基于信息距離的復(fù)雜系統(tǒng)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(yè)大學(xué)，西安 710072；②中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

0 引言

現(xiàn)代生產(chǎn)、生活方式的可視化操作發(fā)展已經(jīng)逐步成為人機(jī)交互的主流方向。系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，復(fù)雜系統(tǒng)的界面元素趨于多元化，大型任務(wù)執(zhí)行流程多且雜，冗余信息流和人機(jī)交互界面嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的效率。基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[1]集成化程度高、運(yùn)行成本高、流程復(fù)雜?？陀^上試驗(yàn)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間越短越好，操作人機(jī)交互界面越便捷越好[2]。優(yōu)秀的系統(tǒng)試驗(yàn)流程可以降低信息間傳遞的阻礙性，使試驗(yàn)信息流轉(zhuǎn)過(guò)程更加的合理高效；良好的人機(jī)交互系統(tǒng)，能夠降低人員的腦力認(rèn)知負(fù)荷，使人員將更多的精力用在任務(wù)本身或者更為重要的思考上，并且操控顯示界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行流程和界面設(shè)計(jì)方法優(yōu)劣的判斷，主要是以定性分析、經(jīng)驗(yàn)判斷，主觀性和隨意性較強(qiáng)[2]。因此，復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)流程和人機(jī)界面優(yōu)劣的定量評(píng)價(jià)，對(duì)充分提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)效能，減少試驗(yàn)運(yùn)行成本有重要意義。

1 信息距離理論基礎(chǔ)

信息距離理論[3]中發(fā)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(wù)流程及事物完成的復(fù)雜度。其論述分別從定性分析和定量分析兩方面展開(kāi)信息測(cè)度研究，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣、控制好壞及系統(tǒng)執(zhí)行效能等的定量計(jì)算變得容易。信息距離理論的研究與應(yīng)用主要集中在軟件等信息產(chǎn)品的便捷性評(píng)價(jià)等方面[4]，近年來(lái)逐步擴(kuò)展到系統(tǒng)任務(wù)流程設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)[5]等領(lǐng)域。其相關(guān)概念如下。

①信息狀態(tài)：某事物所能表現(xiàn)出的狀態(tài)集合。X={x1，x2，…，xi，…，xn}，X 表示信息狀態(tài)集，xi為第i 個(gè)信息的狀態(tài)。②信息狀態(tài)轉(zhuǎn)移：事物的狀態(tài)在多個(gè)信息狀態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)化或者變化的過(guò)程。③信息狀態(tài)轉(zhuǎn)移距離（DIT，也稱(chēng)信息距離）：對(duì)某事物信息狀態(tài)轉(zhuǎn)移所遇到障礙的測(cè)度。

DIT 采用信息狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的對(duì)數(shù)來(lái)計(jì)算信息距離。用底數(shù)為2 的對(duì)數(shù)，DIT 量綱單位定義為“遞特”（dit），設(shè)某事物由xi狀態(tài)轉(zhuǎn)變到xj狀態(tài)的概率為pij，則表示其信息距離SDIT（xi→xj）或者dij的計(jì)算公式有如下表示：

多信息狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，其信息轉(zhuǎn)變概率P 與信息距離矩陣D 設(shè)為：

式中

計(jì)算信息距離理時(shí)，符號(hào)〈p〉中的值p 為達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的概率，[m]中的值m 為某簡(jiǎn)單操作或工作環(huán)節(jié)的多少。無(wú)特殊說(shuō)明時(shí)，“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(zhuǎn)移路徑經(jīng)過(guò)多次（k 次）的決策選擇和多次（m 次）的簡(jiǎn)單操作（或多環(huán)節(jié)），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(zhuǎn)變路徑上，不僅減少?zèng)Q策變量N 值和決策選擇次數(shù)k，也應(yīng)盡可能減少簡(jiǎn)單操作數(shù)目m。這取決于任務(wù)設(shè)計(jì)的流程結(jié)構(gòu)以及界面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

信息距離的數(shù)值越大，流程復(fù)雜信息轉(zhuǎn)移阻礙越大，界面操作效率也越低，系統(tǒng)運(yùn)行效能低；反之，信息距離越小，流程代價(jià)較低，系統(tǒng)效能也越高。因此，系統(tǒng)信息距離評(píng)價(jià)，可以量化系統(tǒng)在某一方面能力的優(yōu)劣程度。最終通過(guò)大量驗(yàn)證和定性的感性認(rèn)知進(jìn)行一致性對(duì)比，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法的正確性。

2 基于信息距離的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及評(píng)估方案設(shè)計(jì)

