飞机驾驶舱顶部板触控技术工效学研究

张燕雯，张泉清

(上海航空电器有限公司 航空照明综合技术重点实验室，上海 201101)

1 引言

随着信息化作战的发展及驾驶舱智能交互技术的进步，集成化、智能化的显示控制系统已成为未来驾驶舱的必然发展趋势。触摸屏操控技术作为自然直观的交互手段之一，在手机、汽车等消费电子领域的应用已十分普遍，对于年轻飞行员而言，成长于触摸屏消费时代，形成了触控操作习惯，使用机械仪表可能会消耗更长的培训时间[1]，不利于技能的学习和迁移。对于飞机设计而言，触摸屏实现了输出和输入设备的集成和统一[1]，符合一体化设计的趋势。近些年来其在现代飞机驾驶舱内的应用也得到了Thales、Honeywell等各大厂商的关注，目前业界已推出一些支持触控的显示器产品，并初步应用于飞机驾驶舱的显示控制，如波音777 X、湾流G500、F35等飞机主控界面均已成功应用触控技术[2]。然而，触控交互存在控制精度不足、振动不利影响、操纵无法脱离注视、可能误触、缺乏触动觉反馈等缺陷[3]。飞机驾驶舱顶部板通常位于飞行员前上方非中央视野范围，飞行员操作时前臂屈曲一定的角度，虽然触控技术的应用可能导致飞行员肌肉疲劳[4]，但从节省驾驶舱空间资源、减轻飞机重量、降低运营成本、利于技术更新的角度考虑[5]，仍存在必要的改装需求。而国内针对飞机驾驶舱触摸操控技术的应用仍处于发展阶段，鉴于适航条款在技术安全方面的限制和约束，触屏控制技术在国内缺乏适航取证的经验[6]，目前主要关注适航审定和评估体系研究[7-8]，而国内在驾驶舱触控产品的工效研究数据成果较少。本文对顶部板触控交互是否满足人机工效要求进行实证研究，旨在为飞机驾驶舱新型交互设计提供技术参考依据。

2 研究方法

2.1 被试

本实验于上海航空电器有限公司实验室完成，共招募20名被试自愿参加实验，年龄均在25岁以上，矫正视力1.0以上，无色盲色弱，手臂和手指肌肉功能正常。

2.2 实验环境

本实验采用可进行触控交互的控制板样件和包含扳动开关、旋钮、按钮的实体控制板样件。通过支架调节至和飞机顶部板一致的位置角度。保持被试坐姿眼位高度877 mm[9]，室内温度控制在25°C。湿度控制在40%～60%。

2.3 实验设计

本实验共有两个自变量，即控制方式和控制类型。控制方式包括触控和实体开关两种水平。控制类型选取了电源、发动机、外部照明和环控四种典型任务模块，从电源、发动机、外部照明和环控模块中各选取常规操作任务，开关类型包含扳动类、旋钮类、按钮类。实验采用2×4被试内设计，一部分被试实验顺序为先触控后实体开关，另一部分被试实验顺序为先实体开关后触控。

实验因变量有任务操作绩效、任务操作工作负荷和操作品质。任务操作绩效通过主试记录操作任务正确率和任务完成时间；任务操作工作负荷采用NASA-TLX负荷量表进行主观评分，内容包括脑力需求、体力需求、时间需求、绩效满意度、努力程度和挫折程度；操作品质采用7点评分量表进行主观评分，内容包括可达性、易辨性、易用性、舒适性和防误性。

2.4 实验任务

主试参照驾驶舱设计眼位，确定被试固定眼位；主试使用视力表、色盲测试图被试视力、有无色盲，询问被试是否有肌无力等症状，记录在被试信息记录表中。被试入坐，依据坐高调节座椅高度，使眼睛到达主试确定的固定眼位位置；主试向被试介绍实验内容。

被试开始任务学习和操作练习，每个控制方式上进行各种任务类型操作，重复操作5次；被试在第一种控制方式上准备进行第一项任务操作；主试给予任务指令，开始计时，被试进行任务操作，结束时主试停止计时，并确认任务操作是否正确，将结果记录在实验记录表中，被试完成操作品质7点评分量表；完成一项任务后休息1分钟，依据表1中的任务编号顺序进行下一项任务操作，直到所有任务类型都重复操作2次，操作品质7点评分量表仅需在第一次操作后完成1次；完成一种控制方式的任务操作后，被试完成NASA-TLX负荷量表第一部分，休息5 min进行下一种控制方式的任务操作，至到完成所有控制方式操作。被试完成NASA-TLX负荷量表第二部分，实验结束，见表1。

