協同設計中“角色－信息可視化方式”匹配策略研究

付雷杰 李瑞琦 賈峰 左鵬軍

摘要：協同設計中不同角色對信息可視化方式要求不同，為提高協同設計效率，提出基于信息熵的“角色－信息可視化”匹配策略。首先，收集角色、可視化形式的信息，通過對角色－可視化形式進行匹配，采用直接打分法得到角色－可視化數據集，對數據集的信息熵進行計算，最終可得到角色－可視化形式的匹配排序表，以信息熵的大小決定不同角色選取的最佳可視化形式。根據案例的協同設計，角色-可視化匹配形式中的角色－甘特圖匹配程度最好，表示角色在甘特圖中獲取信息最大，接受程度最好。該匹配策略可以提高部門、人員之間的協同效率。

關鍵詞：協同設計；角色；信息可視化；信息熵

中圖分類號：G350 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.06.009

文章編號：1006-0316 （2023） 06-0060-07

Matching Method Research on“Role-Information Visualization”

in Collaborative Design

FU Leijie1，LI Ruiqi1，JIA Feng1，ZUO Pengjun2

（ 1.School of Mechatronic Engineering， Xi'an Technological University， Xi'an 710021， China;

2.Shaanxi Machinery Research Institute Co.， Ltd.， Xi'an 710021， China ）

Abstract：Different roles in collaborative design have different requirements for information visualization. In order to improve the efficiency of collaborative design， a "role-information visualization" matching strategy based on information entropy is proposed. First， collect the information on roles and visual forms， and obtain the role-visualization dataset by matching the roles and visualization forms through the direct scoring method. Then， calculate the information entropy of the dataset， and finally obtain the role-visualization form matching ranking table. And the optimal visualization form of the selection of different roles is determined by the size of the information entropy. According to the collaborative design of the case， the role-Gantt chart in the role-visualization matching form has the best matching degree， which means that the role obtains the most information in the Gantt chart and has the best degree of acceptance. The matching strategy can improve the collaboration efficiency between departments and personnel.

Key words：collaborative design；role；information visualization；information entropy

協同設計是現代產品設計的主流方式，角色作為影響協同設計順利進行的重要因素，受到了眾多研究者的重視。角色是基于協同設計過程中的權限控制而產生的，其主要思路是將具有相同權限的人員封裝成一類角色，通過對有限的角色進行控制，替代了對大量人員的分別控制，達到降低控制成本，提高控制效率的目的。

不同的角色在協同設計中擔負著不同的職責，角色間的協同效率是影響協同設計質量的核心因素。可視化技術可以極大的提高角色協同的效率和質量，但是可視化方式眾多，不同角色對于可視化方式的接受程度也各不相同，因此角色之間的協同效率會受到可視化方式的影響[1]。因此，建立“角色－信息可視化方式”匹配策略，為不同的角色選擇合適的可視化方式，成為協同設計中不容回避的問題。本文將從信息上的角度出發，建立符合協同設計特點的“角色－可視化方式”匹配策略，為提高協同設計效率提供可行的思路。

1 文獻綜述

在協同設計中，角色是對協同設計中具有某種能力或者某些屬性的人員的統稱，通過角色可簡化協同設計的管理復雜程度。金玉迪[2]將用對比實驗法，對角色參與協同設計提出策略，以協同設計理論為依托，將角色任務進行拆分，設計一套角色列表，通過分配角色，將任務交給用戶，解決用戶參與協同設計的問題，提高了協同設計的效率。個體在協同過程中扮演的對于角色的研究主要集中在基于角色的訪問控制模型（Role-based Access Model，RBAC Model）方面，如控制用戶的操作權限、向不同的用戶展示不同的模型局部等。但是，這個模型沒有考慮不同角色間交互的問題，不能解決協同設計中角色設計數據/信息缺失的問題。

協同設計中的數據和信息，如設計數據、文本文件、圖形文件、表格文件、多媒體文件等具有多樣性和抽象性的特點，不符合人的認知習慣，具有直接交互難度較大、效率低的缺點。信息可視化方式則采用更符合人類認知習慣的可視化方式來展示信息和數據，便于觀察著快速、準確的獲取其中蘊含的邏輯關系，減輕了用戶的認知負擔，提高了信息的傳遞效率。沈恩亞[3]分析了大數據可視化技術，包括常用的數據可視化技術、大規模數據可視化、時序數據可視化、面向可視化的數據采樣方法以及數據可視化生成方式，例如數據可視化要表明對比關系時，可采用柱狀圖、多變量柱狀圖或折線圖和周期面積圖等，并介紹了大數據可視化產品以及要面臨的挑戰。任磊等[4]在可視分析的理論基礎上，討論了文本可視化如標簽云、網絡（圖）可視化如H-樹狀圖、時空數據可視化如流式地圖Flow-Map以及多維數據可視化如投影，同時探討了支持可視分析的人機交互技術。鄭婭峰等[5]將可視化應用到教育場景中，如箱線圖可適用于學生學習成績的分布，雷達圖可表征不同小組的的學習差異，桑葚圖可以表示學生成績在不同時間的流向趨勢分布，熱力圖可表示不同地區的教育發展水平對比關系。任磊等[6]針對海量層次信息的可視化需求，提出了嵌套圓魚眼視圖，該視圖可以在較小的空間內表達整體視圖，又能突出局部焦點信息，可以提高任務完成度和用戶滿意率。G. O. Domik等[7]為保證可視化的準確度，可視化系統需要適應用戶的需求、能力和提供數據的形式和內容，利用用戶模型、問題分配模型、資源模型以及數據模型來描述特征，提出了用戶模型的生成，作為自適應可視化系統的基礎。

