基于信息距離的復雜系統信息處理方法研究

尚純潔SHANG Chun-jie；李江紅LI Jiang-hong；姚雪YAO Xue；陳超CHEN Chao；王彤WANG Tong；崔佳航CUI Jia-hang

（①西北工業大學，西安 710072；②中國船舶集團有限公司系統工程研究院，北京 100094）

0 引言

現代生產、生活方式的可視化操作發展已經逐步成為人機交互的主流方向。系統集成度越來越高，復雜系統的界面元素趨于多元化，大型任務執行流程多且雜，冗余信息流和人機交互界面嚴重影響系統運行的效率。基于航空發動機高空臺模擬試驗系統[1]集成化程度高、運行成本高、流程復雜。客觀上試驗系統的反應時間越短越好，操作人機交互界面越便捷越好[2]。優秀的系統試驗流程可以降低信息間傳遞的阻礙性，使試驗信息流轉過程更加的合理高效；良好的人機交互系統，能夠降低人員的腦力認知負荷，使人員將更多的精力用在任務本身或者更為重要的思考上，并且操控顯示界面的優化設計，可增加人員操作的便捷性、降低人為操作的誤操作率。

目前，對復雜系統運行流程和界面設計方法優劣的判斷，主要是以定性分析、經驗判斷，主觀性和隨意性較強[2]。因此，復雜系統任務流程和人機界面優劣的定量評價，對充分提升航空發動機高空臺模擬試驗系統效能，減少試驗運行成本有重要意義。

1 信息距離理論基礎

信息距離理論[3]中發展出的信息距離是普適性的距離度量概念，在屬性概念上與距離相同，可描述任務流程及事物完成的復雜度。其論述分別從定性分析和定量分析兩方面展開信息測度研究，使系統設計優劣、控制好壞及系統執行效能等的定量計算變得容易。信息距離理論的研究與應用主要集中在軟件等信息產品的便捷性評價等方面[4]，近年來逐步擴展到系統任務流程設計、人機交互界面設計[5]等領域。其相關概念如下。

①信息狀態：某事物所能表現出的狀態集合。X={x1，x2，…，xi，…，xn}，X 表示信息狀態集，xi為第i 個信息的狀態。②信息狀態轉移：事物的狀態在多個信息狀態之間發生轉化或者變化的過程。③信息狀態轉移距離（DIT，也稱信息距離）：對某事物信息狀態轉移所遇到障礙的測度。

DIT 采用信息狀態轉移概率的對數來計算信息距離。用底數為2 的對數，DIT 量綱單位定義為“遞特”（dit），設某事物由xi狀態轉變到xj狀態的概率為pij，則表示其信息距離SDIT（xi→xj）或者dij的計算公式有如下表示：

多信息狀態間的轉變，其信息轉變概率P 與信息距離矩陣D 設為：

式中

計算信息距離理時，符號〈p〉中的值p 為達到目標狀態的概率，[m]中的值m 為某簡單操作或工作環節的多少。無特殊說明時，“操作”和“不操作”是等概率事件，即p 為1/2，信息距離表示為log22。若某條信息轉移路徑經過多次（k 次）的決策選擇和多次（m 次）的簡單操作（或多環節），總信息距離可表示為：

由式（4）知，為使總信息距離值較小，在信息轉變路徑上，不僅減少決策變量N 值和決策選擇次數k，也應盡可能減少簡單操作數目m。這取決于任務設計的流程結構以及界面設計結構。

信息距離的數值越大，流程復雜信息轉移阻礙越大，界面操作效率也越低，系統運行效能低；反之，信息距離越小，流程代價較低，系統效能也越高。因此，系統信息距離評價，可以量化系統在某一方面能力的優劣程度。最終通過大量驗證和定性的感性認知進行一致性對比，說明設計方法的正確性。

2 基于信息距離的系統設計及評估方案設計

基于信息距離的普適性度量，航空發動機高空臺模擬試驗是一個包含了信息獲取、傳送、處理、傳送、施效等的信息流轉過程，也是試驗任務信息狀態轉移的過程；人機交互界面中的指令輸入操作也是信息逐步交互并發生狀態遷移的過程。以任務完成為導向，縮小信息距離值，能夠有效評價系統的優劣以及改善系統設計。

2.1 系統試驗流程信息距離測度模型

本文考慮單一試驗流程信息距離測度模型。根據任務需求確認具體試驗流程后，確定業務流程起點、終點、路徑、節點、以及節點狀態和節點狀態轉移概率等，即利用計算信息距離的方法直接測度對應的試驗流程效能。信息距離的測量計算方法思路如下：①明確所要計算任務流的研究對象；②確定流程終點與起點；③確定流程的過程路徑；④確定路徑的節點；⑤確定節點狀態；⑥確定節點的狀態轉移概率；⑦計算信息距離值。

設某任務的試驗流程，起始點的狀態x00，最終的狀態xnj，實現路徑節點ai（i=1，2，…，n-1）有bi個信息狀態，各狀態參數說明如表1 所示。

表1 參數含義及符號對照表

根據以上假設，單一試驗流程單一路徑的信息距離測度模型為：

式中的p（x00→xnj）、SDIT（u）是x00到達xnj的總轉移概率和總信息距離，單位：dit。單一流程控制試驗的多路徑信息距離測度：假設流程起始點可通過m 條路徑到達最終目標狀態，各路徑信息距離為

其中：d（Ri）按單一試驗任務單路徑組合信息距離測度模型逐一進行計算。

2.2 人機交互顯控界面信息距離測度模型

復雜系統的人機交互操作較為復雜，依據試驗功能任務流程，合理的將界面元素布置在人機交互顯控屏上，實現設計界面的美觀性、任務執行操作的便捷性等。根據信息距離的計算規則，結合試驗流程的信息距離測度模型，人機交互顯控界面信息距離測度模型如下：

