面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)分析

王 卉，余隋懷，陳登凱，葉 聰，張 偉，朱夢雅

(1.工業(yè)設(shè)計(jì)與人機(jī)工效工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北工業(yè)大學(xué)),西安 710072；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214000)

載人潛水器駕駛艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，潛器駕駛作業(yè)過程中潛航員除機(jī)械操縱外，還要對艙室內(nèi)任務(wù)相關(guān)各類信息資源進(jìn)行管理與監(jiān)控，是一個(gè)密集人機(jī)交互過程[1]。由于長久的地面生活，人們習(xí)慣相對于水平面的視距判斷，在視域有限、地況復(fù)雜的深海環(huán)境下進(jìn)行立體空間航向、航距、避碰等信息的準(zhǔn)確判斷較為困難，為潛航員任務(wù)信息處理帶來了風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)[2]。因此研究載人潛水器潛航員認(rèn)知內(nèi)面向任務(wù)的人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化人機(jī)交互過程具有重要意義。

目前載人潛水器相關(guān)研究多側(cè)重于材料、結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能等方面[3-5]，在人因效能方面，有研究從生理舒適性角度，通過優(yōu)化艙內(nèi)物理環(huán)境來提升人因效能，例如張帥等[6]針對深海載人潛水器強(qiáng)約束條件下艙室空間舒適性,提出基于虛擬仿真技術(shù)的艙室可視化空間舒適性多源復(fù)合評估方法。李洋洋等[7]對人員下肢循環(huán)與肌肉疲勞展開研究，以改善潛航員生理舒適性；或從潛航員腦力負(fù)荷與信息認(rèn)知角度出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究不同任務(wù)環(huán)境下潛航員腦力負(fù)荷。例如石路等[8]通過分析不同界面位置下人員行為學(xué)指標(biāo)和眼動(dòng)數(shù)據(jù),為艙室界面設(shè)計(jì)提供參考。殷昊翔等[9]模擬駕駛作業(yè)對潛航員腦力負(fù)荷影響,為潛航員的實(shí)際訓(xùn)練提供參考。但較少有研究從引起潛航員認(rèn)知負(fù)荷的根源，即實(shí)際任務(wù)過程中潛航員對交互信息的認(rèn)知與處理的角度開展人因相關(guān)研究。

因此本文從多要素復(fù)雜系統(tǒng)分析的角度，提出面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)分析方法，構(gòu)建潛航員認(rèn)知基礎(chǔ)上的載人潛水器人機(jī)交互信息系統(tǒng)多層遞階結(jié)構(gòu)模型，從模型結(jié)構(gòu)特征、要素層級關(guān)系、影響脈絡(luò)及權(quán)重等方面進(jìn)行討論，為深入分析潛航員對任務(wù)相關(guān)交互信息的認(rèn)知與處理，合理化人機(jī)交互過程提供理論依據(jù)。

1 面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)分析方法

從直觀角度看，復(fù)雜系統(tǒng)可劃分為復(fù)雜拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如電網(wǎng)系統(tǒng)[10]、交通運(yùn)輸網(wǎng)[11]等，和可用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述的無顯著網(wǎng)絡(luò)特征復(fù)雜系統(tǒng)，即載人潛水器駕駛艙一類的艙室人機(jī)交互信息系統(tǒng)[12]。從多要素復(fù)雜系統(tǒng)的視角審視駕駛艙人機(jī)交互信息空間為載人潛水器人機(jī)交互信息處理過程研究提供了更多的研究方法與途徑。

載人潛水器駕駛艙任務(wù)相關(guān)人機(jī)交互信息要素繁多且要素間關(guān)系復(fù)雜多變，為盡可能還原實(shí)際任務(wù)中潛航員信息處理過程，克服因缺乏客觀理論依據(jù)帶來的信息獲取偏差，本文引入決策階梯模型(Decision ladder，DL)作為獲取任務(wù)信息要素及關(guān)系的模板。DL是認(rèn)知任務(wù)分析(Cognitive work analysis，CWA)方法中的重要模型，它將用戶對任務(wù)信息的處理視為一個(gè)建設(shè)性過程[13]，并被廣泛應(yīng)用于潛艇、飛機(jī)、汽車等駕駛艙等安全關(guān)鍵人機(jī)系統(tǒng)決策任務(wù)分析中，被作為記錄決策任務(wù)信息認(rèn)知序列的工具[14]。因此，本文借助DL識別決策任務(wù)相關(guān)信息的優(yōu)勢，依據(jù)實(shí)際任務(wù)流程規(guī)范獲取載人潛水器任務(wù)相關(guān)人機(jī)交互信息要素及要素關(guān)系。

