車載顯控終端觸屏按鍵尺寸工效學實驗研究

傅斌賀，劉維平，王 全，金 毅

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072)

按鍵是實現(xiàn)把人的指令傳遞給機器，讓機器按照人的預定目標工作的裝置，其設計是否合理將直接關系到整個系統(tǒng)的工作效率、安全運行以及使用者操作的舒適性［1］.觸屏按鍵因其具有所觸即所得、操作便捷、尺寸調(diào)整方便、布置靈活等特點，為各類顯控終端人機界面優(yōu)化匹配帶來便利，已在智能手機、ATM機、PDA、自助服務終端等普遍采用.裝甲車輛車載顯控終端外形尺寸受限，如何在有限的平面內(nèi)，實現(xiàn)多種信息的清晰顯示與交互控制的有效操作，顯控界面的合理匹配至關重要，采用觸屏按鍵無疑是化解所面臨問題有效途徑之一.

觸屏按鍵的操作工效受按鍵尺寸、按鍵間距、布局位置、運動距離等諸多因素影響［2］，F(xiàn)itts的研究結(jié)果認為運動距離和按鍵尺寸兩個因素對操作工效影響較大，Pfauth和Priest進一步證明了按鍵尺寸是影響操作工效的主要因素［3］.ANSI/HFES(2007)標準建議按鍵尺寸至少為9.5 mm，按鍵尺寸超過 22 mm 時操作工效不再會提高［4］.ISO9241-9則建議按鍵尺寸至少等于95%成年男性食指寬度，約為 22.8 mm［5］.MontereyTechnologies(1996)則建議按鍵尺寸至少應為 19.05 mm［6］.綜合分析相關研究可發(fā)現(xiàn)，盡管國內(nèi)外學者一致認為操作工效隨按鍵尺寸增加而提高，且到達一定的尺寸后趨于穩(wěn)定，但并沒有給出統(tǒng)一的標準.因此，有必要結(jié)合作業(yè)實際和中國人群形體尺寸特征，通過實驗對車載信息終端觸屏按鍵尺寸進行研究，以達到提高操作工效，為顯控終端人機界面優(yōu)化提供技術支撐的目的.

研究基于自主開發(fā)的車載信息系統(tǒng)作業(yè)模擬及工效測試系統(tǒng)，以裝甲車輛車載信息系統(tǒng)的典型作業(yè)操作為實驗手段，通過對不同觸屏按鍵尺寸下，乘員操作工效變化規(guī)律的實驗研究，尋找合理的觸屏按鍵尺寸，為車載顯控終端觸屏按鍵及界面匹配設計提供參考.

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗儀器為自主開發(fā)的車載信息系統(tǒng)作業(yè)模擬測試系統(tǒng).

系統(tǒng)硬件由計算機和模擬終端組成，計算機選用普通臺式計算機，用于安裝和運行模擬實驗軟件;模擬顯控終端選用帶觸摸屏的液晶顯示屏，外形尺寸與實際車載顯控終端一致.模擬顯控終端布置在專門設計的實驗艙室中，實驗艙室布局，模擬實車戰(zhàn)斗艙室設計，能夠根據(jù)研究需要，靈活調(diào)整車載顯控終端的空間布局，包括人眼與顯示器的距離、顯示器的傾斜角度、顯示器的上下位置、顯示器的左右位置等，以模擬不同型號裝甲車輛艙室空間布局.

系統(tǒng)實驗軟件基于Labview編程語言自主開發(fā)，具有系統(tǒng)管理、模擬試驗與測試和實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能，其中，作業(yè)模擬功能是主要功能，可隨機生成任務信息，模擬典型信息操作功能，并實時記錄被試的任務完成時間、操作次數(shù)與錯誤次數(shù)等指標.

1.2 被試

隨機選取15名男性本科學員作為被試，年齡21～24歲，平均年齡21.8歲.所有被試均為右利手，且從未進行過車載終端操作，身體健康，視力正常，自愿參與實驗.

