CN111159222A - 计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法及系统 - Google Patents

Abstract

计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤一、从数据库中调取关于人机界面的因素集、评语集以及所有指标的评语值，确定人机界面评价指标的隶属度矩阵；步骤二、计算评价指标的权重和人机界面的综合评价值；步骤三、输出人机界面的评价结果。该系统包括用于存储有关人机界面的数据的数据库、用于计算评价人机界面的相关参数的数据处理模块以及用于输出显示人机界面的评价结果的输出显示模块，数据库及显示模块分别与数据处理模块连接。本发明的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法及系统可以有效提高评价人机界面的效率和准确性。

Description

计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法及系统

技术领域

本发明涉及工业系统数字化人机界面技术领域，尤其指一种计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法及系统。

背景技术

随着计算机技术和控制技术的飞速发展，大部分工业系统已使用数字化系统，如：电网控制中心、航空指挥中心、银行运行控制中心、火电厂主控中心、江苏田湾核电站、大亚湾核电站等等。数字化系统的使用给操作人员带来便利的同时也带来挑战，如：操作规程、画面、报警等不再是分割的人机界面元素，它们完全被集成在一起以满足操作人员的需要，操作人员通过人机界面获取系统运行状况，将获得的信息经判断、决策之后执行相应的行为动作，显然，人机界面的设计质量对人的信息获取、判断等一系列行为有着很大的影响。

目前，评价工业系统数字化人机界面的方法基本上是依靠人来执行，大致来说，是通过将新的人机界面交付给不同的使用者试用，然后对试用人员进行访谈等方式来获取人机界面的评价结果。现有的评价方法大多存在效率低、主观性强、准确性不高的问题。随着计算机算力的提高以及大数据分析技术的发展，以前很多依靠人工分析和判断的事务现在完全可以通过大数据分析手段来完成，在此基础上，如果能通过计算机来实现对数字化人机界面进行评价，工作效率将更高，评价结果的准确性也会更好。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高评价人机界面的效率和准确性的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法，包括以下步骤：

