人因工程在飛機(jī)駕駛艙飛行姿態(tài)顯示設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鐘昊權(quán)

摘 要 本文利用人因工程學(xué)中施耐德曼的八項(xiàng)黃金法則討論飛行姿態(tài)界面中兩大參考框架（MA、MH）與三種樣式（CON、CMD、PAS）搭配的六種不同界面的優(yōu)劣性，對(duì)飛機(jī)姿態(tài)顯示界面的設(shè)計(jì)提供主觀性意見。

關(guān)鍵詞 施耐德曼八項(xiàng)黃金法則;飛行姿態(tài)顯示設(shè)計(jì);人因工程

中圖分類號(hào)： V223.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言 隨著技術(shù)革新，民航科技不斷發(fā)展，增強(qiáng)飛機(jī)駕駛安全性的途徑諸多，除大力開展培訓(xùn)飛行員、加強(qiáng)航空流量管制等工作外，改善飛機(jī)駕駛艙人機(jī)交互界面也是保證航空安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。且飛行姿態(tài)顯示系統(tǒng)在飛行員手動(dòng)操縱飛機(jī)的過程中尤為重要，在為飛行員提供更直觀易于理解的操縱界面的同時(shí)，從人因工程的角度提高了操縱飛機(jī)的簡便程度，縮短了飛機(jī)進(jìn)入復(fù)雜狀態(tài)時(shí)的改出時(shí)間。由此在飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)過程中較好運(yùn)用和開展人因工程學(xué)是未來的發(fā)展方向，不僅保證了人機(jī)交互的舒適性，還為民航安全運(yùn)行提供保障。

施耐德曼的八項(xiàng)黃金法則（Schneidermans Eight Golden Rules;Schneiderman， 1998）[1]具有通用性，適用于任何界面的啟發(fā)式分析，包括飛機(jī)駕駛艙飛行姿態(tài)顯示界面，且其分析結(jié)果很有價(jià)值，占用資源量少，是人因工程學(xué)研究方法中較為簡便的一種界面研究方法[2]。本文通過此種方法對(duì)六種姿態(tài)方向指示界面進(jìn)行研究分析，旨在獲得較為實(shí)用的搭配方式，為飛機(jī)駕駛艙飛行姿態(tài)顯示界面提供可行性方案。

1 飛機(jī)駕駛艙顯示界面設(shè)計(jì)原則

在飛機(jī)駕駛艙顯示界面設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)對(duì)人-機(jī)-環(huán)等諸要素的研究始于20世紀(jì)80年代后期，并在儀表及照明工程心理學(xué)等方面發(fā)展較快，但仍然落后于國外諸多國家，例如法國研制的空客A380飛機(jī)的駕駛艙完美體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用了大量人因工程學(xué)方面的設(shè)計(jì)原則，并取得了良好的效果[3]。

1.1 總體設(shè)計(jì)原則

顯示界面較為復(fù)雜的信息（例如復(fù)雜數(shù)據(jù)、文字、公式等）應(yīng)進(jìn)行簡化便于飛行員理解;儀表顯示設(shè)計(jì)應(yīng)避免眩光和反射;顯示界面應(yīng)與控制裝置放到同一操縱區(qū)域，并不應(yīng)被遮擋為飛行員提供較好的操縱環(huán)境;飛行過程中的主要信息應(yīng)放在顯示界面中的醒目位置，以便安全、順利地完成飛行任務(wù)。

