設(shè)計(jì)原則與用戶認(rèn)知過(guò)程、認(rèn)知習(xí)慣存在密不可分的關(guān)系，因此，本文對(duì)界面元素的重要度和使用頻度進(jìn)行了問(wèn)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(gè)等級(jí)，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(jì)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(jì)結(jié)果

表2中，頻度f(wàn)i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(jì)原則和表2中各元素的重要度、頻度、綜合指標(biāo)，對(duì)原有界面布局進(jìn)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(hào)的對(duì)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(shí)間(17)、生產(chǎn)工位號(hào)(13)、工位累計(jì)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(hào)(1)、激勵(lì)語(yǔ)(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(shí)保證信息密度不至于過(guò)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(qiáng)界面的對(duì)稱性；按照元素原名稱中“F0-F1-F2”順序?qū)Π氤善?2，3)、測(cè)試品(4，5)、成品(6，7)各元素進(jìn)行排列，以適應(yīng)用戶由小到大的認(rèn)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(píng)價(jià)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(duì)傳統(tǒng)的單一均衡度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而提出基于平衡度、均衡度、復(fù)雜度的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)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(duì)稱軸兩側(cè)元素重心分布的差異作為衡量依據(jù)。由文獻(xiàn)[11]對(duì)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(duì)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?cái)?shù)量適中，且認(rèn)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(gè)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(yè)面左上部和中上部為“最佳視域”[12]。根據(jù)文獻(xiàn)[13],理想的視覺(jué)注意力分布比例如圖4所示。

圖4 理想的視覺(jué)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(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)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?cái)?shù)量；m為某方向的對(duì)齊點(diǎn)數(shù)量；pn為基于頻率計(jì)算出的第n個(gè)對(duì)齊點(diǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)

本文提出基于權(quán)重的界面布局綜合評(píng)價(jià)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(yàn)打分獲得。這里，ωB=ωE=0.45，ωC=0.1。

按式(1)—式(4)計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于原界面布局方案。其中，子評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化提升率最高達(dá)41%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化提升率為16%。這說(shuō)明，優(yōu)化后方案布局更加合理、整潔，便于用戶對(duì)所需信息的搜尋與認(rèn)知。

4 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)

眼動(dòng)測(cè)試是一種較為有效的無(wú)意識(shí)認(rèn)知評(píng)估方法。為驗(yàn)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(dòng)儀，測(cè)試用戶對(duì)布局優(yōu)化前后界面的認(rèn)知效率；在實(shí)驗(yàn)中模擬生產(chǎn)員工尋找特定元素的過(guò)程，并記錄用戶的注視軌跡、注視點(diǎn)個(gè)數(shù)和注視時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)分別為搜尋第六工位的段前在途庫(kù)存、在制品偏差、成品數(shù)量、拉繩時(shí)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(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，從優(yōu)化后界面搜尋5項(xiàng)任務(wù)所需平均注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、所需平均搜尋時(shí)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(diǎn)個(gè)數(shù)減少75%，平均搜尋時(shí)間減少78%，可見(jiàn)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(shí)長(zhǎng)。根據(jù)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可得，5項(xiàng)任務(wù)在優(yōu)化后方案中注視點(diǎn)個(gè)數(shù)平均減少51%，搜尋時(shí)間平均減少54%。分析可知，理論指標(biāo)與眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明本文布局優(yōu)化方法有效，用戶對(duì)界面信息的識(shí)別能力和響應(yīng)能力均得到提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于認(rèn)知模型對(duì)Andon系統(tǒng)界面進(jìn)行布局優(yōu)化，提出了用戶對(duì)該系統(tǒng)界面的認(rèn)知模型，明確了認(rèn)知過(guò)程中的重點(diǎn)認(rèn)知模塊；針對(duì)這些模塊，根據(jù)一致性、易讀性、簡(jiǎn)潔性和整體性界面設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)優(yōu)化前后方案進(jìn)行評(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化提升率最高達(dá)41%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化提升率為16%。本文利用眼動(dòng)儀測(cè)試了搜尋界面特定元素時(shí)的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)和搜尋時(shí)間。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)個(gè)數(shù)及搜尋時(shí)間，其中注視點(diǎn)個(gè)數(shù)平均減少51%,搜尋時(shí)間平均減少54%。因此，基于認(rèn)知模型的Andon界面布局設(shè)計(jì)方法可有效避免用戶的非生產(chǎn)時(shí)間浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)流程精益化。