基于认知特性的飞机仪表界面布局研究*

2018-03-02高虹霓

火力与指挥控制 2018年1期

肖康，高虹霓，李康

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

0 引言

随着航空科学技术的发展，单位时间内飞行员处理的信息量显著增加。而且飞行情况复杂多变，要求飞行员必须能够快速地获取飞行信息，并能够通过这些信息作出准确的判断，从而作出准确的决策，这就需要对飞机座舱显示信息进行规划和整合，对飞机座舱显示界面进行良好的设计［1］。飞机驾驶舱设计中功效学问题已成为制约飞行安全的主要因素［2-3］。视觉是人获取信息的主要通道，而仪表界面又是飞行员获取视觉信息的主要渠道，在飞行活动中，系统的工作条件参数、输入参数、工作状态参数等，大多数由显示仪表传递给飞行员［4］。随着航空装备自动化程度的提高，飞行座舱内仪表数目显著增加，视觉搜索难度增加，对于仪表，其信息又主要分布于仪表盘外围，故在设计仪表界面时，仪表之间应存在一定的间隔，而驾驶舱仪表之间间隔目前还没有统一的标准。驾驶舱显示界面显示信息众多，仪表板的显示界面又是极其有限的，那么如何在驾驶舱仪表界面有限的空间中通过调整仪表的布局方式来提高飞行员的辨认绩效成为一个亟待解决的问题。

目前，国内外学者就飞机座舱显示界面中信息编码（字符、颜色、位置、光照条件等）对操作人员辨认绩效的影响进行了一定的研究［5-9］。在仪表设计中，视距与仪表大小以及刻度线规格之间也有了一定的人机工程学标准［10］。显示界面信息显示密度对视觉辨认绩效也存在一定的影响［11-12］。另外，李静等就信息显示密度对辨认绩效的影响性进行研究，得出了信息显示密度与辨认绩效呈倒“U”型关系的结论［13］。研究表明，字符的行距、大小对视觉辨认绩效都存在着一定的影响［14-15］。

而当驾驶舱显示仪表数目增多时，通常情况下，由于飞机驾驶舱显示界面空间有限，仪表布局都相对紧凑，而这同样也会导致信息显示密度增加而降低飞行员的视觉辨认绩效，产生类似字符对视觉辨认绩效的效果，在飞机座舱这种高密度信息显示的空间里，也会在一定程度上影响到飞机驾驶的安全问题。为了找到在仪表界面布局中，辨认绩效比较好的仪表组的间隔，然而飞机座舱仪表显示界面布局空间有限，在间隔增大的同时，必定伴随着仪表盘直径的减小，为了确定一个合适的仪表间大小（仪表盘直径）与距离（仪表间圆心距）的关系，本文模拟飞机座舱仪表显示界面，在此基础上就驾驶舱显控界面中一定空间上仪表大小距离比对辨认绩效的影响性进行实验研究。

1 实验设计

1.1 实验平台构建

实验设备包括HP xw9400工作站一台，实验呈现在22 in的显示屏上，显示屏分辨率为1 280×1 024像素，屏幕亮度为300 cd·m-2，亮点直径为0.33 mm，刷新频率为200 Hz，测试对象距屏幕约600 mm，切视线成90°夹角，且屏幕中心与测试对象的眼高基本水平。

实验程序主要由标准化心理实验系统E-Prime软件编制，用来呈现实验靶材，测试对象通过鼠标进行交互，软件自动记录测试对象的行为数据。

整个实验过程在封闭的室内环境完成，光照度约为 40 lx，温度约为 22°～28°，为模拟实验环境与作业环境的一致性，实验室播放飞机座舱背景音乐，大小为40 dB。

1.2 测试对象选取

所有测试对象均为本校相关专业的男性大学生，共14人，年龄为22～26岁，所有测试对象均为右手利，身体健康、矫正视力正常，无色盲、色弱等现象。所有测试对象均未接触过同类实验。

1.3 实验任务及界面设计

首先确定实验靶材，利用Visio创建仪表模型，实验界面如图2所示，每个实验界面都有9个仪表盘，等间隔分布，并且指针分别指向不同的位置。选定指针方向为实验刺激，指针指向范围（90，100）的仪表盘为“靶子”（如图2，目标为5），其余均为干扰项，在每个重复呈现的画面中，都会有1个或者2个“靶子”，呈现概率各为50%。本实验设计分为3大组，6小组，大组按照仪表组面板大小进行分类，面积分别为 270×270 cm2，180×180 cm2，90×90 cm2，下面分别以大、较大、小仪表显示界面表示，如下页图3所示。小组间按照不同的间隔水平进行分类。

E-Prime将实验靶材呈现在屏幕中央，使其处在测试对象的视域中心，测试对象需要以最快的速度判断出哪一个仪表模型的指针处于90～100之间，确认目标后，并点击鼠标左键确认，软件自动记录测试对象的反应时间。

1.4 实验步骤

1.4.1 预实验

选取6名被试进行预实验，通过设置不同的仪表间隔，以人的主观感受为指标，选取不同间隔视觉感受最舒适的仪表盘，通过询问实验者两个相邻间隔的仪表盘图差别大小以确定适宜的仪表间隔分类水平。最终确定如表1所示的仪表间隔水平以及大小距离比的分类。

