飛機(jī)駕駛艙頂部板觸控技術(shù)工效學(xué)研究

張燕雯，張泉清

(上海航空電器有限公司 航空照明綜合技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201101)

1 引言

隨著信息化作戰(zhàn)的發(fā)展及駕駛艙智能交互技術(shù)的進(jìn)步，集成化、智能化的顯示控制系統(tǒng)已成為未來駕駛艙的必然發(fā)展趨勢(shì)。觸摸屏操控技術(shù)作為自然直觀的交互手段之一，在手機(jī)、汽車等消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用已十分普遍，對(duì)于年輕飛行員而言，成長(zhǎng)于觸摸屏消費(fèi)時(shí)代，形成了觸控操作習(xí)慣，使用機(jī)械儀表可能會(huì)消耗更長(zhǎng)的培訓(xùn)時(shí)間[1]，不利于技能的學(xué)習(xí)和遷移。對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)而言，觸摸屏實(shí)現(xiàn)了輸出和輸入設(shè)備的集成和統(tǒng)一[1]，符合一體化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。近些年來其在現(xiàn)代飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的應(yīng)用也得到了Thales、Honeywell等各大廠商的關(guān)注，目前業(yè)界已推出一些支持觸控的顯示器產(chǎn)品，并初步應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙的顯示控制，如波音777 X、灣流G500、F35等飛機(jī)主控界面均已成功應(yīng)用觸控技術(shù)[2]。然而，觸控交互存在控制精度不足、振動(dòng)不利影響、操縱無法脫離注視、可能誤觸、缺乏觸動(dòng)覺反饋等缺陷[3]。飛機(jī)駕駛艙頂部板通常位于飛行員前上方非中央視野范圍，飛行員操作時(shí)前臂屈曲一定的角度，雖然觸控技術(shù)的應(yīng)用可能導(dǎo)致飛行員肌肉疲勞[4]，但從節(jié)省駕駛艙空間資源、減輕飛機(jī)重量、降低運(yùn)營(yíng)成本、利于技術(shù)更新的角度考慮[5]，仍存在必要的改裝需求。而國(guó)內(nèi)針對(duì)飛機(jī)駕駛艙觸摸操控技術(shù)的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，鑒于適航條款在技術(shù)安全方面的限制和約束，觸屏控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)缺乏適航取證的經(jīng)驗(yàn)[6]，目前主要關(guān)注適航審定和評(píng)估體系研究[7-8]，而國(guó)內(nèi)在駕駛艙觸控產(chǎn)品的工效研究數(shù)據(jù)成果較少。本文對(duì)頂部板觸控交互是否滿足人機(jī)工效要求進(jìn)行實(shí)證研究，旨在為飛機(jī)駕駛艙新型交互設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考依據(jù)。

2 研究方法

2.1 被試

本實(shí)驗(yàn)于上海航空電器有限公司實(shí)驗(yàn)室完成，共招募20名被試自愿參加實(shí)驗(yàn)，年齡均在25歲以上，矯正視力1.0以上，無色盲色弱，手臂和手指肌肉功能正常。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)采用可進(jìn)行觸控交互的控制板樣件和包含扳動(dòng)開關(guān)、旋鈕、按鈕的實(shí)體控制板樣件。通過支架調(diào)節(jié)至和飛機(jī)頂部板一致的位置角度。保持被試坐姿眼位高度877 mm[9]，室內(nèi)溫度控制在25°C。濕度控制在40%～60%。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)共有兩個(gè)自變量，即控制方式和控制類型。控制方式包括觸控和實(shí)體開關(guān)兩種水平。控制類型選取了電源、發(fā)動(dòng)機(jī)、外部照明和環(huán)控四種典型任務(wù)模塊，從電源、發(fā)動(dòng)機(jī)、外部照明和環(huán)控模塊中各選取常規(guī)操作任務(wù)，開關(guān)類型包含扳動(dòng)類、旋鈕類、按鈕類。實(shí)驗(yàn)采用2×4被試內(nèi)設(shè)計(jì)，一部分被試實(shí)驗(yàn)順序?yàn)橄扔|控后實(shí)體開關(guān)，另一部分被試實(shí)驗(yàn)順序?yàn)橄葘?shí)體開關(guān)后觸控。

