0引言

随着信息技术的不断发展，数字化控制系统已逐渐取代传统控制系统，广泛应用于核电、船舶、航空等领域^[1]。相比传统的控制系统，核电厂数字化人机界面无疑更为复杂，信息量更为巨大，这让操纵员在进行人机交互时面临更大的挑战，增加了人因失误的概率。在我国有大约70%的核工业事故与人因失误有关^[2]，而核安全问题是核电领域需要最优先考虑的，李鹏程等^[3]认为人的因素或人机界面等因素对核电厂的运行起着关键作用，所以研究核电厂数字化人机界面复杂度意义重大。

1熵的相关理论

熵是用来表示能量在空间分布的均匀程度，能量分布越均匀熵也就越大，熵的最大值就是能量完全均匀分布时。1948年，Shannon首次提出了“信息熵”的概念，其数学表达式为：

（1）

其中表示信息熵，为信息源的个数，表示第个信息源，表示第个信息源出现的概率。信息熵可以被用来度量信息的混乱程度，由公式(1)可知，一个系统的信息越有序，信息熵就越小；一个系统的信息越混乱，信息熵也就越大。

Mowshowitz 定义了图形熵，并提供了两种类型的计算方法，分别为一阶熵和二阶熵，其中一阶熵可以用来表示系统逻辑结构的复杂性，一阶熵值越小代表程序逻辑上越规范；二阶熵可以用来表示系统控制图的层次数量或信息量大小，二阶熵值小表明控制图层次复杂度低，所含信息量较小。

2复杂度分析

2.1指标确定

对于核电厂这样一个复杂的工业系统，人机界面复杂度的研究必然需要统筹考虑操作界面、规程和执行任务的复杂度。信息系统的信息复杂性决定了操作界面的复杂性^[4]，如画面信息量大，操作区域繁多，色彩更丰富等。与传统系统相比，当前的数字化系统的执行任务更加复杂，操纵员不仅要完成主要的任务（监视、状态评估、响应计划和响应执行)，而且经常需要执行二类任务(即界面管理任务)，如画面配置、导航、查询等^[5]，所以执行任务的复杂度很大程度上能影响操纵员的情景意识，从而影响绩效。同时，数字化人机界面采用的是软控制，即通过对计算机界面上的虚拟图标进行操作从而完成执行控制，并不是像传统系统一样直接物理操作，软控制操作的复杂度也应作为人机界面复杂度的某一方面而考虑。数字化规程是一项全新的技术，它代替了传统界面采用的纸质规程，通过对多年积累的工作方式和运行流程的数字化，大大增加了规程的可读性和操作性。但由于规程十分复杂，容易迷失在规程中，降低操纵员情景意识，从而影响人员绩效。

综上，出于客观评价的角度，本文在选择指标时排除操纵员个体间的差异，如知识经验水平的不同等，确定数字化人机界面复杂度计算的指标主要从规程复杂度、任务相关复杂度和操作界面复杂度三个方面考虑。其中规程复杂度分为规程逻辑复杂度和规程步骤复杂度。任务相关复杂度主要以操纵员在执行过程中界面管理任务的复杂度和软控制操作复杂度为主要参考依据。操作界面的复杂度分为界面整体布局和界面各元素的复杂度，界面元素从视觉角度选取文字、图像和色彩作为分析对象，故最终确定了八个人机界面复杂度计算指标.

2.2指标权重分配

为了确定所选指标的权重，本文邀请了38位经过专业培训，且工作五年以上，对核电厂数字化控制系统非常熟悉的主控室操纵员和核电安全领域专家，向他们发放指标权重调查表，按照1—5级评分值就各指标在人机界面复杂度中的重要程度进行打分。

熵值可以用来度量信息的不确定性，信息量越大，不确定性就越小，熵值也就越小，因此本文决定采用熵值携带的信息进行权重计算，结合各项指标的变异程度，利用信息熵这个工具，计算出各项指标的权重。采用熵值法计算权重可操作性强，而且是基于打分进行的计算，计算结果也较为客观，可以避免主观上的不确定性和争议。首先将表1的打分数据进行标准化处理，再采用熵值法求得规程逻辑复杂度、规程步骤复杂度、界面管理任务复杂度、软控制操作复杂度、文字复杂度、图像复杂度、色彩复杂度和界面布局复杂度等八个指标的权重。

2.3复杂度计算

基于Mowshowitz的图形熵原理，依据核电厂SOP事故运行导则，首先画出规程导则图、界面管理任务信息图、软控制操作图以及界面各元素复杂度图像，再分别计算图的一二阶熵。其中规程导则图是运行导则的原有表现形式，规程导则图的一阶熵可以用来计算规程逻辑结构的复杂度，二阶熵可以用来度量规程步骤的复杂度。界面管理任务信息图的表现形式为数据结构信息图，将执行过程中界面管理任务的内容、种类、数量等信息显示出来，计算任务信息图的二阶熵可以度量任务信息的复杂度。同理，计算软控制操作图的二阶熵可以度量操纵员软控制操作的复杂度，计算界面文字、图像、色彩信息图的二阶熵可以得到界面各元素的复杂度值。

对于界面布局的复杂度，本文打算通过计算操作界面整体布局的图像熵来度量。由Shannon的信息熵理论我们可以得出，由于图像也是一种信息的表现形式，我们可以通过计算图像熵来反映图像的信息量大小，根据图像中不同位置的像素灰度不同的原理，可以计算图像熵：

（2）

其中为灰度在该图像中出现的概率，为图像中灰度级类型总数。不仅如此，图像熵还可表征图像信息的混乱程度，图像信息量越混乱，布局越复杂，图像熵就越大。所以，可将完整的核电厂数字化人机界面做灰度处理，并计算其图像熵，用以表征界面布局的复杂度，其他学者通过实验验证了这种方法的可靠性。

最后采用欧几里得范数将八个复杂度指标进行加权，求得最终的核电厂数字化人机界面复杂度的值为：

（3）

其中、、、、、、、分别为八个复杂度指标的熵值，、、、、、、、分别为八个复杂度指标的对应权重.

3结论与不足

本文将信息熵的相关理论运用到核电厂数字化人机界面复杂度评价的领域，从规程复杂度、任务相关复杂度和操作界面复杂度三个方面着手，建立了较为客观的数字化人机界面复杂度指标体系，再结合熵的概念提出了核电厂人机界面复杂度计算方法。

本文虽然依据核电厂数字化人机界面的具体特征建立了指标体系，基于熵的概念提出了复杂度计算方法，但是只选取了几个方面进行研究，人机界面还有一些其他的方面需要研究，复杂度体系还有待完善，该方法也需要在今后的研究中不断进行改善。

参考文献

[1] Brito G D. Towards a model for the study of written procedure following in dynamic environments[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2002, 75(2):233-244.

[2] 黄卫刚,张力.大亚湾核电站人因事件分析与预防对策[J].核动力工程,1998(01):3-5.

[3] 李鹏程,张力,戴立操,黄卫刚.核电厂数字化人-机界面特征对人因失误的影响研究[J].核动力工程,2011,32(01):48-52.

[4] 丁怡. 基于复杂信息系统界面可用性评估指标体系的研究[D].北京邮电大学,2016.

[5] O’Hara J.M, Brown W.S., Lewis P.M. et al. The effects of interface management tasks on crew performance and safety in complex, computer-based systems: detailed analysis[R]. Washington D.C: U.S. NRC, 2002.

【作者简介】王炎鑫1995.2  男  汉  江苏泰州  硕士 助理工程师 供应链管理