肖 康，高虹霓，李 康

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

0 引言

隨著航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單位時間內(nèi)飛行員處理的信息量顯著增加。而且飛行情況復(fù)雜多變，要求飛行員必須能夠快速地獲取飛行信息，并能夠通過這些信息作出準(zhǔn)確的判斷，從而作出準(zhǔn)確的決策，這就需要對飛機座艙顯示信息進(jìn)行規(guī)劃和整合，對飛機座艙顯示界面進(jìn)行良好的設(shè)計［1］。飛機駕駛艙設(shè)計中功效學(xué)問題已成為制約飛行安全的主要因素［2-3］。視覺是人獲取信息的主要通道，而儀表界面又是飛行員獲取視覺信息的主要渠道，在飛行活動中，系統(tǒng)的工作條件參數(shù)、輸入?yún)?shù)、工作狀態(tài)參數(shù)等，大多數(shù)由顯示儀表傳遞給飛行員［4］。隨著航空裝備自動化程度的提高，飛行座艙內(nèi)儀表數(shù)目顯著增加，視覺搜索難度增加，對于儀表，其信息又主要分布于儀表盤外圍，故在設(shè)計儀表界面時，儀表之間應(yīng)存在一定的間隔，而駕駛艙儀表之間間隔目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。駕駛艙顯示界面顯示信息眾多，儀表板的顯示界面又是極其有限的，那么如何在駕駛艙儀表界面有限的空間中通過調(diào)整儀表的布局方式來提高飛行員的辨認(rèn)績效成為一個亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者就飛機座艙顯示界面中信息編碼（字符、顏色、位置、光照條件等）對操作人員辨認(rèn)績效的影響進(jìn)行了一定的研究［5-9］。在儀表設(shè)計中，視距與儀表大小以及刻度線規(guī)格之間也有了一定的人機工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)［10］。顯示界面信息顯示密度對視覺辨認(rèn)績效也存在一定的影響［11-12］。另外，李靜等就信息顯示密度對辨認(rèn)績效的影響性進(jìn)行研究，得出了信息顯示密度與辨認(rèn)績效呈倒“U”型關(guān)系的結(jié)論［13］。研究表明，字符的行距、大小對視覺辨認(rèn)績效都存在著一定的影響［14-15］。

而當(dāng)駕駛艙顯示儀表數(shù)目增多時，通常情況下，由于飛機駕駛艙顯示界面空間有限，儀表布局都相對緊湊，而這同樣也會導(dǎo)致信息顯示密度增加而降低飛行員的視覺辨認(rèn)績效，產(chǎn)生類似字符對視覺辨認(rèn)績效的效果，在飛機座艙這種高密度信息顯示的空間里，也會在一定程度上影響到飛機駕駛的安全問題。為了找到在儀表界面布局中，辨認(rèn)績效比較好的儀表組的間隔，然而飛機座艙儀表顯示界面布局空間有限，在間隔增大的同時，必定伴隨著儀表盤直徑的減小，為了確定一個合適的儀表間大?。▋x表盤直徑）與距離（儀表間圓心距）的關(guān)系，本文模擬飛機座艙儀表顯示界面，在此基礎(chǔ)上就駕駛艙顯控界面中一定空間上儀表大小距離比對辨認(rèn)績效的影響性進(jìn)行實驗研究。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗平臺構(gòu)建

實驗設(shè)備包括HP xw9400工作站一臺，實驗呈現(xiàn)在22 in的顯示屏上，顯示屏分辨率為1 280×1 024像素，屏幕亮度為300 cd·m-2，亮點直徑為0.33 mm，刷新頻率為200 Hz，測試對象距屏幕約600 mm，切視線成90°夾角，且屏幕中心與測試對象的眼高基本水平。

實驗程序主要由標(biāo)準(zhǔn)化心理實驗系統(tǒng)E-Prime軟件編制，用來呈現(xiàn)實驗靶材，測試對象通過鼠標(biāo)進(jìn)行交互，軟件自動記錄測試對象的行為數(shù)據(jù)。

整個實驗過程在封閉的室內(nèi)環(huán)境完成，光照度約為 40 lx，溫度約為 22°～28°，為模擬實驗環(huán)境與作業(yè)環(huán)境的一致性，實驗室播放飛機座艙背景音樂，大小為40 dB。

1.2 測試對象選取

所有測試對象均為本校相關(guān)專業(yè)的男性大學(xué)生，共14人，年齡為22～26歲，所有測試對象均為右手利，身體健康、矯正視力正常，無色盲、色弱等現(xiàn)象。所有測試對象均未接觸過同類實驗。