信息可視化方式的多樣化一方面方便了設計人員之間的交流，另一方面也在一定程度上造成了選擇的困惑，影響了協同的效率。因此通過度量有效信息的傳遞量來選擇合理的可視化方式是非常必要的。信息熵用來描述系統的不穩定性，同時也可以標識系統內信息的含量。鄭慶等[8]提出了基于信息熵的群智協同設計活動復雜性度量方法，針對活動復雜性的問題，建立度量模型，根據信息熵實現協同設計復雜性的量化分析，并驗證懸架設計活動中的可行性和有效性。王偉[9]根據信息熵的特性，對財稅中評價指標數據進行量化與綜合，根據信息熵的相對優異性量化評價指數對我國財稅政策運用能力進行了評價。孫之琳等[10]建立產品可適應評價信息熵計算方法，根據產品的相關參數，分別計算出產品所對應的相關參數信息熵，根據信息熵來評價產品的可適應性，得出整個方案的總信息熵，實現產品適應性的客觀定量評價。Cong等[11]基于信息熵理論，提出了一種新的智能產品服務系統開發設計方法，通過設計熵理論對整體考慮三個特征來確定最優解決方案，可以促進智能產品服務系統的性能和用戶滿意度。Ti-wari等[12]在新產品開發過程中，根據信息熵捕捉到客戶對已識別需求的偏好，來提高概念評估過程的整體有效性。

綜上可見，目前對于可視化方式有較多的研究，但是對于“角色－可視化方式”匹配方面還缺乏深入的研究。因此，采用信息熵方式，對協同設計過程的信息可視化選擇匹配策略進行研究，有助于提高協同設計效率，改善協同設計質量。

2 角色－可視化方式匹配策略

2.1 常見的可視化方式

采用可視化方式可以將原始數據轉化成各種類型的圖形，幫助人可以更好的理解、吸收數據?，F有數據可視化可以分為文本數據可視化，低緯數據可視化，多維數據數據可視化，時空數據可視化，海量網絡數據化等幾個主流數據類型，具體如表1所示。

不同的可視化方式對于不同的角色具有不同的信息量，即使對于同樣角色的不同人員，受到人員的教育背景、專業能力和個人偏好等因素的影響，也會有不同的信息量。因此，必須結合具體的用戶來討論不同的可視化方式與角色的對應匹配問題。

2.2 角色－可視化方式匹配策略

研究人員很早就注意到不同的可視化形式對于設計人員進行交流具有重要的作用，因此很多研究人員將注意力集中于開發新的、可以展示更多信息的可視化方式。實際在協同設計中，常用的可視化方式的數量是有限的，而學習新的可視化方式也是具有成本的，因此在基于現有視圖的基礎上，建立有效的角色-視圖匹配策略，是一種有效的方式。

在典型的協同設計中，參與的部門包括財務部、技術中心、投資發展部、采購物流部、營銷服務部、銷售部、生產管理部等部門，每個部門具有的職能以及常用視圖如表2所示。在一個項目中，不同部門與部門之間在協同過程中會進行信息交流，例如銷售部與生產管理部協同過程中，銷售部要將產品售出需要了解生產管理部的產品庫存信息以及產品的生產信

息，這些信息可以用散點圖、折線圖或柱狀圖來表達。一個部門之間的不同角色人員也會進行協同交流，例如生產管理部中生產管理主任想要跟生產計劃員了解生產計劃完成度，這些信息可以用甘特圖、散點圖來表達。而在這些交流中，不同的角色的對于可視化方式的偏好是不同的，如何構建一種最佳的“角色－可視化方式”匹配策略，是提高協同效率的關鍵。

本文提出了一種基于信息熵的匹配策略，其實現流程如圖1所示。

該方法在搜集常見的信息可視化形式的基礎上，根據角色的構成情況，采用直接打分法的方式收集不同人員對于可視化形式的偏好，然后根據人員－角色分配關系，得到角色－可視化方式的評價結果，并對結果進行精確化處理，得到偏好數值。采用信息熵的方式計算不同角色對于不通視圖的信息熵大小，然后逐次進行匹配，得到最佳的角色－可視化方式組合。

2.3 匹配策略的流程

假定在某個協同設計過程中，存在m個角色，記作ri，其中 ，設計中共有n

個人員參與，記作 ，其中 ，每個人員所屬的角色由人員－角色矩陣記錄。 表示第i個角色中的第j個人員。設計過程中存在k個不同的視圖形式，記作 ，其中 。

角色－視圖匹配策略過程中，首先收集人員對于視圖形式的評價，然后根據評價數據集計算角色－視圖的信息熵，進而確定不同角色的合理視圖形式。在該策略的每個過程，都有相應的計算方法，如圖2所示。

