基于情境意识的直升机模拟器显示界面设计研究

（燕山大学 066004）

随着国民建设的全面发展，航空装备正面临由传统机械化设施向智能信息化系统全面升级的现状。对于驾驶舱操作系统，这样的技术升级意味着使用功能数量的增加，还代表承载信息量的加大。因此，难度加剧的驾驶舱显示界面在加重飞行员对于信息认知处理成本的同时，还容易诱发操作决策失误进而造成航空事故。

情境意识作为对飞行员快速认知所在环境并预测后续反应水平的研究，在航空驾驶这一复杂动态场景，通过内在机制研究“人”对信息的注意资源分配以及事件状况的判断及决策，其理论目前已成为航空心理学的热门领域。飞行任务主要依靠显示界面完成指令接收与操作反馈，显示界面作为驾驶舱内重要信息系统，承载了监视、控制、输出等核心操作功能，由于常有多任务并行出现的飞行状态，所以显示界面工效提升的核心问题是减少信息认知负担的以及符合感觉通道操作特性。目前，情境意识用于直升机模拟器显示界面优化设计研究较少，缺乏将认知内部思维特点映射至产品优化设计的相关过程，

一、情境意识相关理论概述

1.情境意识

情境意识（Situation Awareness，简称SA）的概念最早出现在航空心理学领域，形容作战环境中飞行员对操纵控制的理解。目前，引用最广泛的概念是Endsley提出的，她认为情境意识以人对环境的认知和思维为中心，代表了人在复杂动态环境下对信息的理解及事件状况的预测水平。高水平的情境意识可以尽快理解发生变化的环境信息中驾驶任务特征，帮助注意力资源进行合理分配，减少脑力负荷过重引发的紧张及分心情况，对后续状态进行正确判断和决策。

2.情境意识模型及应用

根据研究取向的差异，情境意识出现过多个理论模型。Endsley使用信息加工模型阐述信息加工机制中短时记忆、图式以及注意等概念与情境意识的关系。在信息处理这方面，情境意识拥有三层次理论模型：感知环境要素（SA1）-理解当前情境（SA2）-预测未来状态（SA3）。这三个层次水平依次升高，在高水平情境意识与低水平之间呈必要但不充分关系。根据信息加工模型的描述（见图1），获取并解析当前环境信息是形成情境意识的关键因素，这一过程受到注意资源与工作记忆的制约，相反，制约因素又被操作者的目标指向和心理模型所克服。由此可见，只有顺利地理解围绕核心飞行任务目标的环境信息，才能促成飞行员对于未来状态的正确决策。据研究显示，人为因素造成的航空事故已占到航空事故总数的80%，而51.6%的重大事故和35.1%的非重大事故皆归因于情境意识错误导致的后续判断失误。同时，事故中飞行员的不安全动作多发生于环境发生变化的应急状态并伴随注意力不集中的认知状态。情境意识理论和系统模型的出现，可以帮助研究者更科学地分析飞行事故形成原因。形成人在状单一“操作”状态变化到“监视、决策与控制”全流程关注的安全保障。

从理论与模型特性可发现，情境意识的核心思想就是分析复杂任务中操作者的认知变化，进而为产品信息通道呈现方式提供优化设计依据，减少注意力资源对核心任务的流失、避免情境意识丢失、提升任务安全与实现效率。

图1 情境意识信息加工模型（引自Endsley，1995）

3.飞行驾驶环境中情境意识与脑力负荷

由于驾驶舱多样的飞行操纵控制水平和控制方式要求，驾驶员承担了飞行操纵者和状态监控者复合身份，且要保持对系统任务持续且密集地学习输出。这样复杂信息密集环境中，个体的注意资源分配、情境意识水平、脑力负荷间有着紧密又复杂的关系。注意是形成情境意识的基础，在信息被视觉通道扫入后，此时操作者使用认知完成着对注意资源的分配策略。所以，对注意力分配水平的优劣，即“分心”状态的轻重程度，是飞行操作者情境意识水平高低判断的主要依据之一。脑力负荷水平则决定了注意力分配的效率和方式，研究表明，随驾驶任务累积增加导致脑力负荷水平逐渐增高时，以及过于放松脑力负荷极低时，注意力分配策略下均表现出更差的情境意识水平。

