基于熵權和灰關聯的老年人信息終端界面布局評價研究

呂帥，李永鋒

（江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

我國已經進入老齡化社會，老齡人口數量將在未來30 年里呈逐漸上升的趨勢，直至本世紀中葉，我國老齡人口將達到峰值，屆時我國將成為老齡人口較多的國家之一[1]。科學技術的發展使信息終端成為了人們生活的一部分，但是老年用戶在使用時，仍然存在著許多可用性問題，尤其在界面布局方面，老年人的認知能力和學習能力遠不如年輕人[2]，過于復雜的界面布局將阻礙老年人執行相關任務，使其在操作時往往需要其他人的幫助，甚至抗拒使用。

針對信息終端的界面設計研究，國內外學者主要致力于兩個方面：一是通過用戶對界面的使用情況和主觀感受進行分析，提出改進的設計方案，如Zahabi等[3]基于用戶認知模型，對信息終端進行任務分析，制定了界面改進策略；Quinn 等[4]通過實驗預測操作或糾正用戶輸入來幫助用戶，為界面設計改良提供依據，這類研究從用戶的認知角度展開，研究結果往往會受到用戶主觀認知的影響。二是利用算法或客觀的界面評價指標對界面布局進行設計，如葉坤武等[5]構建基于視覺注意力分配的布局模型，對飛機駕駛艙人機界面布局進行優化；Diego–Mas 等[6]通過收集在界面使用過程中的眼球追蹤和鼠標移動數據，從而確立最佳的界面布局，這類研究基于算法或客觀指標，提出了理想的界面布局方案，但研究結果缺乏對用戶心理訴求的考慮。

老年人作為社會大眾所需要關懷的群體，為其提供良好的用戶體驗是至關重要的。目前許多研究以老年人為對象，探討了界面設計中的可用性問題，如Wildenbos 等[7]通過實驗總結了老年人移動醫療APP界面的可用性問題，為設計出滿足老年人需求的移動醫療APP 提供建議；竇金花等[8]基于情景理論研究，分析了老年人智能家居語音界面，為設計實踐指明了方向；李永鋒[9]等采用失效模式與效應分析對老年人汽車界面的操作流程進行評估歸納，提升了老年人使用汽車界面的滿意度。

上述研究表明，在基于算法或客觀指標的信息終端界面布局研究中，對老年用戶的生理和心理需求涉及較少，并且很少有專門針對老年人的信息終端界面布局評價方法，將老年人模糊的情感需求進行量化。因此，本研究將采用主客觀評價的方式，提出一種老年人信息終端界面布局評價模型，將熵權法計算所得的指標權重納入到灰色關聯分析法中進行決策評價，得到最佳的設計方案。該評價方法通過分析老年人的用戶偏好，決策出滿足老年人需求的信息終端界面布局，為老年人信息終端界面布局設計優化提供了理論依據。

1 理論背景

1.1 界面布局

多樣化的界面布局使信息獲取的方式變得多元化，通過設計將信息在有限的空間中進行有效排列，讓用戶能夠迅速找到所需要的內容是界面布局設計的目的。合理的界面布局元素組合可以滿足用戶的審美需求，讓用戶專注于任務本身，提高交互效率[10]。界面布局反映了文本和視覺化的空間安排，無序的界面布局會導致許多問題，包括搜索時間長、決策延遲、對主要任務的關注度降低等，設計人員應將重要信息放置于用戶容易察覺的位置，縮短用戶對信息獲取的時間，減少人為的失誤及任務過程中產生的認知負荷，界面布局決定了信息呈現的位置、復雜性和一致性，并影響用戶對信息強度的感受[11]。

1.2 灰色關聯分析方法

灰色關聯分析法常用于分析具有較高灰性的信息，通過已經獲取的使用信息，完成對不確定性系統的剖析、建模以及監控。灰色關聯分析法整合了兩個關鍵領域，首先是系統，試圖將多種組成部分或子系統綜合集成為一個具有整體功能的系統，其次是隱含在自然或人造系統中的灰色或不確定性水平，探討數據不準確、不精確的定性問題[12]。灰色關聯分析法適用于處理信息模糊、不清楚的狀況[13]，即使是少量且離散的小樣本數據也同樣適用。然而，初始的灰色關聯分析法在進行灰色關聯度整合時，一般采用加權平均法或專家賦權的方式計算指標權重，使最終結果存在一定主觀因素。

1.3 熵權法

由于認知的局限性和社會環境的復雜性，決策者在進行評價時很難獲得準確的信息[14]，熵權法則有效地解決了這種問題，其根據決策矩陣對模糊變量的不確定性進行測量[15]，能夠客觀地計算不同因素的權重，提供接近真實客觀的評估結果，為決策者提供決策依據。因此，可以通過計算評價方案中各指標的熵值，分析各指標在決策過程中所能傳遞決策信息的程度。本研究將熵權法引用到灰色關聯分析法中，可以有效避免灰色關聯分析法中存在的主觀因素，增加評價結果的真實性。

