核電廠主控室數字化人機界面中信息顯示對人因失誤的影響和信息布局的實

2023年12月30日發(fā)(作者：ucla學費)

摘 要

數字化技術引入核電廠主控室后，主控室人機界面（HMI）由以常規(guī)監(jiān)控盤臺為主發(fā)展為以計算機工作站為主。從提供信息的能力和信息處理能力來講，計算機工作站有其無可比擬的優(yōu)越性。但同時，數字化人機界面下，由于信息顯示內容、信息顯示的方式以及控制方式發(fā)生了根本性的變化，人－機關系也發(fā)生了變化，即出現了數字化人機界面下的新的人－機關系。這些變化，導致大量信息不能同時在屏幕上有效的顯示，同一屏幕上先前關注的信息總是會被覆蓋，并且增加了畫面配置、導航等界面管理任務，引發(fā)許多新的人因失誤。因此，核電廠主控室數字化人機界面中信息顯示對人因可靠性的影響及其優(yōu)化研究對于防止數字化人機界面的人因失誤、提高核電廠的人因可靠性具有重要的意義。

由于操縱員在執(zhí)行整個任務的過程中有絕大多數的信息來自視覺信息，即數字化人機界面中畫面信息。也就是說，數字化人機界面中畫面信息的有效顯示對操縱員正確執(zhí)行相應操作極為重要。因此，需要積極探索數字化的人機界面中人的視覺搜索規(guī)律、信息處理機制，然后指導數字化人機界面中信息顯示的優(yōu)化。為此，本文主要開展了以下研究工作：

1） 在廣泛文獻調研與核電廠實地調研的基礎上，論述核電廠主控室數字化人機界面的特征，對傳統(tǒng)HMI與數字化HMI中的信息顯示與控制操作進行了比較。

2） 從認知心理學的注意力、視覺搜索規(guī)律等理論論述了人的信息處理機制，主要分析了數字化人機界面對人因失誤的影響（包括界面管理任務對人因失誤的影響）。

3） 根據視覺追蹤技術原理，利用眼動儀探索人眼的視覺搜索規(guī)律，為信息顯示中的信息布局提供實驗依據，并根據實驗結果對畫面信息顯示布局進行實例優(yōu)化。

4） 最后利用眼動儀對優(yōu)化前后兩種畫面在實驗操作過程的眼動數據進行分析，驗證了本文實驗所得出視覺搜索規(guī)律，即信息布局依據對畫面信息顯示的優(yōu)化的正確性，且優(yōu)化后的畫面有效的提高了操縱績效。

關鍵詞：數字化人機界面（HMI）；信息顯示；人因失誤；信息布局

i

The effects of information display on human error and

optimization of information layout bad on experiment in

digital human-machine interface of main control room of

Nuclear power plant

ABSTRACT

As the main control room of the nuclear plant is moving toward digitalized, the

traditional main control room is developing to computer-bad workstation. From the

standpoint of the ability of providing and processing information, computer-bad

workstation have unparalleled advantage. But at the same time, the relationship of

Human-Machine has changed as information display and control have undergone

fundamental alteration, that is, new Human-machine in digital Human-Machine

Interface (HMI). Tho changes make operator unable to capture the condition of the

Nuclear Power Plants (NPPs ) directly and increa interface management tasks such

as display configuration and navigation, which cau many new human errors. After

digitalizing, the location of parameters may display in different places as new display

appears, which increa the risks of reading error. Apart from that, operator required

to open many pages at the same time. As a result, they often forget what they are

monitoring. Therefore, the rearch of digitalized HMI has significant value for

preventing human error and improving human reliability of NPPs.

Most of information required of operator come from visual channel. That is,

effective display in digitalized HMI play an important role in operating accurate.

Therefore, it is necessary to probe human visual arching rule and information

processing mechanism of digitalized HMI, and then conduct the optimization of

information display. The main rearch contents and innovative achievement go as

follows:

1） Bad on literature reading and field investigation, this paper discuss the

characteristic of digitalized HMI, and compare the traditional HMI and

digitalized HMI.

2） We discuss the information processing mechanism from the theories like

cognitive psychology of attention and visual arch rule. And we mainly

analy the influence of digitalized HMI on human error (including the

ii

effect of interface management tasks on human error).

3） According to the principle of eye gaze tracking techniques, we u eye

trackers system to explore or verify the human visual arch rule, thus

providing the experimental basis for information layout of information

display and optimizing the layout according to the results .

4） Finally, we analyze the eye moving data to two pictures before and after

optimization obtained in the experiment, thus testify visual arch rule.

Namely, visual arch rule can help optimize the display layout and

improve operation performance。

Yang Daxin (Nuclear Technology and Applications)

Directed by Professor Zhang Li

Keywords: digital Human-machine Interface(HMI), information display, human error,

information layout

iii

目 錄

摘 要 ..........................................................................................................i

ABSTRACT ............................................................................................... ii

第1章 緒論 ............................................................................................... 4

1.1 研究背景與意義 ........................................................................... 4

1.3 國內外研究現狀 ........................................................................... 6

1.3.1 國外研究現狀 ...................................................................... 6

1.3.2 國內研究現狀 ...................................................................... 9

1.4 主要研究內容與擬解決的問題 ................................................. 11

1.5 論文結構...................................................................................... 12

第2章 數字化信息顯示的特征對人因可靠性的影響 ........................ 13

2.1核電廠主控室數字化人機界面概述 .......................................... 13

2.1.1 核電廠主控室 .................................................................... 13

2.1.2 數字化人機界面定義 ........................................................ 14

2.1.3 核電廠主控室數字化人機界面特點 ................................ 15

2.2相關的認知心理學理論 .............................................................. 17

2.2.1 注意的信息加工理論 ........................................................ 18

2.2.2 視覺搜索與視覺信息加工 ................................................ 20

2 .3 數字化人機界面下操縱員信息處理機制 ................................ 22

2.3.1 第一類任務的信息處理 .................................................... 24

2.3.2 第二類任務/界面管理的信息處理 ................................... 27

2.4 數字化信息顯示特征對人因失誤的影響 ................................. 29

2.4.1 巨量信息與有限顯示 ........................................................ 29

2.4.2 界面管理任務 .................................................................... 30

2.5 國內數字化HMI信息顯示現狀與人因失誤 ........................... 34

1

2.6 本章小結...................................................................................... 35

第3章 信息畫面布局的眼動實驗 ........................................................ 37

3.1 眼動儀簡介 ................................................................................. 37

3.1.1 眼動形式 ............................................................................ 37

3.1.2 眼動儀基本原理和實現技術 ............................................ 38

3.1.3 眼動儀常用的眼動指標 .................................................... 38

3.1.4眼動儀與及其應用 ............................................................. 39

3.2 實驗方案與設計 ......................................................................... 40

3.2.1 本研究的目的 .................................................................... 40

3.2.2 實驗儀器及相關參數 ........................................................ 40

3.2.3實驗設計 ............................................................................. 40

3.3 實驗結果與分析 ......................................................................... 41

3.3.1 注視點個數 ........................................................................ 41

3.3.2 注視持續(xù)時間 .................................................................... 45

3.3.3 首次進入時間 .................................................................... 48

3.3.4熱點圖 ................................................................................. 51

3.3.5 實驗結果與分析結論 ........................................................ 53

3.3 本章小結...................................................................................... 54

第4章 畫面信息顯示的布局優(yōu)化實例 ................................................ 56

4.1 信息布局優(yōu)化實例 ..................................................................... 56

4.1.1信息布局優(yōu)化背景 ............................................................. 56

4.1.2 畫面布局的設計原則 ........................................................ 57

4.2 實驗驗證...................................................................................... 59

4.2.1 實驗背景 ............................................................................ 59

4.2.2 實驗方案與設計 ................................................................ 59

2

4.3 實驗結果與分析 ......................................................................... 61

4.4 優(yōu)化結果與分析 ......................................................................... 65

4.5 本章小結...................................................................................... 66

第5章 結論與展望 ................................................................................ 67

參考文獻 ................................................................................................... 69

附錄A 信息顯示眼動實驗材料 ............................................................. 73

附錄B 信息顯示眼動實驗的眼動數據表 ............................................. 76

附錄C 多重比較 ..................................................................................... 79

附錄D 優(yōu)化實例實驗材料................................................................... 90

攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果 .............................. 92

致謝 ........................................................................................................... 93

3

第1章 緒論

1.1 研究背景與意義

核電安全是核電生存和發(fā)展的基礎，一旦發(fā)生事故，不僅會造成重大的人員傷亡和經濟損失，還會產生巨大的社會負面影響，甚至會影響全世界的核電發(fā)展。核電廠主控室是人－機接口最集中的場所，在這里操縱員與人－機接口聯(lián)系最為密切（即人機交互最為頻繁），人因失誤率最高，其引發(fā)的后果也最為嚴重。因此，主控室作為信息顯示、處理與控制的中樞，對保證核電廠可靠與安全運行有著至關重要的作用。有人統(tǒng)計，由于人的失誤使核電廠的運行受到影響的事件70 %，例如：三哩島、切爾諾貝利核電站事故，經論證都是人因失誤造成的[1]。

三哩島、切爾諾貝利核電站事故之后，世界各國都開始考慮主控室設計方面的人因工程學因素，如美國GE公司的ABWR、日立公司的NUCAMM-90和法國的N4系列壓水堆等核電站主控室由于都考慮了人的因素，避免或減少了人因失誤所引發(fā)的事故，從而大大提高了核電站的安全性和可運行性[2,3]。從世界核電廠營運者聯(lián)合會（WANO）統(tǒng)計可知，從1993～2003年人因事故數由78起降至29起，運行事故總數也逐年下降[4]。大量的核電工程實踐表明有效的主控室人因工程設計與友好的人機界面對減少人因失誤、提高核電廠的可利用率及人因可靠性有積極的作用。

隨著計算機技術和控制技術的飛速發(fā)展，新建核電站的儀控系統(tǒng)（I&C）大多采用先進的數字化技術取代了以往的模擬技術。數字化技術引入核電廠主控室后， 主控室人機界面由以常規(guī)監(jiān)控盤臺為主發(fā)展為以計算機工作站為主[5]。從提供信息的能力和信息處理能力來講，計算機工作站有其無可比擬的優(yōu)越性。數字化使得系統(tǒng)中的人-機界面、系統(tǒng)中的人的作業(yè)模式和行為、甚至系統(tǒng)的組織結構和運行機制都發(fā)生了巨大的變化。例如：傳統(tǒng)的以模擬技術為主的人機界面通常一個傳感器對應一個指示器、一個控制器，而先進的數字化人機界面可以多種方式提供信息、處理信息和控制系統(tǒng)，人在其中同系統(tǒng)的多種多樣的元素發(fā)生聯(lián)系，它們所形成的界面也不是傳統(tǒng)的人機界面所能涵蓋的。可以認為，它們已

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擴充演變?yōu)槿?系統(tǒng)界面（Human-System Interfaces, HSIs）。再如：在數字化人機界面中，運行人員的主要職責由過去的參與控制過程轉變?yōu)楸O(jiān)視和處理緊急情況，以及通過HSIs進行部分控制命令的觸發(fā)，這樣可以減少人因對控制準確度和速度的影響，降低事故的發(fā)生概率。

但另一方面，復雜工業(yè)系統(tǒng)運行多年的經驗和教訓表明，人因失誤主要發(fā)生的人機接口部分，數字化在表征核電廠控制系統(tǒng)內部復雜的多變量、強耦合、分布參數時變化，卻使得人機接口高度集中且多樣化。在數字化人機界面下，由于信息顯示內容、信息顯示的方式以及控制方式發(fā)生了根本性的變化，人－機關系也發(fā)生了變化，即出現了數字化人機界面下的新的人－機關系。同時，數字化使人變?yōu)橄到y(tǒng)中一個被動的和有限能力的信息加工中心，降低了人在系統(tǒng)中能動作用，也降低了對人的靈活性、經驗、長期記憶能力、技能等的需求。這些變化，導致大量的信息不能有效的在同一屏幕上顯示，從而增加了界面管理任務等。

同時，這些變化也引發(fā)了一些新的人因問題，其常見人因問題體現如下：

1) 許多操作都需要同時打開多個畫面，由于監(jiān)控畫面過多而使得操縱員常常忘記了正在進行的監(jiān)視；

2) 因為畫面的覆蓋，從而常常沒有確認設備是否達到要求狀態(tài)，操縱員在執(zhí)行相應的操作規(guī)程時，忙于完成程序的各項指令，而沒有確認上一操作的效果，設備可能并沒有操作成功；

3)

4)

數字化后，電廠狀態(tài)參數讀取位置不固定增加了讀錯參數的風險；

信息不直觀，操縱員不能及時獲得隱藏在屏幕后的信息，增加了巡盤難度；

5) 數字化控制系統(tǒng)的操作比模擬主控復雜，一項操作包括：尋找畫面、打開設備操作窗口、點擊操作指令（開/關，啟/停等）、確認操作指令（安全設備）、執(zhí)行操作指令、關閉操作窗口；

6)

7)

8)

