防空反導裝備指控艙顯控臺界面布局優化設計與評價

王大顏, 瞿 玨，2, 王 崴, 張港生，朱 帥

(1.空軍工程大學防空反導學院, 西安, 710051; 2.西北工業大學航空學院, 西安, 710072)

防空反導裝備指控艙顯控臺顯示界面的直感交互設計是指針對目前指控臺上顯示界面所存在的問題應用直感交互相關理論進行界面元素以及界面布局的設計。在當前防空反導裝備的顯示界面上，存在著狀態參數顯示重復過多，元素顏色不直觀以及部分參數的位置設計不合理等問題，導致操作人員無法準確的獲得戰場上的關鍵信息，增加了認知負荷，降低了操作績效。

傳統的界面設計已經無法滿足操作人員的需求，而界面的直感交互設計可以充分地考慮操作人員的認知特性[1-5]，有效降低操作人員的認知負荷[6]，提高操作績效。針對界面的多指標綜合評價，目前較為適用的評價方法有灰色綜合評價法和模糊綜合評價法[7-9]。模糊綜合評價法相比較于灰色綜合評價法更適合用于多種方案的優選[10-15]。

本文主要針對防空反導裝備顯控臺顯示界面顯示區域不合理的問題進行界面設計和評價。依據作戰任務流程，將界面元素分區劃分為5個區域，并建立直感交互界面布局模型對防空反導裝備顯控臺界面進行直覺化設計。最終應用多屬性模糊綜合評價法進行優化界面的評價，驗證了界面優化設計的有效性。

1 建立界面布局模型

本文依據任務流程中指揮控制顯控臺人機界面的功能和特征，將界面元素分為信息顯示區、火力參數區、系統狀態區。目前態勢信息顯示區的表格顯示區的顏色搭配和布局位置不合理，圖符與目標的關聯度差，即隱喻度較低。火力參數區中狀態參數顯示重復過多、功能、狀態均使用文字-顏色特征捆綁進行區分，火力參數區位置不合理，使得操作人員對狀態參數的直感交互程度低。系統狀態區布局位置不合理，占據了界面較大的面積，指揮控制席系統狀態欄不同裝備和系統之間顏色及區域劃分不明顯，不符合格式塔原則[16-17]。總之，3個不同的區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，將隱喻度、直感交互、格式塔原則引入界面設計中，從而解決界面設計不合理的問題。

指揮控制顯控臺完成作戰任務需要多種顯示和交互控件，這些控件依據功能布置在不同的區域中，設待布區域的總數為M個，則直感交互界面布局設計模型可以描述為將M個待布區域合理地分配到交互界面中，并滿足約束條件、設計原則以及優化目標。圖1所示為布局設計模型示意圖[18]。

圖1 直感交互界面布局設計模型示意圖

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

防空反導裝備布局設計可以看作典型的組合優化問題，即尋求最優待布區域坐標組合解，在滿足約束條件的情況下實現多目標最優。本文以待布區域序列C=(c1,c2,…,cM)為設計變量，區域的位置序號與待布區域一一對應，則布局設計問題可用式(1)的數學模型表達[18]：

C={c1,c2,…,cm}，

(1)

式中:ck表示位置k處對應的待布區域的序號。

2 模糊層次分析法

2.1 量化分析方法的選擇

人機交互過程中具有很多不確定的因素，采用傳統的分析方法很難將其中的不確定性展示出來。直覺化的人機界面比傳統的界面更強調一種界面對能夠體現操作人員直覺的生理參數的理解。傳統的層次分析法在檢驗判斷矩陣是否一致時非常困難，并且檢驗判斷矩陣是否具有一致性缺乏科學的依據[18]。模糊層次分析法不僅可以將人機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出來。因此，本文采取模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process，FAHP)進行布局原則的量化。

在進行直感交互界面設計時，首先根據表1的標度方法對相關設計原則進行兩兩比較，從而構建出判斷矩陣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的判斷矩陣：

表1 判斷矩陣標度

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，還需要進行權重的計算以及一致性的檢驗。模糊判斷矩陣的權重計算為：

(3)

式中：aij為判斷矩陣第i行第j列的元素，m為待布區域個數。

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

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

(4)

2)特征矩陣：設W=(W1,W2,…,Wn)T為A的權重向量，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I(A,B)