復(fù)雜系統(tǒng)要素定量分析主要有因子分析法、層次分析法、主成分分析法、實(shí)驗(yàn)室決策分析方法(Decision-making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)、解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative structural modeling method,ISM)法等，與其他方法相比，DEMATEL-ISM方法結(jié)合了DEMATEL在區(qū)分要素屬性特征、計(jì)算要素間綜合影響關(guān)系方面的優(yōu)勢及ISM層次劃分功能，可有效依據(jù)要素間關(guān)系[15]，得到結(jié)構(gòu)明確，脈絡(luò)清晰的層級結(jié)構(gòu)[16]，滿足本文對人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)的分析需求。由已有DEMATEL-ISM相關(guān)研究可以看出，該方法在可達(dá)矩陣計(jì)算中，較多的可達(dá)矩陣判別式模糊了要素間的影響程度，且其修正因子的計(jì)算，在簡化結(jié)構(gòu)的同時(shí)導(dǎo)致了系統(tǒng)要素及關(guān)系的缺失，無法體現(xiàn)出各系統(tǒng)組成要素間因果影響脈絡(luò)及致因程度。

因此，本文深入挖掘DL、DEMATEL及ISM方法在處理復(fù)雜系統(tǒng)要素及要素間關(guān)系的優(yōu)勢，提出基于DL-DEMATEL-ISM集成方法的載人潛水器人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)研究架構(gòu)，以某任務(wù)中海底環(huán)境信息、潛器狀態(tài)信息及任務(wù)相關(guān)信息為輸入，運(yùn)用決策階梯模型結(jié)合潛航員實(shí)際任務(wù)過程中的信息需求與處理過程，建立載人潛水器人機(jī)交互信息要素關(guān)系矩陣，基于DEMATEL-ISM方法，改進(jìn)整體影響矩陣閾值計(jì)算及可達(dá)矩陣判別式，運(yùn)用對抗輪層級換抽取方法，并引入模糊算子對計(jì)算影響值骨架矩陣，最終得到面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息多層遞階結(jié)構(gòu)模型，具體研究架構(gòu)如圖1所示。

2 面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)分析過程

依據(jù)載人潛水器人機(jī)交互信息結(jié)構(gòu)分析架構(gòu)，結(jié)合DL、DEMATEL-ISM方法計(jì)算過程，得到本文研究流程，如圖2所示。

2.1 基于DL獲取人機(jī)交互信息要素及關(guān)系

2.1.1 人機(jī)交互信息要素獲取

DL反映了專家用戶執(zhí)行任務(wù)時(shí)基于規(guī)則的行為過程，由任務(wù)活動(dòng)(矩形)及活動(dòng)信息結(jié)果(橢圓形)組成[17]，可分為8項(xiàng)任務(wù)信息處理活動(dòng)階段：任務(wù)激活、環(huán)境觀察、系統(tǒng)狀態(tài)判斷、系統(tǒng)備選狀態(tài)評估、系統(tǒng)選擇狀態(tài)評估、目標(biāo)狀態(tài)確認(rèn)、任務(wù)定義、任務(wù)流程[18]，如圖3所示。

圖1 面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析架構(gòu)

圖2 載人潛水器人機(jī)交互信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析流程

圖3 決策階梯

依據(jù)DL模型，邀請潛航員綜合任務(wù)操作規(guī)則及實(shí)際任務(wù)流程，構(gòu)建某任務(wù)決策階梯，明確任務(wù)活動(dòng)相關(guān)信息需求，將信息處理階段記為Pk(k=1,2,…,8)，共8個(gè)階段。結(jié)合載人潛水器艙室人機(jī)交互面板及相關(guān)文件，將信息要素名稱修正為專業(yè)表達(dá)，得到面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息要素集Z={Z1,Z2,…,Z31}，見表1。

