基于認(rèn)知負(fù)荷和遺傳算法的醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)

王玲瑋， 王 菊

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

目前功能強(qiáng)大的數(shù)字界面已經(jīng)滲透到生活中的方方面面，目前用戶可以通過醫(yī)療APP、小程序進(jìn)行預(yù)約掛號(hào)、問診咨詢、線上面診等。 許多用戶在使用醫(yī)療APP 的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)情感化需求、簡(jiǎn)易化需求、人性化需求等用戶需求[1]，同時(shí)也存在許多問題，例如現(xiàn)今的醫(yī)療APP 界面模塊的不合理布局可能會(huì)讓患者感到醫(yī)療平臺(tái)庸俗，并且低效的界面設(shè)計(jì)并不能滿足用戶高效的預(yù)約求醫(yī)需求[2]。在信息系統(tǒng)龐大繁雜的前提下，醫(yī)療APP 數(shù)字界面信息量大，信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用戶認(rèn)知與復(fù)雜的信息界面系統(tǒng)之間易失去平衡，易造成用戶認(rèn)知負(fù)荷，尤其是對(duì)于就醫(yī)最頻繁群體之一的老年人，預(yù)約掛號(hào)等數(shù)字界面對(duì)于他們來說過于復(fù)雜。 目前， 針對(duì)用戶界面設(shè)計(jì)優(yōu)化主要有兩個(gè)方向：一是通過利用算法或生成式設(shè)計(jì)等技術(shù)手段對(duì)界面布局進(jìn)行設(shè)計(jì)； 二是通過主觀量表等方式搜集用戶主觀認(rèn)知數(shù)據(jù)改良用戶界面[1]。

本文將認(rèn)知負(fù)荷和遺傳算法進(jìn)行融合， 對(duì)醫(yī)療APP界面布局設(shè)計(jì)進(jìn)行界面原則分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。 將用戶醫(yī)療APP 界面主觀認(rèn)知負(fù)荷反饋與界面布局設(shè)計(jì)原則結(jié)合起來，借助遺傳算法生成最優(yōu)方案。

1 認(rèn)知負(fù)荷和遺傳算法

1.1 認(rèn)知負(fù)荷

澳大利亞學(xué)者Sweller[3]于1988 年提出了認(rèn)知負(fù)荷理論，其理論基礎(chǔ)主要包括資源有限論和圖式理論。 Sweller[4]將認(rèn)知負(fù)荷分為三類：內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。 用戶交互任務(wù)的可靠性和效率在人機(jī)交互研究數(shù)字界面中逐漸受到關(guān)注， 盡可能的降低界面設(shè)計(jì)對(duì)用戶決策造成的認(rèn)知負(fù)荷是界面設(shè)計(jì)中試圖解決的一個(gè)重要問題[5]。 在目前認(rèn)知負(fù)荷的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，對(duì)人機(jī)交互中關(guān)于日常交互場(chǎng)景的研究較少， 用戶的認(rèn)知負(fù)荷的變化會(huì)影響日常交互過程中的安全性和效率， 以及用戶的交互動(dòng)機(jī)和情感[6]。 人機(jī)交互數(shù)字界面影響認(rèn)知負(fù)荷的因素很多，主要的有以下三點(diǎn)：界面元素的組織和呈現(xiàn)方式、系統(tǒng)和界面的復(fù)雜性以及操作者的專長(zhǎng)水平[7]。 而本文主要解決優(yōu)化的是在醫(yī)療APP 當(dāng)中由界面元素的組織以及呈現(xiàn)方式所造成的認(rèn)知負(fù)荷問題。

1.2 遺傳算法

遺傳算法（GA）[8]是一種過程搜索最優(yōu)解的算法，其基于生物界規(guī)律和自然遺傳機(jī)制，是由美國(guó)John Holland創(chuàng)建的，具有并行搜索、簡(jiǎn)單通用、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。 Srinivas 等[9]曾提出一種優(yōu)化界面控件和顯示的布局方法， 該方法結(jié)合了切片樹和遺傳算法。切片樹是一種界面布局的方法，它將界面布局原則轉(zhuǎn)化為一種樹狀結(jié)構(gòu)的表示形式。

