基于引力模型的智能制造产线信息系统的信息呈现

2021-02-22吴晓莉薛澄岐许盼盼

东南大学学报（自然科学版） 2021年1期

吴晓莉晏彪薛澄岐许盼盼

(1南京理工大学设计艺术与传媒学院, 南京 210094)(2中航光电科技股份有限公司, 洛阳 471003)(3东南大学机械工程学院, 南京 211189)(4河海大学机电工程学院, 常州 213022)

工业智能转型升级中,特别是工业制造领域从生产、运营、监管角度需求的流程看板以及多屏显示的操控、指挥等信息系统面临着错综复杂的信息交互界面.交互界面是用户与智能产线信息系统交流的媒介,通过交互界面的信息呈现,用户可以便捷地查看产线信息系统的相关信息.产线信息系统的功能日益完善,信息元的数量也随之增加,用户在使用产线信息系统时,需要在庞大的信息数据库中寻找目标信息元,在很大程度上降低了用户的认知绩效.因此,如何科学地进行信息呈现来降低用户的搜索时间、提高认知绩效是亟需解决的问题.

信息呈现是指对复杂信息系统界面中的信息元进行呈现,包含对信息元的编码、布局和可视化等.国内外学者对于信息呈现已经从信息编码、信息布局以及信息可视化方面进行了研究.在信息编码方面,van Laar等[1-2]在交互界面的设计中提出了有关颜色的视觉分层方法,通过颜色加强视觉上的显示分割以提供视觉线索，并对仪控界面颜色编码的视觉分层方法评估进行了研究,结果表明基于视觉特性的可视化图层编码方法比其他编码方法效果更显著.邵将[3]从飞行员视知觉出发,研究了界面的图标符号编码、信息布局编码以及色彩编码.李晶等[4-5]通过认知容量实验,得到了不同压力下的颜色、形状编码阈值,根据不同压力建立信息编码准则.严寒等[6]通过语义关联对工业图标进行分析,从而指导工业图标设计.在信息布局方面,Habuchi等[7]通过将信息界面分成功能区的方式来考察信息的分类、用户经验和功能区3种要素,发现用户习惯偏好和界面视觉设计因素都会对视线产生影响.Balakrishnan等[8]对交互界面布局提出一种新的启发方法,能够优化交互界面设计布局.张杏[9]基于飞行任务特征,通过行为实验得到了在飞行状态下警告信息出现位置的优先级.王海燕等[10]针对现代战斗机复杂的交互界面,利用界面设计方案,提供了布局设计的方法流程.在信息可视化方面,Castellano等[11]通过层次信息的可视化方法,在有限的呈现资源下进行信息可视化的呈现.Serrano等[12]通过对复杂网络的研究,将社交网络中的个体兴趣和背景差异进行多层次的可视化设计.Ahn等[13]提出将交互式可视化和个性化检索相结合.周蕾等[14]结合感性工学、图形学和工程学等,提出一种界面设计的美度评价方法.综上所述,仍需要从信息呈现的角度对产线信息系统的呈现方式进行深入的研究.

本文以某制造企业智能制造转型中的RT/SI部门产线信息为样本,对产线信息进行分析,依据引力模型算法理论,进行不同用户层级的信息呈现.

1 引力模型分析

引力模型主要应用于2个对象之间的引力值计算.引力模型用来揭示城市之间的空间作用力,可作为对象之间关系的量化模型[15-17].将引力模型运用到智能产线信息系统,采用引力模型系数转换方法对信息元进行系数转换,通过引力模型的计算得到信息元之间的关系,这将促进智能产线信息系统的有效构建.

引力模型揭示各对象之间的联系,主要功能是区分各对象之间的引力大小.一般引力模型如下:

(1)

2 智能产线信息系统中的信息元和信息链

智能产线信息系统由大量的信息元构成,具有关联属性的信息元以不同的形式、结构形成一条信息链[18].因此，可以按照任务完成的过程分为间接信息元和目标信息元,分析信息链的可扩展性和可变化性[19],通过信息元引力分布构建信息链.

本文提取某测量技术有限公司RT/SI部门LMES产线信息系统的信息元,并从4种用户分类(经理、主管、工程师以及一线员工)角度,分别建立信息链,如图1所示.图中,会议展板T1展示员工绩效得分，会议展板T2展示假期、产出工时、异常损失时间总和等信息，会议展板T3展示按灯响应时间、实际生产效率、未准时完成订单等信息;WTG表示工时去向;KPSI表示安全、交货率、完成率等;ANDON表示按灯响应时间.