2 研究方法

本研究結合熵權法和灰色關聯分析法對信息終端界面布局進行分析，尋找符合老年用戶認知的最佳方案。整個研究過程分為6 個階段，分別是產品任務的基本用例描述、老年人界面布局評價體系構建、界面布局評價實驗、基于熵權法的界面布局評價指標權重分析、界面布局評價實驗的灰色關聯度分析和確定最優方案，研究框架見圖1。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

2.1 產品任務的基本用例描述

用例被定義為軟件功能的簡化概述[16]，它克服了傳統場景法對于宏觀問題和結構的掩蓋，以敘述的形式描述了一個完整、定義良好的交互過程。本研究對現有的信息終端進行任務分析，列出所有子任務，歸納出現有信息終端的主要任務，再以用戶意圖為基礎，對主要任務進行抽象化表述，建立完整的基本用例模型。

2.2 老年人界面布局評價體系構建

隨著年齡的增長，老年人的身體機能逐漸衰退，通常會出現注意力不夠集中、容易遺忘、理解能力下降等問題[17]，大量的界面信息和復雜的操作流程會影響老年人的情感體驗。對于結構布局而言，老年人情感體驗的好壞影響著其行為決策和使用意愿，組織合理的結構布局能夠聚集老年人的注意力，增強界面操作過程中的舒適度，便于界面信息的閱讀與理解[18]；對于任務效率而言，簡單易懂的界面操作流程會增加老年人使用過程中的自信心，通過識別操作流程來彌補記憶遺忘的缺陷，有助于提升任務的成功率[19]；對于認知理解而言，老年人由于認知能力的退化，其對界面空間和信息的理解能力會隨之減弱，界面設計應符合老年人的認知特點，減少老年人在使用過程中產生的認知負荷[20]。因此，本研究將基于結構布局、任務效率和認知理解，構建老年人界面布局評價體系，兼顧評價指標的獨立性與全面性，收集了結構布局、任務效率和認知理解3 個方面的12 個指標。

2.2.1 結構層面

良好的界面布局空間結構設計，不僅可以通過信息的擺放來引導用戶，使之專注于自身所需完成的任務，還有利于對整個界面信息的閱讀，提升用戶體驗。本研究在文獻[21]的基礎上提出4 個界面布局度量指標。

2.2.1.1 平衡度

本研究采用平衡度測量界面空間元素的質量，通過計算界面空間左右、上下元素的總質量差，衡量整體界面是否達到視覺平衡狀態，見式（1）—（2）。

2.2.1.2 經濟度

經濟度探討了界面元素尺度的差異性程度，即使用最少的界面元素向用戶傳達所需的信息，見式（3）。

2.2.1.3 密集度

密集度探討了界面中元素的松緊程度，通過計算實際界面中元素的密度與最優界面中元素密度的差異，衡量界面布局的簡潔程度，見式（4）。

2.2.1.4 比例美度

比例美度量化了界面元素和布局的視覺效果，通過計算元素和布局的長寬比，使其與傳統的美學比例進行對比，界面元素和布局越趨于最優比例，則越能夠吸引人的注意力，見式（5）—（11）。

2.2.2 任務層面

為了全方位地對老年人信息終端界面布局進行分析，本研究引用Constantine 等[22]所提出的基本效率、任務符合度、任務可見度和任務時間對任務執行過程進行度量，進一步得到符合老年人使用的信息終端界面。

2.2.2.1 基本效率

基本效率探究了用戶界面操作流程與基本用例模型中理想描述的聯系。基本用例表述是一個理想情況，實際交互情況越趨于基本用例表述，則操作的效率將極大提高，見式（12）。

2.2.2.2 任務符合度

任務符合度通過衡量任務難度與每個任務使用頻率的相互匹配程度，對任務進行分級，評估使用頻率較高的任務是否簡單高效，以方便用戶操作使用，見式（13）。

式中：D表示按照執行長度正確排列的任務對數目與未正確排列的任務對數目之差；N表示所排序的任務數。

2.2.2.3 任務可見度

任務可見度準確地向用戶展示了完成某個任務，用戶所必須了解或需要使用的相關內容，它衡量了組件功能可見性與完成給定的一個（或一組）任務所需能力之間的吻合度，見式（14）。

2.2.3 認知層面

為深入優化老年人信息終端界面布局設計，衡量老年人從界面布局中獲取完整有效信息的程度，提升老年人信息終端界面的用戶體驗，基于Hassenzahl[23]所總結的界面度量指標，本研究增加簡單的、可理解的、清楚的和滿意的4 個主觀指標，對老年人使用過程中的主觀感受進行度量。

