李晨輝　龐志兵　張艷君　鄒渝　李宏雷　翟霄飛

摘要：在傳統(tǒng)人機界面工效評估方法的基礎上，研究了眼動測量在人機界面交互工效評估應用方面的應用，分析了眼動測量在裝備研制、院校教學和部隊訓練的應用前景。將眼動測量引入人與裝備交互操作的過程中，檢測裝備操作員眼球的運動參數(shù)，量化評估裝備人機界面的優(yōu)劣，為裝備人機界面的優(yōu)化與設計提供科學依據(jù)。闡述了基于眼動測量的人機界面工效評估系統(tǒng)所實現(xiàn)的基本功能、系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)組成，并對系統(tǒng)的實驗應用領域進行了展望。

關鍵詞：人機交互；界面評估；眼動測量；工效評估

中圖分類號：TB 472，TP 391文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2017）01-0041-05

0引言

人機界面（Human Machine Interaction，HMI）作為裝備與操作員的交互窗口，實現(xiàn)了裝備信息的內(nèi)部形式與操作員可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換，是裝備整體設計中至關重要的部分，將直接影響到操作工效的提升和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮[1-2]。視覺是人類認識世界和相互溝通的直接途徑。因此，視覺認知生理評估方法是非常有效的界面優(yōu)劣評判方法。傳統(tǒng)的人機界面評估主要基于用戶自身的主觀回憶，在進行人機交互時用戶的思維活動難以得到客觀體現(xiàn)，測試結(jié)果也容易受到影響。相反，在人機交互的過程中，利用眼動跟蹤測量技術，觀測眼球的運動參數(shù)，量化評估人機界面設計與交互性的優(yōu)劣，能夠?qū)⒂脩舻闹饔^影響有效消除，為界面優(yōu)化提供客觀依據(jù)。此外，眼動跟蹤測量技術還可以在人機交互過程中觀測眼球的運動，提供客觀的、可以相互比較的、量化的度量標準，從而為選拔操作人員提供依據(jù)。近年來出現(xiàn)的的專家-新手范式（expertnovice paradigm），是將實驗人群分為專家組和新手組，采集2組人員的眼動數(shù)據(jù)，對比注視時間、注視點次數(shù)、掃視軌跡等指標的差異，用于發(fā)現(xiàn)專家高效、實用的掃視模式和新手的掃視缺陷，對于指導新手的技能訓練具有重要作用[3]。美國空軍將眼動測量系統(tǒng)應用于部隊訓練，能明顯提高訓練效果，及早糾正錯誤的掃視習慣。在F16B的15個訓練科目中，有10個應用眼動測量的訓練系統(tǒng)[4]。操作員的眼動模式越優(yōu)、掃視規(guī)律越有效率則裝備操作績效越好。因此，裝備人機界面交互操作訓練時，加入眼動模式的指導，有助于新手掌握經(jīng)驗操作員高效的眼動注意力分配規(guī)律，養(yǎng)成正確的掃視習慣，提高訓練效率，縮短訓練周期，為裝備訓練內(nèi)容的制定與調(diào)整提供幫助。工程實踐表明，裝備存在的缺點和易發(fā)生的問題往往集中在人機界面上，會導致操作不便、維護困難等問題。在進行人機界面評估與優(yōu)化的過程中，主要可分為2個方面：一是“機適應人”，在裝備研究設計階段，按照“設計-仿真-測試-修正”的閉環(huán)進行，采用大量的調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計和操作員經(jīng)驗統(tǒng)計分析等，人力物力消耗過大；二是“人適應機”，即在裝備定型使用階段，由于裝備可變空間縮小，必須盡量發(fā)揮人的可塑性特點，強化操作員的限制性訓練，以便更好地適應裝備，充分發(fā)揮裝備的作戰(zhàn)效能。同時，還要將裝備使用過程中發(fā)現(xiàn)的設計缺陷等問題反饋工業(yè)部門，以進一步優(yōu)化武器裝備的設計與制造[5]。

1眼動測量技術及應用

人的眼球運動表現(xiàn)為在被觀察目標上一系列的停留點之間的快速跳動，通常分為3種類型，即注視、眼跳和追隨運動[6]。當注視停留點的時間超過100 ms時，稱為注視點。眼跳是注視點或注視方位的突然無意識改變。追隨運動是當被觀察物體與眼睛存在相對運動時，為了保證注視點的穩(wěn)定，眼球會追隨物體移動。眼動測量是通過檢測眼球注視點位置和相對運動而實現(xiàn)對眼動軌跡的追蹤，記錄眼動的時間和空間數(shù)據(jù)，如注視時間、注視次數(shù)、眼跳潛伏期、回視次數(shù)、瞳孔大小及眼跳距離等。通過分析這些眼動數(shù)據(jù)，可獲得操作員視覺加工的信息選擇模式、認知特征，掌握其在裝備操作過程中的注意力分配、工作負荷狀態(tài)等信息[7]。眼動測量技術在人機界面和工效等方面的應用主要有以下4個方面。