1.3 實驗任務

選用常用的“信息錄入”作業(yè)作為研究的實驗任務.該作業(yè)雖然操作流程固定，但實驗過程中，目標提示信息均是隨機出現(xiàn)，每次信息呈現(xiàn)的目標類型、性質(zhì)、方位、速度和數(shù)量等具體信息均不相同.其操作功能具有代表性、隨機性等特點，顯示信息量較大，反應方式多樣，對被試注意集中能力要求高，能反映被試在不同操作方式下信息處理能力的變化，滿足研究的需要.

1.4 實驗方案

實驗采用單因素被試內(nèi)實驗設計，根據(jù)實驗目的，以按鍵尺寸為自變量，分為A、B、C、D、E 5個水平，分別對應7.5 mm、10 mm、12.5 mm、15 mm、17.5 mm，按鍵間隙統(tǒng)一為5 mm.在實驗中為了避免熟練和疲勞對實驗結(jié)果的影響，采用拉丁方平衡法安排實驗順序如表1所示，實驗中每個實驗條件呈現(xiàn)10次.

表1 拉丁方實驗順序表

1.5 實驗過程

1)向被試說明實驗目的、意義及要求，講解操作的方法和操作流程.

2)為排除訓練的學習效應，實驗前組織被試進行訓練，訓練成績趨于穩(wěn)定后進入正式實驗，每組訓練之間休息2分鐘.

3)設置試驗因素水平，讓被試執(zhí)行“信息錄入”實驗任務，實時測量作業(yè)績效數(shù)據(jù).

4)收集匯總實驗數(shù)據(jù).

5)休息5分鐘后，按順序表更換因素設置水平，重復上述步驟.

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 任務完成時間

表2給出了不同鍵盤尺寸下，任務完成時間的平均值及Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗結(jié)果.

表2 任務完成時間及K-S正態(tài)檢驗值

表2結(jié)果表明任務完成時間符合正態(tài)分布.從表2可以看出，任務完成時間隨按鍵尺寸的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，操作工效提高.方差分析結(jié)果 (P=0.000＜0.05)表明按鍵尺寸主效應顯著，不同按鍵尺寸下的任務完成時間存在顯著差異，對操作工效影響顯著.

各尺寸任務完成時間通過了方差齊次性檢驗(P=0.167＞0.05)，選用LSD法進行多重比較，分析不同按鍵尺寸水平下任務完成時間差異的顯著性，LSD組間多重比較分析結(jié)果如表3所示.

表3 不同按鍵尺寸下的任務完成時間LSD組間分析

從表3中可知:任務完成時間在按鍵尺寸為10 mm和12.5 mm差異不顯著、15 mm和17.5 mm差異不顯著，15 mm和7.5 mm、10 mm、12.5 mm均存在顯著差異，表明按鍵尺寸在15 mm任務完成時間穩(wěn)定.

2.2 總錯誤率

表4給出了操作錯誤率及Kolmogorov-Smirnov正態(tài)檢驗結(jié)果.

表4 總錯誤率及K-S正態(tài)檢驗值

表4結(jié)果表明不同尺寸下的操作錯誤率不符合正態(tài)分布.從表4可以看出，按鍵尺寸與操作錯誤率之間無明顯對應關系，且Kruskal-Wallis檢驗結(jié)果 (P=0.948＞0.05)表明按鍵尺寸對操作錯誤率無顯著影響.

3 討論

從數(shù)據(jù)分析來看，隨著按鍵尺寸的增長，操作錯誤率無顯著變化 (約為1%)，任務完成時間逐漸降低并在按鍵尺寸為15 mm時趨于穩(wěn)定.為進一步分析按鍵尺寸在15 mm時，任務完成時間趨于穩(wěn)定，即操作工效不再提高的原因.軟件中還設置了自動記錄被試操作時手指觸摸按鍵的觸點位置，不同按鍵尺寸下手指觸點位置記錄如圖1所示.對應觸點面積見表5.

