位置編碼下平視顯示器告警顯示工效學問題探究

白杰 王曼

摘要：為探究平視顯示器（HUD）不同告警位置對飛行員任務(wù)績效、腦力負荷和注意力分配的影響，招募15名被試人員開展不同告警位置下被試內(nèi)單因素設(shè)計的試驗任務(wù)，以被試的任務(wù)績效、眼動指標為因變量，綜合各項評估指標分析結(jié)果表明，告警位置應(yīng)選擇高度興趣域，其次為姿態(tài)興趣域。當告警位于航向興趣域時，被試的任務(wù)績效最差，腦力負荷大并且注意力分配比例較少，表明航向興趣域的位置不適于告警顯示。本次試驗結(jié)果可為HUD告警設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：平視顯示器；告警；位置；任務(wù)績效；態(tài)勢感知

Keywords：head-up display；alarm；position；task performance；situational awareness

0 引言

HUD是誕生于20世紀50年代并應(yīng)用于戰(zhàn)斗機上的一種航行新技術(shù)，20世紀70年代作為主要顯示器應(yīng)用于民用運輸機[1]。HUD的應(yīng)用使得飛行員可以持續(xù)地觀察外部環(huán)境，無需在關(guān)鍵操作時將視覺注意力從現(xiàn)實世界轉(zhuǎn)移到儀表盤上[2]。

作為主要飛行顯示器的HUD呈現(xiàn)的是基本飛行信息，其中告警信息對于飛行安全至關(guān)重要。早在1977年J. E.Veitengruber在研究中指出新一代商用運輸機飛行員敦促美國聯(lián)邦航空局開發(fā)告警系統(tǒng)設(shè)計標準，以便減少告警系統(tǒng)在新一代飛機上出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢[3]。

雖然HUD的使用可以幫助飛行員提高飛行安全，但在應(yīng)用過程中仍然存在問題。Ververs發(fā)現(xiàn)飛行員在使用HUD時容易受到認知隧道的影響，使飛行員不自覺地專注某一個信息而犧牲其他信息，導致飛行安全性降低[4]。Bai Ling在研究中指出單色HUD態(tài)勢感知差，不利于信息獲取，尤其不利于預警、異常等關(guān)鍵信息的獲取，指出使用視覺編碼有助于飛行員的信息認知[5]。SAE ARP5288中提出告警信息的顯示應(yīng)適當使用閃爍、輪廓框、亮度和位置等視覺編碼，以此來強調(diào)告警信息的顯示。告警顯示位置對于飛行員任務(wù)績效、腦力負荷和注意力分配有著重要意義。MILSTD 1472F表明，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)使用位置編碼可以減少信息搜索時間[6]。

眾多學者對于使用位置編碼來幫助飛行員獲取告警信息的方法進行了研究。David J.Sheehan以HUD告警位置為研究對象，記錄分析飛行員對不同告警位置的平均反應(yīng)時、遺失率和主觀評價，選擇出了對飛行員任務(wù)績效、腦力負荷和注意力分配較好的位置[7]，Omer Tsimhonl在以反應(yīng)時間、告警檢測率為因變量探究不同告警位置下的反應(yīng)時間和告警檢測率時發(fā)現(xiàn)，HUD告警位置決定了告警反應(yīng)時間和告警檢測率，并且告警反應(yīng)時間越短告警檢測率越高[8]。由此可知信息顯示位置的不同對飛行員任務(wù)績效有較大影響。

本試驗以David J.Sheehan實驗為基礎(chǔ)，采用先進實驗設(shè)備進行試驗。首先對HUD飛行信息進行劃分，再結(jié)合MILSTD-1472F和AC25.1322[9]條款中對HUD告警信息顯示的設(shè)計要求，分別在不同飛行信息區(qū)域確定一個告警位置進行試驗，探究不同告警位置對飛行員任務(wù)績效、腦力負荷和注意力分配的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用裝有P3D模擬飛行軟件的飛行仿真實驗臺進行模擬飛行，如圖1所示。采用SMART EYE PRO7.0校準眼部坐標（見圖2），Smart Recording記錄眼動軌跡，MAPPS2018導出試驗數(shù)據(jù)，告警綜合控制器控制告警位置和記錄反應(yīng)時間，攝像機記錄試驗過程，HUD界面投影在分辨率為1920×1080的BenqMH520H投影儀上。

