CN104007981A

CN104007981A - 一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法

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Publication number: CN104007981A
Application number: CN201410263733.4A
Authority: CN
Inventors: 吴晓莉
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: CN104007981B

Abstract

本发明公开了一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，主要用于解决从认知角度分析人机交互视觉信息界面的出错问题，并对设计因素展开分析。搭建人机交互视觉信息界面中从出错到认知的映射，建立出错-认知的映射关系，从而可以建立基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方。本发明为人机交互界面的出错问题，从认知加工角度提供了一种分析界面信息的认知模型和设计因素的可靠性方法，能够有效地建立相关信息界面的各种出错类型的认知子模型，从而通过设计因素的出错-认知实验，根据视觉认知行为数据分析结果合理地进行设计改良。

Description

一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于出错-认知映射模型的设计方法，特别涉及一种人机交互界面中基于出错-认知映射模型的设计方法。

背景技术

在人机交互操作过程中，用户的出错可能会造成任务失败、系统故障或系统崩溃，甚至导致严重的事故发生。人因、工效学等方面对人为差错进行了研究，已经建立了研究故障、事故等发生机理、测评、预防等多方面的模型和相关技术应用于各种降低出错的方法。组织管理、环境、机器、人为因素4个部分所组成的系统，对故障、事故等的防范形成了相互关联、紧密相扣的体系。然而，由于人机交互视觉信息界面的信息量大，信息关系复杂，不同于普通产品界面，需要人与系统的配合更加严谨，信息的组织与呈现更加科学。因此，如何从认知的信息加工过程研究人机交互界面中用户出错的内在原因，成为了迫切需要解决的问题。本文通过归纳人机交互视觉信息界面中的用户出错类型，从出错类型到认知的信息加工过程进行映射，建立了人机交互视觉信息界面的出错-认知映射模型，通过出错因子分析，可对信息界面中设计因素合理分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，可分析人机交互视觉信息界面的出错问题，为设计改良提供一种可靠的分析方法。获取人机交互视觉信息界面的出错类型；建立用户出错类型到认知加工映射关系；建立人机交互视觉信息界面的出错-认知映射模型；对现有的实际信息界面进行出错因子表征，建立相对应的出错-认知模型和认知子模型；从而展开设计因素的视觉认知实验，该方法可为人机交互界面提供可行的设计方法，为信息界面的设计改良提供依据。

一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，包括如下步骤：

（1）、获取人机交互视觉信息界面的出错类型，从用户出错与认知加工过程的关系入手，采用出错汇集再分类的方法，建立其对应模式；

（2）、建立用户出错类型到认知加工映射关系；设U为论域，把出错A和认知B分别为两个不同的集合，若元素x_i∈A，有唯一的元素y _i∈B，使得y _i=f(x_i)，则称f是从A到B的映射；记作f：A→B；首先进行出错类型表达和认知表达和出错类型到认知的映射，然后进行出错类型到认知的映射；

（3）、建立人机交互界面的出错-认知映射模型；根据出错类型集合的并集得到出错种类，按照出错类型到认知的映射关系重新排序，可建立对应的关系模型；

（4）、基于出错-认知映射模型，可针对不同人机交互界面建立出错因子的认知子模型，对某一视觉界面设计因素进行出错因子表征，开展设计因素分析过程；

（5）、基于出错因子的认知子模型，建立出错-认知实验流程图，将出错因子作为自变量设计实验样本，开展设计因素视觉认知实验，从而得出设计因素的分析结果。

上述步骤（1）中的出错类型，按照认知信息加工过程，进行划分归类，得到了5种出错类型，将试验获得的对应项进行了整合，包括错误感知、注意失效、知觉混淆、记忆失误和失手。

上述步骤（2）中的建立用户出错类型到认知加工映射关系包括如下步骤：

（3-1）、出错类型表达

按照集合的定义，可以将出错类型各集合定义如下：五种出错类型提取简写形式，错误感知集合为MP、注意失效集合为AF、知觉混淆集合为PC、记忆失误集合为ML、失手集合为S；MP、AF、PC、ML和S都是出错类型集合Error的子集；出错类型集合可用数学形式描述如下：

