矿山瓦斯监测系统中界面参数名称呈现方式的眼动研究

孙林辉，韩贝贝，袁晓芳

(西安科技大学 管理学院，西安 710054)

1 引言

瓦斯突出作为煤矿“五害”之一，瓦斯爆炸事故在煤矿事故中危害程度最大，严重威胁矿井安全生产[1]，因此瓦斯监测系统是数字化矿山安全生产监测系统的重要组成部分。随着数字化的发展，瓦斯监控系统中的调度监控作业任务在复杂的人-机交互(Human-Computer Interaction，HCI)系统下完成，监控室操作员的任务由过去在控制室巡盘和手动操作转变为直接从大屏幕和计算机显示终端上获取系统各部分的运行状态，完成信息监视、状态管理、任务响应、计划执行等认知与操纵任务。由于监控界面的信息显示内容、信息显示方式以及监控人员的作业方式发生了根本性变化，使得监控作业人员的视觉搜索效率尤为重要[2]。

监控任务界面中的信息主要指系统呈现在界面上传递给操作者认读的内容，包括字符、文本、图像、图标、色彩、维度等表达方式，通过不同呈现方式组成特指含义的信息块[3]。由于人类从外部环境获得的信息中有90%来自视觉[4]，因此视觉搜索在我们的日常生活和工作中起着广泛而重要的作用。为了准确并及时了解各类环境参数和设备状态，对系统进行有效地监控必不可少，监控作业人员的监控主要以视觉搜索为主[5]。视觉搜索是一种复杂的认知过程，是人获取外界信息进而进行加工的一种重要方式，一般要求在某一刺激背景中找出特定刺激，具有较强的目的性[6]。当前，视觉搜索已经广泛的应用于符号、字符及文字的目标识别与搜索中，且在已有的大多数视觉搜索研究中，都是对单目标视觉搜索进行研究的，在干扰字符中通过识别单个目标进而找出其视觉搜索规律。胡波等人[7]以单个字符为搜索目标设计了动态视觉搜索实验，结果发现显示移动速度对搜索绩效的影响显著。宫殿坤等人[8]采用视觉搜索程序和实验内省法考察了汉字字体、字体大小和搜索方式对视觉搜索反应时的影响。但是在实际生活和工作中，人们需要进行视觉搜索的目标不止一个，如在核电站、交通枢纽、军事作战、机场或地铁安检等复杂的监控界面中，其危险源或需要重点监控的区域不止一个，所以多目标视觉搜索的研究也是具有重要意义的，了解多目标视觉搜索的特点，可以更好地对监控作业人员进行视觉搜索培训和优化监控界面呈现方式。Morawski(1980年)等人[9]最先提出将搜索模型(随机和系统)从搜索字段中的单目标任务扩展到多目标任务的视觉搜索研究。于瑞峰等人[10]以四个难度相近的符号进行视觉搜索实验，结果发现多目标视觉搜索任务中，各个目标的搜索时间是相互影响的。目前大多数视觉搜索研究都是建立在假设和数学计算的基础上，还缺乏客观的眼动数据。徐兆方等人[11]首次以单个汉字作为多目标搜索的刺激材料，探讨多目标搜索过程中目标搜索时间的规律和眼动行为特征。此外，视觉搜索效率还受到个体搜索方式的影响。Sternberg等人[12]认为视觉搜索的方式可能是平行扫描(Parallel scanning)或系列扫描。Chan等人[13]进行了双目标的视觉搜索试验，发现目标搜索时间小于30s时，被试大多采取随机搜索策略。Wolfe等人[14]发现自由搜索和系统搜索两种搜索方式的反应时间有差异。