步骤一、从数据库中调取关于人机界面的因素集、评语集以及所有指标的评语值，确定人机界面评价指标的隶属度矩阵；

步骤二、计算评价指标的权重和人机界面的综合评价值；

步骤三、输出人机界面的评价结果。

进一步地，在步骤二中计算人机界面的综合评价值时：

先选取评价指标对应的权重；

再计算模糊综合评价结果向量S＝W*R，其中W表示评价指标的权重向量，R表示评价指标的隶属度矩阵；

最后计算人机界面的综合评价值P_g(人机界面)＝S*V^T，其中V表示评语集标准隶属度，V^T表示V的转置。

更进一步地，所述评价指标的权重包括一级评价指标下的二级指标权重以及所有二级评价指标综合权重。

更进一步地，所述一级评价指标下的二级指标权重采用以下方法获得：

1)调取数据库中的指标相对重要度建立判断矩阵A＝(a_ij)_mn，其中a_ij表示i元素和j元素相对于目标的重要值，a_ji＝1/a_ij；

2)计算每行元素的乘积，计算每行的n次根，归一化处理；

3)计算出判断矩阵的最大特征值λ_max，计算随机一致性比率CR，即CR＝CI/RI，其中，RI为常数，CR<0.1表示一致性好：

CI＝(λ_max-n)/(n-1)。

再进一步地，所有二级指标综合权重采用以下方法获得：

1)调取数据库中的指标相对关系值构建初始直接关系矩阵D；

其中，n为元素的个数，对角线均设为0，x_ij表示横向指标i对纵向指标j的直接影响程度，其值范围为[0，5]之间；

2)计算规范化直接影响矩阵X，X＝λ*D；

3)确定综合影响矩阵T，T＝X(I-X)^-1，其中I为单位矩阵；

4)计算中心度、原因度以及指标影响权重；

中心度m_i＝r_i+c_i；

原因度n_i＝r_i-c_i；

指标影响权重

其中，

r为综合影响矩阵的行和，c为综合影响矩阵列的和，i＝j，

作为本发明的另一面，计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的系统，其特征在于包括：

数据库：用于存储有关人机界面的数据并与数据处理模块通信，所述数据至少包括因素集、评语集、评语集标准隶属度、指标评语值、指标相对重要度、指标相对关系值；

数据处理模块：用于从数据库中调取数据并执行前述步骤一和步骤二；得到人机界面的综合评价值；

输出显示模块：与所述数据处理模块通信并用于输出数据处理模块计算出的人机界面的评价结果，所述结果至少包括人机界面的综合评价值。

在本发明提供的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法与系统中，采用计算机系统来处理有关工业系统数字化人机界面的数据，可以快速、准确的实现数据的分类、统计、计算，还可以有效的实现数据之间定性和定量的转换，相对于传统的人工评价手段，本发明能提高评价人机界面的效率和准确性。从另外一方面讲，基于计算机系统强大的数据处理能力，在评价人机界面的设计质量时，可以从更多角度和方位去处理有关人机界面的评价数据，因而可以更全面、准确的反映人机界面的设计质量，这将有利于有针对性的发掘人机界面自身的优劣，为人机界面的设计、优化、改善提供依据。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本实施方式提供了一种计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的系统，该系统为计算机系统，其包括数据库、数据处理模块和输出显示模块，数据库及显示模块分别与数据处理模块连接。

一、数据库

数据库用于存储有关人机界面的数据并与数据处理模块通信，这些数据包括因素集、评语集、评语集标准隶属度、指标评语值、指标相对重要度、指标相对关系值。

因素集：它是根据评价指标体系进行确定的，确定的工业系统数字化人机界面评价指标体系如下表1所示：

表1工业系统数字化人机界面评价指标体系

本实施方式中设U＝{U1，U2，U3，……Un}，式中U表示人机界面的因素集，表示从哪些方面对人机界面进行评判描述。因从不同角度进行分析，根据表1人机界面评价指标体系，人机界面的因数集为：

U＝{颜色(A11)，字符(A12)，图标(A13)，亮度和显光度(A14)，声音(A21)，报警原因(A22)，显示详细的报警信息(A23)，报警信息的优先权(A24)，报警系统性能(A25)，精确的显示格式(A31)，重要度呈现(A32)，显示位置(A33)，重要参数的跳变时间(A34)，显示方式(A41)，一致性(A42)，醒目性(A43)，人机界面的交互性(A51)，人机界面的可用性(A52)，人机界面布局的合理性(A53)，任务呈现的复杂性(A61)，任务描述准确性(A62)，任务可操作性(A63)，规程结构合理性(A71)，规程分支合理性(A72)，操作程序可用性(A73)，功能区之间布局合理性(A81)，信息量是否适中(A82)，功能软构件、按钮、显示框、报警等数量是否合适(A83)，联机帮助和查纠错能力(A91)，响应能力(A92)}。

U1＝{颜色(A11)，字符(A12)，图标(A13)，亮度和显光度(A14)}。

U2＝{声音(A21)，报警原因(A22)，显示详细的报警信息(A23)，报警信息的优先权(A24)，报警系统性能(A25)}。

U3＝{精确的显示格式(A31)，重要度呈现(A32)，显示位置(A33)，重要参数的跳变时间(A34)}。

U4＝{显示方式(A41)，一致性(A42)，醒目性(A43)}。

U5＝{人机界面的交互性(A51)，人机界面的可用性(A52)，人机界面布局的合理性(A53)}。

U6＝{任务呈现的复杂性(A61)，任务描述准确性(A62)，任务可操作性(A63)}。

U7＝{规程结构合理性(A71)，规程分支合理性(A72)，操作程序可用性(A73)}。

U8＝{功能区之间布局合理性(A81)，信息量是否适中(A82)，功能软构件、按钮、显示框、报警等数量是否合适(A83)}。

U9＝{联机帮助和查纠错能力(A91)，响应能力(A92)}。

评语集：工业系统人机界面中评语集表示对人机界面可能做出的各种总的评价结果，不失一般性，评价结果从上往下可依次分为“优，良，中等，较差，差”五个等级，设V＝{V1，V2，V3，……Vp}表示人机界面的评语集，则p＝5，每个评价等级所对应的评分区间见下表2。

