人机界面评估之层次任务分析法_金微瑕
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人类工效学2014年10月第20卷第4期Chinese Journal of Ergonomics ，October ，2014，Vol．20，No．4
人机界面评估之层次任务分析法
金微瑕，李宏汀
（浙江理工大学心理学系应用心理学实验室，杭州310018）
【摘要】本文主要介绍一种人机界面评估方法———层次任务分析法，该方法的核心思想是在一个层次结构得到任务的下位目标和与此对应的下位操作从而进行评估。本文总结该方法在评估的中对任务进行分解，
针对性，多面性，继承性和交叉性等方面存在优势，但同时也存在主观性较强和需要较长的培训和练习时间
等不足，并介绍了该方法的实施过程以及在各个应用领域的案例，和该方法的常用软件，最后对该方法进行总结和展望，认为在使用过程中结合其他可用性方法的策略能够有效弥补该方法的不足，充分发挥方法的优点，得到更好效果。关键词：任务分析；层次任务分析法；人机界面；可用性评估；人因分析；中图分类号：TB18文献标识码：A 文章编号：1006－8309（2014）04－0084－05DOI ：10．13837/j．issn．1006－8309．2014．04．0019
1
引言
在可用性研究中最为常见和主要的方法是可用性测试以及其他一些可用性诊查法和调查法，比如问卷调查和观察法等。本文主要介绍一种虽在国外广泛应用但在国内较少探讨到的方
——层次任务分析法（Hierarchical Task Analy-法—
HTA ）和使用方法，sis ，分析软件等。HTA 作为一种用来描述任务目的和它们的下位操作（sub －operations ）之间层次关系的核心可用性方法，已
并被充分证明该方法可以经有近30年的应用，
适用于界面设计和评估、职能分配、工作流程设计、错误预测和工作负荷量化评估等多种人机工
［1－3］
。效学评价
1．1定义
层次任务分析法是一种描述目标及其下位目标（Sub －goals ）层次体系的方法，提供了通用的目标或任务分析描述框架，通常用于分析人类要完成的目标或者机器系统要完成的任务，同时提供了多种表示方式，且能够表示下位目标之间
［2，4］
。的多种时序关系
1．2起源与发展
HTA 的起源大致上可以追溯到二十世纪初，即著名的科学管理运动（Scientific Management
Movement ）时期，在开始阶段Gilbreth 夫妇对该方
［2］
法的产生起到了主要作用。他们期望能够用
在观察到搬砖工会使更有效的方式来执行任务，
用不同的方法来进行搬砖工作后，他们使用层次
获取完成搬任务分析法对搬砖工作进行了分析，
砖工作的最佳方式，并对工具、作业辅助程序、工
成功地将原本18步的工作作流程进行革新后，
步骤减少到4步。
搬砖工任务过程中涉及到一个潜在的定律，即将一个任务分割成各个独立的成分，这些按照时间顺序排列的独立成分称为动素（Therbligs ）。此后Gilbreth 的研究中开始将人的因素放在了和任务的效率一样重要的位置上。随着这个重要转变的产生，关于HTA 的研究就越来越接近现代
［2］
工效学的本质。在19世纪50年代，在一些程度上也影响了HTA 的发展，一些主要的影响包括：将任务分解为基本动作元素（动素）；调查系统中的人的工作效率；不仅对肢体活动而且对认知活动进行推断；以图形化的方式来展示研究成果；为人类行为理论提供支持。其中最主要的是，从系统论角度标识系统错误的不一致性，指
机器或者人类和出错误不一致性主要是来自人、
Annett 认为，机器之间的交互。在此后的研究中，
HTA 不仅能够分析结果不仅能够反映发生的事件，而且还能预测将要发生的事情和解释该事件，HTA 方法在人因错自此，
误的预测领域得到了很好的应用。Annett 还发
在一系列的动素进程中，除了肢体上的动作现，之外，还存在一些认知上的动作元素，例如“选是如何错误发展的
［5］
基金项目：国家自然科学基金（31271102），教育部人
文社科规划基金（12YJC190018）。
作者简介：金微瑕（1988－），女，浙江台州人，硕士研
（电话）0571－86843234（电究生，研究方向：工程心理学，子信箱）weixiajin@gmail．com 。