1.3 實驗任務(wù)及界面設(shè)計

首先確定實驗靶材，利用Visio創(chuàng)建儀表模型，實驗界面如圖2所示，每個實驗界面都有9個儀表盤，等間隔分布，并且指針分別指向不同的位置。選定指針方向為實驗刺激，指針指向范圍（90，100）的儀表盤為“靶子”（如圖2，目標(biāo)為5），其余均為干擾項，在每個重復(fù)呈現(xiàn)的畫面中，都會有1個或者2個“靶子”，呈現(xiàn)概率各為50%。本實驗設(shè)計分為3大組，6小組，大組按照儀表組面板大小進(jìn)行分類，面積分別為 270×270 cm2，180×180 cm2，90×90 cm2，下面分別以大、較大、小儀表顯示界面表示，如下頁圖3所示。小組間按照不同的間隔水平進(jìn)行分類。

E-Prime將實驗靶材呈現(xiàn)在屏幕中央，使其處在測試對象的視域中心，測試對象需要以最快的速度判斷出哪一個儀表模型的指針處于90～100之間，確認(rèn)目標(biāo)后，并點擊鼠標(biāo)左鍵確認(rèn)，軟件自動記錄測試對象的反應(yīng)時間。

1.4 實驗步驟

1.4.1 預(yù)實驗

選取6名被試進(jìn)行預(yù)實驗，通過設(shè)置不同的儀表間隔，以人的主觀感受為指標(biāo)，選取不同間隔視覺感受最舒適的儀表盤，通過詢問實驗者兩個相鄰間隔的儀表盤圖差別大小以確定適宜的儀表間隔分類水平。最終確定如表1所示的儀表間隔水平以及大小距離比的分類。

表1 間隔與大小距離比對應(yīng)關(guān)系

1.4.2 正式試驗

步驟1：測試前要求被試者經(jīng)過充分休息，保持良好的精神狀態(tài)，主試向被試宣讀指導(dǎo)語并通過練習(xí)以確保實驗者充分熟悉實驗流程。

步驟2：正式測試前，首先讓被試者注視測試屏幕中央“+”形圖標(biāo)，集中注意力，然后隨機呈現(xiàn)一組測試畫面使被試者熟悉測試過程，同時使其進(jìn)入測試狀態(tài)。

步驟3：正式開始實驗，每個被試者要求完成6組不同間隔的實驗，每組實驗共15個圖片，要求被試者在盡量保證正確率的條件下，從每一組搜索界面中9個指針指向隨機的儀表盤中選取指針指向范圍在（90，100）的儀表盤，選取后點擊鼠標(biāo)左鍵進(jìn)入下一幅圖像界面。為了保證被試者有良好的精神狀態(tài)，每組實驗間隔中被試者可以依據(jù)自己主觀意愿休息。

步驟4：對8名被試者分別進(jìn)行上述測試，直至實驗結(jié)束。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 大小距離對識別效率顯著性驗證

對不同間隔條件下測得的反應(yīng)時間，采用方差分析進(jìn)行組間差異性比較，如表2所示。

表2 3組儀表顯示界面的F值與P值

由表2可知，設(shè)定顯著性水平α=0.1，可知在3組不同大小儀表界面中，儀表間大小距離比均對反應(yīng)時間有顯著性影響，且隨著儀表界面變大，顯著性水平降低。在一定視距情況下，儀表大小對辨識績效也存在著一定的影響［10］，隨著儀表界面的變大，儀表大小距離比的變化會導(dǎo)致儀表大小變化加劇，儀表大小的影響就凸顯出來，導(dǎo)致顯著性降低。

2.2 大小距離對認(rèn)知績效回歸模型確定

繪制以大小距離比為橫坐標(biāo)，平均反應(yīng)時間為縱坐標(biāo)的折線圖。如圖4～圖6所示。

分析折線圖可知，3組不同大小儀表界面的反應(yīng)時間均隨著儀表間大小距離比變小，先變小后變大。3組實驗均在大小距離比為0.72時，反應(yīng)時間最小，相互驗證了在儀表間大小距離比對視覺辨認(rèn)績效的影響。在儀表間大小距離比為0.571時，某些被試的反應(yīng)時間會有一定的下降，究其原因，被試在宣讀實驗指導(dǎo)語時，知道每一大組實驗共有6個小組，故在最后一個小組時，處于興奮狀態(tài)，反應(yīng)時間有所下降，辨認(rèn)績效上升，但并不影響實驗整體結(jié)果。