頻繁的操作以及操作數量劇增使操縱員操作失誤的概率更高；

不能及時監(jiān)視到重要缺陷報警和參數信息，延誤處理和判斷；

因設備異常導致數字化控制系統(tǒng)錯誤的診斷信息被操縱員誤用，導致錯誤地執(zhí)行程序。

這些新的人因失誤的出現，給數字化核電廠的人因可靠性帶來了一定的影響。在全世界的核能行業(yè)中，核能安全高于一切。我國核能行業(yè)在經過世界的核

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電寒冬后迎來了核電行業(yè)大力發(fā)展的春天。每一位核能行業(yè)的人都深知今天大發(fā)展的時機來之不易，所以我們需要更用心來保證核能安全。數字化的主控室也已經成為主控室人機界面發(fā)展的必然趨勢，為了保證核能安全以及維續(xù)當今核能發(fā)展時機，為了防止或減少這些新人－機關系下的新的人因失誤的出現，我們需要積極探索數字化人機界對人因可靠性的影響、視覺搜索規(guī)律、人的信息處理機制、人因失誤機理、人因失誤的模式，以及人機界面的優(yōu)化研究變得極為緊迫。

然而，在眾多問題中，首先要解決的問題是分析數字化人機界面對人因可靠性的影響。此外，由于操縱員在執(zhí)行整個任務的過程中有絕大多數的信息來自視覺信息，即數字化人機界面中畫面信息。因此，積極探索數字化的人機界面中人的視覺搜索規(guī)律、信息處理機制，然后指導數字化人機界面中信息顯示的優(yōu)化。目前國內對核電站主控室數字化人機界面設計的研究尚不成熟，也暫未搜索到相關國內外文獻對數字化人機界面中信息顯示進行研究，它的研究成功，將既可為我國核電站現有的數字化人機界面信息顯示的設計、改進和應用提供參考，還將對系統(tǒng)可靠性評價、在役系統(tǒng)人因事故防范、系統(tǒng)的可靠性設計與再設計等領域做出積極的貢獻，具有廣闊的應用前景和實際意義。

1.3 國內外研究現狀

1.3.1 國外研究現狀

核電廠的正常運行操作和應急操作都集中在主控室，因此主控室中人的失誤所造成的危害也最為嚴重[6]。為了減少或防止人因失誤，進一步提高核電廠運行的安全可靠性，各國專家對現有核電廠的設計和運行進行了總結。1979年的美國三哩島核電廠事故，引起美國核管會的高度重視，發(fā)布了一系列文件，指導美國各核電廠相應采取了許多措施。同時也引起國際上的廣泛關注，各有關國際組織紛紛采取對策，其中國際電工委員會( IEC) 用了五年的時間，經過多次國際會議討論，總結了近年來主控室的發(fā)展和三哩島核事故的經驗教訓，在1989 年制定出國際標準《核電廠控制室設計》( IEC9642-1989) 。該標準首次明確提出了“控制室系統(tǒng)”這一新的概念。并將其定義為：“人－機接口、控室操縱員、操

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作規(guī)程、培訓大綱和與維持控室功能正確執(zhí)行有關的設施和設備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執(zhí)行”[6]。

隨著計算機技術在核電站的發(fā)展和應用，上世紀80年代曾有業(yè)內的專家學者提出了“先進控制室（Advanced Main control room）”這一概念，并預言先進控制室將成為未來核電發(fā)展的趨勢。90年代，為了指導和審查先進控制室的設計，美國核管會（NRG）做了大量的相關研究，并編寫出了《Advanced Human-system

Interface Design Review Guidline》 NUREG/CR－5908以及《Human-System

Interface Design ReviewGuidelines 》（NUREG-0700，Revision 2），并開發(fā)出了一種用于評價先進HSIs的人因工程項目審查模型，對人機界面的審查項目進行了分類[7]。其為先進控制室的人因工程設計提出了指導性的建議和要求。

Baffa（1964）等人提出了CRAFT人機界面設計模型[8]。該模型只采用了一條工效學準則，即“功能單元使用頻率準則”——功能單元的使用頻率高則優(yōu)先布置在最佳區(qū)域。該模型曾被應用于某型號飛機的控制面板設計，并使該控制面板的初期設計費用節(jié)省了30%左右，很好的驗證這一準則的正確性與經濟性。

1977年，Bonney等人提出了主要針對坐姿操作的控制面板設計模型CPABLE (controls and panel arrangement by logical evaluation)[9]。在該模型中，考慮了功能單元布置的5個原則：重要性原則、功能分組原則、使用頻率原則、功能單元使用序列原則和操作空間相容性原則[9]。綜合采用功能單元優(yōu)先布置“重要系數”最大的原則，先將功能單元布置相關區(qū)域，并加上一個標記以防止不同的單元布置在同一個區(qū)域，說明該單元的重要性，并解決布置過程的位置沖突。CPABLE模型比前人考慮的因素更為全面，然而，由于在不同運行工況下各個單元的重要系數不同、使用序列也不同，使得該模型難以適應現代復雜工業(yè)系統(tǒng)人機界面的布局設計。

Joph H. Goldberg與Xerxes P. Kotval指出眼動分析可以提高計算機界面的傳統(tǒng)績效、協(xié)議及簡單評價[10]。他們利用眼動儀所收集到的眼動數據，根據眼睛定位和掃描路徑等指標對優(yōu)劣的畫圖工具模塊進行評估。其研究表明，界面越差的掃描路徑較長，所占區(qū)域也越大，但相同的持續(xù)時間，注視點多于好的界面。因此，差的界面降低了搜索信息的效率，元件表征的布局并沒有影響其所要表達的意思。總體而言，從眼動中獲得的數據可以大大提高用戶在使用計算機界面時用戶戰(zhàn)略的觀察，同時，也能提高計算機界面評價的精度。該研究主要針對操作

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相對簡單的畫面工具模塊，沒有涉及到復雜的操作界面。

Y. Lin，W.J. Zhang等人認為一個人機界面模型可給如何將信息布置在一個界面的顯示屏幕上，提供一般設計準則[11]。他們以熱工水利處理電廠系統(tǒng)的雙蓄水池系統(tǒng)仿真畫面為實驗背景，利用眼動儀對兩種不同設計理念的界面模型——生態(tài)界面設計模型和功能－行為－狀態(tài)界面模型進行了實驗研究。為了獲得這兩種界面的客觀比較性評價，采用了相同的應用問題。這兩種模型的界面在信息內容的顯現上盡量采用相似的界面外觀。其研究的背景設定為正常運行和檢測失效的工況。此外，在這項研究中采用了三類是指標，即：績效指標，生理指標（眼動指標：眼睛注視點和瞳孔直徑的變化）和主觀（或用戶評分）指標。其研究成果表明：（1）生態(tài)界面設計模型中抽象功能信息可能與提高績效沒有正相關，但可能會增加心理負荷；（2）功能－行為－狀態(tài)模型似乎更符合操縱員的心智模型；（3）與生態(tài)界面相比，在一個功能－行為－狀態(tài)界面中，操縱員可能會操作的同樣好，但會減少心理負荷。同時還發(fā)現，眼睛注視點與績效指標和主觀指標高度一致。瞳孔直徑對心理負荷的信息敏感度不明顯，但個別被試對心理負荷信息比較敏感，其結果與其他指標的相一致。這項研究針對核電廠系統(tǒng)的數字化仿真畫面展開，對本文的研究有一定的啟發(fā)作用。

近期，貝克特爾電氣公司的華人工程師張若齡等采用因子/因素分析法仔細核查由于核電站主控室人－系統(tǒng)界面（HSI）所造成30個失誤的研究[12]。其研究結論驗證了因素結構并進一步發(fā)展了決策－行為模型。其研究結果為5因素結構：操作的不確定性、設計改進、誤操作、設備控制、以及人因重設計。完整的決策－行為模型為目前運營的電站提供了對每一類型的潛在HSI失誤的建議性糾正措施。盡管這些研究并非是圍繞數字化人機界面的相關問題展開的，但其人因重設計的觀念值得借鑒。

日本三菱電機公司先端技術研究所和清華大學核能技術設計研究院聯(lián)合開發(fā)了DIAS(Dynamic Interaction Analysis Support)主控室人機界面評價軟件支持系統(tǒng)。它利用計算機模擬技術來模擬操縱員對主控室人機界面的操作過程，通過對水平移動距離、垂直移動距離、視線移動距離、非正前方視線移動距離、操作時間和失誤概率等指標進行分析，對主控室人機界面的設計進行了定量的評價，并利用人因失誤預測技術對操縱員的操作失誤概率進行了分析[13]。該系統(tǒng)既提供了人機界面設計的客觀評價指標，還包括人機界面設計情況或外界環(huán)境的修正因

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子，關聯(lián)操作之間的依賴性以及操作人員在進行操作時的緊張程度等多種因子。從實驗分析的角度為人機界面的設計與改進提供參考依據。

1.3.2 國內研究現狀

三哩島事故以后, 特別是切爾諾貝利事故之后, 世界各核電國家普遍關注主控室的設計和人因工程原則也稱人類工效學原則的應用, 國際原子能機構（IAEA）專門成立工作組并支持各國從事“人因工程與控制室”課題的研究, 我國國家科委核安全中心參加了此項工作。國家核安全局在“八五”期間組織了科技攻關專題小組, 編寫了下列核安全法規(guī)技術文件：HAF.J0042(92) 核電廠安全分析報告的標準格式和內容，第18章人因工程與控制室； HAF.J0054(95)核電廠人因工程與控制室的安全審評大綱； HAF.J0055(95)核電廠控制室設計的人因工程原則[14]。它們?yōu)槲覈暮穗娛聵I(yè)的發(fā)展提供了法律保障，但由于非技術原因，在引進的核電廠（大亞灣、嶺澳、連云港、秦山三期）和以大亞灣為參考電廠的秦山二期工程中，很難完全按我國標準進行設計和審評，所以其控制室內的模擬系統(tǒng)人機界面或非全數字化人機界面一定程度上并不完全適合中國人。需要不同程度的優(yōu)化。

戴立操教授與張力教授曾對核電廠主控室人因工程設計展開了相關研究，指出核電廠主控室人因工程設計是主控室設計的重點，主控室人因工程設計可以有效地減少或避免故障和事故的發(fā)生[15]。提出了核電廠主控室人因工程設計的基本原則，分析了主控室人因工程設計的主要步驟。但并未深入到人機界面的設計。從某種意義上說，這些研究對本項目的開展有很大的指導意義，也是在張力教授所做研究的基礎上的延續(xù)與深入。

夏春艷、顏聲遠等人對核電廠傳統(tǒng)主控室人機界面各組成部分的評價指標和評價層次進行了劃分，建立了相應的客觀的評價指標體系，采用模糊數學的方法，建立核電廠主控室人機界面定量評價模型，并用該模型對核電廠主控室人機界面進行了較為客觀的綜合評價[3]。然后通過對核電廠操縱員問卷調查的形式進行主觀實驗驗證。這一研究，為核電廠主控室人機界面的評價提供了一條思路，但就當今數字化人機界面而言，該定量評價模型是否可行，還有待研究。

劉素娟曾[16]明確指出數字化的人機界面增加了一些新工作的負荷，增加了新

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的人誤概率。其主要研究了界面管理任務，也即調用信息和配置主控室工作站畫面。認為在計算機工作站, 操縱員要完成電廠監(jiān)控任務, 還必須以完成第二層面的任務為前提。界面管理任務就成為操縱員和重要信息之間的障礙。并研究了界面管理任務對人因失誤影響的途徑，以及提出了建設性的解決辦法。但其僅限于界面管理任務的特點研究，未拓展到整個數字化人機界面優(yōu)化研究。

宋正河，毛恩榮等采用優(yōu)化設計理論和方法對機械系統(tǒng)人機界面設計進行了優(yōu)化[17]。其根據人機界面設計準則，確定人機界面的優(yōu)化設計變量：總體目標函數、單個目標函數、約束條件。總體目標函數為人機界面的評價結果——匹配優(yōu)度；單個目標函數包括人機界面中各元件的幾何參數和各元件在整個人機界面中的匹配優(yōu)度；約束條件為人機界面中各元件的幾何位置可布置區(qū)域，由此建立了機械系統(tǒng)人機界面優(yōu)化設計的數學模型。其只限于傳統(tǒng)的人機界面，并未對數字化人機界面就行研究。

閻國利曾指出利用眼動儀可以將顧客注視廣告時的眼動軌跡記錄下來[18]。通過分析眼動儀記錄的眼動數據，可以清楚地知道顧客觀看廣告畫面時的先后順序，對廣告任何部分注視點個數、注視持續(xù)時間、眼跳、瞳孔直徑變化情況等等。當顧客看廣告時，對某一部分的注視點個數越多、注視時間越長、瞳孔直徑增加，就說明顧客對廣告的這部分內容感興趣。通過這種眼動分析法可以為廣告設計師如何對廣告的布局、插圖和文案進行合理的安排提供十分客觀的依據。就顯示屏上的信息而言，廣告與核電廠信息畫面有著許多的相似之處，所以很值得借鑒。