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［6］
”、“搜索”择等。这一改变也将HTA 方法推向了一个新的领域，即对认知的研究。在对该方法
Annett 在2004年指出HTA 最的发展的评述中，
初发展的成功在于能很好地推断认知任务，随着自动化在工业作业的应用越来越广泛，现有的方法更趋向于关注可观察到的肢体活动，即描述系
［7］
统的目标和方案。1．3核心思想
Annett 等人明在最早的关于HTA 的文章中，［2］
确指出此方法基于人因绩效理论。他们提出3个问题作为评价所有任务分析方法标准：1．是否
2．是否能将应用范围扩展到能得到积极的建议，
3．是否具有理论支持。很多现代特定任务之外，
HTA 却可以满的方法不能同时满足这3个条件，
足以上条件。HTA 是一种基于目标驱动的行为研究，包括了一系列以计划为链接的下位操作，因此，为一个目标采取的任务可以用被分解成很
而计划决定了在何种条件多按计划进行的行为，
下一个行为才会被触发。在HTA 中的三个最重要的原则如下：
（1）任务由操作和操作指向的目标组成。（2）操作可分解为由下位目标定义的下位操作。
（3）操作和下位操作之间的关系是层级关系。
2层次任务分析法主要特点2．1优点
现在流行的可用性分析方法有很多种，常见的有认知走查法，可用性测试，启发式评估，层次分析法等。这里主要对这些方法和层次分析法进行比较，从而得到层次任务分析法的主要优点有：2．1．1针对性
层次任务分析法因为它自身所具有的特点，
可以用可用性步的分析这个产品和系统。例如，
测试分析利用层次任务分析法得到的相关产品的典型任务，随后就可以通过对该任务的绩效测试，得到关于该产品的可用性评估定量数据。2．1．3继承性
相比较某些评价方法在使用范围上的局限性，层次任务分析法可以使用在产品的整个生命
层次任务分析法可以周期中。在产品的构思期，
用来构思一个产品的使用过程，方便对产品的交
方便对产品使互界面的设计；在产品的开发期，
用的过程进行分析，找出关于使用过程的设计缺陷，方便改良产品；在产品的上升期对产品进行
可以依据产品原有的使用流程，在原有更新时，
可的使用习惯上改良产品；而在产品的消退期，
以对产品的使用流程进行改良，设计出换代产品，使得产品重新进入上升期。2．1．4交叉性
因为层次任务分析法可以在产品生命周期中的多个时期使用，这就注定了这个方法可以在产品的策划部门，设计部门，测试部门等同时使
在使用过程中，这些部门可以共用一用。并且，
个分析结果，节约了资源的投入。2．2缺点
作为一种可用性评价方法，除了上述这些优点，层次任务分析法的缺点也是较为明显的，从一些现
它的主要缺点如下：有的文献中我们可以看到，
2．2．1主观性
在层次任务分析法的整个使用过程中，关于对任务的分层和前后次序的评定中，主要依靠的是评价者的主观评价来进行。因此在这个过程中，评价者经验和能力的差别对结果起到了很大的作用。
2．2．2门槛高
层次任务分析法因为自身特点，使用中需要有经验的评价者对这个过程进行一系列的操作。这就要求该评价过程的实施者经过充分的培训。根据Stanton 和Young 在98年的研究，层次任务分析法的培训时间和实施时间都远长于其他的可用性评价方法，并且在非正式的情况下它的使用效率会低于正式情况下的效率。但在近期的研究中建立了下位操作模板，方便新手分析者使
Omerod 和Shepherd （2004年）提出使用下位用，
操作模板的方法和计划模板的方法可以有效提高在HTA 里对任务的重新描述。他们认为，这两种方法能够使得HTA 更易被分析者接受，减少学
决定了它的主要使用范围是在一个产品的某个具
体功能的使用过程，或者是一个系统的具体使用流程中，这样的使用方式注定了这个方法具有很高的针对性。当需要对一个产品或者一个系统进行评估时，主要是通过它的使用情况进行评估，那么层次任务分析法就能很好的满足这一点。2．1．2多面性
层次任务分析法作为可用性方法的一种，能够很贴合的与其他的可用性方法进行组合使用。在日常的使用中，分析者可以使用层次任务分析法对一个产品进行任务的分解分析，然后利用这个分析的结果使用其他的可用性分析方法进一
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［8］
