工业产线控制系统中信息表征的有序度算法模型及应用

吴晓莉，王琳琳，张伟伟，顾志峰

(1.南京理工大学 设计艺术与传媒学院，江苏 南京 210094；2.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189;3.河海大学 机电工程学院人因与信息系统交互实验室，江苏 常州 213022；4.天合光能股份有限公司，江苏 常州 213000；5.安徽工业大学 工商学院，安徽 马鞍山 243000)

0 引言

交互界面作为工业产线控制系统承载的巨量信息与操作员的唯一沟通渠道，影响着人机交互的流畅程度。其中不同的信息结构导致了操作员截然不同的搜索路径，对人机交互生产效率和操作员认知绩效有较大影响。因此，信息结构是操作员操作和监控的主要影响因素。近年来，国内外在工业人机交互与信息结构方面进行了相关研究，BAUERLY等[1]、LEE[2]和RYDSTROM等[3]建立了汽车导航界面呈现的实验模型和仿真环境。JAMES等[4]阐述了数据流在不同时间尺度下的描述方法。YIM等[5]寻找在有限的屏幕空间上进行复杂信息的界面设计呈现。李晶等[6-8]研究了信息多维属性的可视化结构映射关系；周蕾等[9-12]验证了界面布局感性映射模型，以有序度为基础定量研究了手机APP界面的信息结构优劣性。牛亚峰等[13]分析了脑电波幅与图标的关系；吴晓莉等[14-18]通过信息表征提取人机交互界面的设计因素。张继国等[19]将信息熵引入到时效性和质效性问题。综上所述，现有信息结构领域研究非常丰富，在人机交互研究方面具有一定的基础。工业产线控制系统人机交互界面的信息承载量过大，视觉信息结构复杂，信息结构相关成果在工业产线控制系统人机交互的研究仍需深入。本文将通过信息与信息结构的映射关系，展开信息表征，建立一种将有序度熵理论算法应用于工业产线控制系统视觉信息结构的量化模型。

1 有序度熵理论算法模型的构建

1.1 信息表征

通过对工业产线控制系统、人机交互、视觉信息结构等方面的研究分析，可以得到信息与信息结构的映射关系。信息特征即信息的关联属性。从信息角度分析，信息表征过程是对信息内在属性和外在属性的表征过程。吴晓莉[14]通过设计信息表征得到了航战系统界面抽象布局图。从信息结构角度分析，信息表征过程是对信息结构的外在和内在设计过程。建立的信息表征如图1所示，具体步骤如下。

(1)提取信息关联属性

信息关联属性是视觉信息结构的设计因素。充分理解结构设计因素是优化视觉信息结构的前提。提取所有界面的信息元，记录信息元的关联属性特征(如形式关联属性、时间关联属性、空间关联属性、功能关联属性)，形成表格。

(2)划分功能区任务区

针对表格罗列出的信息元，进一步从关联属性的角度对信息元进行表征。依据某个关联属性将信息元划分为不同的群集。在工业产线控制系统，依据功能关联属性，将功能相关的信息元划分为一个群集，形成功能区。依据功能关联属性将属于同一个操作任务的功能区划分为一个群集，形成任务区。

(3)重整层级

将步骤(2)中提取出的功能区任务区划分至不同层级界面，得到层数和各层内的功能区任务区布局。重整层级时，需划分至一个功能区或任务区的信息元无法拆开至不同层级；并实现生产管理多屏监控和减少层级数量，在合理的前提下，将多个功能区、任务区显示在一个层级。优化过程依据信息表征方法设计。信息表征方法的3个步骤依据系统各信息的属性划分功能区、任务区与整理层级，因此为满足系统功能性，重整层级是有最优解的。

1.2 有序度熵理论算法模型

(1)

Rij=-PijlogPij;

(2)

Pij=Lij/L;

(3)

(4)

(5)

(6)

Hi=-FilogFi;

(7)

Fi=Di/D;

(8)

(9)

(10)

时效性与质效性此消彼长，因此用有序度表达时效性与质效性的平衡状态，用R表示有序度，α表示信息结构的时效权重系数，β表示信息结构的质效权重系数。代入时效熵、最大时效熵、质效熵和最大质效熵，得到有序度R计算公式如下：