1.1在人機界面設計中的應用

隨著裝備信息化程度的增強，人機界面溝通順暢與否與裝備效能的發(fā)揮緊密相聯(lián)。裝備操控面板的設計和布局應符合人的視覺特性，使信息顯示既便于接受又易于做出判斷。運用眼動技術研究裝備人機界面布局的優(yōu)劣，分析其對裝備操作績效的影響，利用眼動設備對操作員操作過程中的眼動狀態(tài)進行測量，根據(jù)其眼動數(shù)據(jù)，分析界面布局對操作員認知的影響，為人機交互優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。

1.2在人員操作績效考核中的應用

研究發(fā)現(xiàn)，用專家掃視模式培訓過的新手比不用專家的掃視模式培訓的新手搜索績效要高。在研究操作員眼睛運動規(guī)律時，可利用眼動模式診斷操作缺陷和評價操作績效。另外，通過對比專家和新手裝備操作時的眼動模式，不僅可為評價操作績效提供參考，還可為制定操作員的培訓計劃提供依據(jù)。

1.3裝備操作員疲勞度檢測的應用

隨著裝備自動化程度的提升，操作員需要處理的信息量不斷增加，加重了其工作負荷。在操作裝備時，需要長時間集中精力監(jiān)控各種控制儀表，極易引起機能、腦力和視覺疲勞，會造成武器裝備操作的失誤，直接影響到部隊的作戰(zhàn)訓練。研究發(fā)現(xiàn)，眨眼的頻率和工作任務的難度存在正相關性，如多任務的眨眼頻率比單一任務的眨眼頻率高。利用眼動技術對人機界面進行交互評估分析，推斷出視覺的疲勞程度，認知能力下降程度等，客觀地量化出相應的工作負荷量和疲勞度。

1.4裝備操作中人員分心現(xiàn)象的測量

操作員在操作裝備時，會受到警報聲響、人為因素、非人為因素等的影響，造成分心現(xiàn)象，嚴重時會降低操作績效，增加失誤率。利用眼動技術測量出操作員的分心現(xiàn)象（如當操作員視線長時間離開相關儀表就是最直接的操作分心指標），進行量化分析，以便及早發(fā)現(xiàn)操作分心現(xiàn)象。

2基于眼動測量的人機界面作業(yè)優(yōu)化評估系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)實現(xiàn)功能

裝備人機界面的評估與優(yōu)化，實際上就是分析操作員與人機界面的信息顯示與控件布局等元素間的協(xié)調(diào)匹配度。由于不同的操控人員，對裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解和操作技能水平是不同的，這將直接影響到從人機界面上獲取信息的能力，影響交互過程中的反應能力。基于視覺優(yōu)先的原則，操作員必須具有有效的視覺信息采集方法，它將決定著后續(xù)信息加工的質(zhì)量和動作行為的反應效果，是人與機器配合的基礎。視覺搜索是一種復雜的認知過程，具有較強的目的性。將眼動測量技術引入到人機界面評估與作業(yè)流程優(yōu)化的研究過程中，充分發(fā)揮視覺搜索對人機界面評估與優(yōu)化研究能力，研發(fā)出相應的評估實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)人機界面工效學設計標準與原則，運用眼動測量技術分析人機界面，為操作員提供的信息量和視認反應時間的定量關系，并將所采集的實驗數(shù)據(jù)與試驗人機界面模型相結(jié)合，對人機界面的視野設計、可視域、可觸域、控件布局等進行評估。同時，系統(tǒng)根據(jù)量化分析結(jié)果，研究人機界面設計缺陷或操作流程的問題，提出優(yōu)化改進方案。

系統(tǒng)研究設計的目的主要是為了解決以下2個方面的問題。

2.1.1有效解決了客觀評估人機界面的問題

評估裝備人機界面的優(yōu)劣，重點在于能夠保證視覺反應與操作反饋之間的協(xié)同，使操作員通過人機界面，迅速、準確了解裝備各類狀態(tài)參數(shù)和戰(zhàn)場環(huán)境信息等，高效地完成作戰(zhàn)任務。因此，通過對操作員的眼動狀態(tài)的測量分析，采集注視點在人機界面上的位置轉(zhuǎn)換、停留時間，通過移動序列記錄及軌跡描繪，來度量人機界面布局的有效性和合理性，盡量減少顯示視覺密度，增加視覺平衡感。利用所采集的注視熱點，直觀地反映操作員的眼動軌跡的空間分布，標記出注視時間在該區(qū)域的長短，根據(jù)眼動軌跡的跳動度，分析相關的影響因素，避免界面布局不一致等問題。