数字化矿山瓦斯监控系统中界面信息主要由字符来呈现，其界面字符的显示存在中、英文混杂，参数表达不统一等现象。目前对中、英文的对比研究大多在阅读[15]、广告符号[16]、城市道路指示标志[17]等领域。因此本文以矿井瓦斯监测系统为研究对象，借助眼动实验以中、英文字符为刺激材料设计单目标和多目标两种视觉搜索任务，对其监控界面中参数名称中英文呈现方式进行眼动实验，直观地获取被试的搜索策略，分析中、英文字符的注视时间、注视点数及眼动轨迹等眼动数据，研究两类呈现方式对被试界面搜索效率的影响，揭示人在两种不同实验材料中的视觉搜索规律和认知过程，为界面的呈现方式提出合理化建议，以提高监控作业人员监控效率和可靠性。

2 对象与方法

实验采用2(文字：中文、英文)×2(搜索任务：单目标、多目标)两因素设计。其中中、英文字符分别随机排列在4×3如图1所示的表格中，它们由计算机呈现在24英寸的显示屏上，计算机程序自动记录每个目标字符的眼动搜索时间，眼动仪自动记录被试搜索过程中的眼动数据。在搜索过程中干扰字符和目标字符分别是中文和分子式并同时出现。因为被试对页面不同位置的注意力分配不同，存在明显的区域偏好[18]，为了减少中文与英文目标字符分布位置对搜索绩效的影响，将12个格子从1到12进行编码，每张实验材料均利用随机数生成器随机生成目标字符与干扰字符的位置，并确保目标字符随机分布在图片的四个象限内，英文字符位置与中文保持一致。Han等人[19]认为工作记忆的加工任务会影响视觉搜索，为了减少搜索过程产生搜索记忆对搜索绩效的影响，在搜索任务设置上首先进行中文的单目标和多目标搜索，再进行英文的单目标和多目标搜索。

图1 搜索任务实验材料

在单目标搜索和多目标搜索任务中，中文与英文的目标字符是一致的。实验中中、英文目标字符的提示语均为一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、二氧化硫(SO2)。多目标搜索实验中目标字符的提示语顺序为一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、二氧化硫(SO2)，且实验过程中没有规定被试搜索目标字符的先后顺序。被试找到目标字符后点击目标字符所在方格区域，目标字符全部找到后，图片会自动跳转至下一张。为了探明三个中文目标字符和三个英文目标字符各自之间是否具有相同的难度，在正式实验之前共有15名在校大学生(男生8名，女生7名；年龄在22-25岁)参加了预实验。用单因素方差分析法对中文和英文字符的注视时间分别进行分析，如表1所示。中文的单目标搜索中，目标字符的组内搜索时间无明显差异(F(2，42)=1.83，P=0.17，P>0.05)；英文的单目标搜索中，目标字符的组内搜索时间无明显差异(F(2，42)=1.91，P=0.16，P>0.05)。

表1 目标字符注视时间及组内单因素方差分析(ms)

2.1 被试

本实验选取30名来自西安科技大学的在大学生，其中男生16名，女生14名，被试年龄在22-25岁之间。均为右利手，母语为汉语，各被试均无计算机操作障碍，裸眼视力或矫正视力均正常，无散光和色盲。所有被试之前都没有参加过类似实验的经历或者有关于煤矿的相关知识背景，有一定的化学基础。

2.2 实验设备

本实验采用RED-mobile桌面式眼动仪，是一款非接触式、可自由移动的眼动追踪系统。硬件包括一台笔记本电脑和追踪模块。采样率为250 Hz，视点位置准确度为0.4°，精确度为0.03°。软件包括Experiment Center实验设计软件和SMI BeGaze眼动数据分析软件。

2.3 实验材料

本实验的实验材料选用12个煤矿瓦斯监测系统中常用的化学名称，其中练习材料有4页，正式实验材料12页(单目标中英文字符各三张，多目标中英文字符各三张)，提示材料14页。中文字符的字体选择当前实践主要用的宋体，为了使看到的字体大小和实际相一致故选择22磅字(约为三号字)。英文字符采用中文字符对应的分子式，字体大小与中文字符一致。

