核电厂主控室数字化人机界面中信息显示对人因失误的影响和信息布局的实

2023年12月30日发(作者：ucla学费)

摘 要

数字化技术引入核电厂主控室后，主控室人机界面（HMI）由以常规监控盘台为主发展为以计算机工作站为主。从提供信息的能力和信息处理能力来讲，计算机工作站有其无可比拟的优越性。但同时，数字化人机界面下，由于信息显示内容、信息显示的方式以及控制方式发生了根本性的变化，人－机关系也发生了变化，即出现了数字化人机界面下的新的人－机关系。这些变化，导致大量信息不能同时在屏幕上有效的显示，同一屏幕上先前关注的信息总是会被覆盖，并且增加了画面配置、导航等界面管理任务，引发许多新的人因失误。因此，核电厂主控室数字化人机界面中信息显示对人因可靠性的影响及其优化研究对于防止数字化人机界面的人因失误、提高核电厂的人因可靠性具有重要的意义。

由于操纵员在执行整个任务的过程中有绝大多数的信息来自视觉信息，即数字化人机界面中画面信息。也就是说，数字化人机界面中画面信息的有效显示对操纵员正确执行相应操作极为重要。因此，需要积极探索数字化的人机界面中人的视觉搜索规律、信息处理机制，然后指导数字化人机界面中信息显示的优化。为此，本文主要开展了以下研究工作：

1） 在广泛文献调研与核电厂实地调研的基础上，论述核电厂主控室数字化人机界面的特征，对传统HMI与数字化HMI中的信息显示与控制操作进行了比较。

2） 从认知心理学的注意力、视觉搜索规律等理论论述了人的信息处理机制，主要分析了数字化人机界面对人因失误的影响（包括界面管理任务对人因失误的影响）。

3） 根据视觉追踪技术原理，利用眼动仪探索人眼的视觉搜索规律，为信息显示中的信息布局提供实验依据，并根据实验结果对画面信息显示布局进行实例优化。

4） 最后利用眼动仪对优化前后两种画面在实验操作过程的眼动数据进行分析，验证了本文实验所得出视觉搜索规律，即信息布局依据对画面信息显示的优化的正确性，且优化后的画面有效的提高了操纵绩效。

关键词：数字化人机界面（HMI）；信息显示；人因失误；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 录

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

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

第1章 绪论 ............................................................................................... 4

1.1 研究背景与意义 ........................................................................... 4

1.3 国内外研究现状 ........................................................................... 6

1.3.1 国外研究现状 ...................................................................... 6

1.3.2 国内研究现状 ...................................................................... 9

1.4 主要研究内容与拟解决的问题 ................................................. 11

1.5 论文结构...................................................................................... 12

第2章 数字化信息显示的特征对人因可靠性的影响 ........................ 13

2.1核电厂主控室数字化人机界面概述 .......................................... 13

2.1.1 核电厂主控室 .................................................................... 13

2.1.2 数字化人机界面定义 ........................................................ 14

2.1.3 核电厂主控室数字化人机界面特点 ................................ 15

2.2相关的认知心理学理论 .............................................................. 17

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

2.2.2 视觉搜索与视觉信息加工 ................................................ 20

2 .3 数字化人机界面下操纵员信息处理机制 ................................ 22

2.3.1 第一类任务的信息处理 .................................................... 24

2.3.2 第二类任务/界面管理的信息处理 ................................... 27

2.4 数字化信息显示特征对人因失误的影响 ................................. 29

2.4.1 巨量信息与有限显示 ........................................................ 29

2.4.2 界面管理任务 .................................................................... 30

2.5 国内数字化HMI信息显示现状与人因失误 ........................... 34

1

2.6 本章小结...................................................................................... 35

第3章 信息画面布局的眼动实验 ........................................................ 37

3.1 眼动仪简介 ................................................................................. 37

3.1.1 眼动形式 ............................................................................ 37

3.1.2 眼动仪基本原理和实现技术 ............................................ 38

3.1.3 眼动仪常用的眼动指标 .................................................... 38

3.1.4眼动仪与及其应用 ............................................................. 39

3.2 实验方案与设计 ......................................................................... 40

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

3.2.2 实验仪器及相关参数 ........................................................ 40

3.2.3实验设计 ............................................................................. 40

3.3 实验结果与分析 ......................................................................... 41

3.3.1 注视点个数 ........................................................................ 41

3.3.2 注视持续时间 .................................................................... 45

3.3.3 首次进入时间 .................................................................... 48

3.3.4热点图 ................................................................................. 51

3.3.5 实验结果与分析结论 ........................................................ 53

3.3 本章小结...................................................................................... 54

第4章 画面信息显示的布局优化实例 ................................................ 56

4.1 信息布局优化实例 ..................................................................... 56

4.1.1信息布局优化背景 ............................................................. 56

4.1.2 画面布局的设计原则 ........................................................ 57

4.2 实验验证...................................................................................... 59

4.2.1 实验背景 ............................................................................ 59

4.2.2 实验方案与设计 ................................................................ 59

2

4.3 实验结果与分析 ......................................................................... 61

4.4 优化结果与分析 ......................................................................... 65

4.5 本章小结...................................................................................... 66

第5章 结论与展望 ................................................................................ 67

参考文献 ................................................................................................... 69

附录A 信息显示眼动实验材料 ............................................................. 73

附录B 信息显示眼动实验的眼动数据表 ............................................. 76

附录C 多重比较 ..................................................................................... 79

附录D 优化实例实验材料................................................................... 90

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 .............................. 92

致谢 ........................................................................................................... 93

3

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

核电安全是核电生存和发展的基础，一旦发生事故，不仅会造成重大的人员伤亡和经济损失，还会产生巨大的社会负面影响，甚至会影响全世界的核电发展。核电厂主控室是人－机接口最集中的场所，在这里操纵员与人－机接口联系最为密切（即人机交互最为频繁），人因失误率最高，其引发的后果也最为严重。因此，主控室作为信息显示、处理与控制的中枢，对保证核电厂可靠与安全运行有着至关重要的作用。有人统计，由于人的失误使核电厂的运行受到影响的事件70 %，例如：三哩岛、切尔诺贝利核电站事故，经论证都是人因失误造成的[1]。

三哩岛、切尔诺贝利核电站事故之后，世界各国都开始考虑主控室设计方面的人因工程学因素，如美国GE公司的ABWR、日立公司的NUCAMM-90和法国的N4系列压水堆等核电站主控室由于都考虑了人的因素，避免或减少了人因失误所引发的事故，从而大大提高了核电站的安全性和可运行性[2,3]。从世界核电厂营运者联合会（WANO）统计可知，从1993～2003年人因事故数由78起降至29起，运行事故总数也逐年下降[4]。大量的核电工程实践表明有效的主控室人因工程设计与友好的人机界面对减少人因失误、提高核电厂的可利用率及人因可靠性有积极的作用。

随着计算机技术和控制技术的飞速发展，新建核电站的仪控系统（I&C）大多采用先进的数字化技术取代了以往的模拟技术。数字化技术引入核电厂主控室后， 主控室人机界面由以常规监控盘台为主发展为以计算机工作站为主[5]。从提供信息的能力和信息处理能力来讲，计算机工作站有其无可比拟的优越性。数字化使得系统中的人-机界面、系统中的人的作业模式和行为、甚至系统的组织结构和运行机制都发生了巨大的变化。例如：传统的以模拟技术为主的人机界面通常一个传感器对应一个指示器、一个控制器，而先进的数字化人机界面可以多种方式提供信息、处理信息和控制系统，人在其中同系统的多种多样的元素发生联系，它们所形成的界面也不是传统的人机界面所能涵盖的。可以认为，它们已

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扩充演变为人-系统界面（Human-System Interfaces, HSIs）。再如：在数字化人机界面中，运行人员的主要职责由过去的参与控制过程转变为监视和处理紧急情况，以及通过HSIs进行部分控制命令的触发，这样可以减少人因对控制准确度和速度的影响，降低事故的发生概率。

但另一方面，复杂工业系统运行多年的经验和教训表明，人因失误主要发生的人机接口部分，数字化在表征核电厂控制系统内部复杂的多变量、强耦合、分布参数时变化，却使得人机接口高度集中且多样化。在数字化人机界面下，由于信息显示内容、信息显示的方式以及控制方式发生了根本性的变化，人－机关系也发生了变化，即出现了数字化人机界面下的新的人－机关系。同时，数字化使人变为系统中一个被动的和有限能力的信息加工中心，降低了人在系统中能动作用，也降低了对人的灵活性、经验、长期记忆能力、技能等的需求。这些变化，导致大量的信息不能有效的在同一屏幕上显示，从而增加了界面管理任务等。

同时，这些变化也引发了一些新的人因问题，其常见人因问题体现如下：

1) 许多操作都需要同时打开多个画面，由于监控画面过多而使得操纵员常常忘记了正在进行的监视；

2) 因为画面的覆盖，从而常常没有确认设备是否达到要求状态，操纵员在执行相应的操作规程时，忙于完成程序的各项指令，而没有确认上一操作的效果，设备可能并没有操作成功；

3)

4)

数字化后，电厂状态参数读取位置不固定增加了读错参数的风险；

信息不直观，操纵员不能及时获得隐藏在屏幕后的信息，增加了巡盘难度；

5) 数字化控制系统的操作比模拟主控复杂，一项操作包括：寻找画面、打开设备操作窗口、点击操作指令（开/关，启/停等）、确认操作指令（安全设备）、执行操作指令、关闭操作窗口；

6)

7)

8)

频繁的操作以及操作数量剧增使操纵员操作失误的概率更高；

不能及时监视到重要缺陷报警和参数信息，延误处理和判断；

因设备异常导致数字化控制系统错误的诊断信息被操纵员误用，导致错误地执行程序。

这些新的人因失误的出现，给数字化核电厂的人因可靠性带来了一定的影响。在全世界的核能行业中，核能安全高于一切。我国核能行业在经过世界的核

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电寒冬后迎来了核电行业大力发展的春天。每一位核能行业的人都深知今天大发展的时机来之不易，所以我们需要更用心来保证核能安全。数字化的主控室也已经成为主控室人机界面发展的必然趋势，为了保证核能安全以及维续当今核能发展时机，为了防止或减少这些新人－机关系下的新的人因失误的出现，我们需要积极探索数字化人机界对人因可靠性的影响、视觉搜索规律、人的信息处理机制、人因失误机理、人因失误的模式，以及人机界面的优化研究变得极为紧迫。

然而，在众多问题中，首先要解决的问题是分析数字化人机界面对人因可靠性的影响。此外，由于操纵员在执行整个任务的过程中有绝大多数的信息来自视觉信息，即数字化人机界面中画面信息。因此，积极探索数字化的人机界面中人的视觉搜索规律、信息处理机制，然后指导数字化人机界面中信息显示的优化。目前国内对核电站主控室数字化人机界面设计的研究尚不成熟，也暂未搜索到相关国内外文献对数字化人机界面中信息显示进行研究，它的研究成功，将既可为我国核电站现有的数字化人机界面信息显示的设计、改进和应用提供参考，还将对系统可靠性评价、在役系统人因事故防范、系统的可靠性设计与再设计等领域做出积极的贡献，具有广阔的应用前景和实际意义。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