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习一种新分析方法的时间。
通过总结上述关于HTA 的优缺点，我们可以
或是发现该方法的主要优点是它对于一个产品、
系统，分析具有针对性，并在产品周期上和使用部门上实现跨时期和跨部门的使用。缺点主要
导致需要较长在于该方法对评价者的要求较高，
的培训时间和实施时间。3层次任务分析法的应用3．1实施步骤
Annett 将HTA 的使用过程主要分为以下9个步骤，在下文中有详细介绍。这里也体现了在前文关于层次任务分析法核心思想中提到的3个原则，从作为目的的最高层出发，限定分析范围，扩大信息途径；再描述了下位目标；最后对不同层次之间
给出分析的终止条件等。的关系进行规定，
3．1．1定义分析目的
在HTA 使用过程中，分析目的决定了任务层次和相关信息收集等内容。HTA 分析的主要目的有系统设计，界面设计，操作过程设计，人员培
团体工作，工作负荷量化评估等。训，
3．1．2定义系统边界
一个系统的边界是根据分析目的确定的。如果一个分析的目的是为了进行人员培训，那么它的边界将会是围绕在这些人员各自执行的任务上。如果一个任务是一项团体工作的分析，那么所有参与在这项工作中的工作人员所需负责的工作内容都将被包括在分析的边界中。因此，一项研究边界的确定，主要是根据它如何定义其目的。3．1．3通过多种途径获取信息
所有任务分析手册上都强调了信息来源多样化的重要性。信息来源应当包括观察、行业专家、访谈、操作手册、认知走查法、仿真模拟等。信息来源多样化保证了分析的可靠性和有效性。此外，信息的记录和分类保存过程应当是非常小心谨慎的，必要的时候可以对数据进行反复检查。3．1．4定义系统目标和下位目标
HTA 的主要实施过程之一就是将子目标按照一定层次关系呈现出来。分解目标时，将产生一系列下位目标和完成这些下位目标的下位操
这些都需要被很好地定义。所有这些低层的作，
下位目标都应当能对高层目标进行合理解释。3．1．5缩减下位目标数量
一般情况下，一个上位目标（Super Ordinate Goal ）直接下属的下位目标数量应当在3个到10个之间，如果有超过10个下位目标的情况出现，
应当检查这些下位目标是否可以合并产生一个
新的上位目标，原有下位目标则成为这个新的上位目标下属的下位目标。
3．1．6连接目标和下位目标，并定义下位目标的触发条件
一个上位目标下属的下位目标被触发的顺序是根据特定计划来实现的。当一个下位目标
计划就从上层目标向着下层下位目被触发之后，
标方向执行，而当这个下位目标结束后，计划就会回到上层。计划的基本种类主要有以下几个：序列顺序，非序列顺序，可选择顺序，并行顺序，循环。通过分析这些包含在更高层目标中的具
就可以对更为复杂有不同触发条件的下位目标，
的任务进行分析和描述。
3．1．7当分析满足目的时，停止再次定义下位操作
何时结束分析这个问题曾经长时间的困扰着HTA 专家，目前最常见的做法是使用P*C 停
P 表示执行某任务失败的概率或者其中，止规则，
C 表示任务失败的成本。P*C 规则的含可能性，
义是如果P 乘以C 低于某个阈值则停止扩展该任务或目标。这个阈值是一个近似值或者经验
由分析人员根据经验确定，因此这个方法的值，
是一种规则而不是一种精细的运算过程。3．1．8使用专家法提高分析效度
一个重要的验证HTA 可行性的方法是利用行业专家的相关经验，这样不仅可以帮助查证分析的完整性还可以建立该专家对于此分析的归属感。
3．1．9对分析进行修订
不管HTA 分析的是怎样一个任务，想要通过一次分析得到完美结果几乎是不可能的。分析的修正次数主要是基于可利用的时间和这个分析被使用的程度。一个简单的分析（例如在自动取款
稍微复杂一点的分机取钱等）需要至少迭代3次，
析（例如化学危险品灾难应急响应服务等）需要至少迭代10次，后者的修正次数明显多于前者。因此，一个分析的最新修订版是最有用的，所以分析
以备在今后的修订中使用，文件必须要仔细存档，
或者可以在其他的分析中再次使用。
现有文献中可以看到学者多也使用这样顺
Donnell 等人在2012年使用HTA 对序进行研究，
外伤患者的转移过程进行分析。在分析中首先根据人体工学要求和文献的整理，确定了研究目的，即设计一种灵活但能够广泛使用的病人转移
