礦山瓦斯監測系統中界面參數名稱呈現方式的眼動研究

孫林輝，韓貝貝，袁曉芳

(西安科技大學 管理學院，西安 710054)

1 引言

瓦斯突出作為煤礦“五害”之一，瓦斯爆炸事故在煤礦事故中危害程度最大，嚴重威脅礦井安全生產[1]，因此瓦斯監測系統是數字化礦山安全生產監測系統的重要組成部分。隨著數字化的發展，瓦斯監控系統中的調度監控作業任務在復雜的人-機交互(Human-Computer Interaction，HCI)系統下完成，監控室操作員的任務由過去在控制室巡盤和手動操作轉變為直接從大屏幕和計算機顯示終端上獲取系統各部分的運行狀態，完成信息監視、狀態管理、任務響應、計劃執行等認知與操縱任務。由于監控界面的信息顯示內容、信息顯示方式以及監控人員的作業方式發生了根本性變化，使得監控作業人員的視覺搜索效率尤為重要[2]。

監控任務界面中的信息主要指系統呈現在界面上傳遞給操作者認讀的內容，包括字符、文本、圖像、圖標、色彩、維度等表達方式，通過不同呈現方式組成特指含義的信息塊[3]。由于人類從外部環境獲得的信息中有90%來自視覺[4]，因此視覺搜索在我們的日常生活和工作中起著廣泛而重要的作用。為了準確并及時了解各類環境參數和設備狀態，對系統進行有效地監控必不可少，監控作業人員的監控主要以視覺搜索為主[5]。視覺搜索是一種復雜的認知過程，是人獲取外界信息進而進行加工的一種重要方式，一般要求在某一刺激背景中找出特定刺激，具有較強的目的性[6]。當前，視覺搜索已經廣泛的應用于符號、字符及文字的目標識別與搜索中，且在已有的大多數視覺搜索研究中，都是對單目標視覺搜索進行研究的，在干擾字符中通過識別單個目標進而找出其視覺搜索規律。胡波等人[7]以單個字符為搜索目標設計了動態視覺搜索實驗，結果發現顯示移動速度對搜索績效的影響顯著。宮殿坤等人[8]采用視覺搜索程序和實驗內省法考察了漢字字體、字體大小和搜索方式對視覺搜索反應時的影響。但是在實際生活和工作中，人們需要進行視覺搜索的目標不止一個，如在核電站、交通樞紐、軍事作戰、機場或地鐵安檢等復雜的監控界面中，其危險源或需要重點監控的區域不止一個，所以多目標視覺搜索的研究也是具有重要意義的，了解多目標視覺搜索的特點，可以更好地對監控作業人員進行視覺搜索培訓和優化監控界面呈現方式。Morawski(1980年)等人[9]最先提出將搜索模型(隨機和系統)從搜索字段中的單目標任務擴展到多目標任務的視覺搜索研究。于瑞峰等人[10]以四個難度相近的符號進行視覺搜索實驗，結果發現多目標視覺搜索任務中，各個目標的搜索時間是相互影響的。目前大多數視覺搜索研究都是建立在假設和數學計算的基礎上，還缺乏客觀的眼動數據。徐兆方等人[11]首次以單個漢字作為多目標搜索的刺激材料，探討多目標搜索過程中目標搜索時間的規律和眼動行為特征。此外，視覺搜索效率還受到個體搜索方式的影響。Sternberg等人[12]認為視覺搜索的方式可能是平行掃描(Parallel scanning)或系列掃描。Chan等人[13]進行了雙目標的視覺搜索試驗，發現目標搜索時間小于30s時，被試大多采取隨機搜索策略。Wolfe等人[14]發現自由搜索和系統搜索兩種搜索方式的反應時間有差異。