核电厂的正常运行操作和应急操作都集中在主控室，因此主控室中人的失误所造成的危害也最为严重[6]。为了减少或防止人因失误，进一步提高核电厂运行的安全可靠性，各国专家对现有核电厂的设计和运行进行了总结。1979年的美国三哩岛核电厂事故，引起美国核管会的高度重视，发布了一系列文件，指导美国各核电厂相应采取了许多措施。同时也引起国际上的广泛关注，各有关国际组织纷纷采取对策，其中国际电工委员会( IEC) 用了五年的时间，经过多次国际会议讨论，总结了近年来主控室的发展和三哩岛核事故的经验教训，在1989 年制定出国际标准《核电厂控制室设计》( IEC9642-1989) 。该标准首次明确提出了“控制室系统”这一新的概念。并将其定义为：“人－机接口、控室操纵员、操

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作规程、培训大纲和与维持控室功能正确执行有关的设施和设备的总体，它们共同维持控制室功能的正确执行”[6]。

随着计算机技术在核电站的发展和应用，上世纪80年代曾有业内的专家学者提出了“先进控制室（Advanced Main control room）”这一概念，并预言先进控制室将成为未来核电发展的趋势。90年代，为了指导和审查先进控制室的设计，美国核管会（NRG）做了大量的相关研究，并编写出了《Advanced Human-system

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

Interface Design ReviewGuidelines 》（NUREG-0700，Revision 2），并开发出了一种用于评价先进HSIs的人因工程项目审查模型，对人机界面的审查项目进行了分类[7]。其为先进控制室的人因工程设计提出了指导性的建议和要求。

Baffa（1964）等人提出了CRAFT人机界面设计模型[8]。该模型只采用了一条工效学准则，即“功能单元使用频率准则”——功能单元的使用频率高则优先布置在最佳区域。该模型曾被应用于某型号飞机的控制面板设计，并使该控制面板的初期设计费用节省了30%左右，很好的验证这一准则的正确性与经济性。

1977年，Bonney等人提出了主要针对坐姿操作的控制面板设计模型CPABLE (controls and panel arrangement by logical evaluation)[9]。在该模型中，考虑了功能单元布置的5个原则：重要性原则、功能分组原则、使用频率原则、功能单元使用序列原则和操作空间相容性原则[9]。综合采用功能单元优先布置“重要系数”最大的原则，先将功能单元布置相关区域，并加上一个标记以防止不同的单元布置在同一个区域，说明该单元的重要性，并解决布置过程的位置冲突。CPABLE模型比前人考虑的因素更为全面，然而，由于在不同运行工况下各个单元的重要系数不同、使用序列也不同，使得该模型难以适应现代复杂工业系统人机界面的布局设计。

Joph H. Goldberg与Xerxes P. Kotval指出眼动分析可以提高计算机界面的传统绩效、协议及简单评价[10]。他们利用眼动仪所收集到的眼动数据，根据眼睛定位和扫描路径等指标对优劣的画图工具模块进行评估。其研究表明，界面越差的扫描路径较长，所占区域也越大，但相同的持续时间，注视点多于好的界面。因此，差的界面降低了搜索信息的效率，元件表征的布局并没有影响其所要表达的意思。总体而言，从眼动中获得的数据可以大大提高用户在使用计算机界面时用户战略的观察，同时，也能提高计算机界面评价的精度。该研究主要针对操作

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相对简单的画面工具模块，没有涉及到复杂的操作界面。

Y. Lin，W.J. Zhang等人认为一个人机界面模型可给如何将信息布置在一个界面的显示屏幕上，提供一般设计准则[11]。他们以热工水利处理电厂系统的双蓄水池系统仿真画面为实验背景，利用眼动仪对两种不同设计理念的界面模型——生态界面设计模型和功能－行为－状态界面模型进行了实验研究。为了获得这两种界面的客观比较性评价，采用了相同的应用问题。这两种模型的界面在信息内容的显现上尽量采用相似的界面外观。其研究的背景设定为正常运行和检测失效的工况。此外，在这项研究中采用了三类是指标，即：绩效指标，生理指标（眼动指标：眼睛注视点和瞳孔直径的变化）和主观（或用户评分）指标。其研究成果表明：（1）生态界面设计模型中抽象功能信息可能与提高绩效没有正相关，但可能会增加心理负荷；（2）功能－行为－状态模型似乎更符合操纵员的心智模型；（3）与生态界面相比，在一个功能－行为－状态界面中，操纵员可能会操作的同样好，但会减少心理负荷。同时还发现，眼睛注视点与绩效指标和主观指标高度一致。瞳孔直径对心理负荷的信息敏感度不明显，但个别被试对心理负荷信息比较敏感，其结果与其他指标的相一致。这项研究针对核电厂系统的数字化仿真画面展开，对本文的研究有一定的启发作用。

近期，贝克特尔电气公司的华人工程师张若龄等采用因子/因素分析法仔细核查由于核电站主控室人－系统界面（HSI）所造成30个失误的研究[12]。其研究结论验证了因素结构并进一步发展了决策－行为模型。其研究结果为5因素结构：操作的不确定性、设计改进、误操作、设备控制、以及人因重设计。完整的决策－行为模型为目前运营的电站提供了对每一类型的潜在HSI失误的建议性纠正措施。尽管这些研究并非是围绕数字化人机界面的相关问题展开的，但其人因重设计的观念值得借鉴。

日本三菱电机公司先端技术研究所和清华大学核能技术设计研究院联合开发了DIAS(Dynamic Interaction Analysis Support)主控室人机界面评价软件支持系统。它利用计算机模拟技术来模拟操纵员对主控室人机界面的操作过程，通过对水平移动距离、垂直移动距离、视线移动距离、非正前方视线移动距离、操作时间和失误概率等指标进行分析，对主控室人机界面的设计进行了定量的评价，并利用人因失误预测技术对操纵员的操作失误概率进行了分析[13]。该系统既提供了人机界面设计的客观评价指标，还包括人机界面设计情况或外界环境的修正因

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子，关联操作之间的依赖性以及操作人员在进行操作时的紧张程度等多种因子。从实验分析的角度为人机界面的设计与改进提供参考依据。

1.3.2 国内研究现状

三哩岛事故以后, 特别是切尔诺贝利事故之后, 世界各核电国家普遍关注主控室的设计和人因工程原则也称人类工效学原则的应用, 国际原子能机构（IAEA）专门成立工作组并支持各国从事“人因工程与控制室”课题的研究, 我国国家科委核安全中心参加了此项工作。国家核安全局在“八五”期间组织了科技攻关专题小组, 编写了下列核安全法规技术文件：HAF.J0042(92) 核电厂安全分析报告的标准格式和内容，第18章人因工程与控制室； HAF.J0054(95)核电厂人因工程与控制室的安全审评大纲； HAF.J0055(95)核电厂控制室设计的人因工程原则[14]。它们为我国的核电事业的发展提供了法律保障，但由于非技术原因，在引进的核电厂（大亚湾、岭澳、连云港、秦山三期）和以大亚湾为参考电厂的秦山二期工程中，很难完全按我国标准进行设计和审评，所以其控制室内的模拟系统人机界面或非全数字化人机界面一定程度上并不完全适合中国人。需要不同程度的优化。

戴立操教授与张力教授曾对核电厂主控室人因工程设计展开了相关研究，指出核电厂主控室人因工程设计是主控室设计的重点，主控室人因工程设计可以有效地减少或避免故障和事故的发生[15]。提出了核电厂主控室人因工程设计的基本原则，分析了主控室人因工程设计的主要步骤。但并未深入到人机界面的设计。从某种意义上说，这些研究对本项目的开展有很大的指导意义，也是在张力教授所做研究的基础上的延续与深入。

夏春艳、颜声远等人对核电厂传统主控室人机界面各组成部分的评价指标和评价层次进行了划分，建立了相应的客观的评价指标体系，采用模糊数学的方法，建立核电厂主控室人机界面定量评价模型，并用该模型对核电厂主控室人机界面进行了较为客观的综合评价[3]。然后通过对核电厂操纵员问卷调查的形式进行主观实验验证。这一研究，为核电厂主控室人机界面的评价提供了一条思路，但就当今数字化人机界面而言，该定量评价模型是否可行，还有待研究。

刘素娟曾[16]明确指出数字化的人机界面增加了一些新工作的负荷，增加了新

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的人误概率。其主要研究了界面管理任务，也即调用信息和配置主控室工作站画面。认为在计算机工作站, 操纵员要完成电厂监控任务, 还必须以完成第二层面的任务为前提。界面管理任务就成为操纵员和重要信息之间的障碍。并研究了界面管理任务对人因失误影响的途径，以及提出了建设性的解决办法。但其仅限于界面管理任务的特点研究，未拓展到整个数字化人机界面优化研究。

宋正河，毛恩荣等采用优化设计理论和方法对机械系统人机界面设计进行了优化[17]。其根据人机界面设计准则，确定人机界面的优化设计变量：总体目标函数、单个目标函数、约束条件。总体目标函数为人机界面的评价结果——匹配优度；单个目标函数包括人机界面中各元件的几何参数和各元件在整个人机界面中的匹配优度；约束条件为人机界面中各元件的几何位置可布置区域，由此建立了机械系统人机界面优化设计的数学模型。其只限于传统的人机界面，并未对数字化人机界面就行研究。

阎国利曾指出利用眼动仪可以将顾客注视广告时的眼动轨迹记录下来[18]。通过分析眼动仪记录的眼动数据，可以清楚地知道顾客观看广告画面时的先后顺序，对广告任何部分注视点个数、注视持续时间、眼跳、瞳孔直径变化情况等等。当顾客看广告时，对某一部分的注视点个数越多、注视时间越长、瞳孔直径增加，就说明顾客对广告的这部分内容感兴趣。通过这种眼动分析法可以为广告设计师如何对广告的布局、插图和文案进行合理的安排提供十分客观的依据。就显示屏上的信息而言，广告与核电厂信息画面有着许多的相似之处，所以很值得借鉴。

韩玉昌使用EVM3200型眼动仪测量被试在观察四种不同形式（等腰梯形、菱形、三角形、圆形）和四种不同颜色（红、黄、绿、蓝）时眼动轨迹的特点，研究人眼运行的顺序性 [19]。其研究结果表明，人在观察不同开头和颜色时，视觉上的选择表现出顺序性的规律，也就是说，对视觉信息的认知具有系列加工的特点。在时间序列上有先后之另，在空间序列上有上下左右的区别。其中，三角形图案首次注视点、注视点最多，黄色的首次注视点最多，说明三角形和黄色更具有诱目性。其研究主要针对信息的编码方式而展开的，并没有针对布局而进行。

黄丽英曾对网络阅读文字的常见微观标记——加粗、下划线和加注红色进行了眼动实验研究[20]。发现被试者在阅读三种不同微观标记的文章时，在注视持续时间、注视次数及回忆各成绩上并没有出现显著差异，这说明这三种不同的标记并没有对被试者的注意力及回忆成绩真的带来不同的影响。被试的注意力比较集

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中的地方在有标记的文字区域，这从另一个方面也可以证明标记能够吸引并集中被试者的注意力，帮助其进行深入加工；从瞳孔直径中我们亦可以观察到，标记区瞳孔直径比未标记区瞳孔直径相对要大，这说明被试者在阅读文章时，碰到标有微观标记的文字其瞳孔会变大，引起了被试者的重视。