2.2 構建子目標函數

2.2.1 隱喻度子目標函數

隱喻是直感交互界面常用的設計方法，每個區域的隱喻度是直感交互界面布局的重要考量因素。我們邀請武器系統人機交互設計專家、學院教員以及參加接改裝訓練的戰勤人員對每個區域的隱喻度進行評判，評判標準如表2所示。

表2 隱喻度矩陣標度

構建隱喻度模糊判斷矩陣為：

(7)

式中：r表示參與評價的人數;Mij表示第i個待布區域由第j個評價人員給出的隱喻度數值。

參與評價的人員的資歷與權威不同，因此我們建立式(8)所示專家權重矩陣：

ωZ=[ωZ1,ωZ2,…,ωZr]T

(8)

Zi=MijωZ

(9)

根據式(3)計算隱喻度模糊判斷矩陣的隱喻度權值，其中待布區域的重要度權值用Mai表示。根據式(4～6)進行一致性檢驗。

點P表示界面最佳視點，通常認為界面中心為最佳視點。用歐氏距離dip表示區域中心點到最佳視點P的距離，計算方法為：

(10)

則各待布區域的隱喻度子目標函數為：

(11)

式中：X=(x1,x2,…,xn)是待布區域在界面空間中x軸方向的坐標；Y=(y1,y2,…,yn)表示在y軸方向的坐標，待布控件i的x軸坐標與y軸坐標一一對應[18]。D為常數，其具體值與界面空間的大小、待布區域的形狀有關，也可由專家確定。

2.2.2 重要度子目標函數

待布區域的重要度取決于區域中控件的功能以及戰勤人員的主觀認知，首先構建重要度模糊判斷矩陣：

(12)

式中：r表示參與評價的人數；Iij表示第i個待布區域由第j個評價人員給出的重要度數值。

則待布區域i的加權重要度評分為：

Zi=IijωZ

(13)

根據式(3)計算重要度模糊判斷矩陣的重要度權值，其中待布區域i的重要度權值用Imi表示。根據式(4～6)進行一致性檢驗。

則各待布區域的重要度子目標函數為：

(14)

2.2.3 使用頻率子目標函數

操作人員執行防空反導人機交互任務時，點擊某一區域的次數可以用來表征界面上某區域的重要程度，故某一區域的使用頻率可以作為評判界面優劣的一個依據。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個待布區域在任務j中的使用頻率評分。

在執行操作任務時，每個任務的執行頻率決定每個任務的權重，并且相關的專家會結合以往的作戰使用的數據和操作經驗，給出概率矩陣的參考：

ωE=[ωE1,ωE2,…,ωEg]T

(16)

則待布控區域i的加權使用頻率評分為：

Ei=fijωE

(17)

根據表1的標度法得出使用頻率的模糊判斷矩陣之后，根據式(3)計算使用頻率模糊判斷矩陣的重要度權值，其中待布區域i的使用頻率權值用Fri表示。根據式(4～6)進行一致性檢驗。則各待布區域使用頻率子函數為：

(18)

2.2.4 子目標函數的權重

常見的確定權重的方法包括：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。本文采用對各個子目標函數的權重進行計算，見表3。

表3 各個子目標判別分析法計算示例

在對各個目標函數進行兩兩比較判斷分析時，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1分；兩者相比，更重要的4分，另一個0分。子目標函數的權重系數為：

(19)

式中：gi表示第i個子目標函數的權重系數；ki表示總分；n表示子目標函數的個數。

2.2.5 布局總目標函數

將各個子目標函數與子目標函數的權重系數結合起來，最終可以得到直感交互界面布局設計問題總目標函數：

(20)

式中：fi(X,Y)為各子目標函數。

2.3 直感交互界面布局設計模型Matlab實現

為了驗證本文所提出的直感交互界面設計模型的有效性，我們以指揮控制顯控臺人機界面為例進行防空反導裝備界面直覺化設計。該界面中包含的待布區域都可以被簡化成長方形，通過測量可以得到各個區域的大小，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 布局設計模型子目標函數相關值

利用模糊層次分析法計算5個待布控件的隱喻度、重要度、使用頻率子目標函數的相關權值。

1)隱喻度子目標函數。根據式(9)計算出各個待布區域的隱喻度加權評分，根據表1的標度方法構建表5所示的隱喻度模糊判斷矩陣。

表5 隱喻度模糊判斷矩陣

根據式(3～6)進行權重的計算以及一致性的檢驗后得到各待布區域的隱喻度權值，見表6。

表6 各待布區域的隱喻度權值

2)重要度子目標函數。根據式(13)計算出各個待布區域重要度加權之后的評分，之后根據所得結果進行排序并且計算各個區域評分之間的差值，最后依據評分和評分差值大小對照表1中給出的比較規則，構建出表7的重要度模糊判斷矩陣。