1.3 認(rèn)知負(fù)荷與遺傳算法的結(jié)合

遺傳算法與用戶認(rèn)知負(fù)荷結(jié)合的基礎(chǔ)在于將調(diào)研生成的用戶對(duì)于目前醫(yī)療APP 存在的主觀認(rèn)知負(fù)荷和基于此總結(jié)出的界面布局設(shè)計(jì)原則相結(jié)合，首先提出基于用戶認(rèn)知負(fù)荷的界面布局原則；運(yùn)用切片樹方法，根據(jù)提出的界面布局原則和現(xiàn)有案例布局方案， 將界面元素轉(zhuǎn)化為切片樹結(jié)構(gòu)，確定相應(yīng)的布局指標(biāo)，將界面布局方案的指標(biāo)作為自變量，用戶認(rèn)知負(fù)荷值作為因變量建立適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)的目的是根據(jù)界面布局方案的指標(biāo)值評(píng)估其對(duì)用戶認(rèn)知負(fù)荷的影響；對(duì)界面布局特征進(jìn)行編碼，后進(jìn)入遺傳算法中進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化后的界面布局方案集。 將認(rèn)知負(fù)荷作為因變量融入進(jìn)遺傳算法的前提適應(yīng)度函數(shù)當(dāng)中，在遺傳算法的計(jì)算流程中，適應(yīng)度函數(shù)起到了評(píng)估和選擇個(gè)體的作用，交叉和變異操作引入了遺傳進(jìn)化的機(jī)制。

2 醫(yī)療APP 界面設(shè)計(jì)方法

2.1 醫(yī)療APP 界面設(shè)計(jì)

對(duì)醫(yī)療APP 進(jìn)行界面設(shè)計(jì)時(shí)， 以用戶需求為落腳點(diǎn)， 對(duì)交互界面進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，使醫(yī)療APP 成為人們就醫(yī)問診的主要平臺(tái)之一[10]。 以結(jié)合認(rèn)知負(fù)荷與遺傳算法的設(shè)計(jì)方法為要點(diǎn)， 解決用戶使用醫(yī)療APP時(shí)產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷較大的問題。 本文方法流程圖如圖1 所示。

圖1 用戶認(rèn)知負(fù)荷導(dǎo)向的界面布局優(yōu)化流程

2.2 建立基于認(rèn)知負(fù)荷的醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)原則

本文以現(xiàn)有的醫(yī)療APP——“微醫(yī)”，以首頁(yè)“去掛號(hào)”模塊中的目標(biāo)醫(yī)院預(yù)約掛號(hào)界面作為調(diào)查對(duì)象，以此為例對(duì)當(dāng)下醫(yī)療APP 界面設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)知負(fù)荷問題采集， 評(píng)估內(nèi)容按照布局模塊劃分為頁(yè)面標(biāo)頭與返回、醫(yī)院信息、咨詢欄、搜索欄、科室類別、選擇類型內(nèi)容共六個(gè)模塊，并根據(jù)模塊搜集NASA-TLX 量表[11]，通過線上渠道發(fā)放問卷80 份，其中收回有效問卷67 份。最終梳理總結(jié)獲得醫(yī)療APP 界面設(shè)計(jì)認(rèn)知負(fù)荷問題見表1。

表1 醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)認(rèn)知負(fù)荷問題

基于調(diào)研梳理出的認(rèn)知負(fù)荷問題， 結(jié)合用戶對(duì)于醫(yī)療APP 界面主觀認(rèn)知負(fù)荷反饋以及通用界面布局規(guī)則，提出基于用戶認(rèn)知負(fù)荷的醫(yī)療界面布局設(shè)計(jì)原則如下：

原則1： 層次性原則 根據(jù)界面中元素的重要程度進(jìn)行排列，內(nèi)容模塊區(qū)域盡量放置在界面的中心，可操作按鍵布局放置應(yīng)在顯著的區(qū)域。醫(yī)療APP 當(dāng)中科室類別、咨詢與搜索欄等模塊使用頻率較高。