在我国现运营的核电厂主控室部分数字化或全数字化的人机界面的应用中，引发不少的人因失误，一定程度的影响了核电厂的安全可靠运行，而国内外尚相关方面的研究，因而张力教授欲在该方面做出努力，即尝试性地探索一种针对核电厂主控室数字化人机界面的理论优化模型，并将会在我国某核电站数字化主控室的人机界面上予以应用，以实现理论用于实际，实践指导理论研究。该研究项目于2008年被国家自然科学基金委员会批准和资助。本论文研究的为该自然科学基金项目研究的一部分工作，即从认知心理学的角度，分析数字化人机界面中人的信息处理机制及其人因可靠性的影响，利用实验手段进行核电厂主控室数字化人机界面中画面信息显示布局的优化研究。

1.4 主要研究内容与拟解决的问题

本文主要通过理论研究、实地观察、访谈调查、实验论证等，对核电厂主控室数字化人机界面进行深入研究，以期达到预期目标。主要研究内容和需要解决的关键问题如下。

1） 在文献调研与核电厂实地调研的基础上，论述核电厂主控室数字化人机界面的特征，比较数字化人机界面（HMI）与传统HMI特征；

2） 以我国某核电厂主控室数字化人机界面为背景进行实地观察、访谈调查等手段进行论证和分析，从认知心理学的注意力、视觉搜索规律等理论分析人的信息处理机制，主要分析数字化人机界面对人因可靠性的影响（包括界面管理任务对人因失误的影响）；

3） 根据视觉追踪技术原理，利用南华大学人因研究所现有的人行为分析系统、眼动仪等实验设备探索或验证人眼的视觉搜索规律，为信息显示中的信息布局提供实验依据，并根据实验结果对画面信息显示布局进行实例优化。

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1.5 论文结构

本文的主要工作分为6章，各章主要研究内容如下：

第1章对本文背景情况进行介绍，指出本文的研究目的与意义，概述国内外有关的研究状况，阐明本文的研究内容。

第2章从认知心理学的注意信息加工与视觉搜索理论，阐述数字化人机界面下人的信息处理机制，定性论述数字化人机界面对人因失误的影响。

第3章利用眼动仪探索不同材料的画面显示信息中人的视觉搜索规律，以探求画面信息显示时人的关注度高的区域，即信息布局原则。

第4章根据第3章的画面信息显示布局的相关结论或原则，对某一原画面进行优化设计，然后模拟核电厂相关操作规程对新旧画面的操作，通过实验验证优化效果。

第5章为本文的结束语，总结本文所做的工作，提出下一步应当做工作。

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第2章 数字化信息显示的特征对人因可靠性的影响

2.1核电厂主控室数字化人机界面概述

2.1.1 核电厂主控室

核电厂主控室是监控机组启停、运行调节和故障处理的控制中枢。而主控室人机界面则是操纵员监视与监测电厂机组状态、进行控制操作唯一可以依靠的信息来源和手段[21]。因此，主控室人机界面信息显示的优劣将直接影响电厂运行的安全性和可靠性。核电厂主主控室人机界面具有以下特点：

1) 受控制和调节的过程变量变化慢。人传递的控制可能在几秒甚至几分钟内也不会产生可视的系统响应，因此，增加了操纵员的知觉、记忆、决策和注意分配[21]；

2) 显示和操纵变量多，变量间关系复杂，单个变量的变化往往会同时影响多个变量变化。同时，主控室的显示和控制变量的数量也在呈几何级数增长[3,4]。主控室中变量的数量与变量间关系的复杂性不仅加重了操纵员的工作负荷，也加重了心理负荷；

3) 控制过程具有高风险性，操纵员经常要面对和解决生产效率与安全之间的矛盾。因此，电力的生产过程需要大量的知觉、注意、诊断、记忆、决策和动作选择等各种物理操作与心理认知，其控制过程非常复杂[21]。据相关研究表明，在电站、航空、化工等复杂系统中，70%～90%的严重事故或故障都是由人的失误引发的[22,23]。

核电厂主控室人机界面的复杂性和不同显示之间的相互作用，不仅会影响人对信息的认读效率与准确性，还可能导致误读、误判和误操作事故的发生。在核电厂主主控室人机界面中，操作人员需要面对着几十甚至几百种不同功能的显示器和操纵器，如果信息显示的人因设计不当，很容易发生误读、误判和误操作而导致重大的人因事故[21]。后果严重的人因事故不仅会造成巨大的经济损失，还可能产生深远的社会负面影响，甚至可能导致人类的巨大灾难。

随着计算机技术和数字化技术的发展，核电厂控制与保护系统愈趋于数字

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化，实现了系统管理控制的集中化、自动化、精确化，核电厂主控室由庞大、分散的传统主控室向功能更完善、布局更集中的分布式控制系统主控室过渡 [4,24]。大的控制盘台由少数几个显示屏幕所代替，电厂状态信息的显示方式与控制方式完全不同。人与主控室人机界面的交互关系也从传统硬手操盘台的操作演变为对数字化监控画面的操作。

数字化主控室使得系统中人-机界面、系统中的人的作业模式和行为、甚至系统的组织结构和运行机制都发生了巨大的变化。

2.1.2 数字化人机界面定义

人机界面（Human-Machine Interface，简称HMI），（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换[25,26]。凡参与人－机信息交流的领域都存在着人机界面。就人机工程学而言，人机界面是指系统中的人、机、环境之间相互作用的区域。通常人机界面有信息性界面、工具性界面和环境性界面等，就人机系统效能而言，以信息性界面最为重要。

英国学者Edwadrs提出的SHEL(Software，Hardware，Environment，Liveware)模型对人机界面的研究范围做了全面概括[27]。SHEL模型所概括的广义人机界面，包括：人-硬件界面、人-软件界面、人-环境界面和人-人界面。该模型中的“人-硬件界面”中人机界面是指人与机器之间相互作用的区域。其主要包括机器的显示终端与人的感官信息通道界面、机器的操纵装置与人的运动器官界面和人-机系统与环境之间的界面。人-机系统一旦建立，人机界面便随之形成。某些系统的人机界面已成为人们感觉系统内部信息、进行操作和控制唯一可以依靠的信息来源和调控手段[25,27]。

传统的人机界面主要包括针对机械硬件，大体上将人机界面分为显示装置部分和控制装置部分, 以信息传达的准确性与操作控制的有效性和安全性为终极目标。数字化人机界面是相对于传统的人机界面提出的，是指以多媒体的、数字化的显示与软控制为主的人机界面（人-软件界面、人-硬件界面）。

人因工程的范畴看，首先，数字化改变了传统模拟技术的仪表控制系统（I&C系统）的图开显示方式，能够以集中的方式提供设备的工作状态，重要工艺设备

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的运行参数，事故状态，I&C系统的工作状态，显示画面动态与静态相结合，方便、准确、可靠地反映系统的实时工况；其次，数字化人机界面能够提供最佳数量的信息，能够以集成、耦合和简明的方式提供重要检测变量和重要安全功能状态信息；再次，数字化能够使人机功能分配最佳化，根据人机的同特点，使用计算机过程控制确定最优的人机功能分配；数字化人机界面除了以上特点外，还可以加强画面信息显示的美感，降低操纵员的视觉疲劳。

一般认为核电厂数字化人机界面应具备以下特征[28]：

1) 警报系统用基于计算机的方法分析，处理和减少警报。和警报系统交互的人机界面可以将警报排序；检查被抑制住的警报；查询警报逻辑；修改设定点，和建立临时警报。

2) 用图表的形式显示信息的显示系统，在任意时刻，也许只有很少的显示器被检查。因此，工厂可以考虑大屏幕的以组为单位的显示信息的显示器。

3) 电厂的系统的控制组件可以定义按钮和图标，这些按钮和图标通过输入设备可以被激活。对复杂的任务而言，工厂较高的自动化控制功能一般包括：工厂启动选项和给水控制。

4) 基于计算机的程序系统存取、显示和程序步骤有关的工厂数据，解决步骤之间的逻辑问题，例如：如果压力水平是X，则程序系统就会提示做Y。

5) 在认知方面，计算机化操作支持系统（computerized operator support

systems COSSs）可以给操纵员提供决策支持，例如，情景评估。

2.1.3 核电厂主控室数字化人机界面特点

随着控制技术和计算机技术尤其是多媒体、虚拟现实等技术的飞速发展，先进的数字化技术引进到新建或改造升级中的核反应堆的仪表控制系统（以下简称I&C系统）。数字化技术引入核电厂主控室后，主控室人机界面（HMI）由以常规监控盘台为主发展为以计算机工作站为主。从提供信息的能力和信息处理能力来讲，计算机工作站有其无可比拟的优越性。数字化技术的应用使主控室的信息显示内容和显示方式发生了重大的变化，操纵员通过计算机显示器和大屏幕投影显

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示器就能够方便、准确、可靠地完成对反应堆本体运行状态的监测和各个子系统的控制，确保反应堆安全、可靠地运行[28,29]。并且其在一定程度上减轻了操纵员的体力负荷。为了更好了解两种人机界面的特点，笔者通过实地调研，从信息的搜索、获取以及控制的角度出发对信息显示进行了相关比较见表2.1.1[30]。

传统的常规主控室，比较典型的结构是：单个的信息、显示和控制设备按要求布置在控制盘台固定的位置，操纵员需在盘台前来回走动，以完成电厂监测和控制任务，具体如，监视一回路ΔT sat与压力、二回路蒸汽流量与水位、泵的启停、阀门的开关等。一般来讲，这些任务从认知上可分监督和探测、情景评估、响应计划和响应执行。在执行任务的过程中，操纵员根据培训所获知识、运行经验和现场人员的交流，对主控室提供的信息做出判断及相应的响应。

相比之下，更现代化的，数字化的控室则在显示屏幕上提供了很多HMI。这些人机界面在计算机屏幕上没有空间固定连续可见的画面，或者说不能在屏幕上随时连续可见。即它们是一种虚拟存在而非实体工作空间。计算机工作站的典型结构往往更紧凑，操纵员一般坐姿操作。与之相连的数字化仪控系统能够给操纵员提供更多数据。信息系统甚至可能包含几千幅显示画面。要成功完成电厂监测和控制任务，操纵员就必须在工作站完成界面管理任务[28,29]。

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表2.1.1 传统HMI与数字化HMI中的信息显示与控制操作比较

