基于图像熵的数字化核电站人机界面复杂度快速评价

贾倩倩，张良驹

(清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084)

在美国三哩岛核事故后，人因工程成为核安全的重点研究领域。保证核电站安全的途径之一是改善人机界面设计，使其能更好地支持操纵员[1]。人机界面评价是设计过程中不可缺少的环节，通过评价可发现设计中的不足，从而保证人机界面的可用性。目前，核电中的普遍做法是在装料前对人机界面进行全面的验证和评价[2]，以保证其充分性。人机界面评价方法包括实验评价和理论评价。实验评价主要是利用全范围或小范围模拟机，按照运行规程执行相关任务[3]，通过实际操作来发现人机界面的设计不足，从而达到评价的目的。实验验证是对人机界面最全面最真实的评价，但它需要的实验条件和约束较多，除了人机界面及支持人机界面的仿真模型外，还要有完整的运行规程，而这些是在设计初期无法提供的。

理论评价的途径很多，如检查表法[4]、专家判断等，评价对象涉及人机界面的各方面，如设备布置[4]、画面结构、易用性、操作复杂度[5]等。在不同的设计阶段，为了不同的评价目的，可有不同的评价方法。这些评价方法通常针对整个人机界面系统建立评价体系，综合考虑显示、控制、规程及环境等多个因素，而对于基于计算机屏幕的一幅特定画面，除通过专家判断或经验反馈外，无法进行具体评价。这些画面是组成人机界面的重要元素，单幅画面设计的优劣会直接影响人机交互的效率及操纵员的使用感受，进而影响操纵员对电站情况的掌握，甚至影响电站安全。为了对数字化核电站人机界面的单幅画面进行评价，本文提出利用图像熵对复杂度进行评价的方法，通过计算画面的图像熵实现对画面的快速定量评价。

1 数字化核电站人机界面的复杂度

1.1 数字化核电站人机界面的特点

在数字化核电站中，计算机屏幕是人机交互的主要途径，通常由全厂仪表和控制系统的计算机驱动，人机画面布满整个显示器。它与普通的软件界面相比有如下特点。

1) 确定性设计。操纵员只能打开事先设计好的画面且无法关闭画面，不同于某些应用软件可由用户新建和关闭窗口。

2) 信息显示功能非常重要。人机界面为操纵员提供电站运行所必需的信息，这些信息通常使用一定的编码方式(如统一的颜色使用规则、统一的图符使用规则等)进行呈现，合理组织，且信息量不能过大。

3) 操作功能相对简单。操纵员通过人机界面向电站发出操作指令(如设备启停、流程启停等)，这类操作与通常的应用软件相比，较为简单。

4) 画面众多。数字化使人机界面设计中的灵活性大幅增加，数字化核电站中的画面类型丰富，画面数量可达几百幅。

图1示出两幅实际的核电站流程图画面。

1.2 数字化人机界面的复杂度

复杂度的定义非常广泛，一般来说，对象不同，其定义不同。对于某一个特定的系统，其复杂程度可从3个方面来描述：种类、数量及它们之间的关系[6]。

对数字化核电站的人机界面来说，画面中的图符类型、大小、数量、颜色类型、颜色对比度等均是复杂度的影响因素，列出这些指标作为复杂度的度量[7]，可形成一个巨大的评价体系，而建立此评价体系需较高的统计和计算成本，无法实现单幅画面的快速评价。因此，应寻找一种快速有效的评价画面复杂度的方法。

2 基于图像熵的复杂度评价

2.1 图像熵

图像是一种特殊信号，其信息量的大小可用图像熵来表示。图像熵的定义由Shannon[8]提出，是一种建立在概率统计模型上的信息度量。图像中不同位置的像素，其灰度不同，图像熵H可表示为：

(1)

式中：pi为某灰度在整个图像中出现的概率；L为图像灰度统计中的灰度级类型总数。

图1 流程图画面示例

图像熵还有另外一种定义，将单个像素上的光子数作为统计的对象，位置(m，n)处的光子数与其灰度fm,n呈正比，此种定义下的图像熵可表示为：

(2)

式中，M和N分别为图像的行数和列数。

2.2 画面复杂度

从理论上说，图像熵可表征图像的混乱程度，熵越大，图像越复杂，信息量越大。因此，可将布满整个屏幕的人机界面做图像化处理，并计算其图像熵，以图像熵的大小表征画面的复杂程度和信息量大小。

为找出能反应画面信息量和复杂程度的图像熵定义，针对图1a、b两幅画面，分别用式(1)、(2)计算其图像熵。图2示出了计算单幅画面图像熵的流程图，其计算结果列于表1。

利用式(1)计算得到的结果中，两幅图的图像熵差异较大，且图1a的熵大于图1b，说明图1a较图1b更复杂，这与人的直观感受一致；而利用式(2)计算得到的结果中，两幅图的熵值较接近，难以区别两幅画面的复杂程度。

