動車組顯控界面漢字特征對司機識別效率的影響性研究

張之勇, 郭孜政, 譚永剛, 劉玉增, 楊京帥

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院, 四川 成都 610031; 2. 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室, 四川 成都 610031; 3. 四川警察學院 道路交通管理系, 四川 瀘州 646000; 4.長安大學 汽車學院, 陜西 西安 710064)

高速、封閉的運行環(huán)境，自動、信息化的作業(yè)方式，使動車組司機單位時間的作業(yè)負荷量大幅增加，因此司機對顯控界面文字信息識別效率與準確性成為影響司機作業(yè)可靠性的關鍵因素之一。針對動車組顯控界面漢字字符特征(漢字字體、字符復雜度)對司機識別效率的影響性進行研究，對于優(yōu)化動車組顯控界面設計、提高動車組人機交互效率具有重要理論價值與現(xiàn)實意義。

目前國內外學者就顯控界面物理特征對識別效率影響性研究可劃分為以下3類：(1)顯控界面字符密度對識別效率影響性研究，文獻[1]通過實驗驗證了顯控界面字符行/列距對作業(yè)者識別效率的影響性，文獻[2]則在此基礎上進一步針對顯控界面的英文字符列距與識別效率間的關系進行了實驗研究，李永建則在定義顯控界面字符密度的基礎上，通過實驗發(fā)現(xiàn)識別效率與顯控界面字符密度呈倒U型關系[3]；(2)顯控界面字符與背景色彩匹配對識別效率的影響性，文獻[4]證實了界面色彩組合對作業(yè)者識別效率的影響性，郭孜政、李永建等人則針對動車組顯控界面，研究了不同背景色、前景色及前景色與背景色組合對動車組司機識別效率影響性，并給出了一些動車組顯控界面的色彩設計原則[5-6]； (3)控字符大小對識別效率的影響性[7-8]，文獻[9]針對文字閱讀，研究了英文字符大小對閱讀速度的影響，隨后CHUNG等人則進一步發(fā)現(xiàn)英文字體大小對視覺識別效率的影響性是有限的，當字體增大到一定程度時讀取速度不再增加[10]，郭孜政、李永建等人則針對動車組顯控界面，采用回歸分析，構建了字體大小與識別效率(反應時)間的函數(shù)。

上述研究從不同角度豐富了顯控界面的優(yōu)化設計，但較少關注漢字特征(漢字字體、復雜度)對識別效率的影響性[11]。此外，現(xiàn)有國家行業(yè)標準中，僅對工程制圖[12]、印刷[13]等行業(yè)的字體選用給出了標準要求，但對信息顯控界面字體要求的相關標準則尚未制定。因此,本研究擬在模擬動車組顯控界面各項物理特征的基礎上，對動車組顯控界面漢字字體、復雜度對司機識別效率的影響性進行實驗研究，為動車組顯控界面漢字字體選擇及相關標準規(guī)范的制定提供依據(jù)。

1 實驗設計

1.1 被試對象選擇

招募中國鐵路總公司動車組司機培訓班學員10名作為被試，10名學員均大專以上學歷，年齡20～25周歲，無睡眠及精神類疾病。同時，所選被試者先前均未接觸過同類實驗，無色盲、色弱，矯正視力在1.0以上，且均為右手利。

1.2 實驗設備與環(huán)境

為了與實際動車組作業(yè)環(huán)境相似，采用動車組使用的日本SHARP公司LQ104V1DG11型10寸TFT真彩液晶顯示器進行實驗測試。該顯示器的具體規(guī)格參數(shù)為，顯示面積212 mm×158 mm，分辨率640×480，亮點直徑0.33 mm，亮度300 cd/m2，背光燈電源頻率35 kHz。

對象采用E-Prime2.0編制實驗程序，該程序可自動給被試對象呈現(xiàn)漢字刺激，同時記錄被試對象反應時。程序運行計算機CPU主頻2.5 MHZ，內存1 GB，操作系統(tǒng)為win7、64位，系統(tǒng)整體計時誤差不大于10 ms。

由于聽覺對視覺具有干擾性，為模擬實際動車組作業(yè)環(huán)境，整個實驗在封閉隔音室內進行，室內播放事前錄制好的動車組司機駕駛室背景噪聲音頻文件(自由聲場，被試外耳處聲壓級70 dB)，溫度控制在23±2℃，照度為750 lx，實驗時間為上午9:00～10:00。