實(shí)驗(yàn)因變量有任務(wù)操作績(jī)效、任務(wù)操作工作負(fù)荷和操作品質(zhì)。任務(wù)操作績(jī)效通過主試記錄操作任務(wù)正確率和任務(wù)完成時(shí)間；任務(wù)操作工作負(fù)荷采用NASA-TLX負(fù)荷量表進(jìn)行主觀評(píng)分，內(nèi)容包括腦力需求、體力需求、時(shí)間需求、績(jī)效滿意度、努力程度和挫折程度；操作品質(zhì)采用7點(diǎn)評(píng)分量表進(jìn)行主觀評(píng)分，內(nèi)容包括可達(dá)性、易辨性、易用性、舒適性和防誤性。

2.4 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

主試參照駕駛艙設(shè)計(jì)眼位，確定被試固定眼位；主試使用視力表、色盲測(cè)試圖被試視力、有無色盲，詢問被試是否有肌無力等癥狀，記錄在被試信息記錄表中。被試入坐，依據(jù)坐高調(diào)節(jié)座椅高度，使眼睛到達(dá)主試確定的固定眼位位置；主試向被試介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

被試開始任務(wù)學(xué)習(xí)和操作練習(xí)，每個(gè)控制方式上進(jìn)行各種任務(wù)類型操作，重復(fù)操作5次；被試在第一種控制方式上準(zhǔn)備進(jìn)行第一項(xiàng)任務(wù)操作；主試給予任務(wù)指令，開始計(jì)時(shí)，被試進(jìn)行任務(wù)操作，結(jié)束時(shí)主試停止計(jì)時(shí)，并確認(rèn)任務(wù)操作是否正確，將結(jié)果記錄在實(shí)驗(yàn)記錄表中，被試完成操作品質(zhì)7點(diǎn)評(píng)分量表；完成一項(xiàng)任務(wù)后休息1分鐘，依據(jù)表1中的任務(wù)編號(hào)順序進(jìn)行下一項(xiàng)任務(wù)操作，直到所有任務(wù)類型都重復(fù)操作2次，操作品質(zhì)7點(diǎn)評(píng)分量表僅需在第一次操作后完成1次；完成一種控制方式的任務(wù)操作后，被試完成NASA-TLX負(fù)荷量表第一部分，休息5 min進(jìn)行下一種控制方式的任務(wù)操作，至到完成所有控制方式操作。被試完成NASA-TLX負(fù)荷量表第二部分，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，見表1。

表1 操控任務(wù)

3 結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)不同控制方式之間操作正確率均達(dá)到100%，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明觸控方式在正確率上可達(dá)到使用要求，但也可能是實(shí)驗(yàn)任務(wù)難度較小并且被試經(jīng)過了任務(wù)學(xué)習(xí)和操控學(xué)習(xí)對(duì)任務(wù)熟悉后的結(jié)果。但重復(fù)性方差檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同控制方式之間的任務(wù)完成時(shí)間呈顯著性差異(F=203.603,P<0.01)。估算邊際均值結(jié)果顯示實(shí)體開關(guān)的任務(wù)完成時(shí)間顯著低于觸控任務(wù)完成時(shí)間(F=203.603，P<0.01)。