原則2：相關(guān)性原則 在用戶操作某一任務(wù)時(shí)，同一任務(wù)中所涉及的操作區(qū)域、界面元素應(yīng)該處于相近位置。

原則3： 舒適性原則 根據(jù)用戶的訪問和操作頻率來確定元素的大小、比例、位置等。 搜索欄、咨詢以及類型選擇等模塊由于操作頻率較高，其元素面積應(yīng)適當(dāng)放大。 針對(duì)不同用戶端設(shè)置不同的界面元素大小、比例等。

原則4： 簡(jiǎn)潔性原則 考慮到醫(yī)療APP 具有一定的老年人用戶群體，基于醫(yī)療APP 設(shè)計(jì)特性，界面元素應(yīng)該盡量簡(jiǎn)潔、清晰、信息易識(shí)別，省去不必要的設(shè)計(jì)元素、裝飾性元素等，減少不必要的認(rèn)知負(fù)荷。

綜上， 對(duì)前文總結(jié)出的認(rèn)知負(fù)荷問題給予相對(duì)應(yīng)的解決問題的界面布局設(shè)計(jì)原則，生成表2 所示的醫(yī)療APP 界面認(rèn)知負(fù)荷問題以及其解決問題的界面布局設(shè)計(jì)原則。

表2 醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)認(rèn)知負(fù)荷問題及布局原則

2.3 建立基于切片樹的界面布局設(shè)計(jì)指標(biāo)

引入切片樹的方法對(duì)界面布局問題進(jìn)行編碼， 界面中的元素需要保持交互成本最小的方式來獲得平面區(qū)域上元素的布局[12]。 基于李源楓[13]將界面布局設(shè)計(jì)原則轉(zhuǎn)化為切片樹相應(yīng)的計(jì)算指標(biāo)幾何勢(shì)PG 和相關(guān)勢(shì)PR， 輸出用戶認(rèn)知負(fù)荷值X，消耗的交互成本越小，用戶認(rèn)知負(fù)荷值X 越好，流程圖如圖2 所示。

圖2 建立數(shù)學(xué)模型及計(jì)算流程

采用兩階段遺傳算法[14]來解決布局問題， 每個(gè)布局方案都可轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的切片樹。 將醫(yī)療預(yù)約掛號(hào)界面對(duì)應(yīng)分割結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)切片樹， 圖b 中帶有數(shù)字編號(hào)的圓為元素，稱為葉子，切割節(jié)點(diǎn)用方塊表示；切割方式為水平切割h 以及垂直切割v，而切割比例控制著元素的長(zhǎng)寬比，如圖3 所示。

圖3 醫(yī)療APP 預(yù)約掛號(hào)初始界面結(jié)構(gòu)布局與對(duì)應(yīng)切片樹

基于李源楓[13]引入切片樹的幾何勢(shì)和相關(guān)勢(shì)概念，相關(guān)勢(shì)PR指標(biāo)是用于測(cè)量元素間的相鄰程度以及用戶操作時(shí)的便捷程度；幾何勢(shì)PG指標(biāo)是評(píng)估一個(gè)切片樹生產(chǎn)其元素符合幾何限制的布局能力。其中PR、PG的表達(dá)式如下所示。

2.4 建立評(píng)估函數(shù)

上述任務(wù)完成后，基于切片樹構(gòu)建評(píng)估函數(shù)Ef， Ef表示用戶操作界面時(shí)的消耗值即用戶認(rèn)知負(fù)荷值。評(píng)估函數(shù)Ef表達(dá)式如下。

2.5 編碼與計(jì)算過程

完成評(píng)估函數(shù)建立之后，根據(jù)切片樹對(duì)醫(yī)療界面布局進(jìn)行編碼， 隨后進(jìn)入遺傳算法流程。編碼完成之后進(jìn)入計(jì)算過程，在遺傳算法優(yōu)化流程中，每一個(gè)布局方案都對(duì)應(yīng)一組編碼。 計(jì)算目標(biāo)為淘汰元素間產(chǎn)生的較大消耗值的個(gè)體，消耗值較低的個(gè)體進(jìn)入下一代計(jì)算流程中。 遺傳算法的算法流程如圖4 所示。

