评估工业 4.0 方案中沉浸式分析的混合现实解决方案的可用性方面

虚拟现实解决方案（VR解决方案）在不同领域越来越重要。通常，使用VR解决方案（包括虚拟现实，混合现实和增强现实），许多日常任务和程序的完成应该变得容易。例如，在汽车领域，可以通过使用虚拟现实¹ （VR）来支持汽车的配置过程。研究人员和从业人员在这方面调查并开发了多种方法和解决方案。然而，调查可用性方面的研究仍然很少。一般而言，应根据两个主要问题来考虑这两个方面。首先，必须评估VR解决方案是否真的优于不使用VR技术的方法。其次，由于VR解决方案主要依赖于繁重复杂的硬件设备，因此应更深入地研究佩戴舒适度和精神努力等参数。此外，应始终针对所讨论的应用领域调查上述方面。尽管许多现存的方法认为有必要调查这些问题²，但提出结果的研究较少。

VR领域的一个研究课题，目前很重要，用沉浸式分析来表示。它源自可视化分析的研究领域，该领域试图将人类感知纳入分析任务。这个过程也被称为可视化数据挖掘⁴。沉浸式分析包括数据可视化、可视化分析、虚拟现实、计算机图形学和人机交互等领域的主题⁵.头戴式显示器（HMD）的最新优势提高了以身临其境的方式探索数据的可能性。沿着这些趋势，新的挑战和研究问题出现了，例如新交互系统的开发，调查用户疲劳的需求或复杂的3D可视化^{的开发6。}在之前的出版物⁶中，讨论了沉浸式分析的重要原则。鉴于大数据，越来越需要像沉浸式分析这样的方法来更好地分析复杂的数据池。只有少数研究调查沉浸式分析解决方案的可用性方面。此外，在此类研究中也应考虑有关领域或领域。在这项工作中，开发了一个沉浸式分析原型，并在此基础上开发了一个协议，该协议研究了为工业4.0场景开发的解决方案。因此，该协议利用了基于主观，性能和生理方面的体验方法²。在手头的协议中， 主观方面 是通过研究用户的感知压力来衡量的。反过来，性能是通过完成分析任务所需的时间和错误来衡量的。最后，用皮肤电导传感器测量生理参数。前两项措施将在这项工作中介绍，而测量的皮肤电导率需要进一步努力进行评估。

所提出的研究涉及多个研究领域，特别是包括神经科学方面和信息系统。有趣的是，对信息系统神经科学方面的考虑最近引起了几个研究小组⁷，⁸的关注^，这表明从认知的角度探索IT系统的使用的需求。与这项工作相关的另一个领域是信息系统^的人因调查9，^10，11。在人机交互领域，存在用于研究解决方案可用性的工具。请注意，系统可用性量表主要用于此上下文¹².大声思考协议¹³ 是另一种广泛使用的研究技术，用于了解有关信息系统使用的更多信息。尽管存在许多方法来衡量信息系统的可用性方面，并且其中一些方法很久以前就已经提出¹⁴，但仍会出现需要研究新措施或研究方法的问题。因此，该领域的研究非常活跃¹²，^15，16。

在下文中，将讨论为什么在当前工作中没有考虑两种普遍使用的方法的原因。首先，未使用系统可用性量表。该量表基于十个问题¹⁷，其使用也可以在其他几个VR研究¹⁸中找到。由于本研究主要针对压力的测量¹⁹，因此与压力相关的问卷更为合适。其次，没有使用大声思考协议²⁰。尽管这种协议类型在一般情况下已经显示出它的有用性¹³，但这里没有使用它，因为研究用户的压力水平可能会增加，因为大声思考会议必须与使用繁重而复杂的VR设备并行完成。虽然这两种技术尚未使用，但最近其他研究的结果已被纳入手头的研究中。例如，在之前的作品²¹，²²中^，作者在研究中区分了新手和专家。基于这些研究的成功结果，手头的方案利用了这种研究用户的分离。反过来，应力测量基于以下作品¹⁵，^19，21，22的思想。

首先，为了进行研究，必须找到合适的工业4.0场景来完成分析任务。受作者²³的另一部工作的启发，已经确定了两种场景（即分析任务），（1）异常值的检测和（2）集群的识别。这两种情况都具有挑战性，并且在维护高吞吐量生产机器的上下文中高度相关。基于这一决定，六个主要考虑因素推动了这项工作中提出的研究方案：