类别/特征

信息搜索

信息显示媒体与表达形式

信息显信息量

信息冗余编码

传统HMI

通过巡盘完成，且身体与眼睛的移动距离都较长（体力型、感知型）

仪表显示、指示灯等实体，表达形式单一

相对较少

单一或没有

数字化HMI

通过对显示屏监视完成，主要为视觉信息搜索（心理型、认知型）

虚拟的图符、画面、图表、状态指示灯，表达形式多样、丰富

相对较多，几千幅相关画面

多种多样（颜色、字体、闪烁、声音）

直接查看画面信息、或调用画面并查看相关信息

示

搜索/获取信息模式

信息布局

直接查看仪表、状态指示灯，快捷

以固定布置在仪表盘、控制盘台上，布置在大屏幕或显示屏上（小空间容不易改进布局

直接进行实体控制（如果开/关阀门）

在盘台前巡盘，监测状态与控制

画面显示空间固定连续可见，较少的界面管理

纳大量信息），同可方便改变布局

软控制（一般需要二次确认）

坐姿操作

无空间固定连续可见，需要进行大量的界面管理（配置、导航、画面调整、查询、快捷方式）

控制模式

控制操作

界面管理

操作方式

2.2相关的认知心理学理论

对界面的情感化设计研究，必须对用户有一个较为清晰的认识，要了解感官接受信息的方式、怎样理解并处理信息、学习记忆及推理的过程等，以增强用户与计算机交互的友好程度。用户心理研究就是为了解决这些问题的。用户心理学的内容包括动机心理学、认知心理学[32]、用户模型[33]等。其中认知心理学是上个世纪50年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，研究的是用户操作时的知觉、认知以及操作过程，实质是试图了解人类智慧的实质和人们怎样思考。它涵盖了心理过程的整个领域，从感觉到知觉、模式再认、注意、学习、记忆、概念形成，思维、表象、语言、情绪的发展过程等等。通过对用户认知心理中的非理性因素

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（如记忆力容易分散、容易遗忘等）和理性因素（不同网站使用的熟练程度的不同用户级别），可以很好地解决人－机交互中的问题，防止出错，使流程更流畅、界面更友好。

2.2.1 注意的信息加工理论

注意是指人的心理活动对一定对象的指向与集中[34]。注意的核心在于人对输入的刺激信息进行有选择地加工分析而忽略其他刺激信息的心理活动。

虽然人类所有的心理活动都离不开注意，但人的注意能力有限，不能同时注意所有发生在身边的事情或信息，而只能注意众多事件中的几项重要事件或信息，并排除无关的干扰事件或信息。人脑这种选择信息、排除干扰的功能，就是注意的一种重要功能。心理学家正在努力探究：面对纷繁复杂的外界环境，人们需要同时注意的事项或信息日益增多，如何将有限的注意分配到同时出现的众多事件或信息中去。因此，选择性与分配性注意日渐成为研究的焦点。近年来，由于资源理论能较好地解释注意的多种特性，特别注意的选择和分配，在注意研究领域内颇受亲睐。

2.2.1.1 注意选择性理论

为了解释注意选择性现象，研究者曾提出众多的注意的选择性理论，如注意的过滤器模型、反应选择理论、衰减器模型、知觉选择模型等[34,35]。众多理论中，对于视觉信息的选择性理论，主要为视觉搜索理论中注意选择机制。

视觉搜索理论 (Yantis, 1993) 认为，在注意选择过程中包含两种加工：目的指向选择和刺激驱动捕获[36,37]。前者反映的是个体的目的将决定他们要注意哪些刺激信息。而后者不依赖知觉者当时的目的，刺激物的特征会自动地抓住他的注意。因此，个体的知觉目标与刺激物的特征同时决定了人们将注意力放在哪里。研究表明，在某些情况下，刺激驱动捕获会胜过目的指向选择。例如，在异常工况下，操纵员会受到连续的报警信号的影响，注意力无法集中到对这一工况的整体信息的整合与控制工况上。

如何使操纵员能够在视觉环境中有效地搜索信息呢？特征整合理论

(Treisman et al., 1990) 将注意的信息加工分成两个相互联系的阶段。第一阶段是

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前注意阶段[38]。人对刺激物的简单特征进行快速的、自动的平行加工，此时人几乎不需要努力，甚至意识不到它的发生。前注意加工可以帮助人们对周围环境进行指向性的搜索 (Wolfe, 1994)[39,40] 。要获得物体知觉就需要依靠第二阶段的注意，通过“聚光灯”把属于被搜索目标的各个特征逐一识别出来，并有机地整合在一起。这一系列加工过程较前者要慢一些。由于需要努力，当 注意超负荷或人们分心时，特别是对注意的要求很高时，就会将刺激的特征不恰当地结合，造成错觉现象。这一理论说明，有效地使用先行线索或提高知觉分析能力将有助于运动员的选择性注意技能。

2.2.1.2 注意力资源理论与分配性注意

注意资源理论，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 认为，人的认知资源(Cognitive resources)或能量是有限的。识别一个刺激是需要资源的。刺激越复杂，需要的资源越多，同时呈现的刺激越多，资源就越容易耗尽。如果再给资源已耗尽的人呈现新的刺激，这些新异刺激将不被或不容易加工(或注意) 。但凡事也有例外，Kahneman 假定，新异刺激有时并不能用完所有资源。相反，认知系统中存在这样一个阶段，在这个阶段中，它会分配一定量的资源对新异刺激进行加工。正如Johnston和Heinz 所指出的，认知资源分配是灵活的，人可以对其进行控制。人不是新异刺激的奴隶，会调节和分配资源，并把有限资源转移到重要刺激上[41]。

注意分配中一个关键现象就是练习或培训常常可以提高操纵员的对异常工况的处理能力，对这一现象最常见的解释是一些加工由于长期练习或而变得自动化了。双加工理论（Shiffrin et al.,1977）认为，人类的信息加工方式有两种：自动加工和控制加工[42]。自动加工是刺激自动引发的无意识的加工过程，不受认知资源的限制。控制加工是受意识控制的过程，它需要意识的积极参与，要占用系统的加工资源。控制加工经过充分的练习之后，有可能转化为自动加工。在电厂的培训与学习后，操纵员熟练地掌握应对多数异常工况的技能，就会进入自动加工的状态。这时，虽然操纵员的动作还需要受到大脑监控，但是由于已经很好地掌握了这项技能，所以他几乎不再需要有意注意了。但是，一旦活动任务的执行过程中受到干扰，就很容易出错。

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2.2.2 视觉搜索与视觉信息加工

HMI是用户与机器互相传递信息的媒介，用户通过人－机视觉显示界面获得系统信息并进行操作。数字化技术的应用使主控室内信息的显示内容和显示方式发生了重大的变化，优秀的人机界面设计可以让用户更准确、高效、轻松地实现作业。操纵员在执行整个任务的过程中有80%以上的信息来自视觉信息，即数字化人机界面中画面信息。所以界面中信息显示的质量直接影响操纵员对电厂状态的整体把握。同时从信息处理模型来看（如图1所示），电厂状态是通过界面中各类画面显示出来的，其首先应由操纵员各感觉器官登记。这一过程必须通过视觉搜索来完成。

2.2.2.1 视觉搜索

视觉搜索是一种复杂的认知过程，是人获取外界信息的重要方式。视觉搜索一般要求个体在某一背景找到一个特定刺激。视觉搜索分为并行搜索和串行搜索两种方式。并行搜索是指视觉将同时处理所有的刺激，搜索时间和干扰刺激的个数无关，且目标刺激与干扰刺激的视觉有很大的区别；串行搜索是指，视觉系统一个接一个地搜索刺激，直到搜索到目标刺激为止,搜索时间随干扰刺激的增加而呈线性增长，且目标刺激与干扰刺激的视觉没有很大的区别。

在心里学研究中，其典型做法是让被试在一个刺激背景中，从目标靶子周围找到所设置的与目标相同的刺激，如图形、数字或字母。搜索任务可由一个搜索目标或两个搜索目标构成(便于更精确的时间安排)[43,44]。当信息显示呈现在操纵员面前时，需要他们进行视觉搜索，在众多图形显示中找到所关注的信息或要执行的操作（如启动安注泵）。这时，信息显示的质量直接将会影响视觉搜索，即若信息显示存在诸如无突出显示、信息组织结构不清晰、数据更新等质量问题，操纵员在就难以准确、快速的搜索到相关信息，从而可能造成相关的人因失误。同时，有研究指出信息显示对决策过程，信息显示的特征，如信息的形式、组织结构及次序，都对决策过程有着重要的影响[45]。

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2.2.2.2 视觉信息加工

人和动物的脑是世界上最复杂、最有效的信息加工系统。几乎人脑的各个部分都与视觉反应有关。视觉是个极其复杂的多级过程，外界物理光能在眼睛视网膜内转变成神经电化学能，经过神经编码和初步加工，视觉信息被传递到脑内，脑完成一系列复杂的信息加工，并与先前学习和记忆的视觉信息相比较，最后产生视知觉，完成模式识辨的全过程。

视觉搜索与视觉信息加工都必须通过眼动来实现。眼动的目的是为了搜索和注意外界信息，它既受人的内在需求所影响，也受外界信息的特点所影响，因此，眼动的过程反映了信息的心理加工过程。

眼动（eye-movement）主要是指眼球运动，它与人休的肌肉运动一样是一种反射活动[46,53]。由于必须在刺激信号通过皮层中枢的作用下，下行到脑干眼动核才能启动眼球运动，期间的意识作用是不可避免的（不包括纯粹的生理性眼动），所以眼动又被称为主动性眼动[46,49,53]。眼动具有主动性，即服从于活动的任务性，当然也包括无意识的注意过程。此时，主动性所指就是对信息的“觉察性”或“觉知性”。一般而言，眼动伴随着“想看什么”或“看到了什么”，其最能充分地显示视觉信息加工中的选择性注意。视觉信息的选择性提取与选择性加工在人－机交互作用中起着非常重要的作用。为了适应环境，我们需要选择那些与活动目的有利的信息而排除或忽视那些与目标毫不相关的干扰信息，但由于信息的干扰也会选择一些不符合任务要求的信息。因此，视野中各部分被选择的控制机制既包括外源性控制(exogenous control)，也包括内源性控制(endogenous control)[47,53]。前者是由刺激特性控制的信息选择，也称为刺激驱动或自下而上的信息选择；后者是由目标或期望控制的信息选择，也称为目标驱动或自上而下的信息选择。

2.2.1.3 视觉搜索与信息加工过程中的眼跳

视觉搜索一般要求在某一刺激背景中找出特定刺激，具有较强的目的性。视觉搜索是通过一系列的眼跳与注视获取外界的刺激信息，从而完成信息加工。眼跳对视觉搜索有着极其重要的影响，眼跳问题也一直是视觉搜索研究的热点[48]。

视觉搜索中的眼跳可以分为内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，比如在边缘视觉区突然出现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，颜色、大小、形状、质地、方向、空间排列、弯曲、光泽、深度等等。内源性眼跳是由个体主动发起的眼跳，比如个体在引导语的指导下，主动进行的眼跳。外源性眼跳主要与刺激物的基本特征有关，而内源性眼跳是个体主动发起的，是受个体自身因素影响，主要与眼运动记忆与返回抑制相关联[48]。

在外源性刺激中，研究者最初发现颜色特征对眼跳影响最大，以颜色特征为线索来搜索信息会大大提高搜索效率[48]。随着研究的深入，研究者又相继发现目标刺激的其他特征如：方向、运动、大小等对视觉搜索率的影响也很大。此外，我国的研究者发现：1）注视持续时间方面，图画的注视持续时间最短，中文词次之，英文单词的注视持续时间最长；2）眼跳距离方面，中文的眼跳距离最小，英文次之，图画的眼跳距离最长；3）反应时方面，人眼对图画的反应时最短，英文词最长，中文词居中。网页设计如果倾向于信息的传递，应该首选文字，其次是图画[49]。