（a）错误感知包含语意模糊一、视觉局限、视错、视觉迟钝与时间压力一；MP=﹛MP _i，i=1,2,3…,5﹜=﹛MP _a，MP _b，MP _c，MP _d，MP _e﹜；

式中 MP——错误感知集合；

MP _a——语义模糊一；

MP _b——视觉局限；

MP _c——视觉迟钝；

MP _d——视错；

MP _e——时间压力一；

（b）注意失效包含视觉干扰、注意转移分散一、过分注意与时间压力二；AF=﹛AF _i，i=1,2,3,4﹜=﹛AF _a，AF _b，AF _c，AF _d﹜；

式中 AF——注意失效集合；

AF _a——视觉干扰；

AF _b——注意转移分散一；

AF _c——过分注意；

AF _d——时间压力二；

（c）知觉混淆包含语义模糊二、不合理匹配、无反馈、可视性弱、指示性弱、关系错觉与时间压力三；PC=﹛PC _i，i=1,2,3…,7﹜=﹛PC _a，PC _b，PC _c，PC _d，PC _e，PC _f，PC _g﹜；

式中 PC——知觉混淆集合；

PC _a——语义模糊二；

PC _b——不合理匹配；

PC _c——无反馈；

PC _d——可视性弱；

PC _e——指示性弱；

PC _f——关系错觉；

PC _g——时间压力三；

（d）记忆失误包括遗忘、不准确回忆、错误记忆、缺乏记忆辅助与时间压力四，ML=﹛ML _i，i=1,2,3,4,5﹜=﹛ML _a，ML _b，ML _c，ML _d，ML _e﹜；

式中 ML——记忆失误集合；

ML _a——遗忘；

ML _b——不准确回忆；

ML _c——错误记忆；

ML _d——缺乏记忆辅助；

ML _e——时间压力四；

（e）失手包括无意识、注意转移分散二、疏忽与时间压力五；S=﹛S _i，i=1,2，3,4﹜=﹛S _a，S _b，S _c，S _d﹜；

式中 S——失手集合；

S _a——无意识；

S _b——注意转移分散二；

S _c——疏忽；

S _d——时间压力五；

（f）出错类型集合；错误类型集合是该类型所有出错集合的并集，即：E= MP∪AF∪PC∪ML∪S；

（3-2）认知表达

按照认知心理学的认知过程，将认知表达为注意、知觉、记忆和思维，如下形成认知集：

C=﹛C _i，i=1,2,3,4﹜=﹛C _a，C _p，C _m，C _t﹜

式中 C——认知集合；

C _a——注意；

C _p——知觉；

C _m——记忆；

C _t——思维；

（3-3）、出错类型到认知的映射

根据集合理论，由于从认知角度将用户的出错原因进行了不同分类，使出错类型集合与认知集合之间存在着映射关系，设U是出错类型论域，V是认知论域，若存在一个规则f _e-c，通过它，对于每一个x∈E，可唯一确定一个y∈C与之对应，则f _e-c是从出错类型集合E到认知集合C的一个映射，记为f _e-c：E→C，由此构造了出错类型集合E到认知集合C映射的模型，出错类型映射可分为5个映射部分。

上述步骤（3）中出错-认知对应的关系模型如下:

（4-1）、用户出错类型中的视觉局限、视觉干扰、视觉迟钝、可视性弱对应认知加工过程中的视觉寻找、凝视和扫视、记忆搜索和视觉跟踪引导；用户出错类型中的视错、语义模糊、缺乏引导、指示性弱、不合理匹配、无反馈对应加工过程中的知觉组织与深度感知,上述过程属于认知加工过程中的知觉加工过程；

（4-2）、用户出错类型中的疏忽、无意识、注意转移分散、过分注意对应认知加工过程中的选择注意、聚焦注意、分割注意、持续注意，上述过程属于认知加工过程中的注意加工过程；