这些情境意识机制可拓展至显示界面设计中，通过设置更明确的功能分区以及分度较大的信息优先级人机界面，控制飞行员分配注意资源的关键信息数量，实现最佳绩效水平。

二、直升机显示界面的情境意识分析

1.显示界面的情境意识三层次模型

直升机显示界面承担了飞行任务的操作输出，在执行任务的过程中，快速理解变化中的状态特征以及对新状况实现认知中新的注意资源分配策略，可以帮助飞行员做出正确的判断。

驾驶环境中，飞行员依靠显示界面完成引导信息和飞行指令的人机交互。情境意识开始于感知环境要素这一层次（SA1），也是对环境中信息的初始收集。信息感知主要通过视觉通道方式完成，一种是目标驱动，使用自上而下的认知加工模式；另一种是信息驱动，围绕任务目标展开，也是飞行员构建自我情境意识的核心，服务于任务目的进行信息搜寻，属于自下而上的认知加工模式。比如，飞行员接到飞行高度调整的命令，经过大脑处理后，引发后续飞行员的操纵变化。这两种认知模式的合理交替，有利于飞行员高水平情境意识的促成。其次，就是理解当前情境的第二层次情境意识（SA2），这一层次主要体现在飞行员感知信息后的内在加工处理，此层次的目标是更全面透彻的理解信息代表的意义，对变化状态产生相应的认识及评估。在深入理解的过程中，这通常会唤起认知中的图式释放记忆与经验形成知识基础，结合现有状况塑造情境意识二层次状态。其次，从驾驶操作角度看，飞行员同样依赖于显示界面的仪表元件呈现的多类型密切相关信息（速度、高度、设备运行、气压等），用于理解评估。因此，除自我认知以外，可以干预显示界面的信息排列与呈现方式，搭配系统化与数字可视化方式助力飞行员阅读效率与理解速度，使情境意识维持在较高水平。情境意识的第三层次则是预测未来状态，高层次的情境意识的精密度一方面基于低层次情境意识形成的认知基础，一方面与用户经验积累以及个人能力相关。飞行环境中做出的任何决策即使稍有不慎，都可能引发航空事故。所以，显示界面应增加关于预测内容的可视化描述，帮助飞行员决策的准确度。

2.显示界面设计现存问题

显示界面处在具有振动及光电综合仪表系统这样的复杂空间中，是信息的提供渠道，也是行动的作用目标。目前国内在航空设备视景资源与显示界面的综合化与高效化策略部分处于模仿和跟踪的阶段。本文选取某型直升机飞行模拟器（图2）作为研究载体，以其驾驶舱内的人机界面作为研究对象。通过现场调研的方式，直观发现其有以下几方面设计缺点：

（1）使用时的阅读角度、离地高度与座位间距不符合标准化，难以满足操作可达性；

（2）光电显示器单元呈碎片式、模糊化排布，未见清晰的系统化显示编码设计；

（3）人机界面色彩设计单薄，未见符合视觉特性的防干扰色彩设计；

（4）视景系统的外壳与座椅处连接部分缺乏设计感，且裸露处增加了外界光照、温湿影响和安全多重风险。

图2 某型直升机飞行模拟器驾驶舱人机界面样机

3.直升机模拟器显示界面交互分析

从现有的驾驶舱人机界面的设计缺陷分析可知，显示与固定器件的功能位置设计、编码设计仅罗列展示并未从贴近使用对象的系统化视角出发。在操作交互要素特征的基础上（表1），从直升机飞行训练环境和驾驶操作者的双重需求考虑优化方向。

表1 某型直升机飞行模拟器驾驶舱人机界面交互要素提取

人机界面在信息排布方式上需具有高效化，这包括操作触达、显示容量两方面，显示界面的展示按照功能重要层级优先原则，在直视范围内缩短触达的物理距离，排布必须必要功能。有限的核心视野范围，功能进行架构归类，把具有相同属性的功能的按钮形式以组合式连接式排布，降低处理信息总量的同时也可以节省脑力负荷；在显示字符的编码上要满足防干扰易读、差异性，无法避免光照强度波动和光线反射对视觉判断的影响，字符的编码需在颜色、形状和文字说明上做出有益于快速识别的特征。显示编码的差异性要体现在不同功能类型与不同状态下的人机界面的表现形态差别。同样，人机界面在触觉通道也要关注控制精度与反馈，人机界面皆由驾驶者手指接触操控，这说明目标按钮与信息光电界面不可过小，混合排列时距离不宜过近。可以使用多通道手段对重点功能的触觉操作进行反馈提醒，减少外在负荷。

三、设计实践

1.基于飞行需求的显示界面设计过程

利用人机工程学的上肢可达参数对人机界面的位置进行物理空间的调整，使驾驶者与操作界面的直线距离满足大部分驾驶者飞行舒适性要求（图3）。其次，针对显示界面进行编码工效设计，从易用性角度出发，以工业设计的手段对相似功能进行分区规划，提高信息的辨识效率。

2.直升机显示界面优化方案

图3 优化后的显示界面设计及驾驶环境人机工程关系图

此设计方案将开关和光电设备进行功能重新重要度排序，并利用可视化方式呈现状态信息，促进认知注意资源的合理分配及脑力负荷的降低，满足高水平情境意识状态下的驾驶需求。

四、结语

目前，国内通过内在认知机制研究航空环境操作与显示界面彼此关系的研究较少。本文经过对显示界面的情境意识三层次归纳以及操作过程的交互核心要素分析，以及驾驶任务与飞行员的需求的设计结合，对显示界面进行了功能按优先级划分、显示元件重新编码的设计改造。这里的研究对此类航空人机界面设计研发具有一定参考价值，为提升飞行驾驶体验做出贡献。