协议。研究的范围包括了医务人员安全有效转
移病人的所有过程。材料来源途径包括临床观
文献查阅和对护士、理疗师等人的访谈等，同察，
时根据材料确认系统目标和过程中的子目标。继而根据专家焦点小组讨论意见对子任务进行
再根据现有的病人看护准则对这一过程的缩减，
触发顺序进行排列。分析的层次数量按照是否能满足临床观察的结果。最后组织一次由工效学和临床医生组成的专家焦点小组对上诉的结果进行最后的完善。在使用过程中则按照专家的反馈和护理人员的一件对分析进行迭代完善，最终得到最佳的流程用于病人转移过程的培训。最终参加实验的所有小组和所有个人在整体任务
［9］
上和任务各个步骤上的效率都有了显著提高。3．2应用范围举例
3．2．1人因错误的分析和预测
HTA 作为一种人因错误分析和预测的方法被广泛使用，其中基于HTA 的错误分析方法（Task Analysis for Error Identification ，TAFEI ）方法和错误预测方法（Predictive Human Error Analy-sis ，PHEA ）方法是众多的方法中比较有代表性
TAFEI 假设人类的行为是以目标为导的。其中，
向的，它结合了HTA 方法和状态空间图（State
SSDs ）技术，HTA 方法提供了人Space Diagrams ，
类活动的标准化描述，并促使人类活动和状态转
［10］
换图之间关系的形成。PHEA 是由五个阶段组成，它们分别是问题定义，任务分析，人因错误
结果分析和错误减少，其中的任务分析阶分析，
这两种方法段是由HTA 方法完成的。显而易见，
都是以HTA 方法为基础的。Baber 和Stanton 曾做过一个使用这两种方法对一台自动售货机的
这两个方法得到的结果和操作过程研究中发现，
观察所得的结果类似，而且使用这些错误分析和
［11］
预测方法能够大大减少主试的操作时间。3．2．2培训和教学领域
HTA 方法诞生初期就被用于培训和教学领域，因为该方法可以将一个任务进行清晰地分解和描述，能够指导新手如何快速的了解和掌握一
同时关于一个目的分层完成的分析个新的技术，
过程也有助于受训者快速了解到一个任务的目［12］
的和培训过程。除了新手培训外，在人员的再
HTA 也起到了很好的效果，次培训上，例如当一
个人员需要转换到另一个系统时，则可以通过比较两个系统中不同的操作过程，选择不同的培训重点，方便培训过程的实施，同时减少培训时间。
如上文中提到的Donnell 等人2012在外伤病人
转移培训中，就使用到了HTA 技术，有效的提高
［9］
了培训的效果。
3．2．3用户界面（UI ）设计
HTA 在UI 设计领域的使用，主要是通过HTA 能够提供了任务执行过程的框架，方便设计人员在设计阶段能够充分了解到用户的目的，使
有助于设计人员的获得以用户为核心用方案等，
的设计成果，减少了设计阶段的时间投入和因为
并且可以提高产重复设计造成的不必要的浪费，
［1－2］
。杨蒙在2008年的研究中使用品的可用性
HTA 技术设计了一个基于用户的UI 评估方法基于HTA 的用户目标驱动评估（HTA －based User Goal －driven Evaluation ，HUGE ），并以包裹单填写系统为例验证了HUGE ，一定程度上表明了HUGE 的有效性。作者利用评估结果对包裹单填写系统的UI 进行了升级，新UI 被证明具有更好的可用性。由于HUGE 利用HTA 的输出对UI 可用性评估中的用户满意度及有效性进行了量化，故该实验也间接说明了HTA 对于用户满意度及
［4］
有效性的可用性评估是有效的。3．2．4功能/职责分配
HTA 可以充分的描述一个系统的目的，方便决策者在一个系统或者是任务的目的上对一个任务在人和机器之间进行合理的分配，并且方便
［2，11］
。现在利用一些专找出其中可能存在的冲突
还能对不同的工作人员业的层次任务分析软件，
的工作职责进行分配，更加凸显了HTA 在这个领域的使用效率。在HTA 的专业软件TaskArchi-tect 中，研究者利用HTA 技术对某货船通过手动双层船闸的过程进行了研究，这个过程需要两个人的配合工作，利用HTA 可以很全面的考虑两个人的工作过程和机器的配合过程，得出最合理的
［13］
工作分配。
3．2．5工作负荷量化评估
当使用HTA 对一在工作负荷量化评估领域，
