文章编号:1006-8309(2008)04-0023-05
基金项目:船舶工业国防科技预研基金(2004j 1.1.4)
作者简介:李玲(1964- ),女,江苏徐州人,副研究员,博士研究生,研究方向:人机工程,(电话)0511-********(电子信箱)z w cbk@j y ahoo .co https://www.doczj.com/doc/6213843872.html, 。
生态界面在船舶进水监控系统中的应用研究
李玲1
,李游2
,解洪成2
,陈圻
1
(1.南京航空航天大学经济管理学院南京 210016;2.江苏科技大学经济管理学院,江苏镇江 212003)
摘要:本文首先说明了生态界面比传统人机界面的优势和将生态界面设计理论引入到船舶人机系统界面设计中的意义,总结了生态界面设计的理论基础,研究了设计步骤,即: 建立目标-方法体系框架; 语义映射; 实验检验。结合实例给出了设计方案。研究结果表明,通过改变进水舱室的水位,可以直观的看出舱室进水和排水的过程和状态,以及舱室排水的优先方案,为舰船操作人员在新情况下现场解决新问题提供了有效支持。
关键词:船舶;人机系统;生态界面设计;监控中图分类号:T P273;U 66 文献标识码:A
St udy on Ecological Interf ace for Shi p s F looding Supervisory Control Syste m
LI L i n g 1
,LI You 2
,X I E H ong-cheng 2
,C HEN Q i
1
(1.Schoo l o f E conom i cs andM anagem ent,N an jing U niversity of A eronau tics&A stronautics ,N an ji ng J i angsu 210016,China ;2.School o f Econom ics and M anage m ent,Ji ang su U n i versity of Science and T echno l ogy ,Zhen ji ang Ji angsu 212003,Ch i na)
Abstract :T he advan tages of eco l og i ca l i nterface co m pa red w it h a trad iti onal hu m an-m ach i ne i nterface were shown ,and the si gn ificance that t he eco l og ica l i nterface des i gn (E I D )theory w as i ntroduced i n i nter f ace desi gn for sh i p m an-m ach i ne syste m w as explained.The bases o f E I D theo ry we re su mm a rized,t he process o f EID w as stud -i ed,v iz . set up m eans-ends fra m ewo rk , se m antic m app i ng , exper i m ent test,and the E I D scheme o f the ex a m ple w as stud i ed.T he resu lt of research shows that the process o f shi p flood i ng and draini ng can be seen d-i rectl y fro m t he i nterface when chang i ng w ate rline of fl ooding compart m ent ,and the prefe renti a l sche m e o f co m par-t m ent dra i n i ng w as shown .It suppo rts the opera tors to m ake t he r i ght decision under ne w c ircu m stances .
K ey words :ship ;m an-m ach i ne syste m;ecolog i ca l interface design ;m onitor