2.1.2有效解決了科學優(yōu)化作業(yè)流程的問題

優(yōu)化作業(yè)流程時，需要解決的關鍵問題就是輸入快速性、操作準確性、信息明確性和圖示標準性等。根據(jù)操作員眼動狀態(tài)，分析其注視、跳動的時隙和序列，結(jié)合作業(yè)流程進行對比分析，優(yōu)化作業(yè)結(jié)構(gòu)與流程。統(tǒng)計注視點平均數(shù)量和平均時間，以反應人機界面布局的合理性和顯示信息的難易度。在輸入快速性上，要盡量減少操作員的輸入動作，以提高其工作效率和出錯概率。在操作準確性上，為預防操作員的錯誤，優(yōu)化作業(yè)步驟，盡量避免易錯、易混操作的相關性和交織性。在信息明確性和圖示標準性上，是在人機界面評估的基礎上，提出相應的改進方案，利用本系統(tǒng)對該方案進行模擬測試，評價界面改進對作業(yè)流程優(yōu)化的影響。

在研究論證的基礎上，重點實現(xiàn)了以下功能。

1）記錄裝備人機界面操作流程記錄；

2）記錄操作員操縱過程中注視點數(shù)據(jù)集；

3）分析目視熱點區(qū)，以及與操作步驟的相關性；

4）提出人機界面可優(yōu)化點建議；

5）提出在人機界面固定條件下操作員操縱優(yōu)化流程；

6）對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行可視化描述等。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)采用半集成的軟硬結(jié)合方式，采用先進的眼動測量技術（商業(yè)產(chǎn)品），對操控人員的眼動狀態(tài)進行采集和復現(xiàn)，利用自研的分析軟件，將采集的數(shù)據(jù)與人機界面仿真模型相結(jié)合，分析設計缺陷和優(yōu)化作業(yè)流程，并動態(tài)演算和顯示評估結(jié)果，建立相應的裝備人機界面評價指標體系，提出改進方案，并可進行復現(xiàn)測試。本系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)結(jié)合了眼動跟蹤測量技術和3D建模技術，在人機工程學、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘的研究基礎上，依據(jù)操作員自身特點、操控能力以及視覺搜索與認知能力等行為特征，研究裝備人機界面布局的評估方法和優(yōu)化原則。利用Mobile Eye系列眼動儀，實現(xiàn)對操作員在進行裝備人機界面或模擬人機界面作業(yè)過程中的雙眼視域、手部操作以及眼睛隨動過程等數(shù)據(jù)的采集與復現(xiàn)。利用系統(tǒng)控制臺和數(shù)據(jù)服務器，將所采集的數(shù)據(jù)進行歸類統(tǒng)計分析，根據(jù)操作員的眼動軌跡和相關參數(shù)，對人機界面布局和作業(yè)流程進行評估優(yōu)化。

2.2.1系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)的硬件部分主要由眼動設備、多點觸控顯示屏、數(shù)據(jù)協(xié)議接口和服務器組成。眼動設備主要用于對操控人員的眼動軌跡進行采集。顯示屏主要用于人機界面仿真模型的動態(tài)顯示，以便于對人機界面進行評估和作業(yè)流程的優(yōu)化。系統(tǒng)控制臺、數(shù)據(jù)協(xié)議接口和服務器用于處理、轉(zhuǎn)換和傳輸所采集的眼動數(shù)據(jù)，分析相應的注視、跳動、隨動軌跡與時間，熱點區(qū)與干擾區(qū)的大小、分布等。

2.2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的軟件部分由眼動設備控制軟件和人機界面評估與優(yōu)化分析軟件（包括眼動數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型、界面優(yōu)化模型、場景仿真模型等）組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。利用3D建模技術對裝備艙室結(jié)構(gòu)，以及操作界面進行按比例縮放，構(gòu)建出裝備顯示界面的仿真模型和模擬操作環(huán)境，同時還要加入相關的影響因素，如光線、氣象、噪聲等，拓展評估實驗的應用功能。

2.3系統(tǒng)應用展望

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，早期的人機界面優(yōu)化主要是問卷反饋和設計經(jīng)驗的綜合體，能夠集中體現(xiàn)設計人員的思想，但卻弱化了操作員的感知體驗。近年來，眼動技術不斷發(fā)展，正在逐漸進入人機界面設計，并取得了良好的效果。本系統(tǒng)的研究與設計也正是基于此，重點是應用到裝備的研制與生產(chǎn)過程中，一是降低裝備或者系統(tǒng)技術支持的費用，縮短操作人員訓練時間；二是減少由于人機界面問題而引起的軟件修改和升級問題；三是使裝備的可用性增強，便于操作人員進行有效作業(yè)；四是幫助裝備設計者更深刻地領會“用戶為核心”的設計原則；五是在界面測試與評估過程中形成的評估標準和設計原則，對人機交互界面設計有著直接的指導作用。