圖1 不同按鍵尺寸觸點位置記錄圖

表5 不同按鍵尺寸下的觸點面積

從圖1及表5可以看出，當按鍵尺寸小于15 mm時，觸點位置占據(jù)按鍵面積較大范圍，觸點面積約占按鍵面積的36.4% －68.7%，15 mm和17.5 mm時則有較大部分空余，觸點面積僅占按鍵面積的26.8%－31.7%和20.2%－23.6%.隨著按鍵尺寸的增加，使用鍵盤的觸點面積雖在不斷增加，但當按鍵尺寸為15 mm或大于15 mm后，鍵盤有效利用寬度基本穩(wěn)定.由Fitts定律公式t=a+blog2(D/W+1)(t為運動時間，a、b為經(jīng)驗參數(shù)，D為運動距離，W為有效目標的寬度)可知在運動距離幾乎不變的情況下，隨著按鍵尺寸W的增加，任務完成時間t趨于穩(wěn)定，驗證了任務完成時間在某一按鍵尺寸值趨于穩(wěn)定的正確性，而由實驗結(jié)果得到這一按鍵尺寸值為15 mm.

實驗只要求被試盡可能快的完成操作，未限定任務完成時間，從而減輕了被試的心理壓力，這樣實際操作小尺寸鍵盤時，被試很可能將操作準確性放在了首位，這樣自然會增加操作時間，從而導致操作錯誤率較低，且差異不夠顯著.

此外，實驗中，按鍵間隙始終為5 mm，這也是操作錯誤率較低的原因之一.以最小尺寸鍵盤7.5 mm為例，鍵盤尺寸加上兩側(cè)間隙的寬度，使得手指觸點位實際落在了7.5+5×2=17.5mm的寬度范圍內(nèi)，由此產(chǎn)生的結(jié)果是一次性觸發(fā)操作的準確性受到影響.因此，延長了任務完成時間，而對操作錯誤率影響不顯著.這也間接說明當鍵盤尺寸較大時，鍵盤間隙可適當縮小.

4 結(jié)論

實驗是在與實際車載顯控終端一致的模擬終端上完成的，得出的結(jié)論具有一定參考和借鑒價值.從實驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論:

1)鍵盤尺寸對信息操作的任務完成時間有顯著影響，且在一定范圍內(nèi)，任務完成時間隨鍵盤尺寸增大而減小;

2)從實驗結(jié)果看，鍵盤尺寸在15 mm左右較為合理，大于15 mm，操作工效提高不明顯，且會加大顯控終端匹配的難度;

3)鍵盤設計既要考慮尺寸因素，也要兼顧鍵盤尺寸和鍵盤間隙的綜合效果，以有效利用有限的界面資源.

［1］郭 伏，錢省三.人因工程學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］牟煒民.座艙顯示器周邊各鍵尺寸、方位和間隔的工效學實驗研究 ［J］.人類工效學，1997，3(4):10-12.

［3］Heejin Kim，Sunghyuk Kwon，Jiyoon Heo，et al.The effect of touch－key size on the usability of In－Vehicle Information Systems and driving safety during simulated driving［J］.Applied Ergonomics，2014，45(3):379-388.

［4］Human Factors and Ergonomics Society.ANSI/HFES Standard No.100-2007，American National Standard for Human Factors Engineering of Computer Workstations［S］.Human Factors ＆ Ergonomics Society，Santa Monica，California，2007.

［5］International Organization for Standardization.ISO 9241-9，Ergonomic Requirements for Office Work with Visual Display Terminals(VDTs)-Part9:Requirements for Non-keyboard Input Devices［S］. International-Organization for Standardization，2000.

［6］Monterey Technologies，Inc. Design of Consumer Electronics［C］.EIA-EIF Committee on Product Accessibility，A Joint Venture of the Electronic Industries Association and the Electronic Industries Foundation，Washington，DC 20006，1996.