表1 任務(wù)環(huán)境下載人潛水器艙室人機(jī)交互信息要素

2.1.2 建立直接影響矩陣

(1)

遍歷階段Pk所有信息要素，依據(jù)式(2)得到該階段信息要素直接影響判斷矩陣Ak，即

(2)

綜合各階段要素影響關(guān)系，依據(jù)式(3)得到整個(gè)任務(wù)中信息要素直接影響矩陣A，即

(3)

式中，aij為Zi對Zj的直接影響值。

對直接影響矩陣A進(jìn)行規(guī)范化處理得到規(guī)范化直接影響矩陣C，即

(4)

2.2 基于Dl-DEMATEL-ISM的人機(jī)交互信息綜合影響矩陣計(jì)算及分析

2.2.1 計(jì)算綜合影響矩陣

在復(fù)雜系統(tǒng)中，各要素間除直接影響外還存在相互波及等間接影響，結(jié)合DEMATEL-ISM集成方法，依據(jù)式(5)，即

T=C(I-C)-1

(5)

得到人機(jī)交互信息綜合影響矩陣T，式中I為單位矩陣。

2.2.2 信息要素屬性分析

根據(jù)式(6)～(9)計(jì)算出該任務(wù)下信息要素Zi的原因度mi和中心度ni,即：

(6)

(7)

mi=fi+ei, (i=1,2,…,31)

(8)

ni=fi-ei, (i=1,2,…,31)

(9)

式中：影響度fi為綜合影響矩陣T中Zi所在行行和,被影響度ei為矩陣T中Zi所在列列和，信息要素特征值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 載人潛水器人機(jī)交互信息要素DEMATEL分析結(jié)果

2.3 人機(jī)交互信息關(guān)系的可達(dá)矩陣計(jì)算及層級劃分

2.3.1 可達(dá)矩陣計(jì)算

在綜合影響矩陣T基礎(chǔ)上，依據(jù)式(10)得到整體影響矩陣H，即

H=I+T

(10)

式中，I為單位矩陣。

基于整體影響矩陣H，確定修正因子λ，以舍去指標(biāo)間影響程度較小的值，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

λ若取值過大，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于簡單，若取值過小，指標(biāo)間關(guān)系過于復(fù)雜，結(jié)構(gòu)表達(dá)不清晰。因此，為不影響信息要素完整性并保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，運(yùn)用無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法K-means對λ閾值集合進(jìn)行聚類分析，參照李克特量級確定K均值聚類計(jì)算質(zhì)心數(shù)k=5，依照“小、較小、一般、較大、大”5個(gè)等級進(jìn)行組別劃分，得到閾值集合的類別預(yù)測及聚類中心值。依據(jù)聚類計(jì)算結(jié)果，確定修正因子λ取值為0.000 4、0.076 9、0.188 0、0.333 3、0.478 6，見表3。

表3 可達(dá)矩陣修正因子計(jì)算結(jié)果

將修正因子帶入整體影響矩陣H，得到不同λ對應(yīng)截距陣(λ=0時(shí)，截距陣為矩陣H)繪制各截距陣節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度變化趨勢圖(圖4(a))及信息要素衰減圖(圖4(b))，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)λ為0.000 4時(shí)，其對應(yīng)截距陣節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度變化趨勢與λ=0時(shí)最為接近，當(dāng)λ=0.076 9時(shí)二者極為接近，同時(shí)確保了信息要素的完整性，因此確定修正因子為0.076 9，通過式(11)計(jì)算得可達(dá)矩陣R=(rij)31×31，即

(11)

式中，hij、rij分別為整體影響矩陣H及可達(dá)矩陣R中Zi對Zj的影響程度。

2.3.2 人機(jī)交互信息要素層級劃分

按照式(12)～(14)求出信息要素的可達(dá)集M(Zi)、先行集N(Zi)和共同集O(Zi)，即：

M(Zi)={Zj|aij≠0}

(12)

N(Zi)={Zj|aji≠0}

(13)

O(Zi)=M(Zi)∩N(Zi)

(14)