韓玉昌使用EVM3200型眼動儀測量被試在觀察四種不同形式（等腰梯形、菱形、三角形、圓形）和四種不同顏色（紅、黃、綠、藍）時眼動軌跡的特點，研究人眼運行的順序性 [19]。其研究結果表明，人在觀察不同開頭和顏色時，視覺上的選擇表現出順序性的規(guī)律，也就是說，對視覺信息的認知具有系列加工的特點。在時間序列上有先后之另，在空間序列上有上下左右的區(qū)別。其中，三角形圖案首次注視點、注視點最多，黃色的首次注視點最多，說明三角形和黃色更具有誘目性。其研究主要針對信息的編碼方式而展開的，并沒有針對布局而進行。

黃麗英曾對網絡閱讀文字的常見微觀標記——加粗、下劃線和加注紅色進行了眼動實驗研究[20]。發(fā)現被試者在閱讀三種不同微觀標記的文章時，在注視持續(xù)時間、注視次數及回憶各成績上并沒有出現顯著差異，這說明這三種不同的標記并沒有對被試者的注意力及回憶成績真的帶來不同的影響。被試的注意力比較集

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中的地方在有標記的文字區(qū)域，這從另一個方面也可以證明標記能夠吸引并集中被試者的注意力，幫助其進行深入加工；從瞳孔直徑中我們亦可以觀察到，標記區(qū)瞳孔直徑比未標記區(qū)瞳孔直徑相對要大，這說明被試者在閱讀文章時，碰到標有微觀標記的文字其瞳孔會變大，引起了被試者的重視。

在我國現運營的核電廠主控室部分數字化或全數字化的人機界面的應用中，引發(fā)不少的人因失誤，一定程度的影響了核電廠的安全可靠運行，而國內外尚相關方面的研究，因而張力教授欲在該方面做出努力，即嘗試性地探索一種針對核電廠主控室數字化人機界面的理論優(yōu)化模型，并將會在我國某核電站數字化主控室的人機界面上予以應用，以實現理論用于實際，實踐指導理論研究。該研究項目于2008年被國家自然科學基金委員會批準和資助。本論文研究的為該自然科學基金項目研究的一部分工作，即從認知心理學的角度，分析數字化人機界面中人的信息處理機制及其人因可靠性的影響，利用實驗手段進行核電廠主控室數字化人機界面中畫面信息顯示布局的優(yōu)化研究。

1.4 主要研究內容與擬解決的問題

本文主要通過理論研究、實地觀察、訪談調查、實驗論證等，對核電廠主控室數字化人機界面進行深入研究，以期達到預期目標。主要研究內容和需要解決的關鍵問題如下。

1） 在文獻調研與核電廠實地調研的基礎上，論述核電廠主控室數字化人機界面的特征，比較數字化人機界面（HMI）與傳統(tǒng)HMI特征；

2） 以我國某核電廠主控室數字化人機界面為背景進行實地觀察、訪談調查等手段進行論證和分析，從認知心理學的注意力、視覺搜索規(guī)律等理論分析人的信息處理機制，主要分析數字化人機界面對人因可靠性的影響（包括界面管理任務對人因失誤的影響）；

3） 根據視覺追蹤技術原理，利用南華大學人因研究所現有的人行為分析系統(tǒng)、眼動儀等實驗設備探索或驗證人眼的視覺搜索規(guī)律，為信息顯示中的信息布局提供實驗依據，并根據實驗結果對畫面信息顯示布局進行實例優(yōu)化。

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1.5 論文結構

本文的主要工作分為6章，各章主要研究內容如下：

第1章對本文背景情況進行介紹，指出本文的研究目的與意義，概述國內外有關的研究狀況，闡明本文的研究內容。

第2章從認知心理學的注意信息加工與視覺搜索理論，闡述數字化人機界面下人的信息處理機制，定性論述數字化人機界面對人因失誤的影響。

第3章利用眼動儀探索不同材料的畫面顯示信息中人的視覺搜索規(guī)律，以探求畫面信息顯示時人的關注度高的區(qū)域，即信息布局原則。

第4章根據第3章的畫面信息顯示布局的相關結論或原則，對某一原畫面進行優(yōu)化設計，然后模擬核電廠相關操作規(guī)程對新舊畫面的操作，通過實驗驗證優(yōu)化效果。

第5章為本文的結束語，總結本文所做的工作，提出下一步應當做工作。

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第2章 數字化信息顯示的特征對人因可靠性的影響

2.1核電廠主控室數字化人機界面概述

2.1.1 核電廠主控室

核電廠主控室是監(jiān)控機組啟停、運行調節(jié)和故障處理的控制中樞。而主控室人機界面則是操縱員監(jiān)視與監(jiān)測電廠機組狀態(tài)、進行控制操作唯一可以依靠的信息來源和手段[21]。因此，主控室人機界面信息顯示的優(yōu)劣將直接影響電廠運行的安全性和可靠性。核電廠主主控室人機界面具有以下特點：

1) 受控制和調節(jié)的過程變量變化慢。人傳遞的控制可能在幾秒甚至幾分鐘內也不會產生可視的系統(tǒng)響應，因此，增加了操縱員的知覺、記憶、決策和注意分配[21]；

2) 顯示和操縱變量多，變量間關系復雜，單個變量的變化往往會同時影響多個變量變化。同時，主控室的顯示和控制變量的數量也在呈幾何級數增長[3,4]。主控室中變量的數量與變量間關系的復雜性不僅加重了操縱員的工作負荷，也加重了心理負荷；

3) 控制過程具有高風險性，操縱員經常要面對和解決生產效率與安全之間的矛盾。因此，電力的生產過程需要大量的知覺、注意、診斷、記憶、決策和動作選擇等各種物理操作與心理認知，其控制過程非常復雜[21]。據相關研究表明，在電站、航空、化工等復雜系統(tǒng)中，70%～90%的嚴重事故或故障都是由人的失誤引發(fā)的[22,23]。

核電廠主控室人機界面的復雜性和不同顯示之間的相互作用，不僅會影響人對信息的認讀效率與準確性，還可能導致誤讀、誤判和誤操作事故的發(fā)生。在核電廠主主控室人機界面中，操作人員需要面對著幾十甚至幾百種不同功能的顯示器和操縱器，如果信息顯示的人因設計不當，很容易發(fā)生誤讀、誤判和誤操作而導致重大的人因事故[21]。后果嚴重的人因事故不僅會造成巨大的經濟損失，還可能產生深遠的社會負面影響，甚至可能導致人類的巨大災難。

隨著計算機技術和數字化技術的發(fā)展，核電廠控制與保護系統(tǒng)愈趨于數字

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化，實現了系統(tǒng)管理控制的集中化、自動化、精確化，核電廠主控室由龐大、分散的傳統(tǒng)主控室向功能更完善、布局更集中的分布式控制系統(tǒng)主控室過渡 [4,24]。大的控制盤臺由少數幾個顯示屏幕所代替，電廠狀態(tài)信息的顯示方式與控制方式完全不同。人與主控室人機界面的交互關系也從傳統(tǒng)硬手操盤臺的操作演變?yōu)閷底只O(jiān)控畫面的操作。

數字化主控室使得系統(tǒng)中人-機界面、系統(tǒng)中的人的作業(yè)模式和行為、甚至系統(tǒng)的組織結構和運行機制都發(fā)生了巨大的變化。

2.1.2 數字化人機界面定義

人機界面（Human-Machine Interface，簡稱HMI），（又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換[25,26]。凡參與人－機信息交流的領域都存在著人機界面。就人機工程學而言，人機界面是指系統(tǒng)中的人、機、環(huán)境之間相互作用的區(qū)域。通常人機界面有信息性界面、工具性界面和環(huán)境性界面等，就人機系統(tǒng)效能而言，以信息性界面最為重要。

英國學者Edwadrs提出的SHEL(Software，Hardware，Environment，Liveware)模型對人機界面的研究范圍做了全面概括[27]。SHEL模型所概括的廣義人機界面，包括：人-硬件界面、人-軟件界面、人-環(huán)境界面和人-人界面。該模型中的“人-硬件界面”中人機界面是指人與機器之間相互作用的區(qū)域。其主要包括機器的顯示終端與人的感官信息通道界面、機器的操縱裝置與人的運動器官界面和人-機系統(tǒng)與環(huán)境之間的界面。人-機系統(tǒng)一旦建立，人機界面便隨之形成。某些系統(tǒng)的人機界面已成為人們感覺系統(tǒng)內部信息、進行操作和控制唯一可以依靠的信息來源和調控手段[25,27]。

傳統(tǒng)的人機界面主要包括針對機械硬件，大體上將人機界面分為顯示裝置部分和控制裝置部分, 以信息傳達的準確性與操作控制的有效性和安全性為終極目標。數字化人機界面是相對于傳統(tǒng)的人機界面提出的，是指以多媒體的、數字化的顯示與軟控制為主的人機界面（人-軟件界面、人-硬件界面）。

人因工程的范疇看，首先，數字化改變了傳統(tǒng)模擬技術的儀表控制系統(tǒng)（I&C系統(tǒng)）的圖開顯示方式，能夠以集中的方式提供設備的工作狀態(tài)，重要工藝設備

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的運行參數，事故狀態(tài)，I&C系統(tǒng)的工作狀態(tài)，顯示畫面動態(tài)與靜態(tài)相結合，方便、準確、可靠地反映系統(tǒng)的實時工況；其次，數字化人機界面能夠提供最佳數量的信息，能夠以集成、耦合和簡明的方式提供重要檢測變量和重要安全功能狀態(tài)信息；再次，數字化能夠使人機功能分配最佳化，根據人機的同特點，使用計算機過程控制確定最優(yōu)的人機功能分配；數字化人機界面除了以上特點外，還可以加強畫面信息顯示的美感，降低操縱員的視覺疲勞。

一般認為核電廠數字化人機界面應具備以下特征[28]：

1) 警報系統(tǒng)用基于計算機的方法分析，處理和減少警報。和警報系統(tǒng)交互的人機界面可以將警報排序；檢查被抑制住的警報；查詢警報邏輯；修改設定點，和建立臨時警報。

2) 用圖表的形式顯示信息的顯示系統(tǒng)，在任意時刻，也許只有很少的顯示器被檢查。因此，工廠可以考慮大屏幕的以組為單位的顯示信息的顯示器。

3) 電廠的系統(tǒng)的控制組件可以定義按鈕和圖標，這些按鈕和圖標通過輸入設備可以被激活。對復雜的任務而言，工廠較高的自動化控制功能一般包括：工廠啟動選項和給水控制。

4) 基于計算機的程序系統(tǒng)存取、顯示和程序步驟有關的工廠數據，解決步驟之間的邏輯問題，例如：如果壓力水平是X，則程序系統(tǒng)就會提示做Y。

5) 在認知方面，計算機化操作支持系統(tǒng)（computerized operator support

systems COSSs）可以給操縱員提供決策支持，例如，情景評估。

2.1.3 核電廠主控室數字化人機界面特點

隨著控制技術和計算機技術尤其是多媒體、虛擬現實等技術的飛速發(fā)展，先進的數字化技術引進到新建或改造升級中的核反應堆的儀表控制系統(tǒng)（以下簡稱I&C系統(tǒng)）。數字化技術引入核電廠主控室后，主控室人機界面（HMI）由以常規(guī)監(jiān)控盤臺為主發(fā)展為以計算機工作站為主。從提供信息的能力和信息處理能力來講，計算機工作站有其無可比擬的優(yōu)越性。數字化技術的應用使主控室的信息顯示內容和顯示方式發(fā)生了重大的變化，操縱員通過計算機顯示器和大屏幕投影顯

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示器就能夠方便、準確、可靠地完成對反應堆本體運行狀態(tài)的監(jiān)測和各個子系統(tǒng)的控制，確保反應堆安全、可靠地運行[28,29]。并且其在一定程度上減輕了操縱員的體力負荷。為了更好了解兩種人機界面的特點，筆者通過實地調研，從信息的搜索、獲取以及控制的角度出發(fā)對信息顯示進行了相關比較見表2.1.1[30]。

傳統(tǒng)的常規(guī)主控室，比較典型的結構是：單個的信息、顯示和控制設備按要求布置在控制盤臺固定的位置，操縱員需在盤臺前來回走動，以完成電廠監(jiān)測和控制任務，具體如，監(jiān)視一回路ΔT sat與壓力、二回路蒸汽流量與水位、泵的啟停、閥門的開關等。一般來講，這些任務從認知上可分監(jiān)督和探測、情景評估、響應計劃和響應執(zhí)行。在執(zhí)行任務的過程中，操縱員根據培訓所獲知識、運行經驗和現場人員的交流，對主控室提供的信息做出判斷及相應的響應。

相比之下，更現代化的，數字化的控室則在顯示屏幕上提供了很多HMI。這些人機界面在計算機屏幕上沒有空間固定連續(xù)可見的畫面，或者說不能在屏幕上隨時連續(xù)可見。即它們是一種虛擬存在而非實體工作空間。計算機工作站的典型結構往往更緊湊，操縱員一般坐姿操作。與之相連的數字化儀控系統(tǒng)能夠給操縱員提供更多數據。信息系統(tǒng)甚至可能包含幾千幅顯示畫面。要成功完成電廠監(jiān)測和控制任務，操縱員就必須在工作站完成界面管理任務[28,29]。