图1 基于用户的信息链

由于效率和成本是企业生产的重要指标,在图1用户信息链基础上,分别建立基于效率和成本的信息链,并以工时为统计单位,提取相关基于工时的信息元.基于企业效率建立信息链时，针对员工提取假期等信息元，针对工程师提取异常损失时间等信息元，针对主管提取损失占比等信息元，针对经理提取效率等信息元，如图2所示.基于企业成本建立信息链时，针对员工提取上班工时等信息元，针对工程师提取产线安排等信息元，针对主管和经理分别提取工时统计等信息元，如图3所示.

图2 基于企业效率的信息链建立

图3 基于企业成本的信息链建立

3 信息元间的距离和起始重要度

3.1 信息元间距离

对信息链进行节点划分,如表1所示.以用户P1(一线员工)、P2(工程师)、P3(主管)和P4(经理)为一级节点,二级节点以T1～T3报表展板为节点对相同层级的信息元进行编码,位于三级节点的信息元以A1、A2、…等对该层级信息元进行编码,P1和P2之间相距一个单元距离,设定位于2个层级的信息元间距离为1.具体如:信息元P1T1A1与P3T2的节点个数为4,则信息元P1T1A1与P3T2的距离为4.

表1 基于信息链的各信息元节点个数划分

3.2 信息元起始重要度

本文通过专家打分法获取信息元的起始重要度P.内容包含与工时相关的信息元,以及生产一次通过率、按灯响应时间、及时交货率和未准时完成订单数量等与工时相关的指标信息元.专家来自梅特勒-托利多测量技术有限公司RT/SI部门,由于一线员工主要面向任务执行的看板(没有信息输出),本文仅针对经理、主管和工程师3类用户展开专家打分.专家用户包括1名经理、4名主管和12名工程师,要求专家对工时的相关信息元进行重要度评分(1～5个等级).为了便于计算将信息元按照顺序进行编码,一级信息元记为Y,二级信息元记为E,依次用序数对其进行标注,各信息元起始重要度的专家用户打分均值如表2所示.由

表2 信息元起始重要度均值

表2可知,生产一次通过率的起始重要度均值达到最高.其中,P4、P3和P2的生产一次通过率Y33的起始重要度均值分别为5.00、4.75和4.60.因此,应将生产一次通过率Y33作为引力分布图的中心信息元.

4 信息元间引力计算过程

根据建立的信息链,一线员工所要关注的信息主要为订单信息以及产品组装,在此不再研究基于用户P1的引力计算,分别对用户P4、P3和P2进行信息元的引力计算.

4.1 基于用户P4的引力计算

4.2 基于用户P3的引力计算

表3 用户信息元间引力值

4.3 基于用户P2的引力计算

4.4 基于引力计算结果的引力分布图

根据信息元间引力计算,可以得到用户P4、P3和P2的信息呈现引力分布图.引力分布图按3类用户呈现,每类用户的信息呈现分为2级.依据各信息元间引力大小确定各信息元之间的距离,从而使得引力值大的信息元能够及时被用户捕捉.由于信息元数量多,信息呈现的载体具有一定的局限性[20-21].因此引力分布图的构建过程中将对引力值较大的信息元进行呈现,如图4所示.智能产线信息系统的构建应按照一级、二级信息元分布开展信息可视化设计,有效提高用户的认知绩效.

基于P4经理用户引力值,按照各信息元的引力值进行依次排布,引力值越大的信息元位置则越居中,信息元也越能够吸引用户,整体排布方式为放射状，依次为生产一次通过率、及时交货率、ANDON响应时间以及未完成订单数量等信息元.二级信息元中效率目标值、实际效率、实际生产效率、产出工时、异常时间总和以及产出工时/实际效率-出勤时间等信息元引力值较大，均为6.25,其次是引力值为5.00的信息元.

(a) P4用户一级信息元分布

(b) P4用户二级信息元分布

(d) P3用户二级信息元分布

(e) P2用户一级信息元分布

(f) P2用户二级信息元分布

基于P3主管用户引力值,按照一级信息元进行呈现,即信息元的引力值越大,越接近视觉的中心,反之越远离视觉中心.位于视觉中心位置的是生产一次通过率,其次是及时交货率,然后是ANDON响应时间和未完成订单数量信息元,其他信息元依据引力值大小逐次排布.二级信息元中安全和质量信息元引力值较大,均为7.92,其次是引力值为7.50的信息元,然后是引力值为7.08的信息元.

基于P2工程师用户引力值,整个引力分布图以信息元生产一次通过率为中心呈放射状,然后是未准时完成订单数量、及时交货率和ANDON响应时间.二级信息元中安全信息元引力值较大,为5.88,其次是引力值为5.75的质量信息元,然后是引力值为5.50的信息元.