表2评价量化表

评价等级	优	良	中等	较差	差
						取值区间	(80,100]	(60,80]	(40,60]	(20,40]	(0,20]

评语集标准隶属度：为方便计算，不失一般性，用中位数代替评价区间，评语集标准隶属度可为：V＝{90，70，50，30，10}。

指标评语值：表示评价报告中对人机界面各指标的评分，此评分事先已经采集好，并存储于数据库中。

指标相对重要度：表示评价报告中对指标两两进行比较得到的相对重要值，该相对重要值事先已经采集好，并存储于数据库中。

指标相对关系值：表示评价报告中对元素之间的影响关系进行判断，可以以0表示两要素间没影响，1表示两要素间有微弱的影响关系，2表示两要素间有较小的影响关系，3表示两要素间有一般的影响关系，4表示两要素间有较大的影响关系，5表示两要素间有很大的影响关系，该相对关系值事先已经采集好，并存储于数据库中。

需要说明的是，数据库中的数据在计算评价人机界面的相关参数之前就已经存在在数据库中，这些数据的来源方式与传统的用于计算评价人机界面的数据的来源方式相同，且这些数据可以通过载入或录入的方式存于计算机的数据库中。

二、数据处理模块

数据处理模块：用于从数据库中调取数据并进行处理计算，得到人机界面的综合评价值；在得到人机界面的综合评价值之前需要计算评价指标的隶属度、评价指标的权重及模糊综合评价结果向量，至于评价指标的隶属度、评价指标的权重及模糊综合评价结果向量的计算后面计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法会详细提及。

三、输出显示模块

输出显示模块：与数据处理模块通信并用于输出数据处理模块计算出的人机界面的评价结果，最简单的，该评价结果为人机界面的综合评价值以及综合评价值所归属的人机界面评价等级。

采用上述计算机系统来辅助评价工业系统数字化人机界面的方法主要包括以下三大步骤：

步骤一：

从数据库中调取关于人机界面的因素集、评语集以及所有指标的评语值，确定人机界面评价指标的隶属度矩阵R。

评价指标的隶属度矩阵R是由所有评价指标的隶属度综合在一起建立而成，评价指标的隶属度表示各因素对应在各评价等级上的频率，计算隶属度时采用等级比重法，如下：

r_ij,c表示影响因子x在c评价等级上的隶属度，Q_ij表示在影响因子x上选取c评价等级的评价报告份数，Q为评价影响因子x的评价报告总份数，c为评语集“优，良，中等，较差，差”中任意一个评价等级，值得注意的是，数据处理模块通过对数据库中的指标评语值进行统计分类可以得到前述Qij和Q。

隶属度矩阵R是对人机界面进行综合评价的基础，R中不同的行可以反映被人机界面从不同的单因素来看对各等级模糊子集的隶属程度。

步骤二：

1、计算并选取评价指标对应的权重；

从工业系统数字化人机界面评价指标体系表表1中可以得知，评价指标的权重应当包括一级评价指标下的二级指标权重以及所有二级评价指标综合权重，常用的确定指标权重的方法有以下几种：一是主观经验法，二是专家调查加权法，三是层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，四是决策实验和评价实验法(Decision MakingTrial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)。前两种方法比较简单，操作性较强，但主观性强，随意性大，精度不够，导致评估指标间相对重要性得不到合理体现，因而带来评估失衡的问题，在本发明中，由于每个一级指标对应的二级指标之间相互影响较弱，更体现指标之间的重要性，因此，一级指标对应的二级指标权重宜采用AHP法，而人机界面所有二级指标，由于指标数量较多，跨度较大，指标之间更体现了相互影响，因此采用DEMATEL法求其综合权重更为合适。