2 .3 数字化人机界面下操纵员信息处理机制

信息加工心理学（information process psychology）]把人的认知系统看成是[32一个信息加工的系统，并和计算机进行类比。计算机从周围环境接受输入的信息，经过加工并储存起来，然后产生有计划的输出。人的系统和计算机一样，人对知识的获得也就是人对信息的输入、转换、储存和提取的过程。人的认知的各种具体形式是整个信息加工系统的不同成分或信息加工过程的不同阶段。

人的信息处理模型的理论假设是，借用数字化的计算机信息处理理论描述人的认知活动，并可以有效地应用于分析人的各种类型的思维活动。实际上，它是以一种信息流的理论去追溯外界信息输入与人的最终响应之间的“黑匣子”中的不同认知阶段人的思维活动。为了更为形象的描述这一过程，Wickens提出了一种具有代表性的定量化模型

[28, 29, 30,31,50 ] ，本文将模型加以改进以适用于数字化人机界面的人的信息处理模型（见图2.3.1）[30]。其中信息处理原则上分为三大阶段：（1）感知阶段，主要指对输入信号的探查和对刺激的识别；（2）判断阶段，在此阶段必须进行状态评估与响应决策，主要基于工作记忆（WM）的可用性；（3）响应阶段，在此阶段必须选择和执行响应、控制以及界面管理。在每个阶

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段都具有相应的阈值，超过这一阈值，在任何一个阶段都是会发生人因失误行为。这种阈值和不同形式的人因失误行为，一般由实验心理学数据来确定。

过 程界 面操作人员注意力资源显示画面报警画面控制画面记录仪感觉登记视、听觉感知识别决策响应选择响应控制界面管理报警信息画面信息软控制配置、导航查询、安排鼠标、键盘打印机思维模型长期记忆（LTM）情景模型工作记忆(WM)图2.3.1 Wickens应用于数字化HMI的人的信息处理模型核电厂操纵员是监督控制者。电厂的效率是人与自动化控制的结合产生的。在这样复杂的多动态的配置和的系统中，出现错误时做出决策是很困难的。操纵员对电厂的功能、过程、系统和组件的影响是通过他们的心里和认知过程来协调的，从而完成任务，最终通过操纵员操纵人机界面实现电厂的职能。为了较为清晰的了解在数字化人机界面中，操纵员的信息处理模型，还需要根据不同的任务类型进行分析。

基于工作分析，数字化控制系统中操纵员需要完成的主要任务可划分为两类[29]，第一类是指操纵员直接为监控系统运行而需完成的任务，不同的控制系统有着不尽相同的第一类任务，但它们本质上可以被萃取表征为四项任务：监视/检测、情景评估、响应计划、响应执行。而第二类任务是指不直接监控系统运行的那些任务，或可称之为界面管理任务，如信息导航、信息调用、数据搜索、页面配置与管理等，它们支持和保障完成第一类任务，同时与第一类任务也相互交互，如图2.3.2所示。之所以将它们区别开来，是考虑到这两类任务有着不同的工作模式和认知行为模式。相对于第一类任务，界面管理任务是次要但是必须的。

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人监视/检测情景评估响应计划响应执行人-系统界面显示系统第二类任务执行系统仪表与控制系统仪表系统控制/保护系统数字化控制工业系统图2.3.2 数字化控制系统中操纵员需完成的两类任务

2.3.1 第一类任务的信息处理

本文中主要从注意理论与视觉搜索理论对核电厂主控室数字化人机界面下操纵员的信息处理进行阐述。数字化主控室中语音输入中的听觉信息，由于使用计算机终端的有限画面显示、报警的视觉信息和声音信息无法迅速定位和获得。故基本假设，数字化主控室中基本都是视觉信息输入。

2.3.1.1 监测/检测

监视和检测涉及到从环境中提取信息的活动。操纵员可以通过人机界面和传感器官的交流来使用电厂的信息。通过眼动进行视觉搜索，将选择性提取并选择性的加工后的视觉信息传入大脑，这一信息自动加工过程可称为“感觉登记”，即监视/检测过程。这一过程可能发现被动的接收信息和主动搜索信息，前者所耗用的注意力资源或其他认知资源较少，后者所耗用的注意力资源将会增加。

在高自动化的电厂里，操纵员的大部分工作就是监视。如，操纵员必须监视正常的状态以便决定将要发生什么，反馈，变化或中断的正常安全迹象，自动化系统的执行，有问题的设备，其他人员的活动（测试和维修）。操纵员面对的环境比实际的监视往往存在更多的变数。真正的监视问题是在任何点任何时候存在着大量的潜在的相关的事情，使得操纵员必须决定哪些信息是对经常变化的环境有影响的，值得关注的[28]。在这种情况下，要求操纵员决定监视什么和什么时候

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转移注意力，这些受目前的情景模式（指导注意力资源的配置从环境的统计特性到样本数据）的影响，特别是预测的可能性和相关性。对有经验的操纵员来说，这种比较相对较为轻松，所耗用的注意力资源也会较少。在不熟悉的条件下，过程是相当复杂的。在意识到目前的电厂条件与情景模式不一致时，首要之事就是要检测在代表目前状况的信息和来自监视的信息间差异。这个过程可以通过警报系统简化，提醒操纵员要将注意力转向异常的状态上。

3.3.1.2 情景评估

当异常情况发生的时候，操纵员要积极地努力去构想条理清楚的，逻辑的解释来说明他们所观察到的现象。这一认知活动称为情景评估，其主要分为两种模式：情景模式和思维模式。

操纵员用他们对电厂的了解和知识以及在观测时如何自动解释信息和理解信息的含义来构建情景模式。当情景模式准确的反映电厂的实际状态时，就说明操纵员有良好的情景意识。知识的有限性也许会导致不完全的或不准确的情景模式。

思维模式是以技术为基础来驾驭处理，控制有规则的活动，通过操纵员努力回忆工作记忆和提供具有实质性的能力之间的协调来推理和预测未来的电厂状态，并还要基于知识来处理。思维模式也许不是完全正确，但可以通过正式的教育，系统的训练，和操作经验来建立的。知识基础是依靠长期的记忆，在LTM中知识基础是相对的稳固的，容量很大，可并行处理信息。

对一个有经验的，训练有素的操纵员来说，在思维模式中，人机界面可以随时提供地图知识的信息，这样就很容易得到准确的情景模型。情景评估用自动化信息处理比较轻松。自动化处理是较快的，不需要工作记忆和注意并行执行。在自动处理信息时，操纵员没有必要维持情景的每个细节。

在一定程度上，电厂信息和在思维模式中定义的情景匹配是不容易的，信息处理要求更多的控制，情景评估需要更多的工作记忆和注意力。从而，认知工作量相当高。在复杂的、模糊的情境下，情景意识和认知工作量会发生变化。如，在不熟悉的，或较困难的条件下，高认知工作量也许和情景意识的下降有关，可能是缺少可用的注意力资源来分析情景。情景评估需要消耗注意力资源或其他认知资源，认知对工作量有作用，但是并不是只有认知活动需要这样的资源。

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2.3.1.3 响应计划

响应计划涉及到处理一个事件行动的过程。其一般为操纵员通过对自己电厂状态信息的意识识别合适的目标；选择合适的操作规程；估测一下定义的规程是否实现目标。

一般的，响应计划涉及到操纵员用目前厂里的情景模式来识别目标和转变要求达到目标。目标是变化的，例如区分合适的规程，估计备份系统的状态，诊断问题。为了达到目标，操纵员会制定可选择的响应计划，选择最合适目前情景模式的一个。

情景评估和响应计划都具有决策的成分，特别是在模糊的状态，如，可用规程并不能满足需要，这时，做决策成为大的认知负担，要获取工作记忆，长期记忆和注意力资源。在这样情形下，在工作记忆中，信息是有意识的被操纵，直接占用可用的注意力资源。工作记忆容量有限，没有持续的注意力资源，信息都是快速的衰退。这时会造成信息丢失，一般表现为：注意力资源不足以保持信息被搜索到或加工；工作记忆的超负荷；其他信息的干扰。

异常工况下，操纵员根据情景评估所做出的响应计划，但当出现工况较为复杂，且培训中也未遇到时，响应计划变得异常艰难。他们只能试着理解目前的情景模式中没有预料的电厂执行情况，经过大量的认知活动估计应急操作规程对当前目标的合适性。在这一过程中，大量的注意资源以及其他认知资源将会被占用，也可能进行反复的信息搜索，以在确保制定出合适的响应计划。

2.3.1.4 响应执行

响应执行是执行响应计划中所定义的活动。就像单个操纵员选择和操作控制一样简单，或者与电厂不同位置的操纵员交流、协调，然后相互协调地选择和操作合适的控制设备。而这些活动是分离的，他们也可以不间断的控制。

执行的结果通过反馈环节来监视。据调查，一般有两方面的因素会影响核电厂操纵员响应执行：响应时间和间接的观察。时间和反馈延迟是分离的，在响应执行时，因为这使得很难确定控制活动的是否具有预期的效果。此时，操纵员用思维模式来预测控制响应的未来状态比反馈更重要，进一步说，由于不能直接观察到电厂的处理状态，可以通过指示来推断。一般来说，这一过程占用的注意力

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资源是较少的。

总之，在异常工况情况下，操纵员受限于注意力和工作记忆。电厂操纵员需要对电厂事故后的哪些主要电厂状态进行加工，注意力需要定位。之后，操纵员需要综合各方面的信息与电厂的状态目标进行比较，然后做出相应的预期，进入下一阶段的响应计划，这一过程依赖于短期工作记忆。并且异常工况往往会出现大量的报警，此时，将会耗费大量的注意力资源应对报警系统或信号，注意力的定位需要操纵员判断显示住处的重要性。此外，当时的应激水平也会影响操纵员的视觉信息搜索策略。研究发现，即使是有经验的操纵员在这个过程中都容易出现人因失误。

第一类任务在信息处理过程中有着很高的需求。正像上面阐述的，甚至相关的直接的活动（解释警报的含义，监视，用选定的响应计划）需要操纵员用他们的注意资源来确保信息的准确性和合适性。此外，我们还应考虑操纵员在执行界面管理任务时的信息处理过程。

2.3.2 第二类任务/界面管理的信息处理

在传统的和数字化的主控室都用到界面管理任务。传统的主控室是由大的带有专用显示器的工作站和控制盘台组成，操纵员通过在控制盘台前巡盘，来完成具体的监视和控制操作。操纵员还必须经常搜索控制盘台，发现具体的所需要的信息。这一活动过程称名传统人机界面中的界面管理。

与传统主控室相比，数字化主控室界面管理的需求是不同且较大。数字化的人机界面改变了界面管理任务的性质：信息量，虚拟的工作站及其灵活性。数字化主控室提供更多的实时信息。在信息量增加时，在工作站的显示屏上的有限区域内可以显示信息。在较先进的核电厂里，视频显示装置被扩大为成的组显示器，比如，在主控室里的任何地方都看得见的墙面式的显示屏。这种有限的视频区域被称“小孔效应”，结果就是在任何给定的时间内，大部分信息都从视线里消失，隐藏在虚拟的工作站里[28]。因此，操纵员必须知道在虚拟的信息空间里，哪些信息是可用的，在什么地方，怎样去指导和检索它们。若没有充足的视频区域可用，