1 引言
生态界面设计(Eco log ica l Interface Desi g n ,E I D )是将认知心理学原理应用到人机界面设计中的理论体系,主要用于设计复杂社会技术系统中的人机界面,已经被证明对过程控制是可行和有效的。与传统的人机界面相比,生态界面最大的优势就是为系统操作人员在需要做出正确决策
的新情况下解决新问题提供有效支持。E I D 的最终目标是为操作人员提供一个能使他们在未预知事件发生时做出有效适应性行为的界面,从而保证人机系统的安全[1]
。在国外,生态界面设计理
论已经开始应用到航空运输、网络管理、医学诊断
等领域
[2~3]
,但目前还停留在实验室阶段,没有应
用到大规模的工业实践中。国内这方面的研究很
少,将生态界面设计理论应用到船舶人机系统界面设计中尚未见报道。现代舰船是一个复杂的社会技术系统,其高度复杂化和自动化导致系统将未预知事件的决策任务主要交给人来完成,这大大增加了操作人员的脑力负荷和心理负担。为了给操作人员正确决策提供支持,减轻其心理负担,从而减少人为失误,将E I D 理论引入舰船人机系统设计对进一步提高舰船自动化,促进E I D 理论在舰船设计中的应用有着积极的意义。2 E I D 的理论基础
生态界面设计的理论基础是抽象层次(Ab -stractH ierarchy ,AH )理论和SRK 分类法理论(Skil,l Ru le ,Kno w ledge Taxono m y )
[1]
。Ras m ussen 定义了过程控制中抽象层次的5个层次: 功能性目的:描述控制整个工作域及其环境的目标、目的和约束,用于恰当的定义系统边界; 抽象功能和优先级测量:用于为一般性功能和以下各个层次设置优先级和分配资源,主要描述工作域的物质和能量的流动信息; 一般性功能和工作活动。指某一具体工作域中具有一般性和熟知术语的活动和功能,包括任何有描述词但独立于物理实现层次的功能和活动,如 电力转换 、 热交换 、 安全系统 等活动; 物理功能和过程。用于描述过程的物理实现,主要涉及维持工程和过程的设备运转和人员活动,对功能的描述可用文字描述、数学等式、图片解释等方式在物理过程中表示; 物理形式和构造:即对物料资源、部件及其外观的描述,如 水泵 、 热传感器 、 警报器 等。
SRK 分类法理论将基于技能的行为(Sk ill-Based Behav i o r ,SBB )、基于规则的行为(Ru le -Based B ehavior,RBB )和基于知识的行为(Kno w -l edge-Based Behav ior,KBB)分别定义为以信号、标记、符号为特征的认知行为方式。因此,认知控制可能依赖于全自动行为模式(SBB )、一套规则-行动映射模式(RBB ),或用符号表示的问题求解操作模式(KBB)。这三种行为方式是以对可用信息的不同使用方式为特点的。E I D 的设计原则对应于SRK 分类法的三种认知行为
[1~2]
,即:
SBB 对应一个经由时间和空间信号交互作用后,操作员能够直接操作的界面,且界面上显示的信息结构与内部物体运动的部分-整体关系一
致;RBB 对应一个工作域约束和界面所提供
的规则信息或标记之间可靠、连续的一一映射;KBB 对应以抽象层次的形式表示工作域,此抽象层次是支持基于知识的问题求解的一个外部化思维模型。这些原则有一个共同的目标,就是在支持操作员的操作行为方面界面要尽可能地实现人的较低级别的认知控制行为(SBB 或RBB),同时又要为操作员面对新情况、新问题下的现场求解活动(KBB)提供足够的支持。3 生态界面设计
E I D 界面的设计过程目前还没有一个统一详细的理论叙述,而且绝大部分E I D 界面的实践还停留在实验室阶段,还没有经过工业规模实际条件下的应用[4]
,但从一些具有代表性的有关E I D
实际创作的文献中可以基本总结出3个主要步
骤
[3~6]
: 建立目标-方法体系框架; 语义映射(Se m antic M app i n g ); 实验检验。本文以船舱进水监控系统为例探讨生态界面设计方法。3.1 建立目标-方法体系框架
目标-方法体系框架是对操作人员成功操作所需的知识和信息进行规范化的描述。它包括两部分:工作域分析和整体-部分分解。将这两部分的分析结果综合在一起就构成了抽象层次分析过程。抽象层次分析的作用就是为定义系统中操作员的角色以及他们所需的信息显示和控制需求提供基础。图1为用一个二维表格表示船舱进水监控系统的抽象层次模型。图中 黑点 表示该部分通常在工作域分析中意义不大或不分析,标注 N /A 的部分表示不存在这个层次。