表1 操控任务

3 结果

本实验不同控制方式之间操作正确率均达到100%，本实验的结果表明触控方式在正确率上可达到使用要求，但也可能是实验任务难度较小并且被试经过了任务学习和操控学习对任务熟悉后的结果。但重复性方差检验结果表明，不同控制方式之间的任务完成时间呈显著性差异(F=203.603,P<0.01)。估算边际均值结果显示实体开关的任务完成时间显著低于触控任务完成时间(F=203.603，P<0.01)。

采用重复性方差检验，各主观评价维度的不同控制方式之间均呈著性差异，结果如表2所示。

表2 主观评估主体间效应检验结果

估算边际均值结果显示实体开关的主观操作品质各维度得分均显著优于触控操作(P<0.01)，在控制类型上并未出现交互效应。不同控制方式和控制类型任务主观评估的描述性统计结果如表3所示。

表3 主观评估的描述性统计结果

对于触控的操作可达性评分在电源、发动机两种控制指令类型上均值>5分，可认为被试易到达。但在环控指令上触控方式的可达性、易用性、舒适性评分均值<3分，可能和该控件在界面上的布局位置相关。防误性条目分值越大代表越容易误操作，四种控制类型的触控方式防误性评分均值<4分，即认为触控方式的防误性可接受。

表4表明，实体键和触控两种控制方式NASA-TLX量表总分没有显著差异(t=-2.028,P=0.058)。但各分项得分差异检验显示，两者在体力需求、时间需求和努力程度三个维度上没有显著性差异，但实体键的脑力需求显著低于触控(t=-3.000,P=0.008)，挫折程度显著低于触控(t=-4.604,P=0.000)，绩效满意显著高于触控(t=5.244,P=0.000)。被试在顶部板触控操作过程中脑力需求更高，挫折程度更高，绩效满意更低。

表4 实体控制-触控成对差异检验

4 讨论

本研究对比测试了飞机顶部板采用触控和实体按键两种交互方式完成电源、发动机、外部照明和环控模块的控制指令时的任务绩效、操作品质及任务负荷。结果表明两种控制方式任务正确率没有显著差异，一方面可能是任务设计的难度并不是很大，被试的任务负荷没有超载，另外一方面可能是本实验是在无振动的条件下进行的，对触控的正确率没有造成干扰。但是实体控制方式在任务完成时间低于触控方式。可能是因为顶部板处于非中央视野内，实体开关具有不同的形状特征更适于盲操，而触控屏幕需要视觉辨认任务信息增加了额外的注视时间，这一结果于前人研究的结果一致[10]。

被试对实体方式的操作品质评价在可达性、易用性、舒适性、易辨性、防误性维度上均优于触控方式。可能是由于触控控件的形状单一且在屏幕上是二维的，而实体开关是三维，设计形状特征各异，触觉差异使易辨性和防误性更好，且有较为明显的触觉反馈，被试对于可达性、易用性、舒适性的主观感知更为强烈。该结果与前人认为触控可能存在反馈延迟使对可用性产生负面影响的研究观点也较为一致[11]。

两种方式的任务负荷没有表现明显的差异，但被试对实体的挫折程度评价显著低于触控方式，绩效满意程度高于触控方式。可能是由于顶部板一般布局于飞行员前上方，并不位于中央视野范围内，触控方式缺少明显的视觉提示和反馈机制，与前人综述研究的观点较为一致[12]。触觉和视觉认知机制分离，被试需付出更多的负荷资源用于视觉信息认知。且触控任务完成是否正确无即时有效的响应反馈，对自己任务表现结果的不确定性可能降低了被试的自信水平，挫折感增强，绩效自我评价降低。

5 小结

本研究对飞机驾驶舱触控技术的应用工效进行了初步探讨，对于顶部板而言，由于其布局位置并不处于最佳中央视野内，采用单一触控屏替代实体开关并没有发挥触控交互的优势，但触控屏智能化程度高、占空间小、设备简洁、界面集成化，是未来飞机智能驾驶舱设计技术趋势所向，而顶部板上操控任务对应的指令一般使用频率不高，本实验的数据结果也验证了触控交互应用时须考虑布局位置的影响，因此后续顶部板产品可参考汽车领域，采用多通道交互方式冗余设计，如加入语音、手势等新型机载交互方式，弥补顶部板触控交互可能存在手眼分离、抬臂操作疲劳的缺点。