2.4 实验程序

(1)在实验正式开始之前先让被试熟悉实验材料，了解实验中涉及到的化学名称及对应的化学分子式。

(2)在被试坐在眼动仪前，给被试说明实验要求。调整被试的位置和坐姿，被试距离屏幕大约在60-80 cm，使被试视线放松时的视线中心落在屏幕的中心附近并进行校准。

(3)被试在阅读指导语后程序呈现中文搜索界面其次是英文搜索界面，单目标搜索任务在前多目标在后。每个实验材料前面都有提示语，提示被试需要找到的目标字符，当被试找到时用鼠标点击屏幕上目标字符所在的方格区域。在一次搜索任务完成后屏幕随即显示下一个要查找的实验图片。当中文搜索任务结束后，被试休息一分钟，然后进入英文搜索任务。

3 实验结果

3.1 单目标搜索实验

由于眼球运动数据可以提供关于注视点数和注视持续时间的有价值的信息[20]。注视时间表示完成对目标的分析和判断的总时间；注视点数表示视觉搜索的有效性，注视点数越多意味着单次信息获取能力弱，搜索目标的相对难度较大，需增加注视点以补充辅助信息[21]。对被试单目标中英文搜索实验的注视时间和注视点数进行比较结果见表2。进一步对中、英文的注视时间采用单因素方差分析发现，中、英文注视时间差异显著(F(1，178)=80.657，P=0.000,P<0.01)，即在字符显示类型上中文与英文的注视时间有显著差异。对注视点数进行单因素方差分析结果发现，中、英文注视点数差异显著(F(1，178)=37.111，P=0.000,P<0.01)，即在字符显示类型上中文与英文的注视点数有显著差异。

表2 单目标搜索实验的注视时间和注视次数

3.2 多目标搜索实验

多目标搜索实验中目标字符的注视时间、注视点数如表3所示，通过单因素方差分析发现，多目标搜索实验中被试中英文注视时间无明显差异，(F(1，178)=2.481，P=0.117,P>0.05)。多目标搜索实验中被试中英文注视点数无明显差异(F(1，178)=0.095，P=0.758,P>0.05)。

表3 多目标搜索实验的注视时间和注视点数

进一步研究多目标搜索实验中各目标字符的搜索时间。在实验过程中由于有六名被试(男生4名、女生2名)没有记住多目标提示语而返回上一页查看提示字符的情况，因此有效被试为24名(男生12名，女生12名)。将目标字符所在表格划出兴趣区并得到如下的各目标字符搜索时间公式：

T1=tE1

T2=tE2-tE1-tD1

T3=tE3-tE2-tD2

式中，T1、T2、T3分别为第一个、第二个、第三个目标字符的搜索时间；tE1、tE2、tE3分别为进入第一个、第二个、第三个目标字符所在兴趣区的进入时间(Entry time);tD1、tD2分别为第一个、第二个目标字符所在兴趣区域内所有注视点的注视时间和眼跳时间之和。有上述公式计算各目标的搜索时间如表4所示：

表4 多目标搜索实验目标搜索时间(ms)

通过单因素方差分析发现，多目标搜索实验中被试第一个目标字符的搜索时间中、英文无明显差异(F(1，142)=2.56，P=0.112，P>0.05)。第二个目标字符的搜索时间中英文无明显差异(F(1，142)=2.526，P=0.114，P>0.05)。第三个目标字符的搜索时间中、英文有明显差异(F(1，142)=7.04，P=0.009，P<0.01)。

配对样本T检验发现，中文第一个目标与第二个目标的搜索时间差异显著(t=-4.299，P=0.000，P<0.01)。第二个目标与第三个目标的搜索时间差异显著(t=-6.576，P=0.000，P<0.01)。中文第一个目标与第三个目标的搜索时间差异显著(t=-2.467，P=0.016，P<0.05)。进一步对比英文目标字符的搜索时间发现，英文第一个目标与第二个目标的搜索时间差异显著(t=-5.306，P=0.000，P<0.01)。英文第二个目标与第三个目标的搜索时间无明显差异(t=-1.085，P=0.281，P>0.05)。英文第一个目标与第三个目标的搜索时间无明显差异(t=1.825，P=0.072，P>0.05)。