建立人機交互顯控界面使用便捷性的模型。

系統試驗流程操作過程分為J（J>0，整數）個過程，每個過程設有T（T>0，整數）個操作項轉移狀態，則其總信息距離為IDIT，計算可用如下式表示：

其中，信息距離的計算值為操作過程中每個狀態的信息距離和，單次操作信息距離為：

每個過程多次操作的信息距離計算為：

一般的，過程中單次操作有執行和不執行兩種選擇，取p（k>0），取值p（k）=1/2。

基于信息距離的評價，兩種距離的優劣，信息距離更小的占優勢。評價現有兩種系統的優劣，優化舊版本的人機交互界面。在交互界面系統功能不變的基礎上，重新優化組合設計，達到提升人機交互效能的目的。

3 實例分析

通過分析試驗流程與人機操控界面的信息距離計算測度模型，以航空發動機高空臺模擬試驗的控制系統試驗為例，對比計算試驗流程的優劣以及人機交互界面的設計優劣，對試驗流程和人機交互界面設計的優化提供新路徑。

3.1 試驗流程優化方案設計實例

系統平臺工作共同目標是要完成任務，在此基礎上優化試驗流程，使得高空臺模擬試驗的系統效能更高。

航空發動機控制系統高空臺模擬試驗流程方案1 為常規的全任務節點流程，包括發動機上臺、開車前檢查、起動機啟封、冷運轉、油封、發動機啟封、冷運轉、假開車、油封、起動、試車、停車、發動機下臺等過程，如圖1 所示。

圖1 試驗流程圖

試驗流程：任務下達、流程1、流程2、…，流程N、停車、下臺等。方案2 相比方案1，在不影響任務完成度的情況下，對航空發動機高空模擬試驗中的靜態數據和動態數據管理進行優化設計。靜態數據包括：試驗臺系統連接關系、結構參數和性能設計參數等；動態數據包括操作動作序列和狀態參數等。根據數據分類，設計基于工作流的試驗流程管理與控制體系結構，優化試驗流程控制管理方案。如圖2 所示。

圖2 優化試驗流程管理系統的體系結構

系統采用了4 層結構：靜態實體層（Ⅰ）負責搭建試驗平臺的靜態連接結構并賦予其實體特征；動態行為層（Ⅱ）用于建立與管理試驗流程的運行，負責搭建試驗的操作流程，生成消息隊列并對其進行語義解析，完成初始條件、模擬周期、運行時間等參數的設置與修改，以及一些管理功能如啟動、運行、暫停、繼續、終止、調速和恢復等；進程監控層（Ⅲ）試驗參數監控、風險分析與抑制；用戶視圖層（Ⅳ）交互控制和終端顯示。

將方案1 和方案2 的過程活動流運用信息距離計算分析，方案1 的SDIT（b）=36.2dit，方案2 的SDIT（b）= 21.5dit。較于前者，方案2 的信息距離減少了14.7dit，為方案1 的59.4%，比前者減少40.6%。方案2 優化結果比與方案1 的指揮效率高的多。這與主觀上方案2 的指揮流程長度減少的定性感知認識是一致的。試驗任務流程信息流轉需要消耗能量，流程路徑越短，消耗的能量越小，信息距離值越小，實際指揮過程也更加的通暢便捷，系統的試驗效能更高。

3.2 人機交互界面設計實例

人機交互界面的設計優劣，關系著試驗過程執行操作的準確性以及效率，是提升系統完成任務效能的重要方面。方案1 為傳統的線性流程頁面設計，界面顯示和操控元素進行模塊化分類顯示，多文字、多彈窗，信息顯示冗余，無相關信息的關聯性，設備操作的流程控制的屏顯數為5 塊屏幕。

方案2 是優化設計方案1 的人機交互顯控界面，減少顯示的冗余信息，將5 塊屏顯精簡為4 塊屏顯，通過對任務流程進行詳細的分析，對應的高頻次、關鍵按鍵或顯示框口進行凸顯設計，對圖標數據進行關聯顯示設計，優化將計算的部分交給后臺程序處理，將節點跳轉的關鍵步驟由艇員進行操作。

將方案1 和方案2 的設計人機交互界面操作流程用信息距離計算分析，方案1 的SDIT（b）=38.4dit，方案2 的SDIT（b）= 26.5dit。相較于前者，方案2 的信息距離減少了11.9dit，僅為方案1 的69.0%，相比前者減少31.0%。由此可知，方案2 優化設計相比與方案1 的信息距離計算結果小，表明方案2 的人機交互效率更高。這與主觀上減少人機交互界面，凸顯關鍵常用的按鈕和顯示框有利于操作的準確性和便捷性的定性感知認識是一致的。即顯控界面狀態跳轉需要消耗能量，流程路徑越短，消耗的能量越小，信息距離值越小，實際操作過程也更加的通暢便捷，人機交互效率更高，系統試驗效能也會更高。

4 總結

本文依據信息距離的普適性特點，可對比評價多種設計或流程的優劣，能夠較為準確的反映出試驗流程控制與人機交互界面的設計優劣，通過計算優化的試驗流程信息距離降低40.6%，人機交互顯控界面的設計優化信息距離降低31.0%。設計結果與主觀定性感知一致，試驗流程控制和人機交互效率同時提高，提升了高空臺模擬試驗系統的運行效能。根據信息距離理論，在設計時向趨于信息距離值較小的方向發展，有利于設計出優越的產品，為企業節約成本。