式中：M(Zi)為Zi直接或間接影響的信息要素集，

N(Zi)為直接或間接影響Zi的信息要素集。

為均衡層級結(jié)構(gòu)，識別人機(jī)交互過程中的關(guān)鍵要素，提出綜合對抗輪換層級要素抽取方法，即：

li={Zj|Zj∈Z-l1-…-li-1,M(Zj)=O(Zj)}

(15)

li={Zj|Zj∈Z-l1-…-li-1,N(Zj)=O(Zj)}

(16)

式中，li為第i次抽取所得要素集合，以結(jié)果-原因輪換抽取方法為例，首先依據(jù)式(15)，抽取l1要素做為結(jié)果屬性第1層指標(biāo)，從可達(dá)矩陣中劃除l1指標(biāo)，依據(jù)式(16)，抽取l2要素作為原因?qū)傩缘?層指標(biāo)，以此輪換順序，直至所有要素被刪除，由底至頂依次記為L1、L2、L3、…。同理，以相反的輪換抽取順序求得原因-結(jié)果輪換層級劃分結(jié)果，見表4。

圖4 不同λ下的交互信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)與節(jié)點(diǎn)度計(jì)算結(jié)果

表4 載人潛水器人機(jī)交互信息層級劃分

2.4 載人潛水器人機(jī)交互信息層級結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

首先基于矩陣R，將要素及要素間關(guān)系視為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及連邊，Zi所在行rij≠0的列要素Zj為Zi出邊終點(diǎn)，Zj所在列rij≠0的行要素Zi為Zj入邊起點(diǎn)，可達(dá)因子rij視為要素連邊權(quán)重，基于此繪制信息要素拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

其次，依據(jù)表2以橢圓形表示原因?qū)傩砸?，以長方形表示結(jié)果屬性要素，以菱形表示活動(dòng)要素，以*標(biāo)記中心度較大信息要素。

然后，結(jié)合表4對拓?fù)鋱D進(jìn)行層級劃分，得到載人潛水器人機(jī)交互信息系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)模型。

對系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)初始模型進(jìn)行縮邊縮點(diǎn)處理，為避免縮點(diǎn)后信息要素及要素間關(guān)系的衰減，將回路要素視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重構(gòu)可達(dá)矩陣R1。

為保留要素間影響因子，引入模糊算子對——查德算子，依據(jù)縮邊公式(17)，計(jì)算得矩陣R′的含影響值骨架矩陣S′，即

S′=R′-(R′-I)2

(17)

還原回路中信息要素間關(guān)系，得到全因素影響值骨架矩陣S。依據(jù)骨架矩陣S對初始交互信息層級結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行縮邊處理，得到最終的載人潛水器人機(jī)交互信息層級結(jié)構(gòu)模型。如圖5所示。

圖5 面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)模型

2.5 層級結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建對比方案分析

與已有的基于DEMATEL-ISM方法的層級模型構(gòu)建研究相關(guān)文獻(xiàn)的不同之處主要體現(xiàn)在：

1)整體影響矩陣的閾值λ計(jì)算。整體影響矩陣閾值的確定，是可達(dá)矩陣建立的關(guān)鍵，以實(shí)現(xiàn)在一定程度上簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，突出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要素間主要關(guān)系的目標(biāo)，決定著最終的層級結(jié)構(gòu)模型。目前已有的對整體影響矩陣閾值確定的方法主要有以下幾種：

②以λ表示閾值，定義閾值λ=α+β，其中α、β分別為整體影響矩陣H中所有元素值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差[20-21]。

③基于專家經(jīng)驗(yàn)與建議給出閾值λ的可取值，如設(shè)置λ為0.05、0.07、0.10、0.15等，再依據(jù)閾值確定的兩個(gè)原則，進(jìn)行多次取值對比，分析不同閾值下的節(jié)點(diǎn)度，最終確定適合其相關(guān)研究的閾值[22-24]。

將上述確定閾值的方法應(yīng)用在本文中，與本文所得閾值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，分析結(jié)果見表5。