整合上述3 個層面的主客觀指標，構建老年人界面布局評價體系，見圖2。

圖2 老年人界面布局評價體系Fig.2 Interface layout evaluation system of information terminal for the elderly

2.3 界面布局評價實驗

本研究以老年人的實際需求為基礎，使用焦點小組法分析整個信息終端界面的服務流程，結合基本用例模型和通用設計原則，從老年人的認知角度出發，得到老年人信息終端界面的相關設計規范，最后參考已有的終端界面，選擇其中具有代表性的方案，在此基礎上，不考慮色彩的影響，按照相關設計規范制作實驗樣本。

實驗樣本制作完成后，本研究邀請老年被試者在實驗樣本上執行使用頻率較高的任務，根據構建的界面布局評價體系，采用7 階Likert 量表的問卷形式對其中的主觀指標進行評價，其中1 表示非常不同意，7 表示非常同意。

2.4 基于熵權法的界面布局評價指標權重分析

本研究采用熵權法計算老年人界面布局評價體系中指標的相對權重，以排除主觀賦權的干擾，保證實驗結果的可靠性。具體有以下4 個步驟。

第1 步，根據界面布局評價實驗結果構建原始數據矩陣，然后將其進行正規化處理，對于界面布局評價體系中具有望大特性的指標使用式（15），望小特性的指標使用式（16），望目特性的指標使用式（17）。

第2 步，計算各評價指標的特征比重，見式（18）。

式中，m為備選方案總數。

第3 步，計算各指標的熵值ej，見式（19）。

第4 步，計算出指標間的相對客觀權重vj，見式（20）。

式中：n為評價指標總數。

2.5 界面布局評價實驗的灰色關聯度分析

對實驗結果進行灰色關聯分析，包括以下5 個步驟：

第2 步，對相關序列進行無量綱化處理，將其轉化為數量級相同的序列，見式（22）—（23）。

第3 步，依據指標望大特性、望小特性和望目特性，從序列中篩選出最佳值，將其組成參考序列X0。

第4 步，求出灰色關聯系數，見式（24）。

其中，ρ為分辨系數，其值通常取0.5。

2.6 確定最優方案

對各方案的灰色關聯度大小進行比較，灰色關聯度越大，則對應的方案越接近理想方案，以此為依據確定最優方案。

3 案例研究

ATM 機（Automatic Teller Machine）作為一種公共服務設施在生活中被廣泛應用，許多學者對其展開了相關的研究[24-27]。在“互聯網+”“智慧養老”的時代背景下，為了能夠更好地給老年用戶帶來良好的體驗，本研究選擇銀行ATM 機作為案例展開進一步分析。

3.1 ATM 機任務的基本用例描述

在銀行ATM 機的使用環境下，本研究對老年人操作界面的過程進行了任務分析，考慮到各功能的使用頻率和普遍性，選擇了使用頻率較高的3 個任務作為測試任務，分別是取現金、查看余額和轉賬，然后對3 個測試任務進行抽象化表達，明確用戶和系統的交互過程，得到3 個任務的基本用例，見表1—3。

表1 取現金基本用例Tab.1 Essential use case of withdrawal

表2 查看余額基本用例Tab.2 Essential use case of checking the balance

表3 轉賬基本用例Tab.3 Essential use case of transferring accounts

3.2 老年人ATM 機界面布局評價體系的構建

本研究結合文獻[21]、Constantine 和Hassenzahl所提出的界面度量指標，對圖2 的老年人界面布局評價體系進行信度測量，結果顯示Cronbach'sα信度系數為0.814，具有較高信度，即該評價體系可用于老年人ATM 機界面布局評價實驗。

3.3 ATM 機界面布局評價實驗

本研究使用焦點小組法分析終端系統場景下的用戶行為，對徐州市內的ATM 機界面進行調研，最終選定5 款ATM 機界面為樣本原型。在對樣本原型的改良過程中，本研究從老年人的生理和心理的需求出發，遵循一致性原則，保持整體界面布局的簡潔清晰，突出服務功能聚焦老年人的注意力，使其專注于任務本身，避免使用過多的圖標、特殊符號和中英文的信息呈現方式增加老年人的認知負擔。根據老年人認知習慣和基本用例模型，對界面導航系統進行了簡化，以提供功能選擇的形式減少信息的輸入，正確引導老年人進行相關業務辦理，給予老年人自然流暢的操作體驗，以此緩解使用過程中產生的負面情緒，消除對未知技術的恐懼感。此外，為忽略顏色、銀行名稱等對界面布局實驗的影響，本研究對信息界面進行了相應處理，制作出5 款典型的實驗樣本，見圖3。

圖3 老年人ATM 機界面布局實驗樣本Fig.3 Samples of interface layout experiment of ATM for the elderly