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表2.1.1 傳統(tǒng)HMI與數字化HMI中的信息顯示與控制操作比較

類別/特征

信息搜索

信息顯示媒體與表達形式

信息顯信息量

信息冗余編碼

傳統(tǒng)HMI

通過巡盤完成，且身體與眼睛的移動距離都較長（體力型、感知型）

儀表顯示、指示燈等實體，表達形式單一

相對較少

單一或沒有

數字化HMI

通過對顯示屏監(jiān)視完成，主要為視覺信息搜索（心理型、認知型）

虛擬的圖符、畫面、圖表、狀態(tài)指示燈，表達形式多樣、豐富

相對較多，幾千幅相關畫面

多種多樣（顏色、字體、閃爍、聲音）

直接查看畫面信息、或調用畫面并查看相關信息

示

搜索/獲取信息模式

信息布局

直接查看儀表、狀態(tài)指示燈，快捷

以固定布置在儀表盤、控制盤臺上，布置在大屏幕或顯示屏上（小空間容不易改進布局

直接進行實體控制（如果開/關閥門）

在盤臺前巡盤，監(jiān)測狀態(tài)與控制

畫面顯示空間固定連續(xù)可見，較少的界面管理

納大量信息），同可方便改變布局

軟控制（一般需要二次確認）

坐姿操作

無空間固定連續(xù)可見，需要進行大量的界面管理（配置、導航、畫面調整、查詢、快捷方式）

控制模式

控制操作

界面管理

操作方式

2.2相關的認知心理學理論

對界面的情感化設計研究，必須對用戶有一個較為清晰的認識，要了解感官接受信息的方式、怎樣理解并處理信息、學習記憶及推理的過程等，以增強用戶與計算機交互的友好程度。用戶心理研究就是為了解決這些問題的。用戶心理學的內容包括動機心理學、認知心理學[32]、用戶模型[33]等。其中認知心理學是上個世紀50年代中期在西方興起的一種心理學思潮，研究的是用戶操作時的知覺、認知以及操作過程，實質是試圖了解人類智慧的實質和人們怎樣思考。它涵蓋了心理過程的整個領域，從感覺到知覺、模式再認、注意、學習、記憶、概念形成，思維、表象、語言、情緒的發(fā)展過程等等。通過對用戶認知心理中的非理性因素

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（如記憶力容易分散、容易遺忘等）和理性因素（不同網站使用的熟練程度的不同用戶級別），可以很好地解決人－機交互中的問題，防止出錯，使流程更流暢、界面更友好。

2.2.1 注意的信息加工理論

注意是指人的心理活動對一定對象的指向與集中[34]。注意的核心在于人對輸入的刺激信息進行有選擇地加工分析而忽略其他刺激信息的心理活動。

雖然人類所有的心理活動都離不開注意，但人的注意能力有限，不能同時注意所有發(fā)生在身邊的事情或信息，而只能注意眾多事件中的幾項重要事件或信息，并排除無關的干擾事件或信息。人腦這種選擇信息、排除干擾的功能，就是注意的一種重要功能。心理學家正在努力探究：面對紛繁復雜的外界環(huán)境，人們需要同時注意的事項或信息日益增多，如何將有限的注意分配到同時出現的眾多事件或信息中去。因此，選擇性與分配性注意日漸成為研究的焦點。近年來，由于資源理論能較好地解釋注意的多種特性，特別注意的選擇和分配，在注意研究領域內頗受親睞。

2.2.1.1 注意選擇性理論

為了解釋注意選擇性現象，研究者曾提出眾多的注意的選擇性理論，如注意的過濾器模型、反應選擇理論、衰減器模型、知覺選擇模型等[34,35]。眾多理論中，對于視覺信息的選擇性理論，主要為視覺搜索理論中注意選擇機制。

視覺搜索理論 (Yantis, 1993) 認為，在注意選擇過程中包含兩種加工：目的指向選擇和刺激驅動捕獲[36,37]。前者反映的是個體的目的將決定他們要注意哪些刺激信息。而后者不依賴知覺者當時的目的，刺激物的特征會自動地抓住他的注意。因此，個體的知覺目標與刺激物的特征同時決定了人們將注意力放在哪里。研究表明，在某些情況下，刺激驅動捕獲會勝過目的指向選擇。例如，在異常工況下，操縱員會受到連續(xù)的報警信號的影響，注意力無法集中到對這一工況的整體信息的整合與控制工況上。

如何使操縱員能夠在視覺環(huán)境中有效地搜索信息呢？特征整合理論

(Treisman et al., 1990) 將注意的信息加工分成兩個相互聯(lián)系的階段。第一階段是

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前注意階段[38]。人對刺激物的簡單特征進行快速的、自動的平行加工，此時人幾乎不需要努力，甚至意識不到它的發(fā)生。前注意加工可以幫助人們對周圍環(huán)境進行指向性的搜索 (Wolfe, 1994)[39,40] 。要獲得物體知覺就需要依靠第二階段的注意，通過“聚光燈”把屬于被搜索目標的各個特征逐一識別出來，并有機地整合在一起。這一系列加工過程較前者要慢一些。由于需要努力，當 注意超負荷或人們分心時，特別是對注意的要求很高時，就會將刺激的特征不恰當地結合，造成錯覺現象。這一理論說明，有效地使用先行線索或提高知覺分析能力將有助于運動員的選擇性注意技能。

2.2.1.2 注意力資源理論與分配性注意

注意資源理論，又叫注意的能量分配模型，是由Kahneman 1973 年在其著作 《注意和努力》 (Attention and Effort)中提出的[41]。Kahneman 認為，人的認知資源(Cognitive resources)或能量是有限的。識別一個刺激是需要資源的。刺激越復雜，需要的資源越多，同時呈現的刺激越多，資源就越容易耗盡。如果再給資源已耗盡的人呈現新的刺激，這些新異刺激將不被或不容易加工(或注意) 。但凡事也有例外，Kahneman 假定，新異刺激有時并不能用完所有資源。相反，認知系統(tǒng)中存在這樣一個階段，在這個階段中，它會分配一定量的資源對新異刺激進行加工。正如Johnston和Heinz 所指出的，認知資源分配是靈活的，人可以對其進行控制。人不是新異刺激的奴隸，會調節(jié)和分配資源，并把有限資源轉移到重要刺激上[41]。

注意分配中一個關鍵現象就是練習或培訓常常可以提高操縱員的對異常工況的處理能力，對這一現象最常見的解釋是一些加工由于長期練習或而變得自動化了。雙加工理論（Shiffrin et al.,1977）認為，人類的信息加工方式有兩種：自動加工和控制加工[42]。自動加工是刺激自動引發(fā)的無意識的加工過程，不受認知資源的限制。控制加工是受意識控制的過程，它需要意識的積極參與，要占用系統(tǒng)的加工資源。控制加工經過充分的練習之后，有可能轉化為自動加工。在電廠的培訓與學習后，操縱員熟練地掌握應對多數異常工況的技能，就會進入自動加工的狀態(tài)。這時，雖然操縱員的動作還需要受到大腦監(jiān)控，但是由于已經很好地掌握了這項技能，所以他幾乎不再需要有意注意了。但是，一旦活動任務的執(zhí)行過程中受到干擾，就很容易出錯。

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2.2.2 視覺搜索與視覺信息加工

HMI是用戶與機器互相傳遞信息的媒介，用戶通過人－機視覺顯示界面獲得系統(tǒng)信息并進行操作。數字化技術的應用使主控室內信息的顯示內容和顯示方式發(fā)生了重大的變化，優(yōu)秀的人機界面設計可以讓用戶更準確、高效、輕松地實現作業(yè)。操縱員在執(zhí)行整個任務的過程中有80%以上的信息來自視覺信息，即數字化人機界面中畫面信息。所以界面中信息顯示的質量直接影響操縱員對電廠狀態(tài)的整體把握。同時從信息處理模型來看（如圖1所示），電廠狀態(tài)是通過界面中各類畫面顯示出來的，其首先應由操縱員各感覺器官登記。這一過程必須通過視覺搜索來完成。

2.2.2.1 視覺搜索

視覺搜索是一種復雜的認知過程，是人獲取外界信息的重要方式。視覺搜索一般要求個體在某一背景找到一個特定刺激。視覺搜索分為并行搜索和串行搜索兩種方式。并行搜索是指視覺將同時處理所有的刺激，搜索時間和干擾刺激的個數無關，且目標刺激與干擾刺激的視覺有很大的區(qū)別；串行搜索是指，視覺系統(tǒng)一個接一個地搜索刺激，直到搜索到目標刺激為止,搜索時間隨干擾刺激的增加而呈線性增長，且目標刺激與干擾刺激的視覺沒有很大的區(qū)別。

在心里學研究中，其典型做法是讓被試在一個刺激背景中，從目標靶子周圍找到所設置的與目標相同的刺激，如圖形、數字或字母。搜索任務可由一個搜索目標或兩個搜索目標構成(便于更精確的時間安排)[43,44]。當信息顯示呈現在操縱員面前時，需要他們進行視覺搜索，在眾多圖形顯示中找到所關注的信息或要執(zhí)行的操作（如啟動安注泵）。這時，信息顯示的質量直接將會影響視覺搜索，即若信息顯示存在諸如無突出顯示、信息組織結構不清晰、數據更新等質量問題，操縱員在就難以準確、快速的搜索到相關信息，從而可能造成相關的人因失誤。同時，有研究指出信息顯示對決策過程，信息顯示的特征，如信息的形式、組織結構及次序，都對決策過程有著重要的影響[45]。

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2.2.2.2 視覺信息加工

人和動物的腦是世界上最復雜、最有效的信息加工系統(tǒng)。幾乎人腦的各個部分都與視覺反應有關。視覺是個極其復雜的多級過程，外界物理光能在眼睛視網膜內轉變成神經電化學能，經過神經編碼和初步加工，視覺信息被傳遞到腦內，腦完成一系列復雜的信息加工，并與先前學習和記憶的視覺信息相比較，最后產生視知覺，完成模式識辨的全過程。

視覺搜索與視覺信息加工都必須通過眼動來實現。眼動的目的是為了搜索和注意外界信息，它既受人的內在需求所影響，也受外界信息的特點所影響，因此，眼動的過程反映了信息的心理加工過程。

眼動（eye-movement）主要是指眼球運動，它與人休的肌肉運動一樣是一種反射活動[46,53]。由于必須在刺激信號通過皮層中樞的作用下，下行到腦干眼動核才能啟動眼球運動，期間的意識作用是不可避免的（不包括純粹的生理性眼動），所以眼動又被稱為主動性眼動[46,49,53]。眼動具有主動性，即服從于活動的任務性，當然也包括無意識的注意過程。此時，主動性所指就是對信息的“覺察性”或“覺知性”。一般而言，眼動伴隨著“想看什么”或“看到了什么”，其最能充分地顯示視覺信息加工中的選擇性注意。視覺信息的選擇性提取與選擇性加工在人－機交互作用中起著非常重要的作用。為了適應環(huán)境，我們需要選擇那些與活動目的有利的信息而排除或忽視那些與目標毫不相關的干擾信息，但由于信息的干擾也會選擇一些不符合任務要求的信息。因此，視野中各部分被選擇的控制機制既包括外源性控制(exogenous control)，也包括內源性控制(endogenous control)[47,53]。前者是由刺激特性控制的信息選擇，也稱為刺激驅動或自下而上的信息選擇；后者是由目標或期望控制的信息選擇，也稱為目標驅動或自上而下的信息選擇。

2.2.1.3 視覺搜索與信息加工過程中的眼跳

視覺搜索一般要求在某一刺激背景中找出特定刺激，具有較強的目的性。視覺搜索是通過一系列的眼跳與注視獲取外界的刺激信息，從而完成信息加工。眼跳對視覺搜索有著極其重要的影響，眼跳問題也一直是視覺搜索研究的熱點[48]。

視覺搜索中的眼跳可以分為內源性眼跳和外源性眼跳，外源性眼跳是由外源性刺激引起的眼跳，比如在邊緣視覺區(qū)突然出現新刺激而引起的眼跳；也指刺激

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物所具有的基本特征，比如，顏色、大小、形狀、質地、方向、空間排列、彎曲、光澤、深度等等。內源性眼跳是由個體主動發(fā)起的眼跳，比如個體在引導語的指導下，主動進行的眼跳。外源性眼跳主要與刺激物的基本特征有關，而內源性眼跳是個體主動發(fā)起的，是受個體自身因素影響，主要與眼運動記憶與返回抑制相關聯(lián)[48]。

在外源性刺激中，研究者最初發(fā)現顏色特征對眼跳影響最大，以顏色特征為線索來搜索信息會大大提高搜索效率[48]。隨著研究的深入，研究者又相繼發(fā)現目標刺激的其他特征如：方向、運動、大小等對視覺搜索率的影響也很大。此外，我國的研究者發(fā)現：1）注視持續(xù)時間方面，圖畫的注視持續(xù)時間最短，中文詞次之，英文單詞的注視持續(xù)時間最長；2）眼跳距離方面，中文的眼跳距離最小，英文次之，圖畫的眼跳距離最長；3）反應時方面，人眼對圖畫的反應時最短，英文詞最長，中文詞居中。網頁設計如果傾向于信息的傳遞，應該首選文字，其次是圖畫[49]。