由表5可知，方法①所得截距陣，能保證節(jié)點(diǎn)度與節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度相對穩(wěn)定，但是只能夠保留DEMATEL計(jì)算結(jié)果中中心度較大的節(jié)點(diǎn)。方法②能夠剔除影響程度較低的節(jié)點(diǎn)間關(guān)系，保留較多節(jié)點(diǎn)，達(dá)到簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的目的，但連邊關(guān)系的剔除無法保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度及節(jié)點(diǎn)度相對穩(wěn)定。方法③同方法①一樣保留了中心度值較大節(jié)點(diǎn)，但同方法②一樣，連邊關(guān)系的剔除無法保證強(qiáng)度的相對穩(wěn)定，且多次取值對比，增加的計(jì)算量。本文方法能夠在剔除節(jié)點(diǎn)間較小影響關(guān)系，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，保證節(jié)點(diǎn)的完整性，雖無法保證節(jié)點(diǎn)度值相對穩(wěn)定，但結(jié)合對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度變化趨勢的分析(如圖4所示)，可證明本文方法所得閾值下的整體影響截距陣中節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度變化趨勢與原整體影響矩陣節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度變化趨勢非常接近，可保證節(jié)點(diǎn)相對影響關(guān)系的穩(wěn)定，且對于加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度相較于節(jié)點(diǎn)度更能體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)相對影響關(guān)系，一定程度上體現(xiàn)出本文閾值計(jì)算方法的可行性及優(yōu)勢。

表5 整體影響矩陣閾值截距陣特點(diǎn)對比

2)含有影響程度權(quán)重值的層級模型構(gòu)建。由人機(jī)交互信息關(guān)系的可達(dá)矩陣計(jì)算及層級劃分及載人潛水器人機(jī)交互信息層級結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建對層級結(jié)構(gòu)模型計(jì)算與構(gòu)建過程可知，本文改進(jìn)基于閾值的可達(dá)矩陣判別式，得到保留整體影響矩陣截距陣元素值的可達(dá)矩陣；依據(jù)所得可達(dá)矩陣，分析各節(jié)點(diǎn)的可達(dá)集與先行集，提出對抗輪換層級抽取方法進(jìn)行要素層級劃分；最后采用適用于含影響值可達(dá)矩陣的最大、最小模糊算子，依據(jù)縮邊公式計(jì)算得到影響值骨架矩陣，構(gòu)建出含影響因子層級結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)已有文獻(xiàn)[19,23]繪制未改進(jìn)計(jì)算方法的層級結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示。

圖6 無影響因子層級結(jié)構(gòu)模型圖

由上述結(jié)構(gòu)模型與本文所得含影響因子層級結(jié)構(gòu)模型對比可知，本文所得層級結(jié)構(gòu)可很好的將更多的原因?qū)傩砸刂劣诘讓樱瑢⒔Y(jié)果屬性要素置于頂層，將關(guān)鍵過渡要素置于中間層，并識別出活動(dòng)要素，同時(shí)保留整體影響矩陣中要素間影響值。所構(gòu)建含影響權(quán)重層級結(jié)構(gòu)模型賦予DEMATEL-ISM模型更多實(shí)踐意義，例如用于分析要素間存在的致因關(guān)系強(qiáng)度，識別要素間最短致因路徑等，更好地為指導(dǎo)交互信息界面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 載人潛水器人機(jī)交互信息層級結(jié)構(gòu)模型分析

依據(jù)本文研究所得面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示，對面向任務(wù)的載人潛水器人機(jī)交互信息層級模型的層級結(jié)構(gòu)特征及要素間致因關(guān)系進(jìn)行分析。

3.1 載人潛水器人機(jī)交互信息模型層級結(jié)構(gòu)特征

結(jié)合各層級要素DEMATEL屬性值，可以看出，原因?qū)傩孕畔⒁刂饕植加诮Y(jié)構(gòu)模型底端第L1、L2層，結(jié)果屬性要素主要分布于模型頂端L3～L6層。所得交互信息層級結(jié)構(gòu)由底至頂層級原因?qū)傩灾饾u減弱，結(jié)果屬性逐漸增強(qiáng)。