(11)

式中：R值越大，系统视觉信息结构的有序度越高，人机交互效率越高，信息结构越合理;反之，R值越小，系统视觉信息结构的有序度越低，人机交互效率越低，信息结构越不合理。

2 有序度熵理论算法模型的应用

2.1 产线控制系统的结构

某企业产线控制系统的优化前界面属于综合式信息结构，通过信息表征被转化为树状式信息结构，树状式信息结构是有序度的计算基础。图1中层数和层内抽象布局图中的功能任务区域个数是计算对象有序度的计算基础。文章将布局抽象化，优化后系统结构与优化前系统结构的区别为层级数目和同一层级上的功能任务区域数量不同。某企业制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)产线控制系统的主要研究范围是流程模块和在制品管理模块。流程模块可以自主设计产线流程，使产品按设定工序自动加工。流程模块自首页进入，1级界面包含生产区段、流程类别和流程设定3项信息元，点击流程设定进入2级界面，2级界面的订单签核状态和3级界面的流程信息显示两项内容组成列表结构，此列表结构与4级界面的操作方式组成双重列表结构，订单签核状态、流程信息显示和操作方式3种关联属性作为双重列表结构的行名、列名，各自为一个功能区。优化前系统的流程模块属于综合式信息结构(即包含2种及以上结构的信息结构)。流程模块优化前部分界面如图2所示。

在制品管理模块的作用是及时监控产线上任一在制品的生产状态。在制品管理模块自首页进入，1级界面与上级界面内容重复，应删除，2级界面中包含生码作业、层压件转工单作业、组件序号作废、生码组件标签补印和生产批执行5项信息元，点击生产批执行进入3级界面，3级界面中包含内容较多，主要内容是选择区域编号、区段编号、作业站编号，这3种选择过程需要反复进出3级界面与相应部分子界面(3个子界面分别对应3、4和5级界面)，3种选择全部确定后进入6级界面显示具体生产批状态信息。各生产批对应4个相应工作站点，工作站点即7级界面。在制品管理模块优化前部分界面如图3所示。

综上，优化前的系统的树状式信息结构图如图4所示。

2.2 信息表征的应用

以流程模块为例，优化前流程模块层级冗余、功能混乱，功能相关的信息元散落，信息关联性不强，针对此问题，信息表征在流程模块的应用如下。图1步骤1提取信息关联属性和步骤2划分功能区任务区应用于流程模块的表征结果见表1。

表1 流程模块信息元表征

将步骤2中提取出的功能区任务区重整至不同层级界面，得到层数和各层内抽象布局图(以2级界面为例)。重整后的信息元、功能区、任务区汇总如下：流程模块待整合的信息元共28项。其中信息元1～信息元3属于1级界面，不参与2级界面区域整合；信息元4～信息元28由原来的多个层级被整合至2级界面，优化后流程模块界面的2级界面布局如图5所示。图5从信息关联属性角度显示了2级界面信息元构成的区块的详细布局。其中信息元4～信息元18构成任务区1(包含功能区1、功能区2、8号动态信息元)，信息元19～信息元28构成任务区2(包含功能区3、28号动态信息元)。整合后的层数由4个层级变为2个层级，1级界面包含信息元1～信息元3，2级界面包含余下的信息元、功能区、任务区。在制品管理模块与流程模块的分析同理。

2.3 优化后的视觉信息结构

优化后的视觉信息结构如图6所示，将综合式信息结构通过信息表征转化为树状式信息结构。

3 有序度计算

3.1 优化前后系统的抽象结构图

将图4和图6转化为抽象的信息结构图，分别命名为结构1和结构2，如图7和图8所示。其中，两结构最底层的黑色点数量一致，代表两种结构的目标信息元的数量与功能一致，不同点是两种结构中信息链的长度与内容不同，导致信息关联不同，操作员找到目标信息的搜索路径不同。虚线方框标记在对应圆点左侧，代表该圆点的次数k(便于后续计算)。