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操纵员就得频繁的重复导航任务。这和传统主控室中信息或控制器的并行出现是相反的，因这仪表与控制器都是专用的且位置固定的，不能改变形式和功能。恰恰相反，基于数字化人机界面是灵活的，能对其进行配置，改变功能以各种操作模型。因此，这些界面有相当大的自由度。

正是基于此，一般将数字化人机界面的界面管理任务定义为：导航、画面配置与调整、访问查询和自动化。这些任务可以离线执行也可以在线操作。在一定程度上，任何一个人任务都可以执行，执行的方式是依靠人机界面设计的具体细节。

与传统主控室的界面管理任务相比，数字化主控室的界面管理任务需要更多注意力和其他认知资源，或者说争夺了第一任务的更多的注意力资源。不仅是因为其变得更复杂，而且数字化人机界面中，第一类任务对界面管理任务更为依赖，并且往往是两类任务几乎同步进行，比如，操纵员可以点击水泵图标来查看它当前状态，也可以当即启动水泵。

在某些情景中，界面管理与第一类任务所需要的同样多的注意力资源。这样对于第一类任务而言，其注意力资源在不断的被压缩。要想减少界面管理任务对第一类任务注意力资源和其他认知资源的争夺，就需要良好的人机界面，以提高视觉信息搜索效率，减少导航次数、信息访问与查询的次数。至于，界面管理将可能如何影响第一类任务，将在下一节进行相应的阐述。

总之，数字化人机界面交互作用中，进行信息处理时，视觉信息搜索与加工显得非常重要。因为数字化人机界面的没有传统界面中的对控制器或相关信息的触觉信号输入，完全由视、听信息的处理来完成，而其中绝大多的信息依赖于视觉信息。视觉信息的选择性提取与选择性加工起着非常重要的作用。为了适应环境，我们需要选择那些与活动目的相适应的信息而忽视那些与目标毫不相关的信息，但有时对信息的选择并不符合任务要求。

同时，就整个信息处理过程来看，第一类任务与界面管理都需要大量的资源，而注意力资源却是有限的，两者中任何一方耗费过多的资源，将可能导致对方不能顺利完成。为了尽力保证两类任务都有足够的注意力资源来执行相应的任务，应提高人机界面的宜人性和友好性，具体而言应该考虑合适的信息显示量，合理的信息布局等问题。

数字化人机界面中信息显示的优劣直接会影响视觉信息的获取。而可能直接

28

影响信息显示优劣的重要指标之一是信息布局。那么，在此不妨大胆假设：探索画面信息显示中人眼的视觉搜索规律对优化画面信息显示，提高视觉信息搜索的效率会与减少对注意力资源的需求很有帮助。

2.4 数字化信息显示特征对人因失误的影响

与传统人机界面相比，数字化人机界面最根本的变化就是信息显示的变化，也正是由于信息显示的变化而引起控制模式、操作方式、界面管理也发生了变化。除表2.1.1所描述的外，表征数字化信息显示特征的主要指标也可划分为画面功能、显示页面、显示格式、显示元素、以及数据更新等。信息显示的特征是否符合人的认知行为规律将极大地影响操纵员是否能有效地获取作业所需要的信息[18]。如信息显示存在诸多问题，如：信息组织结构不清晰、无突出显示、数据更新速率不当等，操纵员就难以准确、快速地搜索到相关信息，从而可能造成相关的人因失误。以下主要从信息数量、信息布局以及由此而产生的信息界面管理等角度来分析，它们覆盖了与人因失误相关的主要问题。

2.4.1 巨量信息与有限显示

信息可以按功能、工艺流程、使用频率、时间次序等来进行分区或布局。传统主控室的信息主要布置在仪表盘台上，信息直观、有限，操纵员一般习惯性地一眼看过去，即可在固定的仪表盘台上搜索到自己需要关注的信息（仪表、指示等）。数字化后，信息的数量剧增，数千幅画面全部拥挤在有限的几个显示屏上，这些画面不可能同时在屏幕上全部显示出来（当然也无全部显示的必要），其结果是，同一时间所显示的或操纵员所能观察到的信息明显减少，操纵员为完整地完成某项任务，即完成监视与探测、状态评估、响应计划、响应执行这四个子任务，其常不得不需要调用多达几十张/次的画面。显然，“巨量的信息，有限的显示”这一矛盾非常突出，它对操纵员认知行为的影响至少表现在以下几个方面[30]。

1）由于事故状况下信息量过大，屏幕有限，当调用新的画面时，常常不得不将其覆盖当前画面。这就使得操纵员不能直接搜索或直观的获取相关信息，不能及时获得所覆盖的画面正在变化的信息，增加了操纵员巡盘难度，同时可能造

29

成重要缺陷报警和参数信息没有及时监视到，延误处理或控制。

2）存在“小孔效应” [7]，即由于所有的信息都由成千上万的画面来显示，故不能同一时间显示所有的画面/信息，用户只能一部分一部分地挨个看，其过程类似于从门的锁孔里看房间内东西。小孔效应对操纵员最直接的影响是可能使得操纵员情景意识丧失，导致不能进行正确的状态评估，从而丧失对电厂总体状态的把握。

3）由于信息量巨大，一个任务涉及的画面过多，同一参数或仪表在不同画面中出现的位置可能不固定，每进入一幅画面就需要操纵员重新搜索同一参数或仪表组件。依据注意资源论[41]，由于注意资源总量一定，当额外的搜索信息消耗过多的注意资源时，必然会降低其它的注意资源，使得操纵员可能出现读错参数的失误，或不能在规定的时间内完成任务；另外，由于同时打开多个画面，可能会忘记正在进行的监视；切换画面频繁也易疏忽复归操作模块或易疏忽确认允许信号。

“巨量信息，有限显示”反映了显示-控制系统数字化后产生的三个新的基本科学问题，它们可分别用三个概念来表征：信息显示率----单位时间的信息显示量；信息提供率----单位时间内提供的可以被操纵员有效捕捉到的信息量；数据更新率----数据更新的速度。我们将专门撰文研究它们之间的关系及对操纵员认知行为的影响。

2.4.2 界面管理任务

2.4.2.1对第一类任务的影响

相对于第一类任务，界面管理任务是次要但是必须的。已有研究发现，界面管理任务是数字化系统操纵员和系统信息之间的一道屏障，对操纵员完成第一类任务有极大的影响[29,16]。

两类任务同时执行时，第一类任务所需要的认知资源或注意力资源，会受第二类任务的影响。例如，操纵员在进行监视电厂状态时，还要求进行出第二类任务，比如记忆搜索、界面管理 。操纵员必须在执行第一类任务时执行第二类任务。因此，随着第一类任务的进行，第二类任务在节约处理资源容量的情况下执

30

行。第二类任务的逻辑方法是简单的。若假设总的资源容量是1，若第一类任务用x，则1-x就是被储存下来以供第二类任务用。因此，第二类任务和第一类任务的执行有着相反的关系。若第一类任务在条件A和B下执行是一样的，而第二类任务在条件A下执行较好，则结论就是条件A比条件B需要少的认知需求。

Wickens认为两类任务所要不同的资源的程度越高，它们共享时间的程度越高。也就是，一个任务的困难程度的变化很少影响另外一个。因此，争夺同样的资源要比用不同的资源效率低的多。举个简单的例子，驾驶汽车和乘客聊天是要比驾驶时手动调节模拟的收音机简单的多。都涉及到两个同时的任务，前者对共同的处理资源竞争少于后者，因为前者主要是听觉任务。调节收音机要求视觉，因此，会与要处理道路的视觉信息争夺资源。

当第一类任务和第二类任务同时执行时，且需要同样的认知资源，则操纵员的执行会受到影响。相反的是，操纵员的执行效率可以通过人机界面设计个好的分配来提高（在监督控制和界面管理任务之间认知资源的竞争是最小的）。所以，为了提高操纵员的执行效率，需要评估界面管理的人机界面特征和测试人机界面设计。

在多任务环境中，操纵员要处理来自多个方面的信息和在同一时间执行多个任务。在主控室里，操纵员会遇到多个任务相互冲突，考虑权衡时，有两点要注意：（1）虽然界面管理任务不总是但常常是监督控制任务的一个整体部分。例如，执行具体的监督控制行动时，操纵员必须执行界面管理任务，这对要求进入主控室和显示器是必须的。（2）操纵员经常同时执行多监督控制任务。因此，操纵员在多任务环境中也许会承担分配认知资源在多个第一类任务和第二类任务之间。

Wickens 和Carswell定义了三种不同的多任务行为：

（1） 完全并行处理 所有的任务同时，独立的执行。

（2） 低级并行处理 同时执行任务，但单个任务会遇到一个或多个故障。

（3） 严格的连续处理 操纵员在一个时间内只能执行一个任务。

三个模型在不同的条件下发生，在人机界面设计中有着不同的含义。此外，操纵员可以使得策略适应处理改变任务的需求。策略的第一步是工作目标的转移和升级任务期间的方法。第二步是修改人机界面的策略使得和任务需求，认知容量更加兼容。要理解界面管理任务对第一类任务的影响，需要多对这项目进行理解。

31

任务被逐次的执行有两种原因，首先，任务可以被限制，例如，在第一类任务执行完之后第二类任务才执行。第二，任务被逐次的执行因为它们获得同一注意力资源，资源又不能充分的支持同时执行的任务。逐次执行任务已成为人因的关注，在执行任务延迟另外一个任务到不可预期的程度。例如，由于操纵员同时关注另外一个任务，他没有及时发现一个重要的电厂参数，所以电厂的安全将会悄然发生变化。

人因调查已注意到这个过程，操纵员选择执行一个任务，就会忽略在同时进行着的另外一个任务。注意力选择过程与其对管理任务的优先处理的知识掌握或经验有关。人因常常基于数学建模，例如通过排序理论。最优的行为模式可以这样描述：（1）当一个任务被执行时，就像任务的一个功能一样重要（2）任务被执行的频率达到人机系统效率的最优水平。当在实际操作和这些模型相比时，操纵员在一定得限制下执行看起来相当的合理。在操纵员倾向于忘记持续监视值时，与记忆力较好的优秀操纵员相比，他们更频繁的关注参数的变量值。最优的行为模式对界面管理的人因工程学导则的发展是很重要的，

2.4.2.2 界面管理与人因失误

人因失误(human error) 简称人误：人未能精确地、恰当地、充分地、可接受地完成所规定的绩效标准范围内的任务[50]。

人因失误是指人的行为的结果偏离了规定的目标，或超出了可接受的界限，而产生了不良影响。根据行为心理学观点，人的行为模式可表示为S-O-R，即刺激输入心理加工系统 输出 行为[50]。若把人脑看成一个加工系统，则输入的是刺激，输出的是行为，即刺激思维加工系统行为。

首先要理解界面管理任务是如何增加失误的可能性。Norman基于认知行为机制，将人误分为三类[7,28]。第一类是描述失误，指操纵员对一个意图行为缺乏详细的描述，或许操纵员本身就不十分清楚该行为的内涵和特征，其发生是因为操纵员投入的精神努力不足以构造一个详细的描述。第二类是激活或引发失误，其发生于当一个意图激活了长期记忆（LTM）中的相关知识，但操纵员却没有保持相应行动的轨迹，或者被另一个行动中断了原定的行为序列。第三类是捕获失误，它发生于环境线索非常类似于较常见的但在此却是不适当的行为模式，如新