結(jié)合各層級要素在實(shí)際任務(wù)中的語義特征，L1為激活交互過程的信息，如Z12發(fā)現(xiàn)作業(yè)樣本、Z13作業(yè)目標(biāo)觀察及Z20潛器的姿態(tài)感知，可作為層級結(jié)構(gòu)中的根本原因?qū)?；L2為引起潛器狀態(tài)發(fā)生變化外部情景信息，包含Z1潛器大地坐標(biāo)、Z4避碰、Z8海底地貌、Z9海底暗流、Z10與作業(yè)目標(biāo)相對位置、Z14作業(yè)目標(biāo)觀察，為直接原因?qū)樱籐3為潛航員為應(yīng)對潛器系統(tǒng)外部環(huán)境而做出的行為反饋，如Z11航行控制，L3中信息要素Z5與Z11形成環(huán)路，為層級結(jié)構(gòu)中所屬信息要素中心度均值最大的層級(ml3>ml1>ml4>ml2>ml5>ml6)，作為原因?qū)傩砸貙蛹壸钪苯有袨榉答?，是介于原因?qū)傩詫蛹壖靶?yīng)屬性層級之間的關(guān)鍵過渡信息層；L4～L6主要為航控引起的系統(tǒng)狀態(tài)變化參數(shù)信息，如Z17潛器航向、Z18航速、Z19橫、縱傾參數(shù)，Z21推進(jìn)器狀態(tài)、Z22電氣設(shè)備參數(shù)等，可分為直接效應(yīng)層L4以及終端效應(yīng)層L5、L6。

綜上分析可知，L1、L2層級信息要素在交互信息系統(tǒng)中為主變因素，是潛航員交互行為發(fā)生的前因信息，在實(shí)際任務(wù)信息處理過程中，當(dāng)前因信息的變化超出安全范圍時(shí)，則可能從根本上改變?nèi)蝿?wù)目標(biāo)優(yōu)先級，例如緊急情況下，由海底暗流等因素引起的避碰信息的突然變化，可能會直接中止當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，改為確保人機(jī)系統(tǒng)安全為優(yōu)先目標(biāo)，潛航員對前因信息的及時(shí)感知，可以在一定程度上避免因“人為忽視”導(dǎo)致的緊急情況的發(fā)生；同理，L3～L6層層級信息要素在交互信息系統(tǒng)中作為因變要素，是潛航員交互行為發(fā)生的效應(yīng)信息，對此類信息的掌握，可以使?jié)摵絾T能夠及時(shí)感知行為反饋，提高察覺操作相關(guān)潛器系統(tǒng)及設(shè)備故障的概率，可在一定程度上避免因“操作不當(dāng)”或“沒有及時(shí)察覺設(shè)備故障”導(dǎo)致的緊急情況發(fā)生，降低人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

因此，從信息要素在潛航員任務(wù)信息認(rèn)知處理過程所體現(xiàn)的原因-效應(yīng)屬性的角度，提出對人機(jī)交互界面信息要素區(qū)分化顯示的建議，使?jié)摵絾T在任務(wù)過程中及時(shí)定位引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的原因所在，積極采取應(yīng)對措施，同時(shí)及時(shí)捕捉到操作反饋信息，提高人機(jī)系統(tǒng)的安全及作業(yè)效能。

3.2 載人潛水器人機(jī)交互信息要素致因關(guān)系分析

在層間關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)層級結(jié)構(gòu)模型中要素間影響權(quán)重，結(jié)合各信息要素實(shí)際任務(wù)語義，分析各層級信息要素致因性及要素間的致因關(guān)系。

在L1信息要素中，Z20潛器姿態(tài)感知的出度權(quán)重和最大，其次為Z12發(fā)現(xiàn)作業(yè)樣本，其中，Z12標(biāo)志著決策任務(wù)的開始，而Z20的重要致因性在于若潛航員感知到潛器姿態(tài)發(fā)生改變，則需將注意力從樣本觀察或其他當(dāng)前任務(wù)中轉(zhuǎn)移至潛器姿態(tài)調(diào)整中，以確認(rèn)潛器與外部環(huán)境相對距離穩(wěn)定安全，是信息系統(tǒng)中最重要的致因要素；L2信息要素中，Z4避碰(觀察窗)出入度權(quán)重最高，Z4與出度信息Z5結(jié)合，指導(dǎo)潛航員掌握潛器避碰狀態(tài)，進(jìn)一步影響航控。要素Z10與作業(yè)目標(biāo)相對位置出入度值最大，決定著采樣任務(wù)的順利執(zhí)行，是該層重要的致因要素。L3信息要素Z11出入度要素個(gè)數(shù)及權(quán)重皆為最高，是人機(jī)交互信息系統(tǒng)內(nèi)最重要的致因信息要素，其出度信息為L4層要素Z17潛器航向、Z18潛器航速、Z19橫縱傾，是潛器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)航控，安全高效作業(yè)的保障。L5、L6中各要素出入度權(quán)重及度值較為均衡，為致因性較弱的效應(yīng)要素。此外，對于出現(xiàn)于任務(wù)過程中，但沒有存在于信息要素致因關(guān)系中的活動(dòng)要素Z29、Z30、Z31，是任務(wù)中必不可少但可以獨(dú)立于任務(wù)流程的存在，即當(dāng)故障檢測與報(bào)警、水聲通信、生命支持系統(tǒng)狀態(tài)正常時(shí)，不會對原任務(wù)產(chǎn)生影響，若此類信息發(fā)生變化并超出安全閾值，會直接改變系統(tǒng)目標(biāo)優(yōu)先級。