2 .3 數字化人機界面下操縱員信息處理機制

信息加工心理學（information process psychology）]把人的認知系統(tǒng)看成是[32一個信息加工的系統(tǒng)，并和計算機進行類比。計算機從周圍環(huán)境接受輸入的信息，經過加工并儲存起來，然后產生有計劃的輸出。人的系統(tǒng)和計算機一樣，人對知識的獲得也就是人對信息的輸入、轉換、儲存和提取的過程。人的認知的各種具體形式是整個信息加工系統(tǒng)的不同成分或信息加工過程的不同階段。

人的信息處理模型的理論假設是，借用數字化的計算機信息處理理論描述人的認知活動，并可以有效地應用于分析人的各種類型的思維活動。實際上，它是以一種信息流的理論去追溯外界信息輸入與人的最終響應之間的“黑匣子”中的不同認知階段人的思維活動。為了更為形象的描述這一過程，Wickens提出了一種具有代表性的定量化模型

[28, 29, 30,31,50 ] ，本文將模型加以改進以適用于數字化人機界面的人的信息處理模型（見圖2.3.1）[30]。其中信息處理原則上分為三大階段：（1）感知階段，主要指對輸入信號的探查和對刺激的識別；（2）判斷階段，在此階段必須進行狀態(tài)評估與響應決策，主要基于工作記憶（WM）的可用性；（3）響應階段，在此階段必須選擇和執(zhí)行響應、控制以及界面管理。在每個階

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段都具有相應的閾值，超過這一閾值，在任何一個階段都是會發(fā)生人因失誤行為。這種閾值和不同形式的人因失誤行為，一般由實驗心理學數據來確定。

過 程界 面操作人員注意力資源顯示畫面報警畫面控制畫面記錄儀感覺登記視、聽覺感知識別決策響應選擇響應控制界面管理報警信息畫面信息軟控制配置、導航查詢、安排鼠標、鍵盤打印機思維模型長期記憶（LTM）情景模型工作記憶(WM)圖2.3.1 Wickens應用于數字化HMI的人的信息處理模型核電廠操縱員是監(jiān)督控制者。電廠的效率是人與自動化控制的結合產生的。在這樣復雜的多動態(tài)的配置和的系統(tǒng)中，出現錯誤時做出決策是很困難的。操縱員對電廠的功能、過程、系統(tǒng)和組件的影響是通過他們的心里和認知過程來協(xié)調的，從而完成任務，最終通過操縱員操縱人機界面實現電廠的職能。為了較為清晰的了解在數字化人機界面中，操縱員的信息處理模型，還需要根據不同的任務類型進行分析。

基于工作分析，數字化控制系統(tǒng)中操縱員需要完成的主要任務可劃分為兩類[29]，第一類是指操縱員直接為監(jiān)控系統(tǒng)運行而需完成的任務，不同的控制系統(tǒng)有著不盡相同的第一類任務，但它們本質上可以被萃取表征為四項任務：監(jiān)視/檢測、情景評估、響應計劃、響應執(zhí)行。而第二類任務是指不直接監(jiān)控系統(tǒng)運行的那些任務，或可稱之為界面管理任務，如信息導航、信息調用、數據搜索、頁面配置與管理等，它們支持和保障完成第一類任務，同時與第一類任務也相互交互，如圖2.3.2所示。之所以將它們區(qū)別開來，是考慮到這兩類任務有著不同的工作模式和認知行為模式。相對于第一類任務，界面管理任務是次要但是必須的。

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人監(jiān)視/檢測情景評估響應計劃響應執(zhí)行人-系統(tǒng)界面顯示系統(tǒng)第二類任務執(zhí)行系統(tǒng)儀表與控制系統(tǒng)儀表系統(tǒng)控制/保護系統(tǒng)數字化控制工業(yè)系統(tǒng)圖2.3.2 數字化控制系統(tǒng)中操縱員需完成的兩類任務

2.3.1 第一類任務的信息處理

本文中主要從注意理論與視覺搜索理論對核電廠主控室數字化人機界面下操縱員的信息處理進行闡述。數字化主控室中語音輸入中的聽覺信息，由于使用計算機終端的有限畫面顯示、報警的視覺信息和聲音信息無法迅速定位和獲得。故基本假設，數字化主控室中基本都是視覺信息輸入。

2.3.1.1 監(jiān)測/檢測

監(jiān)視和檢測涉及到從環(huán)境中提取信息的活動。操縱員可以通過人機界面和傳感器官的交流來使用電廠的信息。通過眼動進行視覺搜索，將選擇性提取并選擇性的加工后的視覺信息傳入大腦，這一信息自動加工過程可稱為“感覺登記”，即監(jiān)視/檢測過程。這一過程可能發(fā)現被動的接收信息和主動搜索信息，前者所耗用的注意力資源或其他認知資源較少，后者所耗用的注意力資源將會增加。

在高自動化的電廠里，操縱員的大部分工作就是監(jiān)視。如，操縱員必須監(jiān)視正常的狀態(tài)以便決定將要發(fā)生什么，反饋，變化或中斷的正常安全跡象，自動化系統(tǒng)的執(zhí)行，有問題的設備，其他人員的活動（測試和維修）。操縱員面對的環(huán)境比實際的監(jiān)視往往存在更多的變數。真正的監(jiān)視問題是在任何點任何時候存在著大量的潛在的相關的事情，使得操縱員必須決定哪些信息是對經常變化的環(huán)境有影響的，值得關注的[28]。在這種情況下，要求操縱員決定監(jiān)視什么和什么時候

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轉移注意力，這些受目前的情景模式（指導注意力資源的配置從環(huán)境的統(tǒng)計特性到樣本數據）的影響，特別是預測的可能性和相關性。對有經驗的操縱員來說，這種比較相對較為輕松，所耗用的注意力資源也會較少。在不熟悉的條件下，過程是相當復雜的。在意識到目前的電廠條件與情景模式不一致時，首要之事就是要檢測在代表目前狀況的信息和來自監(jiān)視的信息間差異。這個過程可以通過警報系統(tǒng)簡化，提醒操縱員要將注意力轉向異常的狀態(tài)上。

3.3.1.2 情景評估

當異常情況發(fā)生的時候，操縱員要積極地努力去構想條理清楚的，邏輯的解釋來說明他們所觀察到的現象。這一認知活動稱為情景評估，其主要分為兩種模式：情景模式和思維模式。

操縱員用他們對電廠的了解和知識以及在觀測時如何自動解釋信息和理解信息的含義來構建情景模式。當情景模式準確的反映電廠的實際狀態(tài)時，就說明操縱員有良好的情景意識。知識的有限性也許會導致不完全的或不準確的情景模式。

思維模式是以技術為基礎來駕馭處理，控制有規(guī)則的活動，通過操縱員努力回憶工作記憶和提供具有實質性的能力之間的協(xié)調來推理和預測未來的電廠狀態(tài)，并還要基于知識來處理。思維模式也許不是完全正確，但可以通過正式的教育，系統(tǒng)的訓練，和操作經驗來建立的。知識基礎是依靠長期的記憶，在LTM中知識基礎是相對的穩(wěn)固的，容量很大，可并行處理信息。

對一個有經驗的，訓練有素的操縱員來說，在思維模式中，人機界面可以隨時提供地圖知識的信息，這樣就很容易得到準確的情景模型。情景評估用自動化信息處理比較輕松。自動化處理是較快的，不需要工作記憶和注意并行執(zhí)行。在自動處理信息時，操縱員沒有必要維持情景的每個細節(jié)。

在一定程度上，電廠信息和在思維模式中定義的情景匹配是不容易的，信息處理要求更多的控制，情景評估需要更多的工作記憶和注意力。從而，認知工作量相當高。在復雜的、模糊的情境下，情景意識和認知工作量會發(fā)生變化。如，在不熟悉的，或較困難的條件下，高認知工作量也許和情景意識的下降有關，可能是缺少可用的注意力資源來分析情景。情景評估需要消耗注意力資源或其他認知資源，認知對工作量有作用，但是并不是只有認知活動需要這樣的資源。

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2.3.1.3 響應計劃

響應計劃涉及到處理一個事件行動的過程。其一般為操縱員通過對自己電廠狀態(tài)信息的意識識別合適的目標；選擇合適的操作規(guī)程；估測一下定義的規(guī)程是否實現目標。

一般的，響應計劃涉及到操縱員用目前廠里的情景模式來識別目標和轉變要求達到目標。目標是變化的，例如區(qū)分合適的規(guī)程，估計備份系統(tǒng)的狀態(tài)，診斷問題。為了達到目標，操縱員會制定可選擇的響應計劃，選擇最合適目前情景模式的一個。

情景評估和響應計劃都具有決策的成分，特別是在模糊的狀態(tài)，如，可用規(guī)程并不能滿足需要，這時，做決策成為大的認知負擔，要獲取工作記憶，長期記憶和注意力資源。在這樣情形下，在工作記憶中，信息是有意識的被操縱，直接占用可用的注意力資源。工作記憶容量有限，沒有持續(xù)的注意力資源，信息都是快速的衰退。這時會造成信息丟失，一般表現為：注意力資源不足以保持信息被搜索到或加工；工作記憶的超負荷；其他信息的干擾。

異常工況下，操縱員根據情景評估所做出的響應計劃，但當出現工況較為復雜，且培訓中也未遇到時，響應計劃變得異常艱難。他們只能試著理解目前的情景模式中沒有預料的電廠執(zhí)行情況，經過大量的認知活動估計應急操作規(guī)程對當前目標的合適性。在這一過程中，大量的注意資源以及其他認知資源將會被占用，也可能進行反復的信息搜索，以在確保制定出合適的響應計劃。

2.3.1.4 響應執(zhí)行

響應執(zhí)行是執(zhí)行響應計劃中所定義的活動。就像單個操縱員選擇和操作控制一樣簡單，或者與電廠不同位置的操縱員交流、協(xié)調，然后相互協(xié)調地選擇和操作合適的控制設備。而這些活動是分離的，他們也可以不間斷的控制。

執(zhí)行的結果通過反饋環(huán)節(jié)來監(jiān)視。據調查，一般有兩方面的因素會影響核電廠操縱員響應執(zhí)行：響應時間和間接的觀察。時間和反饋延遲是分離的，在響應執(zhí)行時，因為這使得很難確定控制活動的是否具有預期的效果。此時，操縱員用思維模式來預測控制響應的未來狀態(tài)比反饋更重要，進一步說，由于不能直接觀察到電廠的處理狀態(tài)，可以通過指示來推斷。一般來說，這一過程占用的注意力

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資源是較少的。

總之，在異常工況情況下，操縱員受限于注意力和工作記憶。電廠操縱員需要對電廠事故后的哪些主要電廠狀態(tài)進行加工，注意力需要定位。之后，操縱員需要綜合各方面的信息與電廠的狀態(tài)目標進行比較，然后做出相應的預期，進入下一階段的響應計劃，這一過程依賴于短期工作記憶。并且異常工況往往會出現大量的報警，此時，將會耗費大量的注意力資源應對報警系統(tǒng)或信號，注意力的定位需要操縱員判斷顯示住處的重要性。此外，當時的應激水平也會影響操縱員的視覺信息搜索策略。研究發(fā)現，即使是有經驗的操縱員在這個過程中都容易出現人因失誤。

第一類任務在信息處理過程中有著很高的需求。正像上面闡述的，甚至相關的直接的活動（解釋警報的含義，監(jiān)視，用選定的響應計劃）需要操縱員用他們的注意資源來確保信息的準確性和合適性。此外，我們還應考慮操縱員在執(zhí)行界面管理任務時的信息處理過程。

2.3.2 第二類任務/界面管理的信息處理

在傳統(tǒng)的和數字化的主控室都用到界面管理任務。傳統(tǒng)的主控室是由大的帶有專用顯示器的工作站和控制盤臺組成，操縱員通過在控制盤臺前巡盤，來完成具體的監(jiān)視和控制操作。操縱員還必須經常搜索控制盤臺，發(fā)現具體的所需要的信息。這一活動過程稱名傳統(tǒng)人機界面中的界面管理。

與傳統(tǒng)主控室相比，數字化主控室界面管理的需求是不同且較大。數字化的人機界面改變了界面管理任務的性質：信息量，虛擬的工作站及其靈活性。數字化主控室提供更多的實時信息。在信息量增加時，在工作站的顯示屏上的有限區(qū)域內可以顯示信息。在較先進的核電廠里，視頻顯示裝置被擴大為成的組顯示器，比如，在主控室里的任何地方都看得見的墻面式的顯示屏。這種有限的視頻區(qū)域被稱“小孔效應”，結果就是在任何給定的時間內，大部分信息都從視線里消失，隱藏在虛擬的工作站里[28]。因此，操縱員必須知道在虛擬的信息空間里，哪些信息是可用的，在什么地方，怎樣去指導和檢索它們。若沒有充足的視頻區(qū)域可用，