數字化礦山瓦斯監控系統中界面信息主要由字符來呈現，其界面字符的顯示存在中、英文混雜，參數表達不統一等現象。目前對中、英文的對比研究大多在閱讀[15]、廣告符號[16]、城市道路指示標志[17]等領域。因此本文以礦井瓦斯監測系統為研究對象，借助眼動實驗以中、英文字符為刺激材料設計單目標和多目標兩種視覺搜索任務，對其監控界面中參數名稱中英文呈現方式進行眼動實驗，直觀地獲取被試的搜索策略，分析中、英文字符的注視時間、注視點數及眼動軌跡等眼動數據，研究兩類呈現方式對被試界面搜索效率的影響，揭示人在兩種不同實驗材料中的視覺搜索規律和認知過程，為界面的呈現方式提出合理化建議，以提高監控作業人員監控效率和可靠性。

2 對象與方法

實驗采用2(文字：中文、英文)×2(搜索任務：單目標、多目標)兩因素設計。其中中、英文字符分別隨機排列在4×3如圖1所示的表格中，它們由計算機呈現在24英寸的顯示屏上，計算機程序自動記錄每個目標字符的眼動搜索時間，眼動儀自動記錄被試搜索過程中的眼動數據。在搜索過程中干擾字符和目標字符分別是中文和分子式并同時出現。因為被試對頁面不同位置的注意力分配不同，存在明顯的區域偏好[18]，為了減少中文與英文目標字符分布位置對搜索績效的影響，將12個格子從1到12進行編碼，每張實驗材料均利用隨機數生成器隨機生成目標字符與干擾字符的位置，并確保目標字符隨機分布在圖片的四個象限內，英文字符位置與中文保持一致。Han等人[19]認為工作記憶的加工任務會影響視覺搜索，為了減少搜索過程產生搜索記憶對搜索績效的影響，在搜索任務設置上首先進行中文的單目標和多目標搜索，再進行英文的單目標和多目標搜索。

圖1 搜索任務實驗材料

在單目標搜索和多目標搜索任務中，中文與英文的目標字符是一致的。實驗中中、英文目標字符的提示語均為一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、二氧化硫(SO2)。多目標搜索實驗中目標字符的提示語順序為一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、二氧化硫(SO2)，且實驗過程中沒有規定被試搜索目標字符的先后順序。被試找到目標字符后點擊目標字符所在方格區域，目標字符全部找到后，圖片會自動跳轉至下一張。為了探明三個中文目標字符和三個英文目標字符各自之間是否具有相同的難度，在正式實驗之前共有15名在校大學生(男生8名，女生7名；年齡在22-25歲)參加了預實驗。用單因素方差分析法對中文和英文字符的注視時間分別進行分析，如表1所示。中文的單目標搜索中，目標字符的組內搜索時間無明顯差異(F(2，42)=1.83，P=0.17，P>0.05)；英文的單目標搜索中，目標字符的組內搜索時間無明顯差異(F(2，42)=1.91，P=0.16，P>0.05)。

表1 目標字符注視時間及組內單因素方差分析(ms)

2.1 被試

本實驗選取30名來自西安科技大學的在大學生，其中男生16名，女生14名，被試年齡在22-25歲之間。均為右利手，母語為漢語，各被試均無計算機操作障礙，裸眼視力或矯正視力均正常，無散光和色盲。所有被試之前都沒有參加過類似實驗的經歷或者有關于煤礦的相關知識背景，有一定的化學基礎。

2.2 實驗設備

本實驗采用RED-mobile桌面式眼動儀，是一款非接觸式、可自由移動的眼動追蹤系統。硬件包括一臺筆記本電腦和追蹤模塊。采樣率為250 Hz，視點位置準確度為0.4°，精確度為0.03°。軟件包括Experiment Center實驗設計軟件和SMI BeGaze眼動數據分析軟件。

2.3 實驗材料

本實驗的實驗材料選用12個煤礦瓦斯監測系統中常用的化學名稱，其中練習材料有4頁，正式實驗材料12頁(單目標中英文字符各三張，多目標中英文字符各三張)，提示材料14頁。中文字符的字體選擇當前實踐主要用的宋體，為了使看到的字體大小和實際相一致故選擇22磅字(約為三號字)。英文字符采用中文字符對應的分子式，字體大小與中文字符一致。