基于信息距離的普適性度量，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)是一個(gè)包含了信息獲取、傳送、處理、傳送、施效等的信息流轉(zhuǎn)過(guò)程，也是試驗(yàn)任務(wù)信息狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過(guò)程；人機(jī)交互界面中的指令輸入操作也是信息逐步交互并發(fā)生狀態(tài)遷移的過(guò)程。以任務(wù)完成為導(dǎo)向，縮小信息距離值，能夠有效評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)劣以及改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)試驗(yàn)流程信息距離測(cè)度模型

本文考慮單一試驗(yàn)流程信息距離測(cè)度模型。根據(jù)任務(wù)需求確認(rèn)具體試驗(yàn)流程后，確定業(yè)務(wù)流程起點(diǎn)、終點(diǎn)、路徑、節(jié)點(diǎn)、以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率等，即利用計(jì)算信息距離的方法直接測(cè)度對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)流程效能。信息距離的測(cè)量計(jì)算方法思路如下：①明確所要計(jì)算任務(wù)流的研究對(duì)象；②確定流程終點(diǎn)與起點(diǎn)；③確定流程的過(guò)程路徑；④確定路徑的節(jié)點(diǎn)；⑤確定節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；⑥確定節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；⑦計(jì)算信息距離值。

設(shè)某任務(wù)的試驗(yàn)流程，起始點(diǎn)的狀態(tài)x00，最終的狀態(tài)xnj，實(shí)現(xiàn)路徑節(jié)點(diǎn)ai（i=1，2，…，n-1）有bi個(gè)信息狀態(tài)，各狀態(tài)參數(shù)說(shuō)明如表1 所示。

表1 參數(shù)含義及符號(hào)對(duì)照表

根據(jù)以上假設(shè)，單一試驗(yàn)流程單一路徑的信息距離測(cè)度模型為：

式中的p（x00→xnj）、SDIT（u）是x00到達(dá)xnj的總轉(zhuǎn)移概率和總信息距離，單位：dit。單一流程控制試驗(yàn)的多路徑信息距離測(cè)度：假設(shè)流程起始點(diǎn)可通過(guò)m 條路徑到達(dá)最終目標(biāo)狀態(tài)，各路徑信息距離為

其中：d（Ri）按單一試驗(yàn)任務(wù)單路徑組合信息距離測(cè)度模型逐一進(jìn)行計(jì)算。

2.2 人機(jī)交互顯控界面信息距離測(cè)度模型

復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互操作較為復(fù)雜，依據(jù)試驗(yàn)功能任務(wù)流程，合理的將界面元素布置在人機(jī)交互顯控屏上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)界面的美觀性、任務(wù)執(zhí)行操作的便捷性等。根據(jù)信息距離的計(jì)算規(guī)則，結(jié)合試驗(yàn)流程的信息距離測(cè)度模型，人機(jī)交互顯控界面信息距離測(cè)度模型如下：

建立人機(jī)交互顯控界面使用便捷性的模型。

系統(tǒng)試驗(yàn)流程操作過(guò)程分為J（J>0，整數(shù)）個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程設(shè)有T（T>0，整數(shù)）個(gè)操作項(xiàng)轉(zhuǎn)移狀態(tài)，則其總信息距離為IDIT，計(jì)算可用如下式表示：

其中，信息距離的計(jì)算值為操作過(guò)程中每個(gè)狀態(tài)的信息距離和，單次操作信息距離為：

每個(gè)過(guò)程多次操作的信息距離計(jì)算為：

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

基于信息距離的評(píng)價(jià)，兩種距離的優(yōu)劣，信息距離更小的占優(yōu)勢(shì)。評(píng)價(jià)現(xiàn)有兩種系統(tǒng)的優(yōu)劣，優(yōu)化舊版本的人機(jī)交互界面。在交互界面系統(tǒng)功能不變的基礎(chǔ)上，重新優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，達(dá)到提升人機(jī)交互效能的目的。

3 實(shí)例分析

通過(guò)分析試驗(yàn)流程與人機(jī)操控界面的信息距離計(jì)算測(cè)度模型，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)的控制系統(tǒng)試驗(yàn)為例，對(duì)比計(jì)算試驗(yàn)流程的優(yōu)劣以及人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，對(duì)試驗(yàn)流程和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供新路徑。

3.1 試驗(yàn)流程優(yōu)化方案設(shè)計(jì)實(shí)例

系統(tǒng)平臺(tái)工作共同目標(biāo)是要完成任務(wù)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化試驗(yàn)流程，使得高空臺(tái)模擬試驗(yàn)的系統(tǒng)效能更高。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)流程方案1 為常規(guī)的全任務(wù)節(jié)點(diǎn)流程，包括發(fā)動(dòng)機(jī)上臺(tái)、開(kāi)車(chē)前檢查、起動(dòng)機(jī)啟封、冷運(yùn)轉(zhuǎn)、油封、發(fā)動(dòng)機(jī)啟封、冷運(yùn)轉(zhuǎn)、假開(kāi)車(chē)、油封、起動(dòng)、試車(chē)、停車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)等過(guò)程，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