32

旧主控室中信息显示模式的相似性极易导致捕获失误。在Norman的框架中，界面管理任务很可能对这三类失误都有贡献。这种贡献产生的途径可能存在以下4种方式：1）剥夺第一类任务的资源，从而使得任务是资源有限性的；2）以减慢执行的方式中断第一类任务，从而引起步骤缺失或不清楚，或完全分散操作员的注意力；3）错误的控制或显示另外一个任务，引起失误；4）对操纵员附加的负担，使得在高工作量条件下他们不情愿去执行第二类任务。

Norman和Rasmusn认为失误是行为认知控制的一种功能，进一步的说，可视其为人类对系统特征高效适应的表现。定义了四种失误及其在系统设计的重要性。第一种是人的随机变化产生的。这一种失误较少，且安全重要性较低，因为是单个的事件，与其他活动不相关。第二种是与不合适的处理资源有关的失误，因为这类失误是最独立的资源处理模型，所以它在知识型处理中是最重要的。没有充足的可用资源时，容易出现失误。因此这种失误和工作量有关。第三种与内部控制结构有关的失误，因此与捕捉失误类似。最后一种与人的学习机制有关，其反应的是操纵员对系统的适应能力。系统中操纵员最主要的目的是通过适应能力和创新能力对不可预测的事件进行响应。

Rasmusn描述到界面管理任务很可能影响第二和第三种失误[28]。第二种失误由于高工作量，资源有限。第三种类似于捕捉失误。

Reason提出了一种定义相当好的人因失误模型，在目前的版本里，体现了Norman和Rasmusn的主要的大部分观点[28]。主要的论点是：失误是可预测的，充分利用根据已建立的试探法来简化复杂信息任务的认知处理趋势，进行预测。操纵员用两种试探法搜索信息，分别是相似度比较和频率赌博。

总之，界面管理任务的影响潜在的增加了认知失误的可能性，有以下方式：

1) 剥夺第一类任务的资源，从而使得第一类任务资源更有限性；

2) 以减慢执行的方式中断第一类任务，从而造成遗漏或不清楚操作步骤，或完全分散操纵员的注意力；

3) 控制错误的或错误显示另外一个任务，而引起失误；

4) 增加了操纵员的负荷，使得他们在高工作量条件下不情愿去执行第二类任务。

33

2.5 国内数字化HMI信息显示现状与人因失误

随着课题组对课题的深入，我们在核电厂数字化HMI的设计公司或单位对画面设计情况进行了调研，访谈了某核电厂新老操作员与值长、画面设计师、安全工程师等电厂人员，并在现场记录与查看了较长期内电厂数字化模拟机HMI的信息显示的人因失误情况，期间我们发现，很大一部分人因失误与信息画面的设计有关，即使有些信息画面没有引发人因失误，也存在未充分考虑问题。其主要表现在以后几个方面：

1） 画面信息的组织结构不清。使得操纵员增加了导航、画面配置等界面管理任务的认知资源，增加了视觉搜索的难度，使得可能出现操作延时或描述性失误。如许多画面之间没有用统一的布局来显示一般的HMI功能（如数据显示区、控制区、信息区、导航区等）；信息组间的没有明显区别；同一画面上的信息没有按易理解的原则分组（任务、系统、功能）等。

2） 信息标识区别不明显。如画面中有多层标题（和/或标签）时，系统没有提供可见的提示以辅助操纵员区分其所处的层次级别；此处，操纵员在调用多页画面时，系统没有向其提供一页含画面序列的位置参照系。从而使得操纵员还需要从工作记忆或长期记忆中回顾自己目前所处操作位置，分散了注意资源了，也降低了视觉搜索效率，可能出现描述性失误或激发性失误。

3） 文字、标签、语言问题。如有些地方标注不明显或有歧义（如不知那个灯亮处于SATURATION，CIA VALVES CHECK灯亮的表达的意思会产生误解）；画面与规程没有汉化，对不是以英语为母语的操纵员来说，外文字母认读增加了困难。此类问题可能使得操纵员出现对信息的误读与数值的误判等人因失误。

4） 格式与显示不清晰或不一致。如所有数字没有右对齐，数字超过4位数，没有将其分组，并且每组之间用逗号、小数点或空格分隔开；单位的标注不规范（如MPa）；文字密度程度过大，难以明显区分，（INTERVALIDATED DATA，）；字体表达大小写不一致（如SG

LEVEL）。增加了操纵员对信息的视觉搜索难道，使得认读困难，

34

常出现操纵员认读的失误，或操作失误，或捕获失误。

5） 画面布局问题。如元件或控制图标排列无序，（安注控制阀、安注给泵等）；指示元件图标与控制元件图标对应关系不明确；画面布局结构化程度不高；元件或控制图标布置过密或较散（APG阀布置太密）；对于使用频率高或较重要的信息，没有统一的布局原则，不用画面，不同设计师的设计出画面布局差异较大，显得较为随意。对视觉搜索效率影响较大，由于布局原因，操纵员需要依赖记忆来进行操作，否则较难以快速准确的搜索到相关信息，因此，常出现描述性失误，或激发性失误，或捕获性失误。

以上列举问题，都是由于画面信息设计缺陷，而引发了与信息显示有关的人因失误。这些问题基本上可以通过信息画面设计或优化来解决，但就设计师而言，最难以把握的就是信息画面的布局问题。虽然他们都知道重要的、使用频率较高的信息要布置在易于搜索到地位置，但具体是哪个位置，是哪一区域，其没有一个统一的看法。但大家一致认同的是，如果能解决这个信息画面布局的问题，将对信息画面的设计或优化设计，防止操纵员的人因失误将会有很大的帮助。

就本课题而言，我们也试图解决这一数字化人机界面中特有信息显示布局的问题，抑或是人的视觉信息搜索规律问题。对这一问题的解决我们将在本文的下部分进行叙述。

2.6 本章小结

介绍了核电厂主控室数字化人机界面的定义，并对数字人机界面与传统人机界面中信息显示特征做了比较。从注意理论与视觉搜索理论出发，阐述了核电厂主控室数字化人机界面下操纵员的信息处理机制，本文认为正常工况和异常工况下信息处理机制是不同的，其主要表现为，在异常工况下，大量的报警信息占用操纵员较多的注意力资源；与传统人机界面相比，数字化人机界面下操纵员对电厂信息的获取与状态评估，更依赖于视觉信息。换而言之，数字化人机界面中信息显示的优劣直接会影响视觉信息的获取。而可能直接影响信息显示优劣的重要指标之一是画面信息显示的布局。

35

核电厂主控室数字化后，数字化人机界面下产生了一些新人因失误，引发了一些新问题，如巨量信息与有限显示所产生的小孔效应问题，新增的界面管理任务对一类任务产生的较大的影响，同时也产生了新的人因失误。

36

第3章 信息画面布局的眼动实验

3.1 眼动仪简介

信息加工在很大程度上依赖于视觉，研究表明，约有80%～90%的外界信息是通过人的眼睛获得的[51]。由于人的视线具有直接性、自然性和双向性等其它信息所无法具备的特点，人们对视线跟踪的研究有着浓厚的兴趣。视线跟踪的早期研究可以追溯到古希腊，但是真正使用仪器设备对眼动进行观察和实验是从中世纪才开始的。直到1901年Dodge和Cline才开发出第一台精确的、非强迫式的视线追踪设备。20世纪60年代以来，随着摄像技术、红外技术和微电子技术的发展，特别是计算机技术的运用，推动了高精度眼动仪(以下简称眼动仪)的研发。眼动仪为研究者们利用眼动技术探索人在各种不同条件下的视觉信息加工机制，观察其与心理活动直接或者间接的奇妙而有趣的关系，提供了新的有效的工具。

3.1.1 眼动形式

眼动主要是指眼球运动，它与人体的肌肉运动一样是一种反射活动。为了得到用户感兴趣的视觉信息，眼球在与其连接的肌肉控制下做不同形式的运动。一般地说，眼球运动主要有三种形式：注视（fixations），跳动（saccades）和平滑尾随跟踪（smooth pursuit）[53]。

1）注视：表现为在被观察目标上的停留，这些停留一般至少持续100～200ms以上。在注视时，眼球并不绝对静止，眼球为了看清物体总是不停地做轻微的抖动，其幅度一般小于1度。绝大多数信息只有在注视时才能获得并进行加工。

2）跳动：注视点间的飞速跳跃，是一种联合眼动（双眼同时移动），其视角为1～4度，持续时间为30～120ms，最高速度为400～600度/秒。在眼跳动期间，由于图像在视网膜上移动过快和眼跳动时视觉阈限升高，几乎不获得任何信息。

3）平滑尾随跟踪：眼睛能平滑地追踪运动速度为1～30度/秒的目标，这种缓慢、联合追踪眼动通常称为平滑尾随跟踪。平滑尾随跟踪必须有一个缓慢移动

37

的目标，在没有目标的情况下，一般不能执行。

3.1.2 眼动仪基本原理和实现技术

1）眼动仪的视线追踪基本原理[46,47]

首先，由光源发出的光线经红外滤光镜过滤后只有红外线可以通过；然后，红外线经过半反射镜后，部分到达反射镜，经反射镜发射到达眼球；其次，眼球对红外线的反射光经同一反射镜到达能已锁定了眼球的特殊瞳孔摄像机。通过连续的记录从人的眼角膜和瞳孔反射的红外线，然后利用图像处理技术，得到眼球的完整图像；再经软件处理后获得视线变化的数据，达到视线跟踪的目的。

2）眼动仪的视线跟踪技术[29,47,54,]

人眼的注视点由头的方位和眼睛的方位两个因素决定。有人将视线跟踪技术按其所借助的媒介分为以硬件为基础和以软件为基础两种。

（1）以硬件为基础的视线跟踪技术的基本原理是利用图像处理技术，使用能锁定眼睛的眼摄像机，通过摄入从人眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而达到记录分析视线跟踪过程的目的。以硬件为基础的方法需要用户戴上特制的头盔或者使用头部固定支架，对用户的干扰很大。视线跟踪装置有强迫式与非强迫式、穿戴式与非穿戴式、接触式与非接触式之分，其精度从0.1°至1°不等。

（2）以软件为基础的视线跟踪技术是先利用摄像机获取人眼或脸部图像，然后用软件实现图像中人脸和人眼的定位与跟踪，从而估算用户在屏幕上的注视位置。

3.1.3 眼动仪常用的眼动指标

视线跟踪系统采用眼动信号检测设备及视线跟踪算法监视人眼运动，为用户应用系统提供必要精度的人眼状态信息。根据应用领域的不同，用户应用系统要求视线跟踪系统提供的人眼状态信息不尽相同。一般地说，典型的视线跟踪系统需要提供以下信息[51]：

1）总注视次数：衡量搜索效率的一个指标，注视次数越多，可能意味着显

38

示区域的布局越不合理。但也应该考虑注视次数和任务时间的关系（例如：任务时间越长需要的注视次数也越多）。

2）注视持续时间：反映提取信息的难易程度。在执行任务时，持续时间越长，往往意味着被测试人员从显示区域获取信息越困难。在某些情景下，持续时间越长也意味着，该显示区域关注度越高。