1.2顯示信息設(shè)計(jì)原則

在界面信息顯示的設(shè)計(jì)中主要應(yīng)遵循的原則包括：顯示信息盡量地少，呈現(xiàn)最必要的飛行信息，減少不必要信息對(duì)飛行員產(chǎn)生的干擾;顯示精度應(yīng)在一定的范圍內(nèi);不得將不必要的冗余信息單獨(dú)列為一個(gè)條目，從而影響飛行員的注意力分配;明確顯示器故障，當(dāng)飛行顯示器發(fā)生故障時(shí)應(yīng)立即反饋給飛行員;不得標(biāo)注飛行廠家及與飛行內(nèi)容無關(guān)的商標(biāo)信息;數(shù)量信息應(yīng)標(biāo)注度量單位等。顯示信息在異常飛行過程中十分重要，是飛行員判斷飛機(jī)狀態(tài)的重要依據(jù)，由此遵循顯示信息設(shè)計(jì)原則是飛行姿態(tài)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.3 顯示器的位置設(shè)計(jì)原則

飛機(jī)顯示器應(yīng)布置在合適的位置，沒有障礙物遮擋，從而能精確地讀出需要的飛行信息;顯示器還應(yīng)布置在合適的視角，盡量垂直于飛行員的正常視線，與正常視線的夾角不得小于45°[4];顯示器的布置還應(yīng)避免反射，防止太陽光及艙內(nèi)照明系統(tǒng)對(duì)顯示屏的反射由此影響飛行員對(duì)數(shù)據(jù)的讀取[5];顯示器的最大觀看距離應(yīng)滿足從眼位參考點(diǎn)到顯示器不超過64cm;顯示器的最小觀看距離應(yīng)滿足不小于330mm[4]。顯示器的位置設(shè)計(jì)對(duì)飛行員讀取數(shù)據(jù)的體驗(yàn)感起著重要的作用，總的來說顯示器布局應(yīng)滿足辨別度高這一特點(diǎn)。

1.4 顯示器編碼設(shè)計(jì)原則

顯示器應(yīng)通過顏色、亮度、閃光、位置等譯碼且系統(tǒng)中所有的譯碼應(yīng)具有一致性;閃光編碼用來強(qiáng)調(diào)當(dāng)前信息與其他信息的相關(guān)性，可讀文字不應(yīng)該閃爍，并且閃光區(qū)域應(yīng)保證只有一小塊;顏色譯碼用于介紹顯示段落中詳細(xì)的說明，同時(shí)應(yīng)用顏色譯碼區(qū)分不同程度的信息。

1.5 警報(bào)警告信息設(shè)計(jì)原則

警報(bào)信息的呈現(xiàn)必須在艙內(nèi)正常燈光照明下能明顯的引起飛行員注意，必須與普通燈光有所不同;一般選用視覺和聽覺結(jié)合的警報(bào)系統(tǒng)提示飛行員;警報(bào)信號(hào)必須使用閃光頻率為3～5Hz，占空比為50%的紅色閃光燈[6]。警報(bào)信息在飛機(jī)即將進(jìn)入到異常飛行狀態(tài)時(shí)起著決定性作用，為飛行員正確改出提供足夠的時(shí)間。

綜上所述，為確保航空安全運(yùn)行，在駕駛艙顯示界面的設(shè)計(jì)中需要遵循大量原則。

2 姿態(tài)方向指示界面設(shè)計(jì)方案

姿態(tài)方向指示界面（attitude directional indicator，ADI）主要包括兩部分屬性[7]，即顯示樣式和參考框架。參考框架包括移動(dòng)地平線（Moving Horizon，MH）和移動(dòng)的飛機(jī)（Moving Airplane，MA）參考框架。三種顯示樣式包括：命令顯示樣式（Command display formats，CMD）、狀態(tài)顯示樣式（Conditional display formats，CON）、形象化顯示樣式（Pictorial display formats，PAS）。并由此組成六種搭配方案，具體說明如下。

2.1 兩種參考框架

MH參考框架在顯示界面上的人造地平線與飛行員在駕駛艙中的視野相一致（Roscoe，Corl，&Jensen，1981）[8]，而MA參考框架則保持人造地平線不動(dòng)，人造飛機(jī)圖標(biāo)的移動(dòng)與飛行員手部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致（Yamaguchi&Proctor，2010）[9]。兩種參考框架各有優(yōu)缺點(diǎn)，MH參考框架可保證顯示器上的移動(dòng)地平線與飛行員觀察到的實(shí)際運(yùn)動(dòng)相一致，但不能保證手部運(yùn)動(dòng)與飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相一致（Previc&Ercoline，1999）[10]，MA與之相反。以往研究院對(duì)兩種框架的研究結(jié)果并未得到統(tǒng)一意見。