試驗(yàn)流程：任務(wù)下達(dá)、流程1、流程2、…，流程N(yùn)、停車(chē)、下臺(tái)等。方案2 相比方案1，在不影響任務(wù)完成度的情況下，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)連接關(guān)系、結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能設(shè)計(jì)參數(shù)等；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括操作動(dòng)作序列和狀態(tài)參數(shù)等。根據(jù)數(shù)據(jù)分類(lèi)，設(shè)計(jì)基于工作流的試驗(yàn)流程管理與控制體系結(jié)構(gòu)，優(yōu)化試驗(yàn)流程控制管理方案。如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化試驗(yàn)流程管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了4 層結(jié)構(gòu)：靜態(tài)實(shí)體層（Ⅰ）負(fù)責(zé)搭建試驗(yàn)平臺(tái)的靜態(tài)連接結(jié)構(gòu)并賦予其實(shí)體特征；動(dòng)態(tài)行為層（Ⅱ）用于建立與管理試驗(yàn)流程的運(yùn)行，負(fù)責(zé)搭建試驗(yàn)的操作流程，生成消息隊(duì)列并對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義解析，完成初始條件、模擬周期、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置與修改，以及一些管理功能如啟動(dòng)、運(yùn)行、暫停、繼續(xù)、終止、調(diào)速和恢復(fù)等；進(jìn)程監(jiān)控層（Ⅲ）試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)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(guò)程活動(dòng)流運(yùn)用信息距離計(jì)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(yōu)化結(jié)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(zhǎng)度減少的定性感知認(rèn)識(shí)是一致的。試驗(yàn)任務(wù)流程信息流轉(zhuǎn)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(shí)際指揮過(guò)程也更加的通暢便捷，系統(tǒng)的試驗(yàn)效能更高。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)實(shí)例

人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，關(guān)系著試驗(yàn)過(guò)程執(zhí)行操作的準(zhǔn)確性以及效率，是提升系統(tǒng)完成任務(wù)效能的重要方面。方案1 為傳統(tǒng)的線性流程頁(yè)面設(shè)計(jì)，界面顯示和操控元素進(jìn)行模塊化分類(lèi)顯示，多文字、多彈窗，信息顯示冗余，無(wú)相關(guān)信息的關(guān)聯(lián)性，設(shè)備操作的流程控制的屏顯數(shù)為5 塊屏幕。

方案2 是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1 的人機(jī)交互顯控界面，減少顯示的冗余信息，將5 塊屏顯精簡(jiǎn)為4 塊屏顯，通過(guò)對(duì)任務(wù)流程進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)應(yīng)的高頻次、關(guān)鍵按鍵或顯示框口進(jìn)行凸顯設(shè)計(jì)，對(duì)圖標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)顯示設(shè)計(jì)，優(yōu)化將計(jì)算的部分交給后臺(tái)程序處理，將節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)的關(guān)鍵步驟由艇員進(jìn)行操作。

將方案1 和方案2 的設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面操作流程用信息距離計(jì)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(yōu)化設(shè)計(jì)相比與方案1 的信息距離計(jì)算結(jié)果小，表明方案2 的人機(jī)交互效率更高。這與主觀上減少人機(jī)交互界面，凸顯關(guān)鍵常用的按鈕和顯示框有利于操作的準(zhǔn)確性和便捷性的定性感知認(rèn)識(shí)是一致的。即顯控界面狀態(tài)跳轉(zhuǎn)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(shí)際操作過(guò)程也更加的通暢便捷，人機(jī)交互效率更高，系統(tǒng)試驗(yàn)效能也會(huì)更高。

4 總結(jié)

本文依據(jù)信息距離的普適性特點(diǎn)，可對(duì)比評(píng)價(jià)多種設(shè)計(jì)或流程的優(yōu)劣，能夠較為準(zhǔn)確的反映出試驗(yàn)流程控制與人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，通過(guò)計(jì)算優(yōu)化的試驗(yàn)流程信息距離降低40.6%，人機(jī)交互顯控界面的設(shè)計(jì)優(yōu)化信息距離降低31.0%。設(shè)計(jì)結(jié)果與主觀定性感知一致，試驗(yàn)流程控制和人機(jī)交互效率同時(shí)提高，提升了高空臺(tái)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行效能。根據(jù)信息距離理論，在設(shè)計(jì)時(shí)向趨于信息距離值較小的方向發(fā)展，有利于設(shè)計(jì)出優(yōu)越的產(chǎn)品，為企業(yè)節(jié)約成本。