因此，利用該系統(tǒng)可以有效提升裝備人機界面研究的能力，使其從傳統(tǒng)的經(jīng)驗統(tǒng)計轉(zhuǎn)變?yōu)槎颗c定性相結(jié)合的研究模式。

2.3.1能夠為工業(yè)部門科研論證服務

武器裝備的信息化、自動化程度不斷提高，對人機界面的依賴程度越來越高。早期依靠武器裝備研發(fā)人員設計的人機界面，對裝備操控理解的角度與部隊操控人員的往往不同，會造成裝備操作使用的困難，嚴重制約著裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。為解決這類問題，工業(yè)部門通過派駐、調(diào)研等方法，到部隊一線了解和指導裝備的操作使用情況，但這并未從根本上解決問題。利用眼動測量技術，將裝備人機界面評估指標體系軟件化，實現(xiàn)對人機界面設計評估的自動化，并生成相應的經(jīng)過量化和定性分析的評估方案報告，增強工業(yè)部門在裝備人機界面設計過程中指導的針對性。

2.3.2能夠為軍隊院校規(guī)范教學服務

軍隊院校在艙室裝備的教學中，以示范指導為主要方式，嚴格按照操作規(guī)范實施，制約了學員的主動性。通過裝備實踐教學，學員能夠掌握基本的作業(yè)流程，但操作步驟較為死板，與人機界面的協(xié)調(diào)匹配度不好，嚴重影響了人機適應性的發(fā)揮。利用眼動技術，監(jiān)控學員的作業(yè)流程，通過交流研討，可以分析學員個體與艙室人機界面的協(xié)調(diào)匹配度，依據(jù)個人情況優(yōu)化相應的作業(yè)流程，以提升裝備操作的效能，實現(xiàn)真正的個性化武器裝備教學實踐。

2.3.3能夠為作戰(zhàn)部隊科學訓練服務

艙室裝備定型生產(chǎn)后配發(fā)部隊，為盡快形成戰(zhàn)斗力，工業(yè)部門往往會派駐人員到部隊現(xiàn)場進行教學指導。目前，由于裝備操作規(guī)范在制定過程中，部隊參與度不高，在人機界面設計與作業(yè)流程制定方面存在著與部隊實際不相匹配的問題。另外，部隊裝備操控人員以士官為主，由于其知識結(jié)構(gòu)和技能素養(yǎng)的差異，對裝備人機界面的掌握程度和對作業(yè)流程的理解程度會與工業(yè)部門所設想的存在較大差別。因此，該系統(tǒng)能夠?qū)ρb備標準的作業(yè)流程進行評估分析，形成優(yōu)化的標準作業(yè)流程，再與部隊操控人員進行比對，分析個體差異，提出優(yōu)化方案。最終，利用該系統(tǒng)在部隊的艙室裝備訓練中，形成對操控人員指導分析的閉環(huán)，使部隊具有裝備人機界面設計和作業(yè)流程優(yōu)化的能力，能夠為工業(yè)部門反饋經(jīng)過量化分析的改進方案，提升裝備升級改造的針對性。

3結(jié)語

人機界面交互性的評估已經(jīng)逐漸形成了一系列的方法和技術體系，但總體來講，仍然以主觀評價為主要方法，而本系統(tǒng)的研究與開發(fā)，將基于眼動測量進行客觀量化評估方法引入到評估過程中，以人機界面為根據(jù)，利用眼動測量技術，科學構(gòu)建艙室人機界面模型，進一步深入研究“人、機、環(huán)境”各因素間的相互關系，使評估結(jié)果更加客觀、易于解釋，同時對于容易出現(xiàn)的“漏判”和“誤判”問題，該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)也成為重要評估的重要依據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)的評估結(jié)果可使裝備界面設計更加人性化、科學化，使用戶的體驗能夠更加舒適，并快速地獲取相關信息，滿足人機適應性的要求。同時，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程實驗環(huán)境的建設是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要依照科學構(gòu)建的理論體系逐步建設，逐步實現(xiàn)體系實驗。研制基于眼動測量的人機界面交互工效評估系統(tǒng)是該體系建設中的重要內(nèi)容之一，能夠為適應未來戰(zhàn)爭的裝備人機界面設計、裝備操作流程優(yōu)化等提供科學的指導。

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（責任編輯：梁清）