復雜信息系統界面可用性指標體系研究

趙 欣，丁 怡，侯文軍，陳筱琳

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復雜信息系統界面可用性指標體系研究

趙 欣1，丁 怡2，侯文軍2，陳筱琳2

(1. 中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041；2.北京郵電大學數字媒體與設計學院，北京 100876)

隨著復雜信息系統在軍事領域和民用領域的廣泛應用及不斷發展，人們對復雜信息系統顯示界面的設計有了更高層面的要求。通過可用性評估指導復雜信息系統界面設計改良，降低系統復雜性帶給用戶的工作認知負荷，提高用戶績效成為亟待解決的問題。針對復雜信息系統界面進行了研究，從界面特征、任務特征、認知特征進行了分析，提出了界面復雜性的影響因素，構建了復雜度評估指標體系，采用層次分析法針對界面的復雜性的指標權重進行了研究，并根據構建的復雜度模型提出了相應的可用性指標體系。

復雜信息系統；可用性；層次分析法；指標體系

進入21世紀，復雜系統及相應的復雜性科學問題變得日益突出。復雜信息系統界面由于其信息種類繁多、信息層次關系復雜、數據信息多維化、查詢操作流程繁多等特點，對操作者的腦力負荷、精神緊張度、使用經驗均有較高要求。研究發現，用戶對復雜信息系統顯示界面的認知負荷遠高于普通操作界面，特別是腦力負荷、注意力專注度與心理緊張度，復雜信息顯示界面的操作挑戰更高。

研究發現，目前復雜信息系統顯示界面可用性評價體系并不成熟，還未有專門針對其綜合性評估方法。然而，隨著人機界面復雜度的增加，人類對操作復雜信息系統顯示界面的需求卻在不斷擴大，其應用范圍也在逐漸增大，這對于設計者與操作者都是巨大的挑戰。

國內外學者在復雜信息系統的評估方面開展了許多研究。THACKER和TULLIS[1]針對靜態數字界面評估提煉出界面信息稠密度、對象聚類程度、布局復雜度和用戶提取信息時長4個指標，進而確定了預測用戶搜索次數及界面滿意度的模型。STREVELER和WASSERMAN[2]也提出了一種定量評估界面布局的系統，確定專家用戶評估屏幕布局的指標和算法精準度。此外，COMBER和MALTBY[3]基于文獻[1]界面評估理論進一步提出界面布局復雜度的評估模型，通過對界面中視覺對象的位置與大小等屬性評價確定界面布局復雜度。例如，界面中視覺對象的高度、寬度、邊距等變化越多，布局越復雜。國內有關學者圍繞指標提取和描述也進行了相關研究并取得了一定成果。如譚浩等[4]針對人機界面交互特征的研究，基于語義差分法明確其交互特征的定義，并通過總結相關案例輔助語義內涵的描述。該研究過程其實就是提取指標并進一步細化指標描述的范例。文獻[5]也對復雜系統界面進行了研究，通過對信息系統及界面系統復雜性分析，確定復雜系統界面設計的策略方法，進而建立界面對象網絡描述模型。研究成果在于啟發設計師在界面設計過程中需考慮到復雜結構信息的組織與展開方式，并通過可視化、多維度呈現等方式提高復雜結構信息的傳達效果，提高系統的可用性水平。但沒有產生一套專門針對復雜信息界面的評估方法與理論，從反方向驗證產品設計的可用性水平與產品質量。

1 復雜信息界面特征

人機交互界面是系統的大腦，需要匯總系統的各方面信息并以一定的形式呈現出來。這些信息通過計算機后臺處理，呈現給用戶，為使用者觀察分析、判斷態勢、決策操作提供可視化的信息依據。因此信息的種類、數量和信息呈現的方式是衡量人機界面復雜度的重要因素。

1.1 復雜信息界面顯示特征

復雜信息系統基本屬性需求決定了復雜信息系統界面顯著區別于其他界面，在界面顯示特征方面，有以下特征(表1)：

(1) 信息量繁多。復雜信息系統包含大量顯示信息，其內容復雜。這種信息界面需要用戶在同一時間內處理大規模信息，無疑給用戶帶來了較高的認知負荷，易導致用戶出現遺忘和誤讀、誤判情況。同時復雜信息系統信息內容本身的專業性水平較高，導致用戶的使用、學習門檻較高，也會給用戶在感知和理解時帶來一定認知障礙。

(2) 信息層次復雜。復雜信息系統包含多層級的邏輯菜單結構，其對于用戶操作產生很大影響，容易引導用戶錯誤的心智模型。同時多變量信息單元迫使用戶同時處理大量實時變化的信息內容，增加了用戶的認知負荷。