（4-3）、用户出错类型中的遗忘、缺乏记忆辅助、不准确回忆对应认知加工过程中的视觉记忆、短时记忆、长时记忆、记忆容量、思维工作量上述过程属于认知加工过程中的记忆加工过程；

（4-4）、用户出错类型中的时间压力对应认知加工过程中的反应时。

上述步骤（4）中对应的认知子模型如下:

（5-1）、界面任务的出错因子表征。针对欲分析的视觉信息界面出错因子表征，按照不同出错因子，寻找出错类型对应的方式。

（5-2）、建立不同出错因子的认知子模型。按照出错到认知的映射，可以表达各出错因子和认知的映射关系，不同信息显示方式对应了多种出错因子。从而建立每种类型的出错-认知子模型。

上述步骤（5）中对应的设计因素视觉认知实验如下:

（6-1）、建立视觉认知实验流程图。根据出错-认知子模型，应用视觉认知实验范式，建立信息界面任务搜索的实验流程图。

（6-2）、设计出错因子的视觉界面实验样本。通过对应的视觉信息界面中不同任务子界面，根据界面的信息显示方式，模拟任务执行的出错界面，并将出错因子作为自变量，设计因素作为因变量，设计界面信息的实验样本。

（6-3）、开展设计因素视觉认知实验。将任务信息输入心理学实验软件中，按照不同出错因子分类进行视觉搜索任务安排，通过计算处理机向用户依次呈现不同任务的安排，获取用户执行任务的反应时和出错率的行为数据；

（6-4）、根据反应时和出错率分析容易导致出错的设计因素，从而对其改良设计。

本发明所达到的有益效果：

1）通过用户出错角度来分析人机交互界面的设计问题是一种有效地减少人为差错的方法。本发明中直接从认知层面分析出错的内在原因，使设计人员可以直接找到事故、系统故障的本源性问题。

2）在该出错-认知映射模型中，可以根据不同出错类型，建立相应的认知子模型，每种出错有直接的对应认知项，操作执行简单快捷，节约了人机交互界面改良设计的周期。

3）本发明出错-认知映射模型适用于各种人机交互界面，并结合不同任务环境下的用户出错建立认知子模型，可靠性高，映射模型的实用性强。

4）本发明将出错因子作为自变量设计实验样本，开展设计因素视觉认知实验。视觉认知实验多用于界面的视觉评估，本发明创新性地用于设计因素分析，得到的分析结果真实有效，大大减少了设计人员寻找设计改良点带来的工作量。

5）通过视觉行为数据得到设计因素的分析结果，能够有效分析导致出错的界面信息，执行任务的反应时和出错率的行为数据结果可直接对界面信息展开布局调整、信息元素等改良设计。设计人员可获得直接进行设计，方便快捷。

附图说明

图1是本发明的基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法示意图。

图2是本发明的人机交互视觉信息界面出错类型示意图。

图3是本发明的出错类型到认知的映射示意图。

图4是本发明的错误感知集合到认知集合的映射示意图。

图5是本发明的出错-认知映射模型示意图。

图6是本发明的视觉信息界面出错-认知的设计因素实验流程图。

图7是实施例F35战斗机航战显示系统监控任务的雷达态势界面。

图8是实施例F35战斗机航战显示系统监控任务的武器挂载界面。

图9实施例F35战斗机航战显示系统监控任务的多传感器界面。

图10实施例F35战斗机航战显示系统监控任务的飞行数据显示界面。

图11是实施例的信息显示方式-出错因子-出错类型表征的映射对应关系。

图12是实施例的航战显示系统出错-视觉感知和出错-注意加工子模型。

图13是实施例的航战显示系统设计因素（特征项）实验样本示例图。

图14是实施例的航战显示系统实验模拟界面示例图。

图15是实施例的航战显示系统视觉认知实验范式。

图16是实施例的航战显示系统设计因素分析结果（视野位置反应时）。

图17是实施例的航战显示系统设计因素分析结果（视野位置出错率）。

图18是实施例的航战显示系统设计因素分析结果（间距反应时）。

图19是实施例的航战显示系统设计因素分析结果（间距出错率）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，包括如下步骤：

