基于信息距离的复杂系统信息处理方法研究

尚纯洁SHANG Chun-jie；李江红LI Jiang-hong；姚雪YAO Xue；陈超CHEN Chao；王彤WANG Tong；崔佳航CUI Jia-hang

（①西北工业大学，西安 710072；②中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100094）

0 引言

现代生产、生活方式的可视化操作发展已经逐步成为人机交互的主流方向。系统集成度越来越高，复杂系统的界面元素趋于多元化，大型任务执行流程多且杂，冗余信息流和人机交互界面严重影响系统运行的效率。基于航空发动机高空台模拟试验系统[1]集成化程度高、运行成本高、流程复杂。客观上试验系统的反应时间越短越好，操作人机交互界面越便捷越好[2]。优秀的系统试验流程可以降低信息间传递的阻碍性，使试验信息流转过程更加的合理高效；良好的人机交互系统，能够降低人员的脑力认知负荷，使人员将更多的精力用在任务本身或者更为重要的思考上，并且操控显示界面的优化设计，可增加人员操作的便捷性、降低人为操作的误操作率。

目前，对复杂系统运行流程和界面设计方法优劣的判断，主要是以定性分析、经验判断，主观性和随意性较强[2]。因此，复杂系统任务流程和人机界面优劣的定量评价，对充分提升航空发动机高空台模拟试验系统效能，减少试验运行成本有重要意义。

1 信息距离理论基础

信息距离理论[3]中发展出的信息距离是普适性的距离度量概念，在属性概念上与距离相同，可描述任务流程及事物完成的复杂度。其论述分别从定性分析和定量分析两方面展开信息测度研究，使系统设计优劣、控制好坏及系统执行效能等的定量计算变得容易。信息距离理论的研究与应用主要集中在软件等信息产品的便捷性评价等方面[4]，近年来逐步扩展到系统任务流程设计、人机交互界面设计[5]等领域。其相关概念如下。

①信息状态：某事物所能表现出的状态集合。X={x1，x2，…，xi，…，xn}，X 表示信息状态集，xi为第i 个信息的状态。②信息状态转移：事物的状态在多个信息状态之间发生转化或者变化的过程。③信息状态转移距离（DIT，也称信息距离）：对某事物信息状态转移所遇到障碍的测度。

DIT 采用信息状态转移概率的对数来计算信息距离。用底数为2 的对数，DIT 量纲单位定义为“递特”（dit），设某事物由xi状态转变到xj状态的概率为pij，则表示其信息距离SDIT（xi→xj）或者dij的计算公式有如下表示：

多信息状态间的转变，其信息转变概率P 与信息距离矩阵D 设为：

式中

计算信息距离理时，符号〈p〉中的值p 为达到目标状态的概率，[m]中的值m 为某简单操作或工作环节的多少。无特殊说明时，“操作”和“不操作”是等概率事件，即p 为1/2，信息距离表示为log22。若某条信息转移路径经过多次（k 次）的决策选择和多次（m 次）的简单操作（或多环节），总信息距离可表示为：

由式（4）知，为使总信息距离值较小，在信息转变路径上，不仅减少决策变量N 值和决策选择次数k，也应尽可能减少简单操作数目m。这取决于任务设计的流程结构以及界面设计结构。

信息距离的数值越大，流程复杂信息转移阻碍越大，界面操作效率也越低，系统运行效能低；反之，信息距离越小，流程代价较低，系统效能也越高。因此，系统信息距离评价，可以量化系统在某一方面能力的优劣程度。最终通过大量验证和定性的感性认知进行一致性对比，说明设计方法的正确性。

2 基于信息距离的系统设计及评估方案设计

基于信息距离的普适性度量，航空发动机高空台模拟试验是一个包含了信息获取、传送、处理、传送、施效等的信息流转过程，也是试验任务信息状态转移的过程；人机交互界面中的指令输入操作也是信息逐步交互并发生状态迁移的过程。以任务完成为导向，缩小信息距离值，能够有效评价系统的优劣以及改善系统设计。

2.1 系统试验流程信息距离测度模型

本文考虑单一试验流程信息距离测度模型。根据任务需求确认具体试验流程后，确定业务流程起点、终点、路径、节点、以及节点状态和节点状态转移概率等，即利用计算信息距离的方法直接测度对应的试验流程效能。信息距离的测量计算方法思路如下：①明确所要计算任务流的研究对象；②确定流程终点与起点；③确定流程的过程路径；④确定路径的节点；⑤确定节点状态；⑥确定节点的状态转移概率；⑦计算信息距离值。

设某任务的试验流程，起始点的状态x00，最终的状态xnj，实现路径节点ai（i=1，2，…，n-1）有bi个信息状态，各状态参数说明如表1 所示。

表1 参数含义及符号对照表

根据以上假设，单一试验流程单一路径的信息距离测度模型为：

式中的p（x00→xnj）、SDIT（u）是x00到达xnj的总转移概率和总信息距离，单位：dit。单一流程控制试验的多路径信息距离测度：假设流程起始点可通过m 条路径到达最终目标状态，各路径信息距离为

其中：d（Ri）按单一试验任务单路径组合信息距离测度模型逐一进行计算。

2.2 人机交互显控界面信息距离测度模型

复杂系统的人机交互操作较为复杂，依据试验功能任务流程，合理的将界面元素布置在人机交互显控屏上，实现设计界面的美观性、任务执行操作的便捷性等。根据信息距离的计算规则，结合试验流程的信息距离测度模型，人机交互显控界面信息距离测度模型如下：