表1 间隔与大小距离比对应关系

1.4.2 正式试验

步骤1：测试前要求被试者经过充分休息，保持良好的精神状态，主试向被试宣读指导语并通过练习以确保实验者充分熟悉实验流程。

步骤2：正式测试前，首先让被试者注视测试屏幕中央“+”形图标，集中注意力，然后随机呈现一组测试画面使被试者熟悉测试过程，同时使其进入测试状态。

步骤3：正式开始实验，每个被试者要求完成6组不同间隔的实验，每组实验共15个图片，要求被试者在尽量保证正确率的条件下，从每一组搜索界面中9个指针指向随机的仪表盘中选取指针指向范围在（90，100）的仪表盘，选取后点击鼠标左键进入下一幅图像界面。为了保证被试者有良好的精神状态，每组实验间隔中被试者可以依据自己主观意愿休息。

步骤4：对8名被试者分别进行上述测试，直至实验结束。

2 实验结果分析与讨论

2.1 大小距离对识别效率显著性验证

对不同间隔条件下测得的反应时间，采用方差分析进行组间差异性比较，如表2所示。

表2 3组仪表显示界面的F值与P值

由表2可知，设定显著性水平α=0.1，可知在3组不同大小仪表界面中，仪表间大小距离比均对反应时间有显著性影响，且随着仪表界面变大，显著性水平降低。在一定视距情况下，仪表大小对辨识绩效也存在着一定的影响［10］，随着仪表界面的变大，仪表大小距离比的变化会导致仪表大小变化加剧，仪表大小的影响就凸显出来，导致显著性降低。

2.2 大小距离对认知绩效回归模型确定

绘制以大小距离比为横坐标，平均反应时间为纵坐标的折线图。如图4～图6所示。

分析折线图可知，3组不同大小仪表界面的反应时间均随着仪表间大小距离比变小，先变小后变大。3组实验均在大小距离比为0.72时，反应时间最小，相互验证了在仪表间大小距离比对视觉辨认绩效的影响。在仪表间大小距离比为0.571时，某些被试的反应时间会有一定的下降，究其原因，被试在宣读实验指导语时，知道每一大组实验共有6个小组，故在最后一个小组时，处于兴奋状态，反应时间有所下降，辨认绩效上升，但并不影响实验整体结果。

通过图形观察，选取一元二次函数对平均反应时间作回归分析，其函数表达式为

式中：x为大小距离比；y为平均反应时间；a、b、c均为参数值。回归曲线如图7～图9所示。

平均反应时间拟合曲线函数方程如表3，表中：可决系数（R）反应模型曲线的拟合度，越接近1拟合越好。

由拟合曲线可得，随着仪表盘间隔的增大，实验对象对靶材的反应时间先缩小后增大，存在一个最小值，呈现倒“U”型曲线，即通过调整间隔有助于减小识别反应时间，增加辨识绩效，这是由于随着仪表间隔的增加，造成一定量的信息留白，信息并不是充斥着整个视觉空间，并且对于仪表盘，其显示信息主要分布于仪表盘周围，观察仪表时周边没有相应的干扰，在阅读的时候会有相对舒适的感觉，故反应时间加快。当间隔继续加大时，人眼在扫描时，空白较大，在一定程度上降低了视觉资源利用率，这一点在第1组表现得尤为明显，而且会出现微微摆动头部的现象，也会降低辨认绩效。对于第2组以及第3组，随着间隔的加大，仪表直径变小，不宜阅读，这在一定程度上也会导致反应时间增加，尤其是在第3组，仪表直径较小，但还是在间隔增大的时候存在一个绩效上升段，这也说明间隔对仪表显示界面辨认绩效影响显著，另外由于仪表较小，由折线图可知，反应时间的最低点因个体差异的存在并不集中于一个点。即通过调整间隔来增加视觉辨认绩效可以将仪表大小距离比设计在一个合理的区间内。在设计时也不应该出现过分追求仪表间隔而忽略仪表尺寸变化的现象。

表3 3组仪表显示界面的平均反应时间回归函数

2.3 仪表大小距离比设置的合理区间

通过上述分析可知，仪表大小距离比对操作人员的反应时间具有影响性，在驾驶舱显示界面设计中，应对仪表盘大小距离比的合理区间作出确定，从而保证飞行员对控制信息较好的识别速度。通过对回归模型进行求导，分别为：

大仪表界面不同间隔平均反应时间导函数以及最优值：

得：x=0.78

较大仪表界面不同间隔平均反应时间导函数以及最优值：

得：x=0.81

小仪表界面不同间隔平均反应时间导函数以及最优值：

得：x=0.80

通过模型求导的结果分析，对于反应时间，当x=0.8左右时，反应时间达到最小值，而折线图显示，在大小距离比为0.721时反应时间达到最小值，但是在大小距离比为0.647时，反应时间均存在剧烈增加的现象，而在仪表间大小距离比为0.8～0.9时，反应时间上升平稳，总体来说，当仪表间大小距离比在区间（07，0.9）时对反应时间均有明显改善。

3 结论

本研究以反应时间以及正确率为辨认绩效评测指标，针对驾驶舱显示界面中，一定空间上的仪表组仪表盘大小距离比对操作人员视觉辨认绩效影响性问题进行试验研究，主要结论如下：1）通过对不同仪表组大小距离比反应时间以及正确率数据的方差分析，验证了仪表组大小距离比对操作人员辨认绩效具有显著性影响。2）以一组9方格仪表组为研究对象，通过观察研究，采用一元二次数学模型回归分析，建立了仪表组大小距离比与驾驶舱操作人员的视觉辨认绩效之间的量化函数关系。3）通过一元二次回归模型的量化函数关系，得出了在设计仪表组时仪表盘之间的大小距离比的合理区间约为（0.7，0.9）。本文研究结果可为驾驶舱显示界面中的仪表组设计提供工效学依据。今后可进一步针对飞机座舱仪表显示界面中的显示信息密度问题作进一步研究。

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