3.3 搜索方式结果

眼动仪记录下单目标和多目标搜索的扫描路径如图2-图5所示。

通过Be Gaze分析软件对被试搜索过程中的整体扫描路径进行回放，可以看出被试在搜索过程中主要有两种搜索方式：系统搜索、自由搜索，如图6-图7所示。

图6 系统搜索轨迹图

图7 自由搜索轨迹图

表5是用眼动记录数据对搜索方式进行统计的结果，在中英文单目标搜索实验中对搜索方式进行配对样本T检验，结果发现单目标搜索实验中英文目标的搜索方式无明显差异(t=1.292，P=0.201，P>0.05)。在中英文多目标搜索实验中对搜索方式进行配对样本T检验，结果发现多目标搜索实验中英文目标的搜索方式无明显差异(t=0.728，P=0.472，P>0.05)。对比单目标搜索任务和多目标搜索任务结果发现，被试在单目标搜索任务和多目标搜索任务的搜索方式差异显著(t=-16.651，P=0.000,P<0.01)。通过单因素方差分析发现，中文单目标字符的搜索方式男女无明显差异(F(1，70)=1.432，P=0.235，P>0.05)。英文单目标字符的搜索方式男女无明显差异(F(1，70)=1.29，P=0.063，P>0.05)。在多目标搜索实验中发现被试无论男女在找中文字符和英文字符时均采用自由搜索，男女无差异。即性别不能预测搜索的种类。

针对不同搜索方式下被试的搜索时间进行分析结果如表6所示，通过单因素方差分析结果发现，中文单目标搜索实验中系统搜索和自由搜索的被试注视时间差异显著(F(1，70)=50.09，P=0.000，P<0.01)；单目标搜索实验中被试英文注视时间差异显著(F(1，70)=13.81，P=0.000，P<0.01)。

表6 不同搜索模式下被试的注视时间(ms)

4 讨论

单目标搜索实验数据分析结果发现，英文字符比中文字符的注视时间短，且其注视点数明显少于中文字符。对搜索路径图分析发现，单目标中被试多采用系统搜索；自由搜索和系统搜索的反应时间有差异，这与Wolfe的研究一致。分析其原因：第一，中文字符与英文字符本身的差异。汉字是“音”、“形”、“意”的结合体，而英文字符较中文字符简洁、好辨识。第二，中文字符的长度比其对应的英文字符长，使搜索中文字符的难度加大。第三，单目标系统搜索的注视时间明显比自由搜索短，在单目标搜索过程中被试对目标字符的记忆难度较小，被试在搜索过程中只需要找到单个目标并不受到搜索顺序的影响进行反复回视。

多目标搜索实验数据分析结果发现，中、英文字符的注视时间和注视点数均没有明显差异(见图8)。进而计算了中、英文多目标搜索中各个目标的搜索时间，结果发现：中、英文字符中第二个目标字符搜索时间最长；中文第三个目标字符搜索时间最短，第一个次之；英文第一个目标字符最短，第三个次之，与中文字符相反。第一个目标字符与第二个目标字符的搜索时间上中、英文均无明显差异，而第三个目标字符中、英文差异显著且英文的搜索时间大于中文。此结果与以往同类研究有所不同，徐兆方等在进行中文单个字符的多目标眼动实验时发现第二个目标字符的搜索时间最短，第一个和第三个字符的搜索时间接近。汤洪涛等在进行多目标视觉搜索实验时也发现第二个目标的搜索时间最短，第一个目标最长[22]。

对比单目标和多目标搜索的注视时间和注视点数发现，多目标的注视时间和注视点数大于单目标，在简单的任务中很容易识别目标字符，需要处理少量的相关刺激，几乎需要注意力资源。而在复杂任务中很难识别和判断目标。此外，复杂任务需要处理大量的相关刺激，因此需要相当多的关注。参与者可以增加注视时间以补偿其注意力资源并确保搜索准确性[23]。