（5）、基于出错因子的认知子模型，建立出错-认知实验流程，将出错因子作为自变量设计实验样本，开展设计因素视觉认知实验，从而得出设计因素的分析结果。

（3-1）、出错类型表达

式中 MP——错误感知集合；

MP _a——语义模糊一；

MP _b——视觉局限；

MP _c——视觉迟钝；

MP _d——视错；

MP _e——时间压力一；

式中 AF——注意失效集合；

AF _a——视觉干扰；

AF _b——注意转移分散一；

AF _c——过分注意；

AF _d——时间压力二；

式中 PC——知觉混淆集合；

PC _a——语义模糊二；

PC _b——不合理匹配；

PC _c——无反馈；

PC _d——可视性弱；

PC _e——指示性弱；

PC _f——关系错觉；

PC _g——时间压力三；

式中 ML——记忆失误集合；

ML _a——遗忘；

ML _b——不准确回忆；

ML _c——错误记忆；

ML _d——缺乏记忆辅助；

ML _e——时间压力四；

式中 S——失手集合；

S _a——无意识；

S _b——注意转移分散二；

S _c——疏忽；

S _d——时间压力五；

（3-2）认知表达

C=﹛C _i，i=1,2,3,4﹜=﹛C _a，C _p，C _m，C _t﹜

式中 C——认知集合；

C _a——注意；

C _p——知觉；

C _m——记忆；

C _t——思维；

（3-3）、出错类型到认知的映射

图3构造了出错类型集合E到认知集合C映射的模型，出错类型映射可分为5个映射部分。因此，可进一步表示为图4中的映射关系，图中为知觉混淆集合到认知集合的映射。以集合PC为例，元素PC _i与集合C中的C _i并不完全一一对应，映射关系可分为以下几种情况(其他4种出错集合到认知集合的映射在此省略)，如图4所示。

(1) 一对一映射。知觉混淆集合PC中的一个元素与认知集合C中的某一个元素相对应。如： PC _e对应于C中的C _p。

(2) 多对一映射。PC中的多个元素与认知集合C中某一个元素相对应。如： MP _a，MP _b，MP _c对应于C中的C _p。

(3) 多对多映射。注意失效集合AF中的多个元素与认知集合C中的多个元素相对应。如，为了确定AF _b，AF _c，必须综合分析和研究集合C中的以下若干元素：C _p，C _a，C _t。

由以上分析可知，在认知集合C中，C _p，C _a，C _m，C _t 并不是孤立的，这些认知现象是交织在一起的。由于它们之间的相互依赖，使出错类型和认知现象存在着交织的映射关系。

建立人机交互界面的出错-认知映射模型。根据5种出错类型集合的并集得到18个出错种类，按照出错类型到认知的映射关系重新排序，可建立对应的关系模型，如图5所示。

基于出错-认知映射模型，可针对不同人机交互界面建立出错因子的认知子模型，对某一视觉界面设计因素进行出错因子表征，开展设计因素分析过程。

基于出错因子的认知子模型，建立出错-认知实验流程，将出错因子作为自变量设计实验样本，开展设计因素视觉认知实验，从而得出设计因素的分析结果。

（6-1）、建立出错-认知实验流程。根据出错-认知子模型，应用视觉认知实验范式，建立信息界面任务搜索的实验流程图，如图6所示。

实施例

图7、图8、图9、图10是F35战斗机航战显示系统的四个监控任务子界面，分别表示雷达态势界面、武器挂载界面、多传感器界面和飞行数据显示界面，包括了导航、态势图、状态数据、警报提示等信息显示。在该航战显示系统中，可能执行的监控任务有监视/发觉、状态查询、响应计划、响应执行四个过程。下面按照出错-认知的映射模型应用于该界面：