2.4 實驗程序

(1)在實驗正式開始之前先讓被試熟悉實驗材料，了解實驗中涉及到的化學名稱及對應的化學分子式。

(2)在被試坐在眼動儀前，給被試說明實驗要求。調整被試的位置和坐姿，被試距離屏幕大約在60-80 cm，使被試視線放松時的視線中心落在屏幕的中心附近并進行校準。

(3)被試在閱讀指導語后程序呈現中文搜索界面其次是英文搜索界面，單目標搜索任務在前多目標在后。每個實驗材料前面都有提示語，提示被試需要找到的目標字符，當被試找到時用鼠標點擊屏幕上目標字符所在的方格區域。在一次搜索任務完成后屏幕隨即顯示下一個要查找的實驗圖片。當中文搜索任務結束后，被試休息一分鐘，然后進入英文搜索任務。

3 實驗結果

3.1 單目標搜索實驗

由于眼球運動數據可以提供關于注視點數和注視持續時間的有價值的信息[20]。注視時間表示完成對目標的分析和判斷的總時間；注視點數表示視覺搜索的有效性，注視點數越多意味著單次信息獲取能力弱，搜索目標的相對難度較大，需增加注視點以補充輔助信息[21]。對被試單目標中英文搜索實驗的注視時間和注視點數進行比較結果見表2。進一步對中、英文的注視時間采用單因素方差分析發現，中、英文注視時間差異顯著(F(1，178)=80.657，P=0.000,P<0.01)，即在字符顯示類型上中文與英文的注視時間有顯著差異。對注視點數進行單因素方差分析結果發現，中、英文注視點數差異顯著(F(1，178)=37.111，P=0.000,P<0.01)，即在字符顯示類型上中文與英文的注視點數有顯著差異。

表2 單目標搜索實驗的注視時間和注視次數

3.2 多目標搜索實驗

多目標搜索實驗中目標字符的注視時間、注視點數如表3所示，通過單因素方差分析發現，多目標搜索實驗中被試中英文注視時間無明顯差異，(F(1，178)=2.481，P=0.117,P>0.05)。多目標搜索實驗中被試中英文注視點數無明顯差異(F(1，178)=0.095，P=0.758,P>0.05)。

表3 多目標搜索實驗的注視時間和注視點數

進一步研究多目標搜索實驗中各目標字符的搜索時間。在實驗過程中由于有六名被試(男生4名、女生2名)沒有記住多目標提示語而返回上一頁查看提示字符的情況，因此有效被試為24名(男生12名，女生12名)。將目標字符所在表格劃出興趣區并得到如下的各目標字符搜索時間公式：

T1=tE1

T2=tE2-tE1-tD1

T3=tE3-tE2-tD2

式中，T1、T2、T3分別為第一個、第二個、第三個目標字符的搜索時間；tE1、tE2、tE3分別為進入第一個、第二個、第三個目標字符所在興趣區的進入時間(Entry time);tD1、tD2分別為第一個、第二個目標字符所在興趣區域內所有注視點的注視時間和眼跳時間之和。有上述公式計算各目標的搜索時間如表4所示：

表4 多目標搜索實驗目標搜索時間(ms)

通過單因素方差分析發現，多目標搜索實驗中被試第一個目標字符的搜索時間中、英文無明顯差異(F(1，142)=2.56，P=0.112，P>0.05)。第二個目標字符的搜索時間中英文無明顯差異(F(1，142)=2.526，P=0.114，P>0.05)。第三個目標字符的搜索時間中、英文有明顯差異(F(1，142)=7.04，P=0.009，P<0.01)。

配對樣本T檢驗發現，中文第一個目標與第二個目標的搜索時間差異顯著(t=-4.299，P=0.000，P<0.01)。第二個目標與第三個目標的搜索時間差異顯著(t=-6.576，P=0.000，P<0.01)。中文第一個目標與第三個目標的搜索時間差異顯著(t=-2.467，P=0.016，P<0.05)。進一步對比英文目標字符的搜索時間發現，英文第一個目標與第二個目標的搜索時間差異顯著(t=-5.306，P=0.000，P<0.01)。英文第二個目標與第三個目標的搜索時間無明顯差異(t=-1.085，P=0.281，P>0.05)。英文第一個目標與第三個目標的搜索時間無明顯差異(t=1.825，P=0.072，P>0.05)。