3.2 时效性与质效性的计算结果

根据路径长度不同可以总结出两种信息结构的时效性特点，如表2所示。根据2种信息结构中信息节点的连通情况，可以总结出不同结构的质效性特点，如表3所示。结合图7和图8，虚线方框代表该点的次数k，如当k=1时，经计数可得，结构1的N1值为46，即结构1中有46个D1次点。

表2 2种信息结构的时效性计算结果

表3 2种信息结构的质效性计算结果

由表2表3可知，结构1中存在大量中间层级，“钥匙孔效应”严重，信息搜索过程中节路数量大大增加外，结构1虽与结构2的质效性相差不大，但是结构1语义指代不明，需要频繁地进出层级，时效性较差。

3.3 有序度的计算过程

首先计算两种信息结构的时效熵与最大时效熵的比值，然后计算两种信息结构的质效熵与最大质效熵的比值，最后选择合适的权重系数α和β，得出两种信息结构的有序度。

(1)结构1的时效熵与最大时效熵的比值

由表2可得：

L结构1=63×1+61×2+57×3+48×4+

43×5+6×6+5×7+4×8=866。

由式(1)～式(5)可得：

=[63×1/866×lg(866/1)+61×2/866×

lg(866/2)+57×3/866×lg(866/3)+

48×4/866×lg(866/4)+43×5/866×

lg(866/5)+6×6/866×lg(866/6)+

5×7/866×lg(866/7)+4×8/866×

lg(866/8)]/lg(866)=0.815 0。

(2)结构2的时效熵与最大时效熵的比值

由表2可得：

L结构2=52×1+50×2+46×3+5×4+

4×5+0×6+0×7+0×8=330。

由式(1)～式(5)可得：

=[52×1/330×lg(330/1)+5×2/330×

lg(330/2)+46×3/330×lg(330/3)+

5×4/330×lg(330/4)+4×5/330×

lg(330/5)+0+0+0]/lg(330)=0.853 2。

(3)结构1的质效熵与最大质效熵的比值

由表3可得:

D结构1=46×1+10×2+1×4+2×5+

1×6+4×10+0×37=126。

由式(6)～式(10)可得：

=[46×1/126×lg(126/1)+10×2/126×

lg(126/2)+1×4/126×lg(126/4)+2×5/

126×lg(126/5)+1×6/126×lg(126/6)+

4×10/126×lg(126/10)+0]/lg(126)

=0.772 9。

(4)结构2的质效熵与最大质效熵的比值

由表3可得:

D结构2=46×1+3×2+1×4+1×5+

1×6+0×10+1×37=104。

由式(6)～式(10)可得：

=[46×1/104×lg(104/1)+3×2/104×

lg(104/2)+1×4/104×lg(104/4)+1×5/104×

lg(104/5)+1×6/104×lg(104/6)+0+

1×37/104×lg(104/37)]/lg(104)

=0.664 4。

(5)结构1与结构2的有序度

基于准确、快速的结构设计原则，取权重系数α和β的值为0.5，计算过程如下：

带入前两项计算结果得：

R1=0.206 1,

R2=0.241 2。

由此求得，2种信息结构的有序度分别为0.206 1和0.241 2。总体来看，结构2有序度较高，结构1有序度较差，结构2优于结构1。因此，对MES产线控制系统视觉信息结构的设计是有意义的。

4 优化方案

流程模块、在制品管理模块2级界面布局信息结构呈现过程如表4所示。

表4 系统信息结构呈现方案(以2级界面为例)

5 结束语

本文通过信息、信息结构的研究层次，分析得出信息与信息结构的映射关系。针对工业产线控制系统的视觉信息结构内在设计，建立了基于信息表征的有序度熵理论算法模型，将该模型应用于某企业MES产线控制系统，得到了优化的信息结构，通过计算有序度验证了模型的有效性。将信息结构和界面布局的研究结果应用于MES产线控制系统的流程模块，得到了优化后的视觉信息结构呈现方案。

该信息表征的有序度算法模型，能够广泛应用于制造集成系统的信息结构优化中，有效提高多维度复杂信息呈现下的有序性。