（a）界面任务的出错因子表征

图7、图8、图9、图10中显示了4个监控任务界面，共包含48个任务信息，从监视/发觉、状态查询、响应计划和响应执行四个监控任务对应的信息显示方式列出了操作中可能出现的出错因子17个，并进行错误表征，如表1、表2及表3所示。

表1 监控界面任务的信息显示方式

表2 监控界面任务的出错因子

表3 监控界面任务的出错类型表征

（b）航战显示系统的出错-视觉感知、出错-注意加工模型

针对出错-认知映射模型中的视觉感知和注意加工对应的出错因子进行航战显示系统的应用。为了方便表达项目间的对应关系，表1、表2、表3中以简写表示，根据信息显示方式选取D3、D4、D5、D6，出错因子E1、E2、… 、E17，出错类别表征选取与视觉感知、注意加工相对应的ET1、ET2、ET3、ET5、ET8、ET11五个类型。

按照出错到认知的映射，可以表达图11表示的映射关系，不同信息显示方式对应了多种出错因子。如图12中，通过ET1、ET2、ET3、ET5、ET8、ET11五种出错类型表征在E-C映射模型中找到对应项分别为AF-S-注意转移分散、AF-视觉干扰、MP-视觉局限、MP-视觉迟钝、AF-过分注意、S-疏忽，有12种出错因子分别有对应关系，去除不相关的出错因子(E6、E8、E11、E13、E14)。由此，可以建立航战显示系统的出错-视觉感知和出错-注意加工子模型。

(c) 航战显示系统的出错-认知实验

从图12所述的认知子模型，提取出错-视觉感知子模型中的视觉局限出错因子，其主要描述为扫描选择延迟、错过发射、没看到提示、错过读取信息。航战显示系统中基于出错-认知的设计因素实验将主要围绕战斗机雷达态势界面（如图7所示）中信息疏漏的出错问题展开。

提取雷达态势界面中信息元素，将出错因子作为自变量，将设计因素（特征项、视野位置和目标物间距）作为三个因变量，它们的变化将会导致信息疏漏问题。依据实验材料的6个特征项，实验将考察有多少个敌机、友机或不明物出现，如图13所示实验样本。本实验将采用3×2×3的组内设计，三个设计因素分别是目标物数量（2个、4个、6个）、视野位置（上视野，周围视野）、目标物间距（12mm，48mm，96mm）。其实验模拟信息界面如图14所示。图15为视觉认知实验范式。实验开始，首先呈现一句话，问被试有几架敌机、友机或不明物出现在态势环境中，请被试努力记住要寻找的目标，呈现时间为1500ms；黑屏后，将呈现出刺激项数量9个，其中有被是要搜索的目标物2-6个不等；在1500ms的呈现中，请快速搜索有几架目标物出现，黑屏后快速按数字键反应。每人完成全部实验耗时约15分钟。计算机记录并采集被试的反应时和正确率。

(d) 航战显示系统的设计因素视觉认知分析结果

视觉认知实验的行为数据分析了被试的反应时与出错率，能够建立引起界面任务信息疏漏出错因子和设计因素的关系。实验数据表明：

如图16、图17所示，目标物数量少时，间距并不影响视觉搜索时间，错误率低。而搜索目标呈现为4个、6个时，不论是上视野还是周围视野，反应时和出错率在呈现间距12mm、48mm、96mm之间有显著性差异，即随着间距增大，搜索目标的反应时长逐渐加大，间距最大时更为显著，从出错率可以看出随着间距增大，极易造成信息疏漏。如图18、图19所示，上视野、下视野、周围视野的目标搜索中，反应时和出错率呈现显著性变化。相对上视野，周围视野呈现目标数量为6个时出错率高，最容易产生疏漏1-2个信息物疏漏，说明高出错率下的周围视野位置与信息疏漏关系密切，需要调整视野位置。得到的结论可以作为未来战斗机态势界面信息设计与布局的参考，有效改善目标搜索过程中的信息疏漏问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，其特征包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，其特征是，所述步骤（1）中的出错类型，按照认知信息加工过程，进行划分归类，得到了5种出错类型，将试验获得的对应项进行了整合，包括错误感知、注意失效、知觉混淆、记忆失误和失手。