个工作进行分解，将任务的每一个阶段的工作人员情况进行分析之后，就能够很明确的得到不同的工作人员在同一个工作流程中所负责的部分，就能够很清晰的看到任一个人员的工作负荷情［2］
况。例如张嬿在2010年的研究中利用层次任务分析法对行车调度任务进行系统的分析，制定了任务的执行序列，建立任务和操作之间的联系，最后以此分析为基础结合任务时间，提出来适用于行车调度工作的符合评价方法，最后以上
海地铁1号线为例进行了定量评估，结合主观评
价和生理测量对建立的模型进行验证，证明了该
［15］
模型的有效性和可行性。4软件
用于HTA 的专用软件主要有集合了HTA 功能的人因工作台（Human Factors Workbench ，HFW ）和TaskArchitect 。HFW 是由人类可靠性协会公司（Human ＲeliabilityAssociates Ltd ）研发的，
PHEA ，集合了HTA ，效能影响因素分析（Perform-ance Influencing Factors Analysis ，PIFA ），泳道分析
（SwimlaneAnalysis ），人因错误概率分析（Human
HEPA ）这几个模块的一Error Probability Analysis ，
个工作包。目前HFW 的最新版本是2012年11月份更新的4．0．1．0版本。TaskArchitect 是一款
目前已经由TaskArchitect 公司开发的商用软件，
在2012年2月升级到版本3．1．69，该软件的下载可以在其官网完成。若单比较HTA 的功能，后者优于前者，它的主要优点如下：1）第一款专门为任务分析而开发的商用软件；2）使用广泛。有专用控件支持，按键简单并提供了大量组织信息；3）可以将层级任务表无缝转换成任务时间轴；4）提供了时间轴分析，工作流程分析，连接分
工作量评估，必要训练分析，定性错误评析，［14］
估。但前者在相关后续分析上优于后者，前者在产生了HTA 分析结果后，能够使用其他四个模
得到错误分块对产生的结果进行进一步的分析，
析，错误概率分析等。5总结与展望
HTA 作为一种在国内还比较新颖的综上，
可用性方法，和其他方法相比，主要的特点在于它除了上述的优点以外，还能产生很多的其他变式，除了上文中提到的TAFEI 和PHEA 之外，
KLM ）例如击键层次模型（Keystroke level model ，
也是HTA 的一种变式，1983年该方法被用于建立预测计算机任务操作时间的熟练用户模型，并且在人机交互领域已经得到了广泛的使用。HTA 在和其他的可用性方法的比较中，其主要缺点是分析者需要较长的培训时间和训练时间，但在能够自信熟练地使用该方法之后，其
因此在以往的研究中该优点就能够显现出来，
方法也得到了充分的使用，并且得到了令人满意的效果。但由于一个好的HTA 分析师需要较长时间的练习以提高自身能力，笔者认为，界面可用性分析人员在HTA 的初期使用中可以通过和其他方法的结合使用，以获得更好的效果。
例如可以和认知走查法或启发式评估，借此获
得更多的从用户角度或者其他专家角度的研究结果，并将这些结果进行综合分析以获得更好的效果。虽然HTA 作为一种方法主要是通过专家对于任务过程进行分析，它的主观性比较强，但这个分析的过程依旧基于真实的任务流程，所以笔者认为如果对这个问题有怀疑态度，则可以在研究过程中通过使用观察法以获得现实场景中的用户使用流程或系统流程，进而在此基础上对该任务进行层次分析。
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（下转第95页）
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和关键。
（2）发展创造性学习的测量工具，定量研究“创造性地教”教师与学生“创造性地学”之间关系，进一步揭示教师创造性的教学在多大程度上影响着创造性人才的成长。
另外，创造力存在着明显的文化差异，相比于美国，中国学生的创造力水平较低，创造力的发展更多地受到环境的影响，外在动机影响比较［19］
因而强调多。学校是学生成长最重要的环境，
创造性教育，注重创造型教师的培养和创造性教学行为的研究和实践具有重要的意义。
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