(3) 信息呈現方式復雜。復雜信息系統包含多元信息維度、結構與運動關系，其信息呈現具有復雜性。一方面信息呈現方式多樣，既包括符號、字母、文字、圖形、顏色等視覺顯示信息，也包括語音、振動等其他信息源。另一方面，各種信息符號還可以通過組合產生更加豐富的呈現形式，增加界面信息的復雜性。顏色與圖標的組合變化可以區分對象的狀態，此外，信息呈現的動效、出現的時機等進一步增加了信息呈現的復雜性。

(4) 界面布局復雜。其表現為操作區域較多、區域位置與面積動態規劃、部分操作區自動隱藏。

表1 復雜信息界面顯示特征

復雜信息系統的復雜性決定了界面布局的復雜性，一般來說復雜信息系統的界面操作區域較多，且部分操作區會自動隱藏。圖1是一款游戲產品的界面，圖中可見復雜信息界面的界面布局設計，除了需要考慮視覺上的清晰度、美觀度、合理度，還要針對操作區、態勢區、菜單功能區進行更加系統地設計與考慮。例如對于菜單功能區，為了避免占用過多的態勢區和操作區，必須對菜單功能區進行合理的區域劃分，根據操作頻率與權重劃分區域位置與面積，同時對不常用功能自動隱藏，盡量減少無效信息對用戶注意力的分散，避免增加用戶認知負荷。

圖1 某種復雜信息界面的信息展示區域

此外，操作任務的復雜性也會影響界面布局，甚至影響硬件布局。例如在軍事界面中會出現雙任務操作的使用情境，而如何確定屏幕的位置、尺寸、平衡工作績效與成本等多重因素也是界面布局設計中需要考慮的重要問題。

1.2 復雜信息界面任務情境特征(表2)

(1) 不確定性和難預測性。對復雜信息界面的情境特征分析需要結合任務操作場景，其具有不確定和難預測的特點。一方面因為執行任務難度高，執行環境復雜，對用戶的生理和心理負荷較高，增加了任務操作的不確定性。同時由于復雜的操作環境對系統的操作使用也有物理影響，更加難以進行合理預測。

(2) 任務切換頻繁。除了任務復雜性導致的不確定性與難確定性之外，在交互操作層次、復雜信息界面的任務線程切換具有多變的特征。任務線程的切換復雜性體現在模塊配合、信息源、任務操作模式等方面。此外，任務操作的復雜性(多任務還是雙任務)、操作者的配合度(多人操作還是單人操作)等交互要素以及任務活動本身、操作環境、參與者帶來的復雜性更進一步增加了任務動態切換過程中的復雜性，從而影響執行效果的穩定性。

(3) 情境因素干擾。伴隨著人工智能技術的發展，各種預測模型的涌入為復雜信息系統設計帶來了更多的活力，同時也進一步帶來了挑戰。一方面，系統基于情境信息的預判機制(如在某個特定情境下會自動彈出相應窗口)，可以降低操作人員的工作負荷，提高工作效率。另一方面，系統的智能化判斷與用戶的認知模型之間存在差別，當系統預判不能精準反映當前情境任務的需要時，很容易導致誤判與任務失敗，增加了系統的不確定性，不利于用戶對系統狀態與系統行為的預測判斷。

表2 復雜信息界面任務情境特征

1.3 復雜信息界面認知特征

復雜信息界面的界面復雜性及任務復雜性決定了操作人員認知的復雜性。參考ENDSLEY[6]提出的情境意識理論，在界面認知方面，復雜信息界面特征(表3)主要體現在：

(1) 感知大量信息。由于復雜信息界面經常隨機呈現多維度的任務情境信息，需要用戶快速感知，并對相關信息進行快速識別。因此復雜信息界面對操作人員的感知能力有較高要求。在一些情況下，感知的成敗將直接影響任務最終的成敗。良好的感知能力與察覺及注意捕獲息息相關，從認知學角度，人類的知覺系統對變化的敏感度很高，例如閃爍、運動等經常用于警報信息的設計。然而，變化視盲依然存在，特別是在較高任務負荷下，人眼球依然會忽略環境中的一些變化情況。此外，刺激的突顯程度、變化的位置與中央窩之間的視角、注意力的集中程度等都會影響人類的感知敏感度。

表3 復雜信息界面認知特征

(2) 較強的理解記憶支撐。信息感知基礎上，需要對信息內容進行進一步的認知和理解才能做出決策和應對。信息在頭腦中的加工機制與長時記憶中知識的表征和組織方式有關。人類的知識是不完整的、模糊的，大多數以關聯知識的形式存在，因此需要在設計中建立“知識啟發”，幫助用戶獲取信息中心模糊的部分，提高認知的精確度。此外，記憶能力和專業知識也會影響操作績效。工作記憶的容量，例如閱讀廣度、操作廣度、計算廣度可以預測操作員的任務績效，特別是任務需要大量信息支撐的情況。在工作記憶容量有限的情況下，專業能力與工作經驗的高低也會影響任務績效，通過工作記憶激活訪問長時記憶的提取線索，進而將有價值的信息進行更長久的保存，降低工作記憶容量限制和記憶衰退的限制，同樣是提高任務績效的關鍵所在。