對于含影響因子的層級結(jié)構(gòu)模型，要素間的權(quán)重值代表了潛航員視角下任務(wù)信息要素間邏輯相關(guān)影響程度，即當(dāng)信息要素A和B之間的權(quán)重大于A和C時(shí)，意味著信息要素A的變化會更多的引起B(yǎng)的變化，基于此思想，可識別出層級結(jié)構(gòu)模型中目標(biāo)信息的主要致因路徑，以關(guān)鍵信息要素Z11為例，其主要致因路徑為Z20潛器姿態(tài)→Z4避碰(觀察窗)/Z10與作業(yè)目標(biāo)相對位置→Z11航行控制/Z5避碰(水聲通信PC)→Z17潛器航向/Z18潛器航速/Z19橫、縱傾→Z26壓載/Z21推進(jìn)器狀態(tài)→Z22電氣設(shè)備狀態(tài)/Z23液壓系統(tǒng)狀態(tài)。主要致因路徑的識別，體現(xiàn)出致因路徑內(nèi)信息要素在潛航員認(rèn)知內(nèi)的相關(guān)性關(guān)系，可用于指導(dǎo)人機(jī)交互界面信息元素相關(guān)性設(shè)計(jì)，例如，當(dāng)任意信息要素發(fā)生變化時(shí)，可通過交互界面突出顯示其主要前因及后果信息要素，使?jié)摵絾T能夠快速捕捉人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)或外部環(huán)境狀態(tài)的變化，以幫助潛航員快速理解所處情境，及時(shí)做出正確的操作反饋。

因此，從信息要素間存在的認(rèn)知內(nèi)邏輯影響相關(guān)性關(guān)系的角度，在以上提出的對原因-效應(yīng)信息要素區(qū)分化顯示的基礎(chǔ)上，提出增強(qiáng)交互信息界面中處于同一致因路徑內(nèi)原因-效應(yīng)信息要素共現(xiàn)概率，增強(qiáng)潛航員對目標(biāo)信息相關(guān)的前因及效應(yīng)信息的監(jiān)控程度，降低潛航員情境信息感知及搜尋成本，在一定程度上降低潛航員的信息認(rèn)知處理負(fù)荷。

4 結(jié) 論

1)本文運(yùn)用決策階梯DL，以潛航員實(shí)際任務(wù)信息處理過程為基礎(chǔ)建立人機(jī)交互信息要素初始關(guān)系矩陣，基于改進(jìn)DEMATEL-ISM方法，進(jìn)行一系列計(jì)算與分析，最終得到能夠定性表示交互信息要素相對邏輯位置、定量表示交互信息要素邏輯相關(guān)性的有向加權(quán)層級結(jié)構(gòu)模型，并通過案例對比，證明了本文所提交互信息層級結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法的合理性及優(yōu)勢。

2)針對所得有向加權(quán)層級結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合潛航員實(shí)際任務(wù)信息處理過程，對人機(jī)交互信息系統(tǒng)中的信息要素及所屬層級的原因-效應(yīng)屬性特征進(jìn)行分析，識別出關(guān)鍵信息要素及層間致因關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了各層級信息要素間的致因路徑。從層級信息屬性及層間信息致因性的角度，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，為理解潛航員認(rèn)知基礎(chǔ)上的人機(jī)交互信息處理過程，合理化載人潛水器駕駛艙人機(jī)交互信息界面設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。