3.3 搜索方式結果

眼動儀記錄下單目標和多目標搜索的掃描路徑如圖2-圖5所示。

通過Be Gaze分析軟件對被試搜索過程中的整體掃描路徑進行回放，可以看出被試在搜索過程中主要有兩種搜索方式：系統搜索、自由搜索，如圖6-圖7所示。

圖6 系統搜索軌跡圖

圖7 自由搜索軌跡圖

表5是用眼動記錄數據對搜索方式進行統計的結果，在中英文單目標搜索實驗中對搜索方式進行配對樣本T檢驗，結果發現單目標搜索實驗中英文目標的搜索方式無明顯差異(t=1.292，P=0.201，P>0.05)。在中英文多目標搜索實驗中對搜索方式進行配對樣本T檢驗，結果發現多目標搜索實驗中英文目標的搜索方式無明顯差異(t=0.728，P=0.472，P>0.05)。對比單目標搜索任務和多目標搜索任務結果發現，被試在單目標搜索任務和多目標搜索任務的搜索方式差異顯著(t=-16.651，P=0.000,P<0.01)。通過單因素方差分析發現，中文單目標字符的搜索方式男女無明顯差異(F(1，70)=1.432，P=0.235，P>0.05)。英文單目標字符的搜索方式男女無明顯差異(F(1，70)=1.29，P=0.063，P>0.05)。在多目標搜索實驗中發現被試無論男女在找中文字符和英文字符時均采用自由搜索，男女無差異。即性別不能預測搜索的種類。

針對不同搜索方式下被試的搜索時間進行分析結果如表6所示，通過單因素方差分析結果發現，中文單目標搜索實驗中系統搜索和自由搜索的被試注視時間差異顯著(F(1，70)=50.09，P=0.000，P<0.01)；單目標搜索實驗中被試英文注視時間差異顯著(F(1，70)=13.81，P=0.000，P<0.01)。

表6 不同搜索模式下被試的注視時間(ms)

4 討論

單目標搜索實驗數據分析結果發現，英文字符比中文字符的注視時間短，且其注視點數明顯少于中文字符。對搜索路徑圖分析發現，單目標中被試多采用系統搜索；自由搜索和系統搜索的反應時間有差異，這與Wolfe的研究一致。分析其原因：第一，中文字符與英文字符本身的差異。漢字是“音”、“形”、“意”的結合體，而英文字符較中文字符簡潔、好辨識。第二，中文字符的長度比其對應的英文字符長，使搜索中文字符的難度加大。第三，單目標系統搜索的注視時間明顯比自由搜索短，在單目標搜索過程中被試對目標字符的記憶難度較小，被試在搜索過程中只需要找到單個目標并不受到搜索順序的影響進行反復回視。

多目標搜索實驗數據分析結果發現，中、英文字符的注視時間和注視點數均沒有明顯差異(見圖8)。進而計算了中、英文多目標搜索中各個目標的搜索時間，結果發現：中、英文字符中第二個目標字符搜索時間最長；中文第三個目標字符搜索時間最短，第一個次之；英文第一個目標字符最短，第三個次之，與中文字符相反。第一個目標字符與第二個目標字符的搜索時間上中、英文均無明顯差異，而第三個目標字符中、英文差異顯著且英文的搜索時間大于中文。此結果與以往同類研究有所不同，徐兆方等在進行中文單個字符的多目標眼動實驗時發現第二個目標字符的搜索時間最短，第一個和第三個字符的搜索時間接近。湯洪濤等在進行多目標視覺搜索實驗時也發現第二個目標的搜索時間最短，第一個目標最長[22]。

對比單目標和多目標搜索的注視時間和注視點數發現，多目標的注視時間和注視點數大于單目標，在簡單的任務中很容易識別目標字符，需要處理少量的相關刺激，幾乎需要注意力資源。而在復雜任務中很難識別和判斷目標。此外，復雜任務需要處理大量的相關刺激，因此需要相當多的關注。參與者可以增加注視時間以補償其注意力資源并確保搜索準確性[23]。