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操縱員就得頻繁的重復導航任務。這和傳統(tǒng)主控室中信息或控制器的并行出現是相反的，因這儀表與控制器都是專用的且位置固定的，不能改變形式和功能。恰恰相反，基于數字化人機界面是靈活的，能對其進行配置，改變功能以各種操作模型。因此，這些界面有相當大的自由度。

正是基于此，一般將數字化人機界面的界面管理任務定義為：導航、畫面配置與調整、訪問查詢和自動化。這些任務可以離線執(zhí)行也可以在線操作。在一定程度上，任何一個人任務都可以執(zhí)行，執(zhí)行的方式是依靠人機界面設計的具體細節(jié)。

與傳統(tǒng)主控室的界面管理任務相比，數字化主控室的界面管理任務需要更多注意力和其他認知資源，或者說爭奪了第一任務的更多的注意力資源。不僅是因為其變得更復雜，而且數字化人機界面中，第一類任務對界面管理任務更為依賴，并且往往是兩類任務幾乎同步進行，比如，操縱員可以點擊水泵圖標來查看它當前狀態(tài)，也可以當即啟動水泵。

在某些情景中，界面管理與第一類任務所需要的同樣多的注意力資源。這樣對于第一類任務而言，其注意力資源在不斷的被壓縮。要想減少界面管理任務對第一類任務注意力資源和其他認知資源的爭奪，就需要良好的人機界面，以提高視覺信息搜索效率，減少導航次數、信息訪問與查詢的次數。至于，界面管理將可能如何影響第一類任務，將在下一節(jié)進行相應的闡述。

總之，數字化人機界面交互作用中，進行信息處理時，視覺信息搜索與加工顯得非常重要。因為數字化人機界面的沒有傳統(tǒng)界面中的對控制器或相關信息的觸覺信號輸入，完全由視、聽信息的處理來完成，而其中絕大多的信息依賴于視覺信息。視覺信息的選擇性提取與選擇性加工起著非常重要的作用。為了適應環(huán)境，我們需要選擇那些與活動目的相適應的信息而忽視那些與目標毫不相關的信息，但有時對信息的選擇并不符合任務要求。

同時，就整個信息處理過程來看，第一類任務與界面管理都需要大量的資源，而注意力資源卻是有限的，兩者中任何一方耗費過多的資源，將可能導致對方不能順利完成。為了盡力保證兩類任務都有足夠的注意力資源來執(zhí)行相應的任務，應提高人機界面的宜人性和友好性，具體而言應該考慮合適的信息顯示量，合理的信息布局等問題。

數字化人機界面中信息顯示的優(yōu)劣直接會影響視覺信息的獲取。而可能直接

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影響信息顯示優(yōu)劣的重要指標之一是信息布局。那么，在此不妨大膽假設：探索畫面信息顯示中人眼的視覺搜索規(guī)律對優(yōu)化畫面信息顯示，提高視覺信息搜索的效率會與減少對注意力資源的需求很有幫助。

2.4 數字化信息顯示特征對人因失誤的影響

與傳統(tǒng)人機界面相比，數字化人機界面最根本的變化就是信息顯示的變化，也正是由于信息顯示的變化而引起控制模式、操作方式、界面管理也發(fā)生了變化。除表2.1.1所描述的外，表征數字化信息顯示特征的主要指標也可劃分為畫面功能、顯示頁面、顯示格式、顯示元素、以及數據更新等。信息顯示的特征是否符合人的認知行為規(guī)律將極大地影響操縱員是否能有效地獲取作業(yè)所需要的信息[18]。如信息顯示存在諸多問題，如：信息組織結構不清晰、無突出顯示、數據更新速率不當等，操縱員就難以準確、快速地搜索到相關信息，從而可能造成相關的人因失誤。以下主要從信息數量、信息布局以及由此而產生的信息界面管理等角度來分析，它們覆蓋了與人因失誤相關的主要問題。

2.4.1 巨量信息與有限顯示

信息可以按功能、工藝流程、使用頻率、時間次序等來進行分區(qū)或布局。傳統(tǒng)主控室的信息主要布置在儀表盤臺上，信息直觀、有限，操縱員一般習慣性地一眼看過去，即可在固定的儀表盤臺上搜索到自己需要關注的信息（儀表、指示等）。數字化后，信息的數量劇增，數千幅畫面全部擁擠在有限的幾個顯示屏上，這些畫面不可能同時在屏幕上全部顯示出來（當然也無全部顯示的必要），其結果是，同一時間所顯示的或操縱員所能觀察到的信息明顯減少，操縱員為完整地完成某項任務，即完成監(jiān)視與探測、狀態(tài)評估、響應計劃、響應執(zhí)行這四個子任務，其常不得不需要調用多達幾十張/次的畫面。顯然，“巨量的信息，有限的顯示”這一矛盾非常突出，它對操縱員認知行為的影響至少表現在以下幾個方面[30]。

1）由于事故狀況下信息量過大，屏幕有限，當調用新的畫面時，常常不得不將其覆蓋當前畫面。這就使得操縱員不能直接搜索或直觀的獲取相關信息，不能及時獲得所覆蓋的畫面正在變化的信息，增加了操縱員巡盤難度，同時可能造

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成重要缺陷報警和參數信息沒有及時監(jiān)視到，延誤處理或控制。

2）存在“小孔效應” [7]，即由于所有的信息都由成千上萬的畫面來顯示，故不能同一時間顯示所有的畫面/信息，用戶只能一部分一部分地挨個看，其過程類似于從門的鎖孔里看房間內東西。小孔效應對操縱員最直接的影響是可能使得操縱員情景意識喪失，導致不能進行正確的狀態(tài)評估，從而喪失對電廠總體狀態(tài)的把握。

3）由于信息量巨大，一個任務涉及的畫面過多，同一參數或儀表在不同畫面中出現的位置可能不固定，每進入一幅畫面就需要操縱員重新搜索同一參數或儀表組件。依據注意資源論[41]，由于注意資源總量一定，當額外的搜索信息消耗過多的注意資源時，必然會降低其它的注意資源，使得操縱員可能出現讀錯參數的失誤，或不能在規(guī)定的時間內完成任務；另外，由于同時打開多個畫面，可能會忘記正在進行的監(jiān)視；切換畫面頻繁也易疏忽復歸操作模塊或易疏忽確認允許信號。

“巨量信息，有限顯示”反映了顯示-控制系統(tǒng)數字化后產生的三個新的基本科學問題，它們可分別用三個概念來表征：信息顯示率----單位時間的信息顯示量；信息提供率----單位時間內提供的可以被操縱員有效捕捉到的信息量；數據更新率----數據更新的速度。我們將專門撰文研究它們之間的關系及對操縱員認知行為的影響。

2.4.2 界面管理任務

2.4.2.1對第一類任務的影響

相對于第一類任務，界面管理任務是次要但是必須的。已有研究發(fā)現，界面管理任務是數字化系統(tǒng)操縱員和系統(tǒng)信息之間的一道屏障，對操縱員完成第一類任務有極大的影響[29,16]。

兩類任務同時執(zhí)行時，第一類任務所需要的認知資源或注意力資源，會受第二類任務的影響。例如，操縱員在進行監(jiān)視電廠狀態(tài)時，還要求進行出第二類任務，比如記憶搜索、界面管理 。操縱員必須在執(zhí)行第一類任務時執(zhí)行第二類任務。因此，隨著第一類任務的進行，第二類任務在節(jié)約處理資源容量的情況下執(zhí)

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行。第二類任務的邏輯方法是簡單的。若假設總的資源容量是1，若第一類任務用x，則1-x就是被儲存下來以供第二類任務用。因此，第二類任務和第一類任務的執(zhí)行有著相反的關系。若第一類任務在條件A和B下執(zhí)行是一樣的，而第二類任務在條件A下執(zhí)行較好，則結論就是條件A比條件B需要少的認知需求。

Wickens認為兩類任務所要不同的資源的程度越高，它們共享時間的程度越高。也就是，一個任務的困難程度的變化很少影響另外一個。因此，爭奪同樣的資源要比用不同的資源效率低的多。舉個簡單的例子，駕駛汽車和乘客聊天是要比駕駛時手動調節(jié)模擬的收音機簡單的多。都涉及到兩個同時的任務，前者對共同的處理資源競爭少于后者，因為前者主要是聽覺任務。調節(jié)收音機要求視覺，因此，會與要處理道路的視覺信息爭奪資源。

當第一類任務和第二類任務同時執(zhí)行時，且需要同樣的認知資源，則操縱員的執(zhí)行會受到影響。相反的是，操縱員的執(zhí)行效率可以通過人機界面設計個好的分配來提高（在監(jiān)督控制和界面管理任務之間認知資源的競爭是最小的）。所以，為了提高操縱員的執(zhí)行效率，需要評估界面管理的人機界面特征和測試人機界面設計。

在多任務環(huán)境中，操縱員要處理來自多個方面的信息和在同一時間執(zhí)行多個任務。在主控室里，操縱員會遇到多個任務相互沖突，考慮權衡時，有兩點要注意：（1）雖然界面管理任務不總是但常常是監(jiān)督控制任務的一個整體部分。例如，執(zhí)行具體的監(jiān)督控制行動時，操縱員必須執(zhí)行界面管理任務，這對要求進入主控室和顯示器是必須的。（2）操縱員經常同時執(zhí)行多監(jiān)督控制任務。因此，操縱員在多任務環(huán)境中也許會承擔分配認知資源在多個第一類任務和第二類任務之間。

Wickens 和Carswell定義了三種不同的多任務行為：

（1） 完全并行處理 所有的任務同時，獨立的執(zhí)行。

（2） 低級并行處理 同時執(zhí)行任務，但單個任務會遇到一個或多個故障。

（3） 嚴格的連續(xù)處理 操縱員在一個時間內只能執(zhí)行一個任務。

三個模型在不同的條件下發(fā)生，在人機界面設計中有著不同的含義。此外，操縱員可以使得策略適應處理改變任務的需求。策略的第一步是工作目標的轉移和升級任務期間的方法。第二步是修改人機界面的策略使得和任務需求，認知容量更加兼容。要理解界面管理任務對第一類任務的影響，需要多對這項目進行理解。

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任務被逐次的執(zhí)行有兩種原因，首先，任務可以被限制，例如，在第一類任務執(zhí)行完之后第二類任務才執(zhí)行。第二，任務被逐次的執(zhí)行因為它們獲得同一注意力資源，資源又不能充分的支持同時執(zhí)行的任務。逐次執(zhí)行任務已成為人因的關注，在執(zhí)行任務延遲另外一個任務到不可預期的程度。例如，由于操縱員同時關注另外一個任務，他沒有及時發(fā)現一個重要的電廠參數，所以電廠的安全將會悄然發(fā)生變化。

人因調查已注意到這個過程，操縱員選擇執(zhí)行一個任務，就會忽略在同時進行著的另外一個任務。注意力選擇過程與其對管理任務的優(yōu)先處理的知識掌握或經驗有關。人因常常基于數學建模，例如通過排序理論。最優(yōu)的行為模式可以這樣描述：（1）當一個任務被執(zhí)行時，就像任務的一個功能一樣重要（2）任務被執(zhí)行的頻率達到人機系統(tǒng)效率的最優(yōu)水平。當在實際操作和這些模型相比時，操縱員在一定得限制下執(zhí)行看起來相當的合理。在操縱員傾向于忘記持續(xù)監(jiān)視值時，與記憶力較好的優(yōu)秀操縱員相比，他們更頻繁的關注參數的變量值。最優(yōu)的行為模式對界面管理的人因工程學導則的發(fā)展是很重要的，

2.4.2.2 界面管理與人因失誤

人因失誤(human error) 簡稱人誤：人未能精確地、恰當地、充分地、可接受地完成所規(guī)定的績效標準范圍內的任務[50]。

人因失誤是指人的行為的結果偏離了規(guī)定的目標，或超出了可接受的界限，而產生了不良影響。根據行為心理學觀點，人的行為模式可表示為S-O-R，即刺激輸入心理加工系統(tǒng) 輸出 行為[50]。若把人腦看成一個加工系統(tǒng)，則輸入的是刺激，輸出的是行為，即刺激思維加工系統(tǒng)行為。

首先要理解界面管理任務是如何增加失誤的可能性。Norman基于認知行為機制，將人誤分為三類[7,28]。第一類是描述失誤，指操縱員對一個意圖行為缺乏詳細的描述，或許操縱員本身就不十分清楚該行為的內涵和特征，其發(fā)生是因為操縱員投入的精神努力不足以構造一個詳細的描述。第二類是激活或引發(fā)失誤，其發(fā)生于當一個意圖激活了長期記憶（LTM）中的相關知識，但操縱員卻沒有保持相應行動的軌跡，或者被另一個行動中斷了原定的行為序列。第三類是捕獲失誤，它發(fā)生于環(huán)境線索非常類似于較常見的但在此卻是不適當的行為模式，如新