本研究邀請52 名老年人作為被試者，其中男26名，女26 名，年齡為60～68 歲，平均年齡為62.7 歲，矯正后視力為0.8 以上，無色盲、色弱問題，被邀請的老年被試者都有著1 年以上的ATM 機使用經驗。為模擬真實的使用情景，實驗在安靜的環境下進行，選取使用較頻繁的取現金、查看余額和轉賬作為測試任務。實驗前參照任務用例和基本用例模型，研究人員為老年被試者展示了相關的操作流程，每位被試者以自己最為舒服的姿勢，對智能設備上的ATM 界面進行操作體驗。實驗的樣本被隨機化處理，以此平衡實驗過程中產生的練習效應，實驗結束后，要求被試者對ATM 機的界面布局進行主觀評價。最后，結合公式（1）—（14）所計算的客觀評價值，界面布局評價實驗的結果，見表4。

3.4 評價指標的權重分析

3.5 實驗結果的灰色關聯分析

通過式（21）將表4 的界面布局實驗結果轉化為比較序列，根據式（22）和式（23）對比較序列進行處理，得到無量綱化后的比較序列，再依據評價指標的特征屬性，從無量綱化序列中篩選出最優值，將其定義為參考序列。然后依據式（24）分別求出 5款老年人ATM 機界面布局方案的灰色關聯系數，見表6。

表4 老年人ATM 機界面布局實驗結果Tab.4 Results of interface layout experiment of ATM for the elderly

表5 老年人ATM 機界面布局評價指標權重Tab.5 Weight of interface layout evaluation index of ATM for the elderly

表6 老年人ATM 機界面布局方案灰色關聯系數Tab.6 Grey relational coefficient of interface layout scheme of ATM for the elderly

最后結合熵權法求得的布局評價指標權重vj，依據式（25）分別計算5 款設計方案的灰色關聯度gi，結果見表7。

表7 老年人ATM 機界面布局方案灰色關聯度Tab.7 Grey relational degree of interface layout scheme of ATM for the elderly

3.6 最優方案的確定

通過分析表7 的統計結果，發現方案3 的灰色關聯度最高，屬于最優方案；然后是方案4 和方案5，有著較好的用戶體驗；最后是方案2 和方案1，整體的評價較低，難以受到用戶的青睞。

4 討論

在上述方案中，方案3 展示出了最高的可用性。通過分析樣本布局可發現，方案3 的界面布局較為簡單，其所展示的服務功能較少且集中，縮短了篩選服務功能的時間，有助于提升任務成功的效率，符合Nielsen 啟發式原則中的最小化設計原則，減少了無關或極少用的信息對老年人的干擾。同時較大的元素尺寸能夠吸引老年人的注意力，在操作時更容易辨別出服務功能，方便老年人盡快達到使用目的。

其次，方案4 采用左右對稱的界面布局設計，將較多的元素進行有序排列，在視覺層面達到了平衡和諧，減少了老年人在使用過程中產生的認知負荷，有著較高的可用性。此外，方案5 的整體界面布局同樣合理規范，但是任務流程中最重要的“退卡”這一功能選項被放置到了界面的邊界，可視性被大大降低，以致老年人在實驗過程中找不到退卡選項或忘記退卡。最后，在剩余的2 個樣本中，方案1 界面元素布局混亂，缺乏良好的視覺觀感，不利于用戶閱讀，而方案2 在老年人進行操作時，提供了讓人產生疑惑的反饋選項，這與可用性原則中使用用戶熟悉的語言的基本原則背道而馳，以致在認知層面得分整體最低。

研究結果表明，為了更加有效地對老年人信息終端界面布局進行優化，在設計過程中應該注意以下3 點。

1）減少使用頻率較低或者幾乎沒有使用的功能服務，保持界面布局的簡單性。

2）使用較大尺寸的界面元素，方便老年人識別使用。

3）將使用頻率較高的功能擺放到能吸引老年人注意力的位置上，優化功能布局的排序，提升功能的可見性。

5 結語

本研究將熵權法和灰色關聯分析法相結合，提出了老年人信息終端界面布局的評價模型，該模型采用熵權法對評價指標進行客觀賦值，排除了評價過程中的主觀因素，在此基礎上利用灰色關聯分析法整合離散的實驗數據，通過比較灰色關聯度的大小進行決策評價。通過實例證明，本研究提出的評價模型能夠決策出適合于老年人使用的信息終端界面，為老年人信息終端界面布局改良提供理論支撐，該評價模型同樣適用于其他信息終端，但評價指標需根據實際情況進行修正。后續研究可選擇老年人使用頻率較高的醫療自助服務終端、手機界面等，更加有針對性地探討顏色、圖標等其他因素的影響，以提升老年人的用戶體驗。