3.根据权利要求1所述的一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，其特征是，所述步骤（2）中的建立用户出错类型到认知加工映射关系包括如下步骤：

（3-1）、出错类型表达

式中 MP——错误感知集合；

MP _a——语义模糊一；

MP _b——视觉局限；

MP _c——视觉迟钝；

MP _d——视错；

MP _e——时间压力一；

式中 AF——注意失效集合；

AF _a——视觉干扰；

AF _b——注意转移分散一；

AF _c——过分注意；

AF _d——时间压力二；

式中 PC——知觉混淆集合；

PC _a——语义模糊二；

PC _b——不合理匹配；

PC _c——无反馈；

PC _d——可视性弱；

PC _e——指示性弱；

PC _f——关系错觉；

PC _g——时间压力三；

式中 ML——记忆失误集合；

ML _a——遗忘；

ML _b——不准确回忆；

ML _c——错误记忆；

ML _d——缺乏记忆辅助；

ML _e——时间压力四；

式中 S——失手集合；

S _a——无意识；

S _b——注意转移分散二；

S _c——疏忽；

S _d——时间压力五；

（3-2）认知表达

C=﹛C _i，i=1,2,3,4﹜=﹛C _a，C _p，C _m，C _t﹜

式中 C——认知集合；

C _a——注意；

C _p——知觉；

C _m——记忆；

C _t——思维；

（3-3）、出错类型到认知的映射

4.根据权利要求1所述的一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，其特征是，所述步骤（3）中出错-认知对应的关系模型如下:

（4-1）、用户出错类型中的视觉局限、视觉干扰、视觉迟钝、可视性弱对应认知加工过程中的视觉寻找、凝视和扫视、记忆搜索和视觉跟踪引导,用户出错类型中的视错、语义模糊、缺乏引导、指示性弱、不合理匹配、无反馈对应加工过程中的知觉组织与深度感知,上述过程属于认知加工过程中的知觉加工；

（4-2）、用户出错类型中的疏忽、无意识、注意转移分散、过分注意对应认知加工过程中的选择注意、聚焦注意、分割注意、持续注意，上述过程属于认知加工过程中的注意加工；

（4-3）、用户出错类型中的遗忘、缺乏记忆辅助、不准确回忆对应认知加工过程中的视觉记忆、短时记忆、长时记忆、记忆容量、思维工作量上述过程属于认知加工过程中的记忆加工；

5.根据权利要求1所述的一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，其特征是，所述步骤（4）中认知子模型如下:

（5-1）、界面任务的出错因子表征；针对响应人机交互界面进行出错因子表征，按照不同出错因子，寻找出错类型对应的方式；

（5-2）、建立不同出错因子的认知子模型；

按照出错到认知的映射，可以表达各出错因子和认知的映射关系，不同信息显示方式对应了多种出错因子；从而建立每种类型的出错-认知子模型。

6.根据权利要求1所述的一种基于出错-认知映射模型的人机交互界面设计方法，其特征是，所述步骤（5）中设计因素分析过程如下:

（6-1）、建立设计因素视觉认知实验流程图；根据出错-认知子模型，应用视觉认知实验范式，建立信息界面任务搜索的实验流程图；

（6-2）、设计出错因子的视觉界面实验样本；通过对应的视觉信息界面中不同任务子界面，根据界面的信息显示方式，模拟任务执行的出错界面，并将出错因子作为自变量，设计因素作为因变量，设计界面信息的实验样本；

（6-3）、开展设计因素视觉认知实验；将任务信息输入心理学实验软件中，按照不同出错因子分类进行视觉搜索任务安排，通过计算处理机向用户依次呈现不同任务的安排，获取用户执行任务的反应时和出错率的行为数据；