2.2 三種顯示樣式

命令顯示樣式（CMD）是指在飛行員操縱飛機(jī)之前得到指令，告知其應(yīng)該恢復(fù)的期望姿態(tài)（Wickens et al，2007）[11]。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入復(fù)雜狀態(tài)需要改出時(shí)，飛行員從飛行姿態(tài)顯示界面上得到的是能直接指導(dǎo)其如何恢復(fù)的命令顯示。而狀態(tài)顯示樣式（CON）屬于傳統(tǒng)顯示樣式，只顯示當(dāng)前飛機(jī)的狀態(tài)信息。形象化顯示樣式（PAS）是一種新型的顯示樣式，通過3D立體透視圖形的飛機(jī)符號(hào)來表示當(dāng)前飛機(jī)滾轉(zhuǎn)與傾斜，更加直觀立體的吧飛行姿態(tài)信息呈現(xiàn)給飛行員。

有研究顯示，將狀態(tài)顯示樣式（CON）與MA參考框架相結(jié)合比與MH參考框架相結(jié)合更加的能提高被試的反應(yīng)時(shí)間與正確率。也有研究表明在恢復(fù)俯仰狀態(tài)過程中，命令顯示樣式（CMD）搭配MA參考框架所需的注意力分配要高于MH參考框架的搭配（Lee&Myung，2013）[12]。顯示樣式與參考框架的討論仍未得到一致結(jié)果，本文通過人因工程學(xué)研究方法對(duì)各種搭配進(jìn)行分析對(duì)比，由此將兩種參考框架與三種顯示樣式結(jié)合得到六種搭配方案，如表1。

表1 參考框架與顯示樣式的搭配方案

3 施耐德曼八項(xiàng)黃金法則評(píng)估六種搭配方案

施耐德曼的八項(xiàng)黃金法則屬于人因工程學(xué)研究方法中對(duì)界面評(píng)估的一種啟發(fā)式分析。雖然其方法的信度、效度與客觀性較差，但其操作簡單，輸出結(jié)果很有意義，可貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，并且耗費(fèi)的時(shí)間較少可較好的應(yīng)用于界面分析中。

施耐德曼的八項(xiàng)黃金法則包括：謀求一致性;操縱便捷性;提供明確反饋;設(shè)計(jì)對(duì)話以構(gòu)成閉環(huán);提供簡單的差錯(cuò)處理;易于撤銷操作;支持用戶內(nèi)在控制;減少短時(shí)記憶負(fù)擔(dān)。根據(jù)如上八項(xiàng)黃金法則評(píng)價(jià)飛行姿態(tài)顯示界面的六種搭配，如表2所示。

4 小結(jié)

目前飛機(jī)駕駛艙的飛行姿態(tài)顯示設(shè)計(jì)在大部分民機(jī)中已經(jīng)成熟，但在無人機(jī)、軍用機(jī)中還未有明確的規(guī)定，仍需要根據(jù)各機(jī)型功能的不同選擇飛行姿態(tài)顯示界面。本文通過施耐德曼八項(xiàng)黃金法則評(píng)價(jià)了六種不同的飛行姿態(tài)顯示界面，發(fā)現(xiàn)命令顯示樣式的各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)較好，但在具體設(shè)計(jì)過程中還要考慮不同的框架，從而給駕駛員最好的人機(jī)交互體驗(yàn)。未來可以采用更多的人因工程學(xué)方法分析不同的飛行姿態(tài)顯示設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的需求選擇出最恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原則，為民航發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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