基于AHP法计算一级评价指标下的二级指标权重：

1)调取数据库中的指标相对重要度建立判断矩阵A＝(a_ij)_mn，其中a_ij表示i元素和j元素相对于目标的重要值，a_ji＝1/a_ij，m表示判断矩阵行的数量，n表示判断矩阵列的数量；

2)计算每行元素的乘积，计算每行的n次根，归一化处理；

3)计算出判断矩阵的最大特征值λ_max，计算随机一致性比率CR，即CR＝CI/RI，其中，RI为常数，CR<0.1表示一致性好：

CI＝(λ_max-n)/(n-1)。

采用上述方法得到的工业系统数字化人机界面一级指标下的二级指标权重如下表3所示：

表3工业系统数字化人机界面一级指标下的二级指标权重

基于DEMATEL法计算工业系统数字化人机界面所有二级指标综合权重：

1)调取数据库中的指标相对关系值构建初始直接关系矩阵D；

其中，n为元素的个数，对角线均设为0，x_ij表示横向指标i对纵向指标j的直接影响程度，其值范围为[0，5]之间；

2)计算规范化直接影响矩阵X，X＝λ*D；

3)确定综合影响矩阵T，T＝X(I-X)^-1，其中I为单位矩阵；

4)计算中心度、原因度以及指标影响权重；

中心度m_i＝r_i+c_i；

原因度n_i＝r_i-c_i；

指标影响权重

其中，

r为综合影响矩阵的行和，c为综合影响矩阵列的和，i＝j，

采用上述方法得到的工业系统数字化人机界面所有二级指标综合权重如下表4所示：

表4工业系统数字化人机界面所有二级指标综合权重

2、计算模糊综合评价结果向量S

本发明中用所有评价指标的权重可以建立评价指标的权重向量W，指标权重向量W将评价指标的隶属度矩阵R中不同的行进行综合就可以得到被人机界面从总体上来看对各等级模糊子集的隶属程度，即模糊综合评价结果向量S，基于此，模糊综合评价结果向量S的计算式为：

其中，S表示V上的模糊子集，w_d表示第d个指标的权重，r_dp表示第d各指标在p评价等级上的隶属度，s_j(j＝1,2,……p)表示评价集结果V_j对S的隶属程度。

3、计算人机界面的综合评价值P_g(人机界面)

一般来说，模糊综合评价的结果是一个向量，其反应的是评价对象对各等级模糊子集的隶属度，并非点值，不易比较，因此需求取每个评价对象的综合分值。将模糊综合评价集S与评语集的标准隶属度V进行综合即可得到评价对象的综合隶属度。有：

P_g(人机界面)＝S*V^T； (3)

P_g(人机界面)表示第g个一级指标下对应的二级指标或整体二级指标下人机界面评价的综合分值，V^T表示V的转置。

步骤三：

输出人机界面的评价结果。根据需要评价的人机界面的指标内容，步骤二中得到的综合评价值为一组或多组数值，为明确人机界面设计质量的高低，应当将综合评价值进行定性，划分为多个等级，而人机界面评价等级的划分应与评语集相对应，也即将其划分为“差，较差、中等、良好和优秀”五个等级，通过将数据处理模块得到的人机界面的综合评价值以及综合评价值所对应归属的人机界面评价等级输出到输出显示模块中就可以获知人机界面的设计质量，具体的，本实施方式中人机界面设计质量的判断标准如下表5所示：