(3) 準確的判斷預測能力。用戶基于相關信息的覺察和認知基礎上，需要對任務進行準確地判斷和預測，進而做出決策判斷。首先是搜集線索階段，一方面，線索的物理特征會使信息更加凸顯，從而影響選擇性注意和加工機制。另一方面，線索的可靠性和可信性也會影響最終結果的判斷。然后是判斷階段，用戶基于其心理模型進行預判。心理模型可以由用戶自發形成，也可以通過訓練精心組織和建構。心理模型與系統行為的一致性越高，判斷的準確性越高，因此專家往往比新手具備更精煉、準確的心理模型。此外、時間壓力也會影響用戶的決策進程。

2 構建復雜度模型

2.1 構建評價體系

為了有效評估人機交互界面復雜性，了解其影響因素、具體表現、所屬類別等相關問題，采用發聲思維的方式對復雜信息界面進行評估。考慮到軍用系統界面的獲取難度較高，且對使用者的操作經驗有很高要求，因此選取民用產品中的游戲界面為研究對象，邀請專家用戶進行操作體驗。在體驗過程中，用戶需要使用大聲思維的方法，即對自己在操作過程發現的界面復雜特征進行表達和描述，形成口語報告。比如對于游戲界面，用戶的口語記錄有：“經常彈出的對話信息容易干擾我的注意”、“如果鼠標進入地圖區域，區域面積自動變大將更利于我的操作”等等。

與此同時，邀請軍用系統的設計專家進行專家訪談，記錄設計過程中考慮到的設計細節，從設計者的角度提取、分析、理解復雜信息系統的屬性特征。以一個設計師的訪談記錄為例：“我希望能通過有效的界面設計，幫助用戶在進行數據操作的同時，兼顧到態勢屏上的信息，保證任務績效的同時不會錯過重要信息”。

對兩個過程收集到的界面描述特征進行抽象提取，形成界面復雜度模型要素。需考慮影響界面復雜度的相關指標，并對一些描述進行整合，如，態勢區的信息需要在視野范圍內“與”根據信息權重設計相應呈現位置整合為“信息布局”這一描述。最終通過上述分析，提取出7類可衡量界面復雜度的特征，即信息內容、界面布局、界面交互、任務情境、任務配合、認知負荷、生理負荷。在此基礎上，根據前期調研過程中收集到的用戶反饋和專家訪談結果以及部分用例進行歸納整理，挖掘特征的內涵。如對于“界面布局”這一特征，可以定義為“信息呈現的區域范圍和位置”。

在定義基礎上，采用語義差分法，從正反兩個方面對這一特征在復雜方面的表現進行描述和表達。如，針對“界面布局”，其復雜的特點是占用空間層次較多，反之占用空間層次較少。針對“信息內容”的復雜特點是信息數量和信息層次較多，反之有較少的信息內容，或者信息內容的層次非常簡單(3類以下)。同時，將對應的描述特征進行抽象，設計出相關用例，完善有關定義的描述。表4是可以挖掘出信息界面復雜度的表征范式。

表4 復雜度模型

2.2 確定各因素權重

本文采用系統工程理論中的層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)確定各個因素的權重。首先，根據提取出的7類可以衡量界面復雜度的特征建立界面復雜性評價層次模型，如圖2所示。而后根據AHP的研究過程確定各因素權重。

圖2 復雜性評價層次模型

(1) 專家打分。邀請3位用戶體驗專家(從業時間3年以上)完成決策，其打分記錄見表5。

接下來計算二級準則層的得分。對于1號專家，1=(4+3+2)/3=3，2=(4+3)/2=3.5，3=(2+2)/2=2。同理計算其得分情況。最終計算出二級指標得分見表6。

表5 專家打分

表6 二級準則層得分

(2) 構造判斷矩陣。根據專家的打分值構造第二層級(即1，2，3)3個因素的判斷矩陣1，其中

以1號專家為例，

其判斷矩陣見表7。

表7 判斷矩陣

即，

(4) 一致性檢驗。通過對判斷矩陣進行一致性檢驗，判斷所求權重的合理性。檢驗公式為

=/(6)

其中，為判斷矩陣的隨機一致性比率；為判斷矩陣的一般一致性指標，即

為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，1~9階的判斷矩陣值分別為：0，0，0.58，0.90，1.12，1.24，1.32，1.41，1.45。