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舊主控室中信息顯示模式的相似性極易導致捕獲失誤。在Norman的框架中，界面管理任務很可能對這三類失誤都有貢獻。這種貢獻產生的途徑可能存在以下4種方式：1）剝奪第一類任務的資源，從而使得任務是資源有限性的；2）以減慢執(zhí)行的方式中斷第一類任務，從而引起步驟缺失或不清楚，或完全分散操作員的注意力；3）錯誤的控制或顯示另外一個任務，引起失誤；4）對操縱員附加的負擔，使得在高工作量條件下他們不情愿去執(zhí)行第二類任務。

Norman和Rasmusn認為失誤是行為認知控制的一種功能，進一步的說，可視其為人類對系統(tǒng)特征高效適應的表現。定義了四種失誤及其在系統(tǒng)設計的重要性。第一種是人的隨機變化產生的。這一種失誤較少，且安全重要性較低，因為是單個的事件，與其他活動不相關。第二種是與不合適的處理資源有關的失誤，因為這類失誤是最獨立的資源處理模型，所以它在知識型處理中是最重要的。沒有充足的可用資源時，容易出現失誤。因此這種失誤和工作量有關。第三種與內部控制結構有關的失誤，因此與捕捉失誤類似。最后一種與人的學習機制有關，其反應的是操縱員對系統(tǒng)的適應能力。系統(tǒng)中操縱員最主要的目的是通過適應能力和創(chuàng)新能力對不可預測的事件進行響應。

Rasmusn描述到界面管理任務很可能影響第二和第三種失誤[28]。第二種失誤由于高工作量，資源有限。第三種類似于捕捉失誤。

Reason提出了一種定義相當好的人因失誤模型，在目前的版本里，體現了Norman和Rasmusn的主要的大部分觀點[28]。主要的論點是：失誤是可預測的，充分利用根據已建立的試探法來簡化復雜信息任務的認知處理趨勢，進行預測。操縱員用兩種試探法搜索信息，分別是相似度比較和頻率賭博。

總之，界面管理任務的影響潛在的增加了認知失誤的可能性，有以下方式：

1) 剝奪第一類任務的資源，從而使得第一類任務資源更有限性；

2) 以減慢執(zhí)行的方式中斷第一類任務，從而造成遺漏或不清楚操作步驟，或完全分散操縱員的注意力；

3) 控制錯誤的或錯誤顯示另外一個任務，而引起失誤；

4) 增加了操縱員的負荷，使得他們在高工作量條件下不情愿去執(zhí)行第二類任務。

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2.5 國內數字化HMI信息顯示現狀與人因失誤

隨著課題組對課題的深入，我們在核電廠數字化HMI的設計公司或單位對畫面設計情況進行了調研，訪談了某核電廠新老操作員與值長、畫面設計師、安全工程師等電廠人員，并在現場記錄與查看了較長期內電廠數字化模擬機HMI的信息顯示的人因失誤情況，期間我們發(fā)現，很大一部分人因失誤與信息畫面的設計有關，即使有些信息畫面沒有引發(fā)人因失誤，也存在未充分考慮問題。其主要表現在以后幾個方面：

1） 畫面信息的組織結構不清。使得操縱員增加了導航、畫面配置等界面管理任務的認知資源，增加了視覺搜索的難度，使得可能出現操作延時或描述性失誤。如許多畫面之間沒有用統(tǒng)一的布局來顯示一般的HMI功能（如數據顯示區(qū)、控制區(qū)、信息區(qū)、導航區(qū)等）；信息組間的沒有明顯區(qū)別；同一畫面上的信息沒有按易理解的原則分組（任務、系統(tǒng)、功能）等。

2） 信息標識區(qū)別不明顯。如畫面中有多層標題（和/或標簽）時，系統(tǒng)沒有提供可見的提示以輔助操縱員區(qū)分其所處的層次級別；此處，操縱員在調用多頁畫面時，系統(tǒng)沒有向其提供一頁含畫面序列的位置參照系。從而使得操縱員還需要從工作記憶或長期記憶中回顧自己目前所處操作位置，分散了注意資源了，也降低了視覺搜索效率，可能出現描述性失誤或激發(fā)性失誤。

3） 文字、標簽、語言問題。如有些地方標注不明顯或有歧義（如不知那個燈亮處于SATURATION，CIA VALVES CHECK燈亮的表達的意思會產生誤解）；畫面與規(guī)程沒有漢化，對不是以英語為母語的操縱員來說，外文字母認讀增加了困難。此類問題可能使得操縱員出現對信息的誤讀與數值的誤判等人因失誤。

4） 格式與顯示不清晰或不一致。如所有數字沒有右對齊，數字超過4位數，沒有將其分組，并且每組之間用逗號、小數點或空格分隔開；單位的標注不規(guī)范（如MPa）；文字密度程度過大，難以明顯區(qū)分，（INTERVALIDATED DATA，）；字體表達大小寫不一致（如SG

LEVEL）。增加了操縱員對信息的視覺搜索難道，使得認讀困難，

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常出現操縱員認讀的失誤，或操作失誤，或捕獲失誤。

5） 畫面布局問題。如元件或控制圖標排列無序，（安注控制閥、安注給泵等）；指示元件圖標與控制元件圖標對應關系不明確；畫面布局結構化程度不高；元件或控制圖標布置過密或較散（APG閥布置太密）；對于使用頻率高或較重要的信息，沒有統(tǒng)一的布局原則，不用畫面，不同設計師的設計出畫面布局差異較大，顯得較為隨意。對視覺搜索效率影響較大，由于布局原因，操縱員需要依賴記憶來進行操作，否則較難以快速準確的搜索到相關信息，因此，常出現描述性失誤，或激發(fā)性失誤，或捕獲性失誤。

以上列舉問題，都是由于畫面信息設計缺陷，而引發(fā)了與信息顯示有關的人因失誤。這些問題基本上可以通過信息畫面設計或優(yōu)化來解決，但就設計師而言，最難以把握的就是信息畫面的布局問題。雖然他們都知道重要的、使用頻率較高的信息要布置在易于搜索到地位置，但具體是哪個位置，是哪一區(qū)域，其沒有一個統(tǒng)一的看法。但大家一致認同的是，如果能解決這個信息畫面布局的問題，將對信息畫面的設計或優(yōu)化設計，防止操縱員的人因失誤將會有很大的幫助。

就本課題而言，我們也試圖解決這一數字化人機界面中特有信息顯示布局的問題，抑或是人的視覺信息搜索規(guī)律問題。對這一問題的解決我們將在本文的下部分進行敘述。

2.6 本章小結

介紹了核電廠主控室數字化人機界面的定義，并對數字人機界面與傳統(tǒng)人機界面中信息顯示特征做了比較。從注意理論與視覺搜索理論出發(fā)，闡述了核電廠主控室數字化人機界面下操縱員的信息處理機制，本文認為正常工況和異常工況下信息處理機制是不同的，其主要表現為，在異常工況下，大量的報警信息占用操縱員較多的注意力資源；與傳統(tǒng)人機界面相比，數字化人機界面下操縱員對電廠信息的獲取與狀態(tài)評估，更依賴于視覺信息。換而言之，數字化人機界面中信息顯示的優(yōu)劣直接會影響視覺信息的獲取。而可能直接影響信息顯示優(yōu)劣的重要指標之一是畫面信息顯示的布局。

35

核電廠主控室數字化后，數字化人機界面下產生了一些新人因失誤，引發(fā)了一些新問題，如巨量信息與有限顯示所產生的小孔效應問題，新增的界面管理任務對一類任務產生的較大的影響，同時也產生了新的人因失誤。

36

第3章 信息畫面布局的眼動實驗

3.1 眼動儀簡介

信息加工在很大程度上依賴于視覺，研究表明，約有80%～90%的外界信息是通過人的眼睛獲得的[51]。由于人的視線具有直接性、自然性和雙向性等其它信息所無法具備的特點，人們對視線跟蹤的研究有著濃厚的興趣。視線跟蹤的早期研究可以追溯到古希臘，但是真正使用儀器設備對眼動進行觀察和實驗是從中世紀才開始的。直到1901年Dodge和Cline才開發(fā)出第一臺精確的、非強迫式的視線追蹤設備。20世紀60年代以來，隨著攝像技術、紅外技術和微電子技術的發(fā)展，特別是計算機技術的運用，推動了高精度眼動儀(以下簡稱眼動儀)的研發(fā)。眼動儀為研究者們利用眼動技術探索人在各種不同條件下的視覺信息加工機制，觀察其與心理活動直接或者間接的奇妙而有趣的關系，提供了新的有效的工具。

3.1.1 眼動形式

眼動主要是指眼球運動，它與人體的肌肉運動一樣是一種反射活動。為了得到用戶感興趣的視覺信息，眼球在與其連接的肌肉控制下做不同形式的運動。一般地說，眼球運動主要有三種形式：注視（fixations），跳動（saccades）和平滑尾隨跟蹤（smooth pursuit）[53]。

1）注視：表現為在被觀察目標上的停留，這些停留一般至少持續(xù)100～200ms以上。在注視時，眼球并不絕對靜止，眼球為了看清物體總是不停地做輕微的抖動，其幅度一般小于1度。絕大多數信息只有在注視時才能獲得并進行加工。

2）跳動：注視點間的飛速跳躍，是一種聯(lián)合眼動（雙眼同時移動），其視角為1～4度，持續(xù)時間為30～120ms，最高速度為400～600度/秒。在眼跳動期間，由于圖像在視網膜上移動過快和眼跳動時視覺閾限升高，幾乎不獲得任何信息。

3）平滑尾隨跟蹤：眼睛能平滑地追蹤運動速度為1～30度/秒的目標，這種緩慢、聯(lián)合追蹤眼動通常稱為平滑尾隨跟蹤。平滑尾隨跟蹤必須有一個緩慢移動

37

的目標，在沒有目標的情況下，一般不能執(zhí)行。

3.1.2 眼動儀基本原理和實現技術

1）眼動儀的視線追蹤基本原理[46,47]

首先，由光源發(fā)出的光線經紅外濾光鏡過濾后只有紅外線可以通過；然后，紅外線經過半反射鏡后，部分到達反射鏡，經反射鏡發(fā)射到達眼球；其次，眼球對紅外線的反射光經同一反射鏡到達能已鎖定了眼球的特殊瞳孔攝像機。通過連續(xù)的記錄從人的眼角膜和瞳孔反射的紅外線，然后利用圖像處理技術，得到眼球的完整圖像；再經軟件處理后獲得視線變化的數據，達到視線跟蹤的目的。

2）眼動儀的視線跟蹤技術[29,47,54,]

人眼的注視點由頭的方位和眼睛的方位兩個因素決定。有人將視線跟蹤技術按其所借助的媒介分為以硬件為基礎和以軟件為基礎兩種。

（1）以硬件為基礎的視線跟蹤技術的基本原理是利用圖像處理技術，使用能鎖定眼睛的眼攝像機，通過攝入從人眼角膜和瞳孔反射的紅外線連續(xù)地記錄視線變化，從而達到記錄分析視線跟蹤過程的目的。以硬件為基礎的方法需要用戶戴上特制的頭盔或者使用頭部固定支架，對用戶的干擾很大。視線跟蹤裝置有強迫式與非強迫式、穿戴式與非穿戴式、接觸式與非接觸式之分，其精度從0.1°至1°不等。

（2）以軟件為基礎的視線跟蹤技術是先利用攝像機獲取人眼或臉部圖像，然后用軟件實現圖像中人臉和人眼的定位與跟蹤，從而估算用戶在屏幕上的注視位置。

3.1.3 眼動儀常用的眼動指標

視線跟蹤系統(tǒng)采用眼動信號檢測設備及視線跟蹤算法監(jiān)視人眼運動，為用戶應用系統(tǒng)提供必要精度的人眼狀態(tài)信息。根據應用領域的不同，用戶應用系統(tǒng)要求視線跟蹤系統(tǒng)提供的人眼狀態(tài)信息不盡相同。一般地說，典型的視線跟蹤系統(tǒng)需要提供以下信息[51]：

1）總注視次數：衡量搜索效率的一個指標，注視次數越多，可能意味著顯

38

示區(qū)域的布局越不合理。但也應該考慮注視次數和任務時間的關系（例如：任務時間越長需要的注視次數也越多）。

2）注視持續(xù)時間：反映提取信息的難易程度。在執(zhí)行任務時，持續(xù)時間越長，往往意味著被測試人員從顯示區(qū)域獲取信息越困難。在某些情景下，持續(xù)時間越長也意味著，該顯示區(qū)域關注度越高。

3）注視點個數：區(qū)域重要程度的一個標志。顯示區(qū)域越重要，被注視點個數越多。

4）首次進入目標興趣區(qū)的時間（或稱首次進入時間）：在顯示區(qū)域搜索特定的目標時，第一次到達目標區(qū)域的時間。也是用戶界面布局合理性度量的一個重要指標。

本文研究的主要畫面信息顯示中人眼的視覺搜索規(guī)律，即畫面信息顯示時的布局規(guī)律。本文主要應用到以注視持續(xù)時間、注視點個數、首次進入時間等指標。所謂注視點，是指用戶視線與感興趣物體表面的交點，一般稱為POG，即Point of Gaze，有時候也稱為POR，即Point of Regard。