1.2 被試對象

招募15名中國民航大學研究生和老師作為被試對象，其中男性13名，女性2名，年齡在20～30歲之間，右利手，視力或矯正視力正常。要求被試對象試驗前24h不能食用刺激性食物且保證充足的睡眠（至少8h）。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素被試內(nèi)設(shè)計，即告警位置因素，被試內(nèi)設(shè)計方法相對于被試外設(shè)計方法對試驗數(shù)據(jù)間的微小差異更加敏感[10]，視覺追蹤腦力負荷測定采用雙任務(wù)測量法[11]，主任務(wù)為飛行操作，次任務(wù)為響應(yīng)告警。為消除試驗順序及疲勞對試驗結(jié)果的影響，采用拉丁方試驗編排[12]。試驗位置如圖3所示。試驗自變量為告警位置，因變量為任務(wù)績效測量指標和眼動測量指標。

任務(wù)績效指標選取反應(yīng)時和遺失率。被試對象響應(yīng)不同位置告警的時間由告警綜合控制器記錄。參考David實驗中的遺失標準[7]，響應(yīng)告警時間超過4s為遺失。

眼動指標中瞳孔直徑直接反映被試的腦力負荷水平，Jackson Beatty發(fā)現(xiàn)瞳孔直徑可以用來衡量人們執(zhí)行任務(wù)時的腦力負荷[13]，Hess曾指出在解決算數(shù)問題的過程中瞳孔會擴張，擴張的程度與問題的難度大小有關(guān)系[14]。完顏笑如指出瞳孔直徑隨著腦力負荷的增加而擴張[15]；注視點百分比反映了被試的注意力分配水平。通過分析各個興趣域注視點百分比可以獲得被試人員對各個興趣域的注意力分配比例[16]。在顯示區(qū)域搜索特定目標時，第一次到達目標興趣域的時間也是度量人機界面合理性的一個重要指標[17]。因此，本次眼動指標選取瞳孔直徑、注視點百分比和第一次到達目標興趣域時間為測量指標。

1.4 任務(wù)流程

研究發(fā)現(xiàn)飛行員在起飛爬升和巡航平飛階段的總腦力負荷明顯小于下滑著陸階段[18]，并且完成進近著陸階段對于被試來說難度較大，故選取起飛爬升和巡航平飛階段為試驗階段，由于起飛階段操作動作較多，故選取爬升和巡航為數(shù)據(jù)采集階段。試驗開始前參考飛行手冊對被試人員進行飛行操作培訓，直至被試人員熟練掌握操作規(guī)范，理解顯示信息的含義，并且每名被試人員的熟練程度大致相同。校準被試人員眼部坐標，保證被試眼動數(shù)據(jù)能夠準確完整地被記錄下來。向被試人員宣讀試驗注意事項后正式開始試驗。飛行環(huán)境模擬天津濱海國際機場。

2 試驗結(jié)果

采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對被試任務(wù)績效指標和眼動數(shù)據(jù)指標進行分析，確定不同告警位置之間的差異性。采用最小顯著差異（Least Significant Difference，LSD）以0.05置信度進行事后檢驗。

2.1 任務(wù)績效指標測量結(jié)果

1）平均反應(yīng)時間

平均反應(yīng)時的實驗結(jié)果如表1所示。五個告警位置的平均反應(yīng)時間分別為3.994s、3.048s、2.575s、2.351s、2.256s。由圖4可知，位置5的平均反應(yīng)時間最長，位置1次之，位置4的平均反應(yīng)時間最短。事后檢驗得出位置5與位置2、位置3、位置4的平均反應(yīng)時間之間具有顯著差異性（P<0.05），其余告警位置下的平均反應(yīng)時間之間均未達到統(tǒng)計學意義（P>0.05）。

2）遺失率

五個告警位置的遺失率分別為28.57%、14.28%、14.28%、7.14%和35.71%，對其進行從大到小排序為5>1>2= 3>4。由圖5可知，位置5的遺失率最大，位置1次之，位置4的遺失率最小。

2.2 眼動指標分析

1）瞳孔直徑

眼動指標顯著性分析結(jié)果如表2所示。對五個告警位置的瞳孔直徑進行分析，可得五個位置下的平均瞳孔直徑分別為2.71mm、2.041mm、1.976mm、1.776mm和2.945mm，由圖6可知，位置5的瞳孔直徑最大，位置1次之，位置4的平均瞳孔直徑最小。對不同告警位置下的瞳孔直徑進行事后檢驗，得出位置1與位置2、位置3、位置4下的瞳孔直徑具有顯著差異性（P<0.05），位置5與位置2、位置3、位置4下的瞳孔直徑具有顯著差異性（P<0.05）。位置1與位置5之間無顯著差異性（P>0.05）。位置2、位置3與位置4之間的平均瞳孔直徑無顯著差異性（P>0.05）。

2）注視點百分比

對不同告警位置所在興趣域的注視點百分比分析可得，五個告警位置所在興趣域注視點百分比分別為10.76%、23.79%、38.91%、12.17%和10.49%。由圖7可知，位置3所在興趣域的注視點百分比最大，其次為位置2，位置5所在興趣域注視點百分比最小。事后檢驗得出，位置1、位置2、位置3注視點百分比兩兩之間具有顯著差異性（P<0.05），位置3與位置4和位置5注視點百分比均具有顯著差異性（P<0.05），其余告警位置之間的注視點百分比均未達到統(tǒng)計學意義。