根據同樣的方法，確定出2和3各個指標的權重，最終確定各因素的最終權重值，見表8。

表8 二級準則層權重

繼續采用上述方式，對于第3層級指標層的各項數據影響因素進行數據分析，得到各個指標層的影響權重，見表9。

表9 各個指標最終權重

3 基于復雜度模型的可用性評價體系構建

文獻[7]指出，最早的可用性評價體系是由McCall，Richards和Walters提出的，該體系從評估維度、評估準則和評估指標3個層次進行分層。隨后，Van等結合產品設計的原則從可用性維度、指標、手段、知識4個層面構建可用性評價體系。之后，Seffah等構建了QUIM質量整合地圖，從因素、準則、指標、數據4個層面進行可用性研究。

在復雜度模型基礎上對人機交互界面的可用性評估指標進行分析和整理，可以發現復雜度模型主要覆蓋了可用性指標中軟件界面層次和人因層次的可用性指標，即界面設計和人的認知維度。在復雜度模型和可用性評估維度確定的基礎上，邀請復雜人機交互界面設計評估實踐經驗豐富的專家組成焦點小組，通過頭腦風暴和綜合分析，得到復雜人機交互系統進行可用性評估過程需要重點考慮的可用性指標。

結合復雜度模型，從信息內容、界面布局、界面交互多個維度提煉出人-軟件界面交互的指標，見表10。

在人-人交互方面的可用性指標需要結合個人自身的生理特征、認知特征、行為特征，以及任務執行過程中人員的配合與溝通。結合復雜度模型，從任務情景、任務配合、認知負荷、生理負荷四個維度提煉出人-人交互指標，見表11。

表10 人-軟件交互可用性評估指標

表11 人-人交互可用性評估指標

4 結 論

針對復雜信息界面的復雜性進行系統分析，提出了復雜界面基本特征的理論模型。而后通過專家訪談和出聲思維的方式，構建出界面復雜性評價層次模型。并依據此評估模型運用系統工程理論中的AHP評估各復雜度因素的權重。根據復雜度模型找出可用性評估指標，并進行構建。其可以在之后的研究中結合相應的評估方法構建較為完整的評估方法體系，有助于進一步指導復雜信息界面可用性評估與實踐。

[1] THACKER P, TULLIS T S. Application of Tullis visual search model to highlighted and non-highlighted tabular displays [C]//Human Factors Perspectives on Human-Computer Interaction: Selections from Proceedings of Human Factors and Ergonomics Society Annual Meetings. California: SAGE Publications, 1995, 31(11): 1221-1225.

[2] STREVELER D J, WASSERMAN A I. Quantitative measures of the spatial properties of screen designs [C]// INTERACT Conference Proceedings. Amsterdam: North Holland Publishing, 1984: 125-133.

[3] COMBER T, MALTBY J R. Evaluating usability of screen designs with layout complexity [C]//OZCHI 95: Fifth Australian Conference on Computer-Human Interaction. New York: ACM Press, 1995: 175-178.

[4] 譚浩, 李薇, 吳永萌. 交互特征研究與設計應用[J]. 湖南大學學報: 社會科學版, 2015, 29(2): 155-160.

[5] 熊遠博. 復雜結構信息顯化與復雜系統界面設計研究[D]. 南京: 東南大學, 2013.

[6] ENDSLEY M R. Design and evaluation for situation awareness enhancement [C]//Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. California: SAGE Publications, 1988: 97-101.

[7] 鄭燕, 劉玉麗, 王琦君, 等. 產品可用性評價指標體系研究綜述[J]. 人類工效學, 2014, 20(3): 83-87.

On the Usability Evaluation Index System of Complex Information System Interface

ZHAO Xin1, DING Yi2, HOU Wenjun2, CHEN Xiaolin2

(1. China Academic of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China; 2. School of Digital Media & Design Arts, Beijing University of Post and Telecommunications, Beijing 100876, China)

With the rapid development and extensive use of complex information system on both military and civil field, design of the display interface of complex information system needs to be improved to a higher level. The usability evaluation can be used to guide the improvement of the interface design of complex information system, which can reduce the workload of users induced by the complexity of system, and also improve the performance of users. This has already become a problem demanding prompt solution. This paper researched on the complex information system interface and analyzed from the features of interface, task and cognition, after which, the influence factors of interface complexity were put forward, the index system of complexity evaluation was constructed and the index weight of the complexity of interface was studied by AHP, and in the end, the corresponding usability index system was put forward according to the complexity model.

complete information system; usability; analytic hierarchy process; index system

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018040716

A

2095-302X(2018)04-0716-07

2018-04-07；

2018-06-10

趙 欣(1967-)，男，河北藁城人，高級工程師，碩士。主要研究方向為機載電子信息系統人機交互設計與評估。 E-mail：hdpuzhaoxin@163.com

侯文軍(1963-)，女，山西太原人，教授，博士。主要研究方向為人機交互與數字媒體。E-mail：hou1505@163.com