图1 船舱进水监视系统目标方法体系框架
图1中纵坐标表示水位监控系统的AH 中的5个层次,相邻层次间的箭头表示方法-目的关系,系统在某一层次上正常运转的条件是对更低层次有意义操作的约束,但对系统的状态评估则
由较低层次作用在较高层次上的效果确定。例如,将舱室的水位控制目标作为抽象层次的功能性目的,它是整个系统设计的目的,抽象功能和一般性功能都围绕这一目的运行,它构成了下面各个层次有意义运行的约束,而下面的层次又是对如何实现水位控制目标方法的说明,它们之间构成了方法-目的关系。横坐标表示对工作域的整体-部分分解(系统-全部舱室,子系统-进水舱室及周边舱室,单元-进水舱室,部件-舱室内部结构)。
3.2 语义映射
语义映射是将由目标-方法体系框架所确定的系统中的重要关系和约束映射到界面上视觉和图形的关系。语义映射的原则是映射后图形或视觉的关系要完整地保留原有关系和约束的性质,使操作员不仅能从界面获取单个部件的信息,而且能通过图形所表达的信息在全局的层次上获取单个部件之间关系的信息。
船舱进水监控系统的任务就是确定进水舱室的位置并控制水势不向周边舱室蔓延。要实现这些目标,需要向系统操作员提供足够的信息,这些信息包括进水舱室的位置信息、水位信息、水势蔓延趋势信息等。基于上述目标-方法体系框架,功能性目的就是船舱水位的控制目标值。用一个三维柱体表示水位情况,蓝色部分表示进水的水量(颜色的选择符合视觉动量原理)[4],一共有5种状态显示:只要有一个舱室进水(为了防止误报,假定进水量占舱室体积2%以下为 无进水 ),在柱体中便有蓝色部分显示。蓝色表示水的颜色,柱体上面的提示由最初的 无进水 变为 船舱进水 ,蓝色柱体的高低表示进水量占舱室体积的百分比(本文只关注进水量百分比占舱室体积20%以下的情况)。当有多个舱室进水时,柱体只显示进水量百分比最大的舱室的信息,提示信息由 船舱进水 变为 多船舱进水 ;当水位超过10%时用黄色表示高水位;超过15%用红色表示紧急水位(见图2)。在实际设计中,抽象功能视图表示物质和能量的流动过程[3~4],本文用来表示水流由一个进水舱室向周边舱室蔓延的过程,这一过程基于著名的柏努利方程(Ber nou lli s Equation):
图2 功能性目的视图
其中, Q/ t是水流率,A是两相邻舱室的连通面积,p1、p2分别是进水舱室与相邻舱室内的压强, 是蔓延水流的密度[7](见图3)。
图3 抽象功能视图
图3中带颜色的柱体表示各个舱室的进水体积占其舱室高度(体积)的百分比(假定舱室为规则的立方体,进水体积是进水高度的单值函数,因此高度百分比也即体积百分比,最高为20%),柱体下面的舱室标号按照图4中的舱室连接状态的广度遍历顺序排列,这样可以反映出水势蔓延的先后顺序。颜色的选择与图4中的水势蔓延情况一致,即1号舱室进水严重(假设百分比为17%,),6号舱室进水高度比为13%,而4号和8号舱室均未超过各自高度的2%,即处于 无进水 状态。由各个舱室的压强传感器所探测到的1号和6号舱室的舱门连通处底部压强(pgh)作差,图3中用从红色柱体顶端引出的红线和由黄色柱体顶端引出的黄线分别表示二者压强,再将其2/ 倍投映到y2轴上,A、B两点的距离表示压强差,线段AB经过函数y=x的 转换 投映到x2轴上,与射线L1交于D点,L1的作用是将x2轴上的单位面积水流率乘以面积A,即1、6号舱室水流连通的面积。上述过程和步骤反映出(1)式中
等号右边的各项,最终投映到y 4轴上的线段m 1的长度就代表了1、6号舱室连通处单位时间的水流量(即水流率)。
将C 6舱室进水体积百分比上限(假定为其总体积的20%)和进水体积(13%)经过射线L 2分别投映到x 1轴上,L 2是由C 6进水体积百分比上限与当前进水体积百分比的差(7%)乘以舱室体积V 确定的。这样x 1轴上黄色数据点F 和红色数据点G 之间的距离就是C 6当前进水体积与其舱室进水体积上限之差,再经过等值投映到y 3轴上得到线段v 1,则v 1与m 1的商就是在当前水流率条件下水从舱室C 1向C 6蔓延,直到灌满C 6体积上限的时间。绿线的左端点Q 1表示舱室C 6的体积上限(其总体积的20%)与安全体积(其总体积的2%)之差,右端点Q 2表示没有水势蔓延(水流率为0),因此,绿线Q 1Q 2就是没有水势蔓延时C 6的目标状态。