1.3 實驗變量及因素水平的確定

本次實驗重點考察動車組顯控界面漢字字體、漢字復雜度2項字體特征對動車組司機識別效率的影響性。結合動車組顯控界面的實際特征，確定上述2項因素的實驗水平。字體選取方正舒體、華文行魏、方正姚體、黑體、華文行楷、華文隸書、楷體、隸書、宋體、幼圓10種漢字常見字體。

以漢字筆畫數(shù)作為漢字復雜度測評量，對LKJ、ATP顯控界面固定信息顯示漢字使用頻數(shù)進行統(tǒng)計，得出常用漢字筆畫數(shù)主要分布在5～16劃之間(約占常用漢字總體的74.3%)，考慮到對該區(qū)間漢字的代表性，最終選取6劃(代表5劃、7劃)，9劃(代表8劃、10劃)，12劃(代表11劃、13劃)，15劃(代表14劃、16劃)4種復雜度水平。

實驗靶材選取中，為了能夠更好觀測不同字體對識別效率的影響性，對于特定的復雜度，選取形體上較為接近的4組常見漢字作為測試靶材，具體實驗靶材選取如表1所示。

表1 不同復雜度的測試靶材

基于上述實驗變量的選取及變量水平的劃分，采用10×4被試內實驗設計，字體類型與漢字復雜度構成40種組合條件，每種組合條件下每個被試重復測量27次。

1.4 實驗步驟

(1) 實驗過程

實驗整體分為2個階段，第1階段為練習階段，練習次數(shù)為27次，其目的為使被試對象充分理解實驗過程，并使被試對象逐步進入實驗狀態(tài)。第2階段為正式實驗階段，每名被試對象需在40種條件組合下完成測試1 080次。

(2) 1次測試(一種特定組合條件)的實施過程

Step1被試對象端坐于顯示器前，固定頭部位置，保證眼睛至顯示器中心點處距離為70 cm；

Step2顯示器屏幕為黑色背景，屏幕中央呈現(xiàn)白色十字交叉標記(白色)，視角為0.76 mm×0.80 mm，該十字標持續(xù)500 ms，隨后消失；

Step3十字標消失后，立刻呈現(xiàn)一個漢字(該漢字從復雜度測試靶材庫中隨機抽取)，要求被試看清漢字后，立即點擊空格鍵確定，系統(tǒng)自動記錄反應時(反應時記錄的時間為從漢字出現(xiàn)至空格鍵被點擊間時長)。要求被試在靶材漢字出現(xiàn)后的1 000 ms內點擊空格，進行確認反應，若無反應則本次測試數(shù)據(jù)作廢，且系統(tǒng)自動進入下一個測試；

Step4若被試對象在1 000ms內點擊空格鍵，則呈現(xiàn)漢字選擇確認界面，屏幕呈現(xiàn)9個漢字，每個漢字旁帶有編碼，要求被試從所呈現(xiàn)的漢字中選擇出剛才看到的漢字，并用小鍵盤輸入與該漢字對應的編號，輸入完成后系統(tǒng)自動進入下一測試中。 一次測試實施過程見圖1。

Step5循環(huán)Step 2～Step 4的步驟，直至所有測試結束。

2 實驗結果

2.1 實驗數(shù)據(jù)的預處理

本次實驗共有被試對象10人，每人在特定條件下重復測試27次，共有40種組合條件，故共采集數(shù)據(jù)10 800個。剔除錯誤率大于5%的被試數(shù)據(jù)(3人)。為避免極端值對實驗結果的干擾，對每種特定條件的一組數(shù)據(jù)剔除大于2.5個標準的異常數(shù)據(jù)，最終得到有效測試數(shù)據(jù)7 239個，若按復雜度分類，并對10種字體分別編號(方正舒體(1)、華文行魏(2)、方正姚體(3)、黑體(4)、華文行楷(5)、華文隸書(6)、楷體(7)、隸書(8)、宋體(9)、幼圓(10))，則其整體實驗數(shù)據(jù)分布特征見圖2，圖2中的P25等為百分位數(shù)據(jù)，對應的“+”、“-”為圖中該數(shù)據(jù)的位置。其中上、下截止線“-”對應的為最大值和最小值，即P100和P0；“+”對應的是50百分位數(shù)；中間的箱型上下邊界線分別對應上下4分位數(shù)，即P75和P25。

2.2 字體、復雜度2因素主效應及其交互作用分析

本次實驗著重考察字體、復雜度2因素及其交互作用對動車組司機識別效率的影響性，因此采用ANOVA方法，對預處理后的實驗數(shù)據(jù)予以計算分析(顯著性水平0.05條件下)，得到字體、復雜度，及其交互作用方差分析表，見表2。表中第1列為方差檢驗數(shù)據(jù)來源；第2列為離差平方和；df為自由度；第4列為均方差，為離差平方和與自由度的比值；F為檢驗統(tǒng)計量；P為顯著性水平。

