量化安全关键接口中规定与实测交互路径的偏差：一种面向可靠性评估的树形度量方法

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Quantifying Prescribed–Observed Interaction Path Divergence in Safety-Critical Interfaces: A Tree-Based Metric for Reliability-Oriented Evaluation

　　

摘要

可靠的作业执行依赖于支持所需操作及其验证的界面。我们开发了一种结构诊断方法，用于量化规定与观测交互路径之间的偏差。利用界面窗口树（IWT），将任务需求和交互日志映射到统一的层级结构，构建设计者规定的任务树和用户行为树。对两棵树的比较可区分对新功能分支的探索与在已有位置上的重复操作。有序树编辑距离（TED）量化结构差异，并通过节点对齐定位控件、菜单和功能区域中的不一致。一项被试内验证实验采用了两项配置任务和一个模拟月面指挥控制界面的三个变体。混合效应分析显示，TED与目标定位延迟、非目标点击和探索时间呈正相关。TED在非目标点击和目标定位延迟方面提供了超越总点击次数和路径长度的额外信息（Holm校正后p < .001和p = .043）。按参与者分组交叉验证提高了非目标点击的预测效果。在替代结构权重、受限排序和树规模归一化条件下，延迟和点击的关联仍然存在。这些结果支持TED作为一种结构诊断特征，用于研究界面相关的绩效塑造条件并指导针对性重新设计。

章节摘要

引言

一项安全关键任务可以在经过大量搜索、重复选择和纠正导航后达到其所需的终点。因此，仅凭完成状态无法完整说明人机界面（HMI）对执行的支持程度。在月面作业、指挥控制、航空和医疗设备中，界面组织着任务绩效所依赖的信息和功能的访问途径[[1], [2], [3], [4]]。面向可靠性的评估必须将观测结果

面向可靠性的界面评估

界面评估是HRA和人体因素工程的一个既定组成部分。Kim [6]将HRA与界面设计评审联系起来，安全关键界面的正式分析通过显式模型评估任务需求和交互特性[5]。NUREG-0711将任务分析、重要人类行为处理、界面设计、验证与确认以及绩效监控组织在统一的评审流程中[7]。这些活动需要能够

面向可靠性界面评估的TED指标

该方法将任务需求和记录的交互映射到统一的界面层级，比较其有序结构，并将差异追溯到所涉功能和界面位置。以下小节定义了IWT、两棵任务特定树、TED计算以及用于设计评审的解读方法。

验证目标与假设

验证考察了规定-观测结构偏差是否捕捉到执行负担，以及是否提供了超越基本交互量度量的信息。一个模拟月面指挥控制界面的三个变体改变了初始可见性和预设触发展开方式，同时保留了任务目标和功能内容。分析检验了界面差异、与行为和感知结果的关联、界面变体的调节效应以及增量

分析样本与任务完成

结构和行为分析共包含40名参与者的238次任务试验：任务1为120次，任务2为118次。I1、I2和I3分别贡献了79、80和79次试验。因此，240次计划试验中有99.17%提供了完整的页面追踪数据。问卷分析使用了118个完整的参与者×界面区块，每个区块贡献一个PU分数、一个PL分数及其两个任务的平均TED。

在240次计划试验中，219次达到了配置完成标准（91.25%），

结构覆盖作为诊断单元

结果显示，以任务为参照的结构偏差包含超越已记录操作数量的执行负担信息。总TED与非目标点击和时间负担相关，且在调整点击次数和路径长度后，仍然与非目标点击和目标定位延迟保持增量关联。重复操作在评分结构中被合并，因此这些关联不能仅由将每次重复事件单独计数来解释。

结论

本研究建立了一种基于IWT的方法，用于量化和定位规定-观测交互路径偏差。任务需求和交互日志在统一层级中表达，有序TED衡量其结构差异，同时保持与界面功能和位置的对应关系。合并重复访问使执行范围可独立于操作频率获得，为比较提供了超越

CRediT作者声明

王新月：概念化、方法论、验证、正式分析、调查、数据整理、撰写初稿、撰写审阅与编辑、可视化。何志贤：方法论、验证、软件、正式分析、数据整理。王悦：调查、可视化。陈尚广：监督、项目管理。夏前进：资源、监督、项目管理、经费获取。

资金支持

本研究得到国家自然科学基金（项目编号62441219，项目编号62502269）、北京市自然科学基金（项目编号3254040）、中国博士后科学基金会博士后面上资助（项目编号GZC20251650，项目编号2025M783658）以及人体因素工程国家重点实验室的资助。

未引用参考文献

[50,53,54]

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王新月：撰写审阅与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。何志贤：验证、软件、方法论、正式分析、数据整理。王悦：可视化、调查。陈尚广：监督、项目管理。夏前进：监督、资源、项目管理、经费获取。

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