对多目标搜索实验的眼动搜索路径图分析发现：(1)多目标的搜索方式中、英文字符无差异。(2)多目标搜索多采用自由搜索。(3)性别无法预测搜索方式。分析上述结果的原因：第一，刺激材料和实验过程的难度有差异。分析实验材料发现大部分多目标实验中的干扰字符是相同的，只要找到与干扰字符外形不同的目标字符即可，只是简单的视觉搜索过程。而在本实验中干扰字符和目标字符均来自矿井瓦斯的数十种有害气体的名称，屏幕上显示的每个字符都不相同且具有实际意义，这也导致了被试在搜索的过程中难度加大进而搜索时间增长注视点增多。第二，干扰字符的复杂程度。Wolfe等人[24]发现目标搜索的速度受到复杂背景的限制。干扰字符的不同也导致了搜索背景变得复杂使搜索难度加大。第三，被试信息处理过程不同。Wickens等人[25]提出了数字化人-机交互系统中人的信息处理包括感知阶段(对界面信息的监视和对刺激的识别)、判断阶段(对界面进行状态评估并做出响应决策)、响应阶段(对上一阶段的决策做出选择和执行)。由于实验材料中每个字符都不一样，被试在搜索的过程中需要对每一个字符进行识别和判断；在多目标搜索实验中被试还必须记住三个不同的目标字符，导致他们在进行目标搜索和判断时要分配更多的记忆和注意资源，在实验过程中有的被试还出现了目标字符遗忘的现象。第四，目标字符间会相互影响，在搜索的过程中可能有工作记忆的影响[26]。通过进一步分析被试目标字符的搜索顺序发现，大部分被试在搜索过程中是按照提示语的目标字符顺序进行搜索的，搜索中文字符时58.33%的被试搜索顺序与提示语顺序一致，65.28%的被试搜索英文字符时搜索顺序与提示语一致；尤其对首个目标字符搜索时与提示语顺序一致的比例更高，中文字符93.06%，英文字符83.33%。这说明被试在搜索过程中受到提示语顺序的影响较大，被试对提示语的记忆顺序影响了每个目标搜索的前后顺序。Pomplun等人[27]发现在搜索过程中被试发生了多次“检查”的眼动，从而减少了需要记忆编码的信息量。通过查看被试的搜索轨迹也能看出，被试在搜索过程中被试找到第一个目标之后发生了多次回视，此时被试已经看到了第三个目标字符但是受到记忆字符顺序的影响并没有马上识别出来，这也导致第二个目标的搜索时间最长。Najemnik等人[28]发现在视觉搜索过程中，人们会调整眼动策略来尽量减少记忆、认知和注意的资源负荷。被试多目标搜索的搜索方式在开始时倾向于系统搜索，而第一个目标之后多采用自由搜索，与Hong的研究一致[29]。

5 结论

本文对数字化矿山瓦斯监控系统中参数名称的中、英文呈现方式进行对比研究。设计了单目标视觉搜索和多目标视觉搜索的眼动实验，通过两个实验组内中、英文字符的眼动记录数据对照分析得出以下结论：

(1)在搜索单个目标搜索时英文字符的注视时间和注视点数明显少于中文字符，而在多目标搜索时无差异。在系统设计时，可考虑根据监控任务界面的复杂程度，选择不同的字符呈现方式，即界面内容单一、搜索任务简单时可选择使用英文参数展现，复杂任务可参数名称中、英文混合使用。

(2)干扰字符的复杂程度会影响被试对目标字符的搜索效率。因此，在界面设计时应尽量避免呈现过于复杂的信息，提高信息的可识别性，保证作业人员的监控可靠性。

(3)被试在单目标视觉搜索过程主要采用系统搜索方式，多目标视觉搜索主要采用自由搜索；单目标搜索中被试的搜索方式会影响注视时间。在监控人员上岗前可以对其搜索方式进行测试，筛选出搜索绩效较好的人员。