表7 重要程度模糊判斷矩陣

進行權重的計算以及一致性的檢驗后得到各待布控件的重要度權值，如表8所示。

表8 各待布控件的重要度權值

3)使用頻率子目標函數。根據式(17)以及表1的標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

進行權重的計算以及一致性的檢驗后得到各待布控件的使用頻率權值，如表10所示。

表10 各待布控件的使用頻率權值

最后利用判別分析法計算3個布局原則的權重，并將其帶入適應度函數中(見表11)。

表11 各個子目標判別分析法計算示例

2.3.2 基于MATLAB的遺傳算法求解

界面的直感交互設計需要更多考慮人機交互過程中的直覺性，具有不確定性和隨意性，而遺傳算法針對帶有猜測性質的問題優化具有較大的優勢，因此本文選用遺傳算法進行布局優化問題的求解。

實驗中，得到如圖3所示的目標函數最優值曲線圖，根據圖3繪制如圖4所示優化后界面布局幾何簡圖，之后將實驗所得結果應用到實際界面布局設計當中，如圖5所示。

圖3 目標函數最優值曲線圖

圖4 直感交互界面各個區域布局圖

圖5 優化后界面布局

3 基于多屬性模糊綜合評價法的界面評價

本文對原始界面，基于灰色關聯度的優化界面以及基于隱喻度子函數、重要度子函數和使用頻率子函數的遺傳算法的優化界面進行評價，界面分布如圖6。原始界面圖6(a)作為參考，圖6(b)定義為待評價方案1，本文優化界面圖5定義為待評價方案2。

圖6 基于不同優化方法的界面布局

3.1 建立模型

1)建立指標矩陣F對于由m個評價方案n個因素指標組成的因素指標矩陣F有：

(21)

(22)

(23)

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

3.2 數據分析與處理

近似熵和θ波功率計算公式分別為[20]：

(24)

(25)

依據式(24)和(25)計算得到該時間段的近似熵平均值和θ波功率平均值。腦電信號處理前后見圖7～8。處理后的實驗數據見表12。可以看出，優化方案不僅提高了被試的操作績效，而且降低了被試的認知負荷。

圖7 原始腦電信號

圖8 預處理后的腦電信號

表12 實驗任務數據

根據前文所述，由各評價對象構成的集合為：

A={原始界面，待評價界面1，待評價界面2}

評價指標集合為：

X={反應時間，反應錯誤率，近似熵，θ波功率}

對各評價指標進行標準化處理，得到3個評價對象在4個評價指標下的矩陣F為：

(26)

利用德菲爾法[15]確定反應時間、反應錯誤率、近似熵以及θ波功率等評價指標的權重系數為：

W=(0.367，0.349，0.142，0.142)

(27)

(28)

于是，可分別得到各評價對象指標值與最優值之間的廣義加權距離：

d1=1

(29)

d2=0.585

(30)

d3=0.387

(31)

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

(32)

從數據處理結果可以看出，優化后的界面設計提高了被試的反應速度和反應正確率，并降低了腦力負荷，待評價方案1和2更加合理。

4 結語

本文提出了一種基于重要度子函數、隱喻度子函數和使用頻率子函數的界面布局優化模型，該模型考慮到操作人員的操作習慣、認知和心理特性，并利用遺傳算法進行求解；同時應用基于多屬性模糊綜合評價的界面評價方法，將傳統的人機界面評價指標反應時間、反應錯誤率和操作人員的腦電指標近似熵、θ波功率相結合，完成了防空反導裝備指揮控制臺顯示界面評價案例分析。利用本文的評價方法對原始界面、本文優化界面以及基于灰色關聯度優化的界面進行評估結果證明本文優化模型優化的界面更加合理。

后續的工作將進行界面上其它顯示元素的研究，比如顯示圖標的顏色、大小、目標的移動速度以及目標的動態顯示等，進一步完善優化方案的界面評價指標體系，將操作人員的眼動數據和腦電數據結合起來，用于優化方案的評價，提高結論的可信度。