該策略的計算流程如下：

（1）建立視圖評價表

視圖評價表用來搜集人員對于不同視圖形式的偏好，進而為不同的角色確定更為合理的視圖方式。為了充分體現不通人員對于視圖形式的偏好，本文采用打分的方式獲取不同人員對于同一視圖的偏好，打分的范圍區間選擇[0，100]。

圖2 角色－可視化方式匹配策略

（2）單個人員對視圖的評價

從單個人員視角，形成一個視圖形式和評價的一維矩陣，該矩陣存儲了該人員對于所有矩陣的評價情況：

（1）

式中： 為第i個角色中第j個人員對于第y個視圖的評價結果，其中 ， ， 。

（3）角色－人員－視圖評價數據集

所有角色－人員對于視圖的評價結果會構成一個完整的角色－人員－視圖矩陣：

（2）

（4）信息熵定義

第i個角色中第j個人員對于第p個不同的視圖形式的打分值記為 ，信息熵可表示為：

（3）

式中： ，為第i個角色中第j個人

員對第p視圖的打分百分比。

（5）評價機理

用L個評價人員對k個視圖分別進行評價， 是第 個視圖的第v個評價人員的評價值。 是評價人員v的相對最優值，對于收益性指標 越大越好，對于損益性指標 越小越好。

定義： 與 之比為 對于 的接近度，記為 ，計算公式為：

（4）

根據上述信息熵的定義，用L個評價人員對k個視圖分別進行評價的信息熵為：

（5）

第 個評價指標對 個視圖的相對重要性不確定程度，可由下列條件熵度量 ：

（6）

式中： ， ， 。

條件熵達到最大， ，用Emax對

式（6）進行歸一化處理，得到表征第v個人員相對重要性確定程度的熵值 為：

（7）

由 確定的第v個人員的權值為：

（8）

式中： ，且0≤ ≤1，

所有參評人員的權重之和為1，記為 。

當需要加入評價者主觀判斷時，可引入權值μv，從而與θv合成為一個實用權值為：

（9）

式中：0≤ ≤1。

與θv同理，所有參評人員的權重之和為1，記為 。

對于視圖k，各個人員評價的接近度 與各個視圖集合中的相對優異值的接近度差的加權和Yw為：

（10）

最后根據Yw的大小對各個視圖進行排序。Yw小的方案優于Yw大的方案。

角色－可視化方式的匹配要遵循實際和多數的原則。實際原則是指針對不同的協同設計項目、不同的角色配置情況，要具體分析并計算其匹配方法，不存在一種統一的匹配模式。多數原則是指在匹配過程中，對同一個角色要有足夠數量的人員參與，才能得到該角色的最佳可視化方式匹配。

3 案例計算與討論

在某個協同設計項目執行過程中，需要進行一次協同溝通，共有7個部門的10位不同角色的人員參與。由于跨部門且人員角色眾多，因此需要對所用的可視化方式進行擇優選擇，以便達到更好的協同效果。

經過審核協同內容，共有9種可視化方式可供選擇。根據會后不同角色對于這9種視圖的獲取信息程度以及喜愛程度進行打分。為此，采取了問卷方式，對角色－人員代表進行可視化方式打分收集，數值越大，代表角色－人員對該可視化方式的接受度更好。然后根據上文提出的角色－可視化方式匹配策略流程，通過式（1）～（10）的計算，可以得出表3～表5。角色－人員視圖打分如表3所示，這里L＝10、k＝9。表4為角色熵及權值。表5為角色－視圖匹配排序表。

根據表3可以看出同一部門（角色）的不同人員對于同一視圖的喜愛程度不同，不同部門（角色）對于同一視圖喜愛程度也不同。

由于本次活動的定位是項目進度推進會，所以與會人員的構成及會議數據均與項目進度相關。根據表5排序結果可以得出，甘特圖的接受度排序最好，代表此次會議角色－甘特圖的匹配程度更好，證明此次會議中相關人員對于這個項目的完成度獲取信息程度最大，因為在項目管理中的進度匯報中角色－甘特圖匹配程度最好；圓環圖的接受程度較好，證明此次會議對于數據的構成情況，所占比例也較為重視，因為在數據占比中圓環圖的效果更好，角色－圓環圖的匹配程度略低于甘特圖；而流向地圖的接受程度較差，因為該可視化方式主要用于營銷服務部的產品銷售市場流向分析，但是，對于其他部門（角色）的接受度沒有特別好，所以，此次會議角色－流向地圖中匹配程度最差。

4 結論

（1）協同設計過程中，多種不同的角色和各種形式的數據/信息可視化方式的優化匹配，對于協同設計的順利進行具有非常重要的意義。

（2）本文用直接打分法度量同一角色不同人員對于可視化形式的偏好程度，然后采用信息熵的方式度量整體的偏好程度，最終形成角色對于不同可視化形式的數值化排序，以達到實現角色和可視化方式的最佳匹配。

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