通過圖形觀察，選取一元二次函數(shù)對平均反應(yīng)時間作回歸分析，其函數(shù)表達(dá)式為

式中：x為大小距離比；y為平均反應(yīng)時間；a、b、c均為參數(shù)值。回歸曲線如圖7～圖9所示。

平均反應(yīng)時間擬合曲線函數(shù)方程如表3，表中：可決系數(shù)（R）反應(yīng)模型曲線的擬合度，越接近1擬合越好。

由擬合曲線可得，隨著儀表盤間隔的增大，實驗對象對靶材的反應(yīng)時間先縮小后增大，存在一個最小值，呈現(xiàn)倒“U”型曲線，即通過調(diào)整間隔有助于減小識別反應(yīng)時間，增加辨識績效，這是由于隨著儀表間隔的增加，造成一定量的信息留白，信息并不是充斥著整個視覺空間，并且對于儀表盤，其顯示信息主要分布于儀表盤周圍，觀察儀表時周邊沒有相應(yīng)的干擾，在閱讀的時候會有相對舒適的感覺，故反應(yīng)時間加快。當(dāng)間隔繼續(xù)加大時，人眼在掃描時，空白較大，在一定程度上降低了視覺資源利用率，這一點在第1組表現(xiàn)得尤為明顯，而且會出現(xiàn)微微擺動頭部的現(xiàn)象，也會降低辨認(rèn)績效。對于第2組以及第3組，隨著間隔的加大，儀表直徑變小，不宜閱讀，這在一定程度上也會導(dǎo)致反應(yīng)時間增加，尤其是在第3組，儀表直徑較小，但還是在間隔增大的時候存在一個績效上升段，這也說明間隔對儀表顯示界面辨認(rèn)績效影響顯著，另外由于儀表較小，由折線圖可知，反應(yīng)時間的最低點因個體差異的存在并不集中于一個點。即通過調(diào)整間隔來增加視覺辨認(rèn)績效可以將儀表大小距離比設(shè)計在一個合理的區(qū)間內(nèi)。在設(shè)計時也不應(yīng)該出現(xiàn)過分追求儀表間隔而忽略儀表尺寸變化的現(xiàn)象。

表3 3組儀表顯示界面的平均反應(yīng)時間回歸函數(shù)

2.3 儀表大小距離比設(shè)置的合理區(qū)間

通過上述分析可知，儀表大小距離比對操作人員的反應(yīng)時間具有影響性，在駕駛艙顯示界面設(shè)計中，應(yīng)對儀表盤大小距離比的合理區(qū)間作出確定，從而保證飛行員對控制信息較好的識別速度。通過對回歸模型進(jìn)行求導(dǎo)，分別為：

大儀表界面不同間隔平均反應(yīng)時間導(dǎo)函數(shù)以及最優(yōu)值：

得：x=0.78

較大儀表界面不同間隔平均反應(yīng)時間導(dǎo)函數(shù)以及最優(yōu)值：

得：x=0.81

小儀表界面不同間隔平均反應(yīng)時間導(dǎo)函數(shù)以及最優(yōu)值：

得：x=0.80

通過模型求導(dǎo)的結(jié)果分析，對于反應(yīng)時間，當(dāng)x=0.8左右時，反應(yīng)時間達(dá)到最小值，而折線圖顯示，在大小距離比為0.721時反應(yīng)時間達(dá)到最小值，但是在大小距離比為0.647時，反應(yīng)時間均存在劇烈增加的現(xiàn)象，而在儀表間大小距離比為0.8～0.9時，反應(yīng)時間上升平穩(wěn)，總體來說，當(dāng)儀表間大小距離比在區(qū)間（07，0.9）時對反應(yīng)時間均有明顯改善。

3 結(jié)論

本研究以反應(yīng)時間以及正確率為辨認(rèn)績效評測指標(biāo)，針對駕駛艙顯示界面中，一定空間上的儀表組儀表盤大小距離比對操作人員視覺辨認(rèn)績效影響性問題進(jìn)行試驗研究，主要結(jié)論如下：1）通過對不同儀表組大小距離比反應(yīng)時間以及正確率數(shù)據(jù)的方差分析，驗證了儀表組大小距離比對操作人員辨認(rèn)績效具有顯著性影響。2）以一組9方格儀表組為研究對象，通過觀察研究，采用一元二次數(shù)學(xué)模型回歸分析，建立了儀表組大小距離比與駕駛艙操作人員的視覺辨認(rèn)績效之間的量化函數(shù)關(guān)系。3）通過一元二次回歸模型的量化函數(shù)關(guān)系，得出了在設(shè)計儀表組時儀表盤之間的大小距離比的合理區(qū)間約為（0.7，0.9）。本文研究結(jié)果可為駕駛艙顯示界面中的儀表組設(shè)計提供工效學(xué)依據(jù)。今后可進(jìn)一步針對飛機座艙儀表顯示界面中的顯示信息密度問題作進(jìn)一步研究。

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