3）第一次到達目標興趣域時間

第一次到達目標興趣域時間分別為 34.6s、12.23s、12s、12.93s、29.82s。由圖8可知，位置1的第一次到達目標興趣域時間最長，位置5次之，位置3所用時間最短，位置1所用時間最長。事后檢驗得出，位置1與位置2、3、4處的第一次到達目標興趣域時間之間具有顯著差異性（P<0.05）。位置2、位置3與位置5之間具有顯著差異性（P<0.05）。其余位置之間所用時間均未達到統(tǒng)計學意義（P>0.05）。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 任務(wù)績效指標分析

對任務(wù)績效指標反應(yīng)時和遺失率進行分析可知，位置2、3、4的平均反應(yīng)時短，遺失率小，任務(wù)績效較好，這與David J.Sheehan實驗結(jié)果有相同趨勢，即飛行員對中間水平位置的反應(yīng)時更短，遺失率低，偏離中心越遠位置的反應(yīng)時和遺失率越高[7]。位置5的平均反應(yīng)時最長，遺失率最大，任務(wù)績效最差。分析其原因可能為位置5存在視覺遮蔽現(xiàn)象，告警不易被察覺。對比中間位置2、3、4的任務(wù)績效，發(fā)現(xiàn)位置4的任務(wù)績效優(yōu)于位置2、3的任務(wù)績效，位置2的任務(wù)績效優(yōu)于位置3的任務(wù)績效，分析其原因可能為位置3在飛行過程中隨著姿態(tài)信息的移動容易引起信息混亂，導致位置3的任務(wù)績效差。這也與AC25.1322中對信息顯示設(shè)計所提出的關(guān)于信息顯示應(yīng)易于識別、不能引起混淆的要求相吻合[9]。而位置4與位置2相比，無其他飛行信息干擾，右側(cè)位置4的任務(wù)績效優(yōu)于位置2的任務(wù)績效。Omer Tsimhonl在研究HUD告警位置對駕駛員反應(yīng)的影響中發(fā)現(xiàn)相比于合適的告警位置，駕駛員更喜歡不與其他重要信息發(fā)生重疊的位置[8]。

3.2 眼動指標分析

通過分析不同告警位置下的瞳孔直徑可知，當告警出現(xiàn)在中間三個位置時，瞳孔直徑較小，被試腦力負荷較小，原因可能為被試者在中間告警位置分配的注意力較多，易于發(fā)現(xiàn)告警。當告警出現(xiàn)在位置5時，存在視覺遮蔽現(xiàn)象，識別告警時瞳孔直徑變大，被試者承受的腦力負荷增大。對比中間的2、3、4位置發(fā)現(xiàn)，位置4的腦力負荷小于位置2與位置3的腦力負荷，分析其原因為位置4處的空白區(qū)域較多，被試者不用付出較大努力就能識別告警，由此可知2、3、4位置處的腦力負荷較小，位置5處的腦力負荷最大。對比不同告警位置所在興趣域的注視點百分比可知，位置2、3、4的注視點百分比約占總注視點的74.87%，位置1和5的注視點百分比分別為10.76%和10.49%，表明被試者的注意力主要分配在中間2、3、4位置?？偨Y(jié)瞳孔直徑和注視點百分比結(jié)果可知，中間三個位置處的態(tài)勢感知（SA）優(yōu)于其余兩個位置，位置5處的SA最差，其中位置3處的SA最優(yōu)，其次為位置4，最后為位置2。對第一次到達目標興趣域的時間進行分析可知，中間三個位置的第一次到達目標興趣域時間最小，且時間差較小，表明告警出現(xiàn)在中間位置更合理。

4 結(jié)論

對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行總結(jié)得出如下結(jié)論：

1）從任務(wù)績效結(jié)果可知，當告警信息位于航向興趣域時，被試任務(wù)績效最差，當位于高度興趣域時的任務(wù)績效最優(yōu)，位于速度興趣域的告警位置的任務(wù)績效僅次于位于高度興趣域告警位置的任務(wù)績效。

2）從眼動指標結(jié)果可知，告警位于姿態(tài)興趣域時SA較好，其次為高度興趣域，位于航向興趣域時的SA較差，偏航興趣域告警位置處的SA僅優(yōu)于航向興趣域。

3）綜合任務(wù)績效和眼動指標得出，告警位置優(yōu)先選擇中間偏右的高度興趣域告警位置，其次為中間姿態(tài)興趣域告警位置，航向興趣域告警位置最不適于告警信息的顯示。

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