由于信息是实时更新的,既当操作员采取有效控制措施后,图中舱室C 1和C 6的柱体颜色会发生相应的变化(C 1由红变黄,C 6由黄变蓝,直至变绿,与颜色对应的各界面元素,如数据点和连线也会发生对应的颜色变化),因此,操作员在排除险情时,只需控制相关的排水和舱门监控设备,使黄线不断地向目标状态绿线靠近即可,而不需要做出复杂的思考(即尽量使用人类的较低级别的认知控制行为:SBB 和RBB );同时图上清晰地反映出这个过程所依据的柏努利方程,使操作员不但清晰地了解表面现象,更明白它的内部原理,这就为突发情况下有效处理和解决新问题(基于KBB 的问题求解)提供了良好的支持。以上两方面满足了E I D 的两大目标。
图4为某一时刻舱室水势蔓延趋势图,C 1为最初进水舱室(假定其进水水位已超过舱室体积的15%,故用红色表示),C 6为与C 1邻近的舱室,且假定其水位超过10%,故用黄色表示,C 4和C 8为与C 6邻近的舱室,由于水位未超过2%,故用绿色表示,但若不加以控制,C 4和C 8也很快会成为新的进水舱室。因此,C 6、C 4和C 8连接的舱门开放程度变小,并将这两处舱门作放大闪烁及加红处理,提醒操作员及时关闭舱门,以防止水势进一步蔓延。右边的子图说明了此时水流可能的蔓延舱室路线,颜色与左图对应。物理功能视图表示所监视的各个设备的性能参数、物理设置等信
息,如舱室的体积、密封性能、舱室设备的耐水程
度等。物理形式视图表示系统监视的各个设备的外观、空间布局等信息。这两个视图通常被整合成一个视图,而且大多数情况下物理形式视图的信息不单独表示出来,而是间接的体现在功能性视图中,这在相关的E I D 理论及实例创作著作中
都有所体现[2~6]
。有关物理功能视图的相关信息(如舱室的体积、相邻舱室连通处的面积)在本文中的抽象功能视图中已有所体现,只是具体数值并没有给出,因为本文是一个通用性的设计方案,具体数值和这两部分视图的设计与整合要根据具体的船舶监控系统的性能参数来设计。
图4 一般性功能视图
3.3 生态界面模拟
设计生态界面首先要考虑界面所涉及信息的
接近度,即界面信息的整合方式。Ras mussen 和V icente 在 生态界面设计:理论基础
[1]
中指出,
生态界面中的任何信息若存在目标相关关系则认为是接近的[8]
。由于抽象层次理论模型中的不同层次间存在方法-目的关系,而同一抽象层次又存在整体-部分关系,因此生态界面一共有三种信息整合方式:高空间低时间整合(HL)、低空间
高时间整合(L H )、高空间高时间整合(HH )[8]
。本文采用L H 的整合方式,即在显示屏上将抽象层次的所有层次信息同步实时地显示出来,系统监视和控制的各个部件在一个层次视图上的信息出现变化,其余各个层次视图上的信息也会显示出相应的变化。
根据以上分析,采用科学研究和工程领域中最主要的图形开发工具Lab V I E W 8.2[9]
对船舶进水监控系统进行模拟,着重实现生态界面最具特色的功能 功能性目的和抽象功能。采用生态界面信息接近度中的L H 原则,即各个级别的信息在界面上同时显示。本实例界面包括了进水舱室最高水位信息、关联进水舱室水位信息、相邻进
水舱室的水位差信息、舱室剩余体积信息、排水过程图形显示、排空舱室水的剩余时间、舱室排水优先选择方案等。模拟界面见图5。本界面是一个通用设计方案,根据具体船型,还需添加有关进水舱室的操作按钮(如舱门控制开关、排水设备控制开关等)、现场视频信息、声音预警装置等信息
[10]
。
图5 船舱进水监控系统模拟界面
4 结论
本文探讨了一般船舱进水监控系统的生态界面设计过程、主要视图的设计方案及生态界面模拟,设计时遵循生态界面设计原则和要求,在抽象功能视图中通过向操作员充分传达内部监视机理的信息,并将复杂的公式原理通过生态界面设计原则直观地显示出来。模拟结果表明,通过改变进水舱室的水位,可以直观的看出舱室进水和排水的过程和状态,以及舱室排水的优先方案,大大减轻了操作员的脑力负荷和心里负担,为操作员在新情况下现场解决新问题提供了有效支持。虽然本文所基于的监视系统控制目标只有水位一项,但这一设计过程在舰船损管监控系统的生态界面设计中具有借鉴意义,它的设计思路是通用的。
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[收稿日期]2007-09-06[修回日期]2008-08-07