3）注视点个数：区域重要程度的一个标志。显示区域越重要，被注视点个数越多。

4）首次进入目标兴趣区的时间（或称首次进入时间）：在显示区域搜索特定的目标时，第一次到达目标区域的时间。也是用户界面布局合理性度量的一个重要指标。

本文研究的主要画面信息显示中人眼的视觉搜索规律，即画面信息显示时的布局规律。本文主要应用到以注视持续时间、注视点个数、首次进入时间等指标。所谓注视点，是指用户视线与感兴趣物体表面的交点，一般称为POG，即Point of Gaze，有时候也称为POR，即Point of Regard。

3.1.4眼动仪与及其应用

目前，国内和国外都有眼动仪研发，但应用研究还是主要采用国外生产商生产的眼动仪。主流眼动仪采用的眼动测量方法主要有以下几类:眼电图法，如法国的Metro vision公司生产的Model Mon EOG眼动仪；电磁感应法，如荷兰SKALAR公司生产的眼动仪；角膜和瞳孔反射，这类眼动仪数量最多，主要有德国的SMI公司、德国Mangold公司、加拿大的SR Rearch公司、瑞典Tobii

Technology公司生产的眼动仪、美国应用科学实验室(ASL)和日本的工SCAN公司生产的眼动仪[43]。本文中使用的眼动仪为Mangold公司产品。

随着视线跟踪技术的逐步发展，其应用也越来越广泛。主要应用领域包括人－机交互、动态分析、图片/广告研究、产品测试和场景研究等。另外在理解人的意图的智能计算机、具有交互功能的家用电器、虚拟（增强）现实和游戏等领域也有很好的应用前景[53]。

39

3.2 实验方案与设计

本文2.3章节提出假设：探索画面信息显示中人眼的视觉搜索规律对优化画面信息显示，提高视觉信息搜索的效率和减少注意力资源的需求会很有帮助。就这一假设而言，可分为两部分来进行实验验证，第一部分为对画面信息显示中人眼的视觉搜索规律及符合这一规律画面显示信息的布局原则的探索实验；第二部分，以第一部分的结论为指导，所优化的画面信息显示布局的验证实验。本章实验是就这一假设的第一部分展开。

3.2.1 本研究的目的

1) 比较不同材料的画面信息显示中人的视觉信息搜索规律。

2) 画面信息显示的布局原则。

3.2.2 实验仪器及相关参数

实验使用的是德国ManGold公司的MangoldVision MV1型眼动仪与19寸一体联想电脑组成的桌面视线追踪系统。该眼动仪通过瞳孔反射原理采集眼动数据，其精度为0.1°，头部充许移动范围：左右22cm、上下11cm、前后15cm（整个过程至少一只眼睛的眼动能捕捉到）。

3.2.3实验设计

1） 被试

南华大学研究生36人，均为汉族，其中男生21人，女生15人，年龄为23-26岁。专业有核技术及应用、辐射防护、临床医学。 所有被试裸眼视力或矫正视力正常。

2） 实验材料

实验材料为一张我国某核电站主控室操纵员较常调用的画面设计原图（以下称“原图”）、一张全空白画面（以下称“空白”）、一张写满文字的画面（以下称“文字”）。其无尺寸差，像素为1024实验材料采用尺寸为1280*1024像素的256

40

阶灰度位图。（见附录A中A1、A2、A3）

3） 实验控制

所有被试都要接受主试人员的相应的培训，包括对画面的认识，熟练，实验操作，实验注意事项。

4） 实验流程

(1) 被试坐入实验椅，并告知被试放松，正对显示屏，保持视距为70±10cm。

(2) 调整眼动仪的目镜位置和焦距，使其能清晰捕捉到眼球的运动，并保证双眼的运动并捕捉到。

(3) 眼球定标。要求被试“注视屏幕上会随机出现红色十字圆点，直到它变成绿色到消失。此过程中，身体和头部尽量保持不动”。

(4) 定标完成后，如果定标效果为佳则点击开始按钮。

屏幕上将出现实验指导语，“屏幕上将依次呈现三张画面，第一张为核电站控制画面（原图），第二张为布满文字的图片（文字），第三张为无任何信息的空白（空白）。每张画面将呈现10秒，10秒后将会呈现下一张，直到第三张结束。全过程需要1分钟。实验过程中，请尽量保持身体与头部不要移动。如果明白上述内容，已经做好了实验准备，请点击屏幕右下角的‘开始’按钮，开始实验。”

3.3 实验结果与分析

本实验的旨在比较不同的显示材料中人的视觉信息搜索规律。实验完成后，经数据分析有效数据26人，其中男生14人，女生12人，佩戴框架眼镜6人，隐形眼镜1人，不戴眼镜19人。本研究首先采用Excel汇总整理两台仪器产生的数据，然入SPSS17.0进行统计分析。

3.3.1 注视点个数

将每张画面划分成16个大小相同的兴趣区（Area of interest，AOI）。AOI是指主试者呈现给被试的视觉刺激的某一特定区域。统计所有AOI内，被试观

41

看三种实验材料时的注视点个数，如表3.3.1、附录B-B1表所示。

表3.3.1 各个AOI与材料的注视点个数描述性统计

AOI

材料

有效的N（列表状态）

N

1248

1248

1248

极小值

1

1

极大值

16

3

均值

8.500

2.000

标准差

4.612

.817

为了检验不同的材料不同AOI对注视点个数的影响，需要对不同材料不同AOI进行双因素方差分析，见表3.3.2 。

表3.3.2 不同材料不同AOI的注视点个数方差分析

源

校正模型

截距

AOI

材料

AOI * 材料

误差

总计

校正的总计

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（调整 R 方 = .247）

如表3.3.2可知，材料的F统计量的值为0.719，p=0.487＞0.05，说明材料对注视点个数的影响并不显著；AOI的F统计量的值为26.714，p=0.000＜0.05，说明AOI对注视点个数有极显著的影响；材料与AOI的交互作用的F统计量的值为1.760，p=0.007＜0.05，说明材料与AOI存在交互作用，且影响显著。但双因素方差分析不能确认各材料中AOI对注视点个数是否有显著影响。为了检验原图、文字、空白画面中AOI的注视点个数是否具有显著性差异，对其分别进行方差齐性检验，如表3.3.3所示。

表3.3.3 三种画面材料的不同AOI注视点个数方差齐性检验

原图

文字

Levene 统计量

10.849

10.246

df1

15

15

df2

400

400

显著性

.000

.000

42

原图

文字

空白

Levene 统计量

10.849

10.246

15.468

df1

15

15

15

df2

400

400

400

显著性

.000

.000

.000

表3.3.4 三种画面材料的不同AOI注视点个数稳健性检验

原图

Welch

Brown-Forsythe

文字

Welch

Brown-Forsythe

空白

Welch

Brown-Forsythe

a. 渐近 F 分布。

统计量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

显著性

.000

.000

.000

.000

.000

.000

由表3.3.3可见，在三种画面中各的方差均是不齐的，进一步分析应采用无需方差齐性假设的稳健估计。本文采用两种无需方差齐性假设的稳健估计方法We1ch和Brown-Forsythe对不同AOI注视点个数进行检验，结果如表3.3.4所示。结果显示，在这两种稳健估计下，AOI注视点个数各水平之间均有极其显著的差异。这说明，不同AOI对被试的注视点个数影响很大。

但是稳健性检验只能说明，AOI各水平中至少有两种水平的注视次数存在着显著的差异，并不能显示哪些水平之间存在着显著差异。为了明确差异关系，宜采用Post Hoc再做多重比较。鉴于之前，实施方差齐性检验，进一步作Post Hoc多重比较可采用适用于方差不齐假设的Games-Howell统计法。比较结果如附录C中表C1、C2所示。得知，AOI1～7各个水平与AOI16均值均存在显著差异；且AOI8~15各个水平与AOI16均值均无显著差异。

43

图3.3.1 三种材料的注视点个数均值分布

通过以上分析，发现三种材料对注视点个数无显著性差异，各AOI的注视点个数都具有非常显著性差异。为了更直观的体现各种材料中AOI注视点分布情况，见均值图形（图3.3.1）。从上述图表中，我们可以看出三种材料的画面，注视点个数最集中的区域都是AOI2，比较集中的区域都有AOI6、AOI7；AOI8-16都是只有较少的注视点的，说明这些区域受关注的程度比较低。

此外，原图画面AOI4的注视点个数都明显高于文字与空白，说明原图画面的AOI4较其他两种材料更受关注。原图与空白画面中AOI1的注视点个数都在30左右，而文字中AOI1的注视点个数都超过了40多，仅次于其AOI2，也就是说，文字画面中AOI1与AOI2都较受关注。空白中AOI2、6的注视点个数明显高于原图与文字画面，说明空白画面中AOI2、6的关注程度高于原图与文字画面。

44

3.3.2 注视持续时间

三材料各AOI注视持续时间描述性统计如表附录B中B2表。为了检验不同的材料对注视点时间的影响，需要对不同材料进行方差分析，见表3.3.5。

表3.3.5不同材料不同AOI的注视持续时间方差分析

源

校正模型

截距

AOI

材料

AOI * 材料

误差

总计

校正的总计

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（调整 R 方 = .273）

材料的F统计量的值为0.067，p=0.935＞0.05，说明材料对注视持续时间的影响并不显著；AOI的F统计量的值为29.874，p=0.000＜0.05，说明AOI对注视持续时间有极显著的影响；材料与AOI的交互作用的F统计量的值为2.223，p=0.000＜0.05，说明材料与AOI存在交互作用，且影响极显著。但双因素方差分析不能确认各材料中AOI对注视持续时间是否有显著影响。为了检验原图、文字、空白画面中AOI的注视持续时间是否具有显著性差异，对其分别进行方差齐性检验，如表3.3.6所示。

表3.3.6 三种画面材料的不同AOI注视持续时间方差齐性检验

原图

文字

空白

45

Levene 统计量

12.503

12.260

12.579

df1

15

15

15

df2

400

400

400

显著性

.000

.000

.000

表3.3.7 三种画面材料的不同AOI注视持续时间稳健性检验

原图

Welch

Brown-Forsythe

Welch

Brown-Forsythe

空白

Welch

Brown-Forsythe

a. 渐近 F 分布。

统计量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

显著性

.000

.000

.000

.000

.000

.000

文字

由表3.3.6可见，在三种画面中各的方差均是不齐的，进一步分析应采用无需方差齐性假设的稳健估计。本文采用两种无需方差齐性假设的稳健估计方法We1ch和Brown-Forsythe对不同AOI注视持续时间进行检验，结果如表3.3.7所示。

结果显示，在这两种稳健估计下，AOI注视持续时间各水平之间均有极其显著的差异。这说明，不同AOI对被试的注视持续时间影响很大。

但是稳健性检验只能说明，AOI各水平中至少有两种水平的注视持续时间存在着显著的差异，并不能显示哪些水平之间存在着显著差异。为了明确差异关系，宜采用Post Hoc再做多重比较。鉴于之前，实施方差齐性检验，进一步作Post Hoc多重比较可采用适用于方差不齐假设的Games-Howell统计法，得知，AOI1～7各个水平与AOI16均值均存在显著差异；且AOI8~15各个水平与AOI16均值均无显著差异（由于篇幅限制，此处略去其比较结果数据表）。

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