3.1.4眼動儀與及其應用

目前，國內和國外都有眼動儀研發(fā)，但應用研究還是主要采用國外生產商生產的眼動儀。主流眼動儀采用的眼動測量方法主要有以下幾類:眼電圖法，如法國的Metro vision公司生產的Model Mon EOG眼動儀；電磁感應法，如荷蘭SKALAR公司生產的眼動儀；角膜和瞳孔反射，這類眼動儀數量最多，主要有德國的SMI公司、德國Mangold公司、加拿大的SR Rearch公司、瑞典Tobii

Technology公司生產的眼動儀、美國應用科學實驗室(ASL)和日本的工SCAN公司生產的眼動儀[43]。本文中使用的眼動儀為Mangold公司產品。

隨著視線跟蹤技術的逐步發(fā)展，其應用也越來越廣泛。主要應用領域包括人－機交互、動態(tài)分析、圖片/廣告研究、產品測試和場景研究等。另外在理解人的意圖的智能計算機、具有交互功能的家用電器、虛擬（增強）現實和游戲等領域也有很好的應用前景[53]。

39

3.2 實驗方案與設計

本文2.3章節(jié)提出假設：探索畫面信息顯示中人眼的視覺搜索規(guī)律對優(yōu)化畫面信息顯示，提高視覺信息搜索的效率和減少注意力資源的需求會很有幫助。就這一假設而言，可分為兩部分來進行實驗驗證，第一部分為對畫面信息顯示中人眼的視覺搜索規(guī)律及符合這一規(guī)律畫面顯示信息的布局原則的探索實驗；第二部分，以第一部分的結論為指導，所優(yōu)化的畫面信息顯示布局的驗證實驗。本章實驗是就這一假設的第一部分展開。

3.2.1 本研究的目的

1) 比較不同材料的畫面信息顯示中人的視覺信息搜索規(guī)律。

2) 畫面信息顯示的布局原則。

3.2.2 實驗儀器及相關參數

實驗使用的是德國ManGold公司的MangoldVision MV1型眼動儀與19寸一體聯(lián)想電腦組成的桌面視線追蹤系統(tǒng)。該眼動儀通過瞳孔反射原理采集眼動數據，其精度為0.1°，頭部充許移動范圍：左右22cm、上下11cm、前后15cm（整個過程至少一只眼睛的眼動能捕捉到）。

3.2.3實驗設計

1） 被試

南華大學研究生36人，均為漢族，其中男生21人，女生15人，年齡為23-26歲。專業(yè)有核技術及應用、輻射防護、臨床醫(yī)學。 所有被試裸眼視力或矯正視力正常。

2） 實驗材料

實驗材料為一張我國某核電站主控室操縱員較常調用的畫面設計原圖（以下稱“原圖”）、一張全空白畫面（以下稱“空白”）、一張寫滿文字的畫面（以下稱“文字”）。其無尺寸差，像素為1024實驗材料采用尺寸為1280*1024像素的256

40

階灰度位圖。（見附錄A中A1、A2、A3）

3） 實驗控制

所有被試都要接受主試人員的相應的培訓，包括對畫面的認識，熟練，實驗操作，實驗注意事項。

4） 實驗流程

(1) 被試坐入實驗椅，并告知被試放松，正對顯示屏，保持視距為70±10cm。

(2) 調整眼動儀的目鏡位置和焦距，使其能清晰捕捉到眼球的運動，并保證雙眼的運動并捕捉到。

(3) 眼球定標。要求被試“注視屏幕上會隨機出現紅色十字圓點，直到它變成綠色到消失。此過程中，身體和頭部盡量保持不動”。

(4) 定標完成后，如果定標效果為佳則點擊開始按鈕。

屏幕上將出現實驗指導語，“屏幕上將依次呈現三張畫面，第一張為核電站控制畫面（原圖），第二張為布滿文字的圖片（文字），第三張為無任何信息的空白（空白）。每張畫面將呈現10秒，10秒后將會呈現下一張，直到第三張結束。全過程需要1分鐘。實驗過程中，請盡量保持身體與頭部不要移動。如果明白上述內容，已經做好了實驗準備，請點擊屏幕右下角的‘開始’按鈕，開始實驗。”

3.3 實驗結果與分析

本實驗的旨在比較不同的顯示材料中人的視覺信息搜索規(guī)律。實驗完成后，經數據分析有效數據26人，其中男生14人，女生12人，佩戴框架眼鏡6人，隱形眼鏡1人，不戴眼鏡19人。本研究首先采用Excel匯總整理兩臺儀器產生的數據，然入SPSS17.0進行統(tǒng)計分析。

3.3.1 注視點個數

將每張畫面劃分成16個大小相同的興趣區(qū)（Area of interest，AOI）。AOI是指主試者呈現給被試的視覺刺激的某一特定區(qū)域。統(tǒng)計所有AOI內，被試觀

41

看三種實驗材料時的注視點個數，如表3.3.1、附錄B-B1表所示。

表3.3.1 各個AOI與材料的注視點個數描述性統(tǒng)計

AOI

材料

有效的N（列表狀態(tài)）

N

1248

1248

1248

極小值

1

1

極大值

16

3

均值

8.500

2.000

標準差

4.612

.817

為了檢驗不同的材料不同AOI對注視點個數的影響，需要對不同材料不同AOI進行雙因素方差分析，見表3.3.2 。

表3.3.2 不同材料不同AOI的注視點個數方差分析

源

校正模型

截距

AOI

材料

AOI * 材料

誤差

總計

校正的總計

III 型平方和

477658.564a

456628.513

420720.795

1510.377

55427.393

1259908.923

2194196.000

1737567.487

df

47

1

15

2

30

1200

1248

1247

均方

10162.948

456628.513

28048.053

755.188

1847.580

1049.924

F

9.680

434.916

26.714

.719

1.760

Sig.

.000

.000

.000

.487

.007

a. R 方 = .275（調整 R 方 = .247）

如表3.3.2可知，材料的F統(tǒng)計量的值為0.719，p=0.487＞0.05，說明材料對注視點個數的影響并不顯著；AOI的F統(tǒng)計量的值為26.714，p=0.000＜0.05，說明AOI對注視點個數有極顯著的影響；材料與AOI的交互作用的F統(tǒng)計量的值為1.760，p=0.007＜0.05，說明材料與AOI存在交互作用，且影響顯著。但雙因素方差分析不能確認各材料中AOI對注視點個數是否有顯著影響。為了檢驗原圖、文字、空白畫面中AOI的注視點個數是否具有顯著性差異，對其分別進行方差齊性檢驗，如表3.3.3所示。

表3.3.3 三種畫面材料的不同AOI注視點個數方差齊性檢驗

原圖

文字

Levene 統(tǒng)計量

10.849

10.246

df1

15

15

df2

400

400

顯著性

.000

.000

42

原圖

文字

空白

Levene 統(tǒng)計量

10.849

10.246

15.468

df1

15

15

15

df2

400

400

400

顯著性

.000

.000

.000

表3.3.4 三種畫面材料的不同AOI注視點個數穩(wěn)健性檢驗

原圖

Welch

Brown-Forsythe

文字

Welch

Brown-Forsythe

空白

Welch

Brown-Forsythe

a. 漸近 F 分布。

統(tǒng)計量a

12.050

8.948

5.711

6.836

8.791

13.840

df1

15

15

15

15

15

15

df2

142.922

145.675

149.986

161.502

148.939

149.767

顯著性

.000

.000

.000

.000

.000

.000

由表3.3.3可見，在三種畫面中各的方差均是不齊的，進一步分析應采用無需方差齊性假設的穩(wěn)健估計。本文采用兩種無需方差齊性假設的穩(wěn)健估計方法We1ch和Brown-Forsythe對不同AOI注視點個數進行檢驗，結果如表3.3.4所示。結果顯示，在這兩種穩(wěn)健估計下，AOI注視點個數各水平之間均有極其顯著的差異。這說明，不同AOI對被試的注視點個數影響很大。

但是穩(wěn)健性檢驗只能說明，AOI各水平中至少有兩種水平的注視次數存在著顯著的差異，并不能顯示哪些水平之間存在著顯著差異。為了明確差異關系，宜采用Post Hoc再做多重比較。鑒于之前，實施方差齊性檢驗，進一步作Post Hoc多重比較可采用適用于方差不齊假設的Games-Howell統(tǒng)計法。比較結果如附錄C中表C1、C2所示。得知，AOI1～7各個水平與AOI16均值均存在顯著差異；且AOI8~15各個水平與AOI16均值均無顯著差異。

43

圖3.3.1 三種材料的注視點個數均值分布

通過以上分析，發(fā)現三種材料對注視點個數無顯著性差異，各AOI的注視點個數都具有非常顯著性差異。為了更直觀的體現各種材料中AOI注視點分布情況，見均值圖形（圖3.3.1）。從上述圖表中，我們可以看出三種材料的畫面，注視點個數最集中的區(qū)域都是AOI2，比較集中的區(qū)域都有AOI6、AOI7；AOI8-16都是只有較少的注視點的，說明這些區(qū)域受關注的程度比較低。

此外，原圖畫面AOI4的注視點個數都明顯高于文字與空白，說明原圖畫面的AOI4較其他兩種材料更受關注。原圖與空白畫面中AOI1的注視點個數都在30左右，而文字中AOI1的注視點個數都超過了40多，僅次于其AOI2，也就是說，文字畫面中AOI1與AOI2都較受關注。空白中AOI2、6的注視點個數明顯高于原圖與文字畫面，說明空白畫面中AOI2、6的關注程度高于原圖與文字畫面。

44

3.3.2 注視持續(xù)時間

三材料各AOI注視持續(xù)時間描述性統(tǒng)計如表附錄B中B2表。為了檢驗不同的材料對注視點時間的影響，需要對不同材料進行方差分析，見表3.3.5。

表3.3.5不同材料不同AOI的注視持續(xù)時間方差分析

源

校正模型

截距

AOI

材料

AOI * 材料

誤差

總計

校正的總計

III 型平方和

3.853E8

4.359E8

3.353E8

100417.687

4.991E7

8.980E8

1.719E9

1.283E9

df

47

1

15

2

30

1200

1248

1247

均方

8198491.090

4.359E8

2.235E7

50208.844

1663673.016

748305.022

F

10.956

582.482

29.874

.067

2.223

Sig.

.000

.000

.000

.935

.000

a. R 方 = .300（調整 R 方 = .273）

材料的F統(tǒng)計量的值為0.067，p=0.935＞0.05，說明材料對注視持續(xù)時間的影響并不顯著；AOI的F統(tǒng)計量的值為29.874，p=0.000＜0.05，說明AOI對注視持續(xù)時間有極顯著的影響；材料與AOI的交互作用的F統(tǒng)計量的值為2.223，p=0.000＜0.05，說明材料與AOI存在交互作用，且影響極顯著。但雙因素方差分析不能確認各材料中AOI對注視持續(xù)時間是否有顯著影響。為了檢驗原圖、文字、空白畫面中AOI的注視持續(xù)時間是否具有顯著性差異，對其分別進行方差齊性檢驗，如表3.3.6所示。

表3.3.6 三種畫面材料的不同AOI注視持續(xù)時間方差齊性檢驗

原圖

文字

空白

45

Levene 統(tǒng)計量

12.503

12.260

12.579

df1

15

15

15

df2

400

400

400

顯著性

.000

.000

.000

表3.3.7 三種畫面材料的不同AOI注視持續(xù)時間穩(wěn)健性檢驗

原圖

Welch

Brown-Forsythe

Welch

Brown-Forsythe

空白

Welch

Brown-Forsythe

a. 漸近 F 分布。

統(tǒng)計量a

16.226

12.849

6.745

8.687

9.923

13.275

df1

15

15

15

15

15

15

df2

142.397

164.520

149.386

170.728

148.233

188.167

顯著性

.000

.000

.000

.000

.000

.000

文字

由表3.3.6可見，在三種畫面中各的方差均是不齊的，進一步分析應采用無需方差齊性假設的穩(wěn)健估計。本文采用兩種無需方差齊性假設的穩(wěn)健估計方法We1ch和Brown-Forsythe對不同AOI注視持續(xù)時間進行檢驗，結果如表3.3.7所示。

結果顯示，在這兩種穩(wěn)健估計下，AOI注視持續(xù)時間各水平之間均有極其顯著的差異。這說明，不同AOI對被試的注視持續(xù)時間影響很大。

但是穩(wěn)健性檢驗只能說明，AOI各水平中至少有兩種水平的注視持續(xù)時間存在著顯著的差異，并不能顯示哪些水平之間存在著顯著差異。為了明確差異關系，宜采用Post Hoc再做多重比較。鑒于之前，實施方差齊性檢驗，進一步作Post Hoc多重比較可采用適用于方差不齊假設的Games-Howell統(tǒng)計法，得知，AOI1～7各個水平與AOI16均值均存在顯著差異；且AOI8~15各個水平與AOI16均值均無顯著差異（由于篇幅限制，此處略去其比較結果數據表）。

46