表5工业系统数字化人机界面设计质量的判断标准

为了更好的理解本发明中人机界面的综合评价值的计算过程，本发明举例说明一级指标下二级指标“显示特征”对人机界面评价的计算过程，具体如下：

一、确定隶属度矩阵

根据前述步骤一中的方法计算得到“显示特征”指标的隶属度，由此得到“显示特征”指标的隶属度矩阵统计表，如下表6所示：

表6数字化人机界面“显示特征”指标的隶属度矩阵统计表

二、计算人机界面的综合评价值

1)选取因子对应的权重

若为单独一级指标下二级指标对人机界面的局部评价，评估指标的权重就选用经AHP方法获得的权重，即：人机界面一级指标下的二级评价指标权重(表3)；若为所有指标对人机界面的整体评价，应选取本发明中经DEMATAL法计算获得的权重，即：二级指标综合评价权重(表4)。本部分举例是一级指标下二级指标“显示特征”对人机界面的局部评价，因此权重为：W＝(WA11,WA12,WA13,WA14)＝(32,29,22,17)。

2)计算模糊综合评价结果向量S

根据式(2)及录属度矩阵，计算模糊评价结果：

3)计算人机界面的综合评价值P_g(人机界面)

根据式(3)及评语集标准隶属度V，人机界面综合评价值为：

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (6)

1.计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、从数据库中调取关于人机界面的因素集、评语集以及所有评价指标的评语值，结合所述因素集、评语集以及评价指标的评语值确定人机界面评价指标的隶属度矩阵；

步骤二、计算评价指标的权重和人机界面的综合评价值；

步骤三、输出人机界面的评价结果。

2.根据权利要求1所述的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法，其特征在于：在步骤二中计算人机界面的综合评价值时：

先选取评价指标对应的权重；

再计算模糊综合评价结果向量S＝W*R，其中W表示评价指标的权重向量，R表示评价指标的隶属度矩阵；

最后计算人机界面的综合评价值P_g(人机界面)＝S*V^T，其中V表示评语集标准隶属度，V^T表示V的转置。

3.根据权利要求2所述的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法，其特征在于：所述评价指标的权重包括一级评价指标下的二级指标权重以及所有二级评价指标综合权重。

4.根据权利要求3所述的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法，其特征在于：所述一级评价指标下的二级指标权重采用以下方法获得：

1)调取数据库中的指标相对重要度建立判断矩阵A＝(a_ij)_mn，其中a_ij表示i元素和j元素相对于目标的重要值，a_ji＝1/a_ij；

2)计算每行元素的乘积，计算每行的n次根，归一化处理；

3)计算出判断矩阵的最大特征值λ_max，计算随机一致性比率CR，即CR＝CI/RI，其中，RI为常数，CR<0.1表示一致性好：

CI＝(λ_max-n)/(n-1)。

5.根据权利要求4所述的计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的方法，其特征在于：所有二级指标综合权重采用以下方法获得：

1)调取数据库中的指标相对关系值构建初始直接关系矩阵D；

其中，n为元素的个数，对角线均设为0，x_ij表示横向指标i对纵向指标j的直接影响程度，其值范围为[0，5]之间；

2)计算规范化直接影响矩阵X，X＝λ*D；

3)确定综合影响矩阵T，T＝X(I-X)^-1，其中I为单位矩阵；

4)计算中心度、原因度以及指标影响权重；

中心度m_i＝r_i+c_i；

原因度n_i＝r_i-c_i；

指标影响权重

其中，

r为综合影响矩阵的行和，c为综合影响矩阵列的和，i＝j，

(i＝1,2,…,n)。

6.计算机辅助评价工业系统数字化人机界面的系统，其特征在于包括：

数据库：用于存储有关人机界面的数据并与数据处理模块通信，所述数据至少包括因素集、评语集、评语集标准隶属度、指标评语值、指标相对重要度、指标相对关系值；

数据处理模块：用于从数据库中调取数据并执行权利要求1-5中的步骤一和步骤二；得到人机界面的综合评价值；

输出显示模块：与所述数据处理模块通信并用于输出数据处理模块计算出的人机界面的评价结果，所述结果至少包括人机界面的综合评价值。