1. 为该研究开发的解决方案将在技术上基于混合现实智能眼镜（见 材料表），并将作为混合现实应用进行开发。
2. 必须开发合适的测试，以便能够区分新手和高级用户。
3. 绩效指标应考虑时间和错误。
4. 必须开发桌面应用程序，该应用程序可以与沉浸式分析解决方案进行比较。
5. 必须应用一种措施来评估感知的压力水平。
6. 除了后一点之外，还应开发特征以减轻用户完成上述两个分析任务（即（1）异常值检测和（2）集群识别）的过程时的压力水平。

基于上述六点，研究方案包含以下程序。异常值检测和聚类识别分析任务必须使用混合现实智能眼镜以沉浸式方式完成（请参阅 材料表）。因此，开发了一个新的应用程序。空间声音应简化分析任务的执行，而不会增加脑力劳动。语音功能应简化用于混合现实智能眼镜开发应用的导航（请参阅 材料表）。心理旋转测试应作为区分新手和高级用户的基础。压力水平是根据问卷测量的。反过来，性能根据用户执行分析任务所需的 （1） 时间和用户为分析任务所犯的 （2） 错误进行评估。将混合现实智能玻璃的性能与新开发和可比较的 2D 桌面应用程序中相同任务的完成情况进行比较。此外，皮肤电导装置用于测量皮肤电导水平，作为压力的可能指标。该测量的结果有待进一步分析，本文将不讨论。作者在另一项使用相同设备的研究中透露，需要额外的考虑²⁴。

基于该协议，解决了以下五个研究问题（RQ）：

RQ1：参与者的空间想象能力是否显着影响任务的表现？
RQ2：随着时间的推移，任务性能是否有显著变化？
RQ3：在沉浸式分析解决方案中使用空间声音时，任务性能是否有重大变化？
RQ4：开发的沉浸式分析是否被用户感知到压力？
RQ5：与 2D 方法相比，用户在使用沉浸式分析解决方案时的表现是否更好？

图1 总结了关于两个尺度的所提出的协议。它显示了开发和使用的措施及其在互动水平方面的新颖性。由于交互级别构成了为VR设置开发功能的一个重要方面，因此图1应更好地显示本工作中开发的整个协议的新颖性。虽然对两个使用的量表内的方面的评估是主观的，但它们的总体评估是基于当前的相关工作和以下主要考虑因素： 一个重要的原则是使用环境的抽象进行自然交互，用户已经适应其中。关于手头的协议，点云的可视化对用户来说似乎是直观的，并且识别此类云中的模式通常被认为是一项可管理的任务。另一个重要原则是叠加提供。因此，使用手头协议中使用的空间声音就是一个例子，因为它们与搜索对象的接近度相关。作者建议调整表示的方式是大多数信息位于中间区域，这对人类感知是最重要的。作者没有包括这一原则的原因是鼓励用户自己找到最佳位置，并尝试在数据可视化空间中定位自己，该空间太大而无法立即显示。在所提出的方法中，没有进一步考虑要显示的3D数据的特征。例如，如果假定维度是时态维度，则可以显示散点图。作者认为这种可视化在工业4.0的背景下通常很有趣。但是，它必须专注于一组相当小的可视化效果。此外，之前的出版物已经专注于数据的协作分析。在这项工作中，由于本研究中其他解决的问题的复杂性，该研究问题被排除在外。在这里呈现的设置中，用户可以通过四处走动来探索沉浸式空间。其他方法提供了控制器来探索虚拟空间。在这项研究中，重点是通过使用系统可用性量表（SUS）来确定可用性。之前的另一份出版物为经济专家进行了一项研究，但使用的是VR头显。总的来说，最重要的是，这项研究抱怨其他设备的视野有限，比如这项工作中使用的混合现实智能眼镜（见 材料表）。他们的发现表明，VR领域的初学者能够有效地使用分析工具。这与本研究的经验相匹配，尽管在这项工作中，初学者没有被归类为拥有VR或游戏体验。与大多数VR解决方案相比，混合现实不是固定在一个位置，因为它允许跟踪真实环境。VR方法，例如提到使用特殊的椅子进行360°体验，将用户从桌面上解放出来。的作者指出，感知问题会影响沉浸式分析的性能;例如，通过使用阴影。对于手头的研究，这是不可行的，因为使用的混合现实智能眼镜（见材料表）无法显示阴影。解决方法可以是虚拟楼层，但这样的设置超出了本研究的范围。沉浸式分析领域的一项调查研究发现，3D 散点图是多维数据最常见的表示形式之一。总而言之，目前无法找到图 1 中显示的方面，该协议调查了工业 4.0 场景沉浸式分析的可用性方面。