對多目標搜索實驗的眼動搜索路徑圖分析發現：(1)多目標的搜索方式中、英文字符無差異。(2)多目標搜索多采用自由搜索。(3)性別無法預測搜索方式。分析上述結果的原因：第一，刺激材料和實驗過程的難度有差異。分析實驗材料發現大部分多目標實驗中的干擾字符是相同的，只要找到與干擾字符外形不同的目標字符即可，只是簡單的視覺搜索過程。而在本實驗中干擾字符和目標字符均來自礦井瓦斯的數十種有害氣體的名稱，屏幕上顯示的每個字符都不相同且具有實際意義，這也導致了被試在搜索的過程中難度加大進而搜索時間增長注視點增多。第二，干擾字符的復雜程度。Wolfe等人[24]發現目標搜索的速度受到復雜背景的限制。干擾字符的不同也導致了搜索背景變得復雜使搜索難度加大。第三，被試信息處理過程不同。Wickens等人[25]提出了數字化人-機交互系統中人的信息處理包括感知階段(對界面信息的監視和對刺激的識別)、判斷階段(對界面進行狀態評估并做出響應決策)、響應階段(對上一階段的決策做出選擇和執行)。由于實驗材料中每個字符都不一樣，被試在搜索的過程中需要對每一個字符進行識別和判斷；在多目標搜索實驗中被試還必須記住三個不同的目標字符，導致他們在進行目標搜索和判斷時要分配更多的記憶和注意資源，在實驗過程中有的被試還出現了目標字符遺忘的現象。第四，目標字符間會相互影響，在搜索的過程中可能有工作記憶的影響[26]。通過進一步分析被試目標字符的搜索順序發現，大部分被試在搜索過程中是按照提示語的目標字符順序進行搜索的，搜索中文字符時58.33%的被試搜索順序與提示語順序一致，65.28%的被試搜索英文字符時搜索順序與提示語一致；尤其對首個目標字符搜索時與提示語順序一致的比例更高，中文字符93.06%，英文字符83.33%。這說明被試在搜索過程中受到提示語順序的影響較大，被試對提示語的記憶順序影響了每個目標搜索的前后順序。Pomplun等人[27]發現在搜索過程中被試發生了多次“檢查”的眼動，從而減少了需要記憶編碼的信息量。通過查看被試的搜索軌跡也能看出，被試在搜索過程中被試找到第一個目標之后發生了多次回視，此時被試已經看到了第三個目標字符但是受到記憶字符順序的影響并沒有馬上識別出來，這也導致第二個目標的搜索時間最長。Najemnik等人[28]發現在視覺搜索過程中，人們會調整眼動策略來盡量減少記憶、認知和注意的資源負荷。被試多目標搜索的搜索方式在開始時傾向于系統搜索，而第一個目標之后多采用自由搜索，與Hong的研究一致[29]。

5 結論

本文對數字化礦山瓦斯監控系統中參數名稱的中、英文呈現方式進行對比研究。設計了單目標視覺搜索和多目標視覺搜索的眼動實驗，通過兩個實驗組內中、英文字符的眼動記錄數據對照分析得出以下結論：

(1)在搜索單個目標搜索時英文字符的注視時間和注視點數明顯少于中文字符，而在多目標搜索時無差異。在系統設計時，可考慮根據監控任務界面的復雜程度，選擇不同的字符呈現方式，即界面內容單一、搜索任務簡單時可選擇使用英文參數展現，復雜任務可參數名稱中、英文混合使用。

(2)干擾字符的復雜程度會影響被試對目標字符的搜索效率。因此，在界面設計時應盡量避免呈現過于復雜的信息，提高信息的可識別性，保證作業人員的監控可靠性。

(3)被試在單目標視覺搜索過程主要采用系統搜索方式，多目標視覺搜索主要采用自由搜索；單目標搜索中被試的搜索方式會影響注視時間。在監控人員上崗前可以對其搜索方式進行測試，篩選出搜索績效較好的人員。