圖4 遺傳算法流程

3 醫(yī)療APP 界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

3.1 界面布局方案的生成

醫(yī)療APP——微醫(yī)預(yù)約掛號(hào)界面作為本研究的研究載體，將前期發(fā)放的問卷匯總梳理之后，結(jié)合遺傳算法進(jìn)行布局優(yōu)化，且只針對(duì)界面布局進(jìn)行優(yōu)化，不考慮界面色彩方面。算法的界面優(yōu)化是在MATLAB 中進(jìn)行，來實(shí)現(xiàn)界面優(yōu)化。當(dāng)評(píng)估函數(shù)Ef 求得值為最小值時(shí)， 代表用戶認(rèn)知負(fù)荷值為最小，程序輸出理論最優(yōu)解和特征元素布局。 根據(jù)適應(yīng)度值生成隨機(jī)的4 個(gè)科室界面布局優(yōu)化解，方案如圖5 所示。

圖5 預(yù)約掛號(hào)界面布局優(yōu)化方案

3.2 可用性測(cè)試

生以上4 個(gè)優(yōu)化界面方案后， 需要對(duì)初始界面與生成的界面方案進(jìn)行可用性測(cè)試進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試共選取20 名進(jìn)行被試， 其中年齡在50 歲以上的老年人12 人，20～50 歲以下的青年8 人，女性10 人，男性10 人。選定的測(cè)試任務(wù)主要從功能的使用頻率和普遍性這兩方面考慮，選擇了較為常見的外科掛號(hào)與較為不常見的精神科門診掛號(hào)任務(wù)，以及最常用的返回功能。 可用性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)被試的完成任務(wù)率來驗(yàn)證方案的有用性， 通過每個(gè)被試的完成任務(wù)時(shí)間測(cè)試績(jī)效驗(yàn)證效率，通過半結(jié)構(gòu)式訪談法測(cè)試被試滿意度以及認(rèn)知負(fù)荷。

根據(jù)可用性測(cè)試結(jié)果表明，在有用性方面，在4 個(gè)方案以及初始界面當(dāng)中，被試者均完成了目標(biāo)操作任務(wù)，所有方案有用性均為100%；在效率方面，采用以秒為單位的完成任務(wù)時(shí)間進(jìn)行績(jī)效統(tǒng)計(jì)，除了方案2 外，通過遺傳算法生成的方案績(jī)效均優(yōu)于初始方案；在滿意度方面，除了方案1 外，其余方案均高于初始方案。 在認(rèn)知負(fù)荷方面，方案3 與方案4 的數(shù)據(jù)優(yōu)于初始界面。 方案3 的數(shù)據(jù)在4 個(gè)方案中最優(yōu)。對(duì)不同年齡用戶的平均績(jī)效進(jìn)行對(duì)比分析表明， 優(yōu)化后的界面布局方案對(duì)老年人的影響較大，對(duì)老年人更加友好。

3.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

經(jīng)過遺傳算法生成界面布局方案以及后續(xù)針對(duì)生成的方案和初始方案進(jìn)行的可用性測(cè)試表明， 基于用戶認(rèn)知負(fù)荷和遺傳算法結(jié)合的醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)方法是可行的，生成的界面布局方案在完成任務(wù)效率、用戶滿意度方面均優(yōu)于初始方案， 用戶所產(chǎn)生的主觀認(rèn)知負(fù)荷較初始方案也有一定程度的減小， 到達(dá)了優(yōu)化界面布局減少用戶認(rèn)知負(fù)荷，提升用戶體驗(yàn)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究以降低用戶在使用醫(yī)療APP 過程中的認(rèn)知負(fù)荷為目標(biāo)， 提出融合認(rèn)知負(fù)荷理論的醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)，從客觀的界面布局基本原則及用戶主觀認(rèn)知出發(fā)，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，生成優(yōu)化界面布局。 醫(yī)療場(chǎng)景下， 優(yōu)化后的醫(yī)療APP 界面布局設(shè)計(jì)一定程度上降低了用戶的認(rèn)知負(fù)荷，增加了用戶對(duì)界面的滿意度，各項(xiàng)可用性指標(biāo)有明顯提升，后續(xù)的研究中會(huì)繼續(xù)探索并完善。