表2 字體、復雜度及其交互作用

基于表2可得出以下3點結論:(1)漢字字體因素的主效應顯著(F=17.981，P<0.05),故可知顯控界面不同的漢字字體對司機識別效率具有影響性；(2)復雜度因素的主效應顯著(F=29.895，P<0.05),故可知顯控界面漢字不同復雜度對司機識別效率具有影響性；(3)字體與復雜度交互作用對識別效率的影響性不顯著(F=2.304，P>0.05),故可知字體與復雜度間不存在交互作用。

2.3 同一因素不同水平間差異性對比

通過前節(jié)對2類因素不同水平間的方差分析證實了字體與復雜度對動車組司機識別效率具有影響性，但是還需在此基礎上進行字體與復雜度2因素不同水平間(字體8種水平，復雜度5種水平)兩兩對比分析，以確定造成這種差異的水平值。

對方正舒體(1)、華文行魏(2)、方正姚體(3)、黑體(4)、華文行楷(5)、華文隸書(6)、楷體(7)、隸書(8)、宋體(9)、幼圓(10)十種字體，以及6劃、9劃、12劃、15劃4種復雜度，分別采用Tukey-HSD方法進行兩兩對比，計算結果見圖3。

由圖3(a)中數(shù)據(jù)可以得出黑體、宋體2種字體間差異性不顯著(P>0.05，P=0.426)，即黑體、宋體兩種字體間識別效率無差異；方正舒體、華文行楷2種字體間差異性不顯著(P>0.05，P=0.213)；華文行魏(2)、方正姚體(3)、華文隸書(6)、楷體(7)、隸書(8)、幼圓(10)這6種字體間差異性不顯著(P值均大于0.05)?；谏鲜龇治隹蓪?0種字體劃分為3個集合A1={黑體、宋體}，A2={方正舒體、華文行楷}，A3={華文行魏、方正姚體、華文隸書、楷體、隸書、幼圓}，集合內各字體間識別效率無差異，集合間識別效率存在差異。對集合內字體識別效率計算其平均反應時，其結果見表3。

表3 不同字體分組的平均反應時間

基于表3可以得出以下結論，黑體、宋體的反應時最短，應當作為動車組顯控界面字體選擇的首選字體集；華文行魏、方正姚體、華文隸書、楷體、隸書、幼圓的反應時次之，可作為動車組顯控界面的備選字體集；方正舒體、華文行楷的反應時較長，動車組顯控界面字體選擇時應盡量避免。

同時，由圖3(b)中數(shù)據(jù)可以得出6劃漢字與9劃、12劃、15劃漢字間反應時存在差異(P值均小于0.05)；9劃、12劃、15劃漢字間反應時無差異(P值均大于0.05)。因此可將動車組顯控界面常用漢字劃分為B1={6劃}，B2={9劃、12劃、15劃}2組。

分別計算B1組平均反應時為422 ms，B2組平均反應時為436 ms。由前述可知，漢字復雜度選擇時充分考慮了各類復雜度的均勻抽取及對顯控界面常見漢字分布的代表性，因此可以推斷漢字復雜度對司機識別效率具有影響，漢字識別效率隨復雜度增加而降低，但當漢字復雜度達到9劃后，這種影響趨于平緩。

3 結束語

本研究以正確復雜反應時為識別效率指標，針對動車組顯控界面設計中，漢字特征(漢字字體、復雜度)對動車組司機視覺識別效率影響性問題進行實驗研究，得到以下3項結論：

(1) 顯控界面不同漢字字體對司機識別效率具有影響性，漢字復雜度對司機識別效率具有影響性，但字體與復雜度間不存在交互作用。

(2) 常用漢字字體中，黑體、宋體的反應時最短(平均426 ms)，應當作為動車組顯控界面字體選擇的首選字體集；華文行魏、方正姚體、華文隸書、楷體、隸書、幼圓的反應時次之，可作為動車組顯控界面的備選字體集(平均433 ms)；方正舒體、華文行楷的反應時最長(平均反應時444 ms)，動車組顯控界面字體選擇時應盡量避免。

(3) 漢字識別效率隨漢字復雜度增加而降低，但當漢字復雜度達到9劃后，這種影響趨于平緩。

本文研究結果可為動車組顯控界面設計提供參考依據(jù)。今后將進一步研究針對動車組顯控界面色彩干擾下漢字字符特征對司機識別效率的影響。

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