建立人机交互显控界面使用便捷性的模型。

系统试验流程操作过程分为J（J>0，整数）个过程，每个过程设有T（T>0，整数）个操作项转移状态，则其总信息距离为IDIT，计算可用如下式表示：

其中，信息距离的计算值为操作过程中每个状态的信息距离和，单次操作信息距离为：

每个过程多次操作的信息距离计算为：

一般的，过程中单次操作有执行和不执行两种选择，取p（k>0），取值p（k）=1/2。

基于信息距离的评价，两种距离的优劣，信息距离更小的占优势。评价现有两种系统的优劣，优化旧版本的人机交互界面。在交互界面系统功能不变的基础上，重新优化组合设计，达到提升人机交互效能的目的。

3 实例分析

通过分析试验流程与人机操控界面的信息距离计算测度模型，以航空发动机高空台模拟试验的控制系统试验为例，对比计算试验流程的优劣以及人机交互界面的设计优劣，对试验流程和人机交互界面设计的优化提供新路径。

3.1 试验流程优化方案设计实例

系统平台工作共同目标是要完成任务，在此基础上优化试验流程，使得高空台模拟试验的系统效能更高。

航空发动机控制系统高空台模拟试验流程方案1 为常规的全任务节点流程，包括发动机上台、开车前检查、起动机启封、冷运转、油封、发动机启封、冷运转、假开车、油封、起动、试车、停车、发动机下台等过程，如图1 所示。

图1 试验流程图

试验流程：任务下达、流程1、流程2、…，流程N、停车、下台等。方案2 相比方案1，在不影响任务完成度的情况下，对航空发动机高空模拟试验中的静态数据和动态数据管理进行优化设计。静态数据包括：试验台系统连接关系、结构参数和性能设计参数等；动态数据包括操作动作序列和状态参数等。根据数据分类，设计基于工作流的试验流程管理与控制体系结构，优化试验流程控制管理方案。如图2 所示。

图2 优化试验流程管理系统的体系结构

系统采用了4 层结构：静态实体层（Ⅰ）负责搭建试验平台的静态连接结构并赋予其实体特征；动态行为层（Ⅱ）用于建立与管理试验流程的运行，负责搭建试验的操作流程，生成消息队列并对其进行语义解析，完成初始条件、模拟周期、运行时间等参数的设置与修改，以及一些管理功能如启动、运行、暂停、继续、终止、调速和恢复等；进程监控层（Ⅲ）试验参数监控、风险分析与抑制；用户视图层（Ⅳ）交互控制和终端显示。

将方案1 和方案2 的过程活动流运用信息距离计算分析，方案1 的SDIT（b）=36.2dit，方案2 的SDIT（b）= 21.5dit。较于前者，方案2 的信息距离减少了14.7dit，为方案1 的59.4%，比前者减少40.6%。方案2 优化结果比与方案1 的指挥效率高的多。这与主观上方案2 的指挥流程长度减少的定性感知认识是一致的。试验任务流程信息流转需要消耗能量，流程路径越短，消耗的能量越小，信息距离值越小，实际指挥过程也更加的通畅便捷，系统的试验效能更高。

3.2 人机交互界面设计实例

人机交互界面的设计优劣，关系着试验过程执行操作的准确性以及效率，是提升系统完成任务效能的重要方面。方案1 为传统的线性流程页面设计，界面显示和操控元素进行模块化分类显示，多文字、多弹窗，信息显示冗余，无相关信息的关联性，设备操作的流程控制的屏显数为5 块屏幕。

方案2 是优化设计方案1 的人机交互显控界面，减少显示的冗余信息，将5 块屏显精简为4 块屏显，通过对任务流程进行详细的分析，对应的高频次、关键按键或显示框口进行凸显设计，对图标数据进行关联显示设计，优化将计算的部分交给后台程序处理，将节点跳转的关键步骤由艇员进行操作。

将方案1 和方案2 的设计人机交互界面操作流程用信息距离计算分析，方案1 的SDIT（b）=38.4dit，方案2 的SDIT（b）= 26.5dit。相较于前者，方案2 的信息距离减少了11.9dit，仅为方案1 的69.0%，相比前者减少31.0%。由此可知，方案2 优化设计相比与方案1 的信息距离计算结果小，表明方案2 的人机交互效率更高。这与主观上减少人机交互界面，凸显关键常用的按钮和显示框有利于操作的准确性和便捷性的定性感知认识是一致的。即显控界面状态跳转需要消耗能量，流程路径越短，消耗的能量越小，信息距离值越小，实际操作过程也更加的通畅便捷，人机交互效率更高，系统试验效能也会更高。

4 总结

本文依据信息距离的普适性特点，可对比评价多种设计或流程的优劣，能够较为准确的反映出试验流程控制与人机交互界面的设计优劣，通过计算优化的试验流程信息距离降低40.6%，人机交互显控界面的设计优化信息距离降低31.0%。设计结果与主观定性感知一致，试验流程控制和人机交互效率同时提高，提升了高空台模拟试验系统的运行效能。根据信息距离理论，在设计时向趋于信息距离值较小的方向发展，有利于设计出优越的产品，为企业节约成本。