图2 图像熵的计算流程

表1 图像熵的计算结果

通过上述初步分析计算可发现，图像熵(第一种定义)能反映画面的复杂程度。这与人机界面图像的下述特点有关。1) 人机界面做图像处理后，各像素和灰度均是独立的；人机界面与其他由摄像机拍摄的图像不同，它是由图形转换成的图像，图像中无噪声，各像素也是独立的，无相关性。2) 灰度处理能保留画面的层次和信息量：根据人因工程的要求，核电站画面中的颜色总数有限，一般不会超过5种，且颜色之间的对比度足够大以保证操纵员易分辨，这样的画面做灰度处理后能保证图像熵可反映图像的混乱程度，且灰度图像处理较真彩色图像处理计算成本低。因此，选择图像熵(第一种定义)来衡量画面的复杂度是合理可行的。

3 实验验证

3.1 实验设计

为验证图像熵对画面复杂度评价结果的正确性，选取14幅核电站人机界面，由5名受试人员分别对其进行复杂度人工评价。人工评价分为5个档次，分值越高表示人感觉越混乱。表2所列为图像熵计算结果和人工评价结果。

3.2 数据分析

由于复杂度本身是一抽象概念，不同人给出的评价结果可能不同，因此，应对人工评价的结果进行相关度分析[9]，相关系数r为：

(3)

式中，I1和I2为两个独立的向量。

表2 图像熵计算结果与人工评价结果

由于受试者均是独立进行评价的，因此，可将每个受试者对14幅画面的定量评价结果与其他受试者的评价结果做相关性分析。

r的值域为[-1,+1]，其大小可反映两个变量之间的相关程度，r>0表示两个变量正相关。当0<|r|<1时，表示两变量存在一定程度的线性相关，|r|越接近于1，两变量间线性关系越密切；|r|越接近于0，则表示两变量的线性相关越弱；|r|<0.4为低度线性相关；0.4≤|r|<0.7为显著性相关；0.7≤|r|<1为高度线性相关。

表3列出不同受试者对画面复杂度评价结果的相关系数。可看出，除人工3与人工4之间的相关系数小于0.4外，其他结果均为显著性相关，表明受试者对画面复杂度的感受基本一致。

表3 不同受试者评价结果之间的相关性

将人工评价的结果归一化后取平均值，并与归一化后的图像熵进行对比(图3)。可看出，人工评价与基于图像熵的评价结果是基本一致的。

图3 归一化图像熵与人工评价结果的对比

为进行定量分析，利用相关系数的定义，计算图像熵与各人工评价结果的相关性(表4)。从表4可看出，画面的图像熵与人工评价结果的相关系数为显著性相关和高度线性相关，说明图像熵作为定量评价画面复杂度的方法是可行的，且与人工评价结果具有很高的一致性。

表4 图像熵计算结果与人工评价结果的相关性

4 结论

本文提出了一种基于图像熵的数字化核电站人机界面复杂度的快速评价方法。通过对数字化核电站的画面特点和复杂度分析，在比较了两种不同的图像熵定义对画面复杂度评价结果的基础上，选择了适用于数字化核电站人机界面复杂度评价的图像熵定义，并给出了计算单幅画面图像熵的流程。将图像熵对复杂度的评价结果与人工评价结果进行了对比及相关性分析，结果表明，图像熵对画面复杂度的评价结果与人工评价结果具有较高的一致性。

该方法无需建立复杂的评价体系，在画面初步设计完成后即可快速进行。利用该方法，一方面可保证人机界面的信息量和复杂度保持在合理水平，更好地支持操纵员；另一方面可在设计初期不具备实验评价和专家评价的条件下，发现设计中的不合理之处并及时改进，缩短设计周期。

参考文献：

[1] 杨孟琢. 核电人因工程领域的发展[J]. 中国工程科学，2002，4(8):12-19.

YANG Mengzhuo. Development of the nuclear power human factors engineering field[J]. Engineering Science, 2002, 4(8): 12-19(in Chinese).

[2] IEC 60964 Nuclear power plants-control rooms-design[S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2009.

[3] 高强，周杨平，周志伟，等. 基于THERMIX/BLAST和vPower平台的HTR-PM工程模拟机开发[J]. 原子能科学技术，2012，46(2)：206-211.

GAO Qiang, ZHOU Yangping, ZHOU Zhiwei, et al. Modeling and analysis of engineering simulator for HTR-PM based on THERMIX/BLAST code and vPower simulation platform[J]. Atomic Energy Science and Technology，2012, 46(2): 206-211(in Chinese).

[4] 许彧青. 核电站主控室后备盘台人机界面建模及其优化方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[5] JINKYUN P, WONDEA J. A study on the development of a task complexity measure for emergency operating procedures of nuclear power plants[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2007, 92(8): 1 102-1 116.

[6] CUMMINGS M L, SASANGOHAR F, THORNBURG K M. Human-system interface complexity and opacity, Part Ⅰ: Literature review[R/OL]. [2013-10-20]. http:∥web.mit.edu/aeroastro/labs/halab/papers/HAL2010-01.pdf.

[7] 许忠华. 火电厂控制室显控系统人因评价研究与应用[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[8] 朱铮涛，黎绍发，陈华平. 基于图像熵的自动聚焦函数研究[J]. 光学精密工程，2004，12(5)：537-542.

ZHU Zhengtao, LI Shaofa, CHEN Huaping. Research on auto-focused function based on the image entropy[J]. Optics and Precision Engineering, 2004, 12(5): 537-542(in Chinese).

[9] 张海燕. 应用概率论与数理统计[M]. 北京：清华大学出版社，2013：74-77.