人机交互界面已经成为信息终端与人类之间沟通的桥梁,为用户提供综合的操作环境。其中应用菜单以一组层次化的列表方式提供用户可用的功能选项,用户通过搜索并选择菜单项完成人机交互操作。应用菜单作为人机交互界面重要的部件,其可用性将直接影响人机交互的使用体验,其合理而有效的设计对信息终端整体可用性的提高也极为重要。目前对菜单可用性的研究中,对于菜单布局的优化排序理论研究工作相对较少,菜单排序的优劣及最优菜单排序尚缺定量描述的理论支撑。菜单绩效预测模型的建立将对菜单交互可用性提供评估依据,有助于指导设计人员设计出可用性更高的菜单。已有层级菜单绩效模型较多围绕一级层级菜单建立,对隐藏布局的层级菜单和多级层级菜单的绩效预测模型建立不够全面。合理的控制显示增益调整策略会影响目标选择过程的效率和用户的使用体验,也会影响到菜单交互的可用性。针对层级菜单的可用性问题,本文主要从排序优化和绩效预测模型两方面开展研究。对层级菜单排序优化开展了理论和应用研究工作,首先提出了层级菜单基于选择菜单项的先验概率进行排序优化的思想,进一步提出了菜单最佳优化排序定律,然后融合认知与交互行为对层级菜单多种布局情况下的任务搜索与目标选择绩效预测模型进行了研究,最后提出一种控制显示增益调整方法。论文研究的主要内容和创新点包括以下几个部分:（1）提出了层级菜单基于选择概率进行排序优化的思想。通过对常用层级菜单和选项卡菜单的使用频率进行调研,得知菜单项选择概率基本符合二八定律,即常用菜单项占比例约为20%～40%。据此提出了菜单排序优化思想,并给出了菜单选择时间特征值的计算公式。进行菜单项排序优化后所得最优菜单与其他排序方式相比,菜单选择时间特征值应是最小的。（2）提出了菜单最佳优化排序定律。提出并用数学归纳法证明向量积最小值定理,然后基于向量积最小值定理和费茨定律得到菜单最佳优化排序定律。菜单最佳优化排序定律给出了排序优化思想的具体应用方法。菜单最佳优化排序定律以定量的方式指出菜单项的最佳排序是按照选择菜单项的先验概率从大到小排序。通过对层级菜单四种布局方案的研究,结果表明菜单最佳优化排序定律具有实用性和普适性的特点,可为层级菜单的布局设计以及菜单项排序提供定量描述的理论依据。（3）研究了层级菜单在多种布局情况下任务搜索与目标选择的绩效预测和评估的实用模型。通过研究人机交互中的预测模型,指出了中文文献中对席克定律理解的偏差,分析相关认知模型与交互行为模型的特征、优缺点以及现有关于层级菜单绩效模型的不足之处。有机结合费茨定律和席克定律,针对层级菜单布局的特点,为层级菜单的任务搜索与目标选择建立了更有效、更实用的绩效预测与评估模型,有助于研究人员进行层级菜单可用性测试评估工作。（4）提出了一种基于各段初始加速度的控制显示增益调整方法。随着大量数据涌入各种应用程序中,存在着移动距离小且频繁的交互场景。针对频繁交互的目标选择阶段,本文研究了控制显示增益调整方法。合理的控制显示增益调整方法对提高用户选择菜单项的效率十分有益。通过研究现有的控制显示增益调整方法,提出一种基于各段初始加速度的控制显示增益调整方法。对比以往移动距离小且频繁的交互场景下使用的固定控制显示增益值的方法,基于加速的控制显示增益调整方法更加灵活,并减少了目标选择时间。