采用重復(fù)性方差檢驗(yàn)，各主觀評(píng)價(jià)維度的不同控制方式之間均呈著性差異，結(jié)果如表2所示。

表2 主觀評(píng)估主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果

估算邊際均值結(jié)果顯示實(shí)體開關(guān)的主觀操作品質(zhì)各維度得分均顯著優(yōu)于觸控操作(P<0.01)，在控制類型上并未出現(xiàn)交互效應(yīng)。不同控制方式和控制類型任務(wù)主觀評(píng)估的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 主觀評(píng)估的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)于觸控的操作可達(dá)性評(píng)分在電源、發(fā)動(dòng)機(jī)兩種控制指令類型上均值>5分，可認(rèn)為被試易到達(dá)。但在環(huán)控指令上觸控方式的可達(dá)性、易用性、舒適性評(píng)分均值<3分，可能和該控件在界面上的布局位置相關(guān)。防誤性條目分值越大代表越容易誤操作，四種控制類型的觸控方式防誤性評(píng)分均值<4分，即認(rèn)為觸控方式的防誤性可接受。

表4表明，實(shí)體鍵和觸控兩種控制方式NASA-TLX量表總分沒有顯著差異(t=-2.028,P=0.058)。但各分項(xiàng)得分差異檢驗(yàn)顯示，兩者在體力需求、時(shí)間需求和努力程度三個(gè)維度上沒有顯著性差異，但實(shí)體鍵的腦力需求顯著低于觸控(t=-3.000,P=0.008)，挫折程度顯著低于觸控(t=-4.604,P=0.000)，績(jī)效滿意顯著高于觸控(t=5.244,P=0.000)。被試在頂部板觸控操作過程中腦力需求更高，挫折程度更高，績(jī)效滿意更低。

表4 實(shí)體控制-觸控成對(duì)差異檢驗(yàn)

4 討論

本研究對(duì)比測(cè)試了飛機(jī)頂部板采用觸控和實(shí)體按鍵兩種交互方式完成電源、發(fā)動(dòng)機(jī)、外部照明和環(huán)控模塊的控制指令時(shí)的任務(wù)績(jī)效、操作品質(zhì)及任務(wù)負(fù)荷。結(jié)果表明兩種控制方式任務(wù)正確率沒有顯著差異，一方面可能是任務(wù)設(shè)計(jì)的難度并不是很大，被試的任務(wù)負(fù)荷沒有超載，另外一方面可能是本實(shí)驗(yàn)是在無振動(dòng)的條件下進(jìn)行的，對(duì)觸控的正確率沒有造成干擾。但是實(shí)體控制方式在任務(wù)完成時(shí)間低于觸控方式?？赡苁且?yàn)轫敳堪逄幱诜侵醒胍曇皟?nèi)，實(shí)體開關(guān)具有不同的形狀特征更適于盲操，而觸控屏幕需要視覺辨認(rèn)任務(wù)信息增加了額外的注視時(shí)間，這一結(jié)果于前人研究的結(jié)果一致[10]。

被試對(duì)實(shí)體方式的操作品質(zhì)評(píng)價(jià)在可達(dá)性、易用性、舒適性、易辨性、防誤性維度上均優(yōu)于觸控方式。可能是由于觸控控件的形狀單一且在屏幕上是二維的，而實(shí)體開關(guān)是三維，設(shè)計(jì)形狀特征各異，觸覺差異使易辨性和防誤性更好，且有較為明顯的觸覺反饋，被試對(duì)于可達(dá)性、易用性、舒適性的主觀感知更為強(qiáng)烈。該結(jié)果與前人認(rèn)為觸控可能存在反饋延遲使對(duì)可用性產(chǎn)生負(fù)面影響的研究觀點(diǎn)也較為一致[11]。

兩種方式的任務(wù)負(fù)荷沒有表現(xiàn)明顯的差異，但被試對(duì)實(shí)體的挫折程度評(píng)價(jià)顯著低于觸控方式，績(jī)效滿意程度高于觸控方式?？赡苁怯捎陧敳堪逡话悴季钟陲w行員前上方，并不位于中央視野范圍內(nèi)，觸控方式缺少明顯的視覺提示和反饋機(jī)制，與前人綜述研究的觀點(diǎn)較為一致[12]。觸覺和視覺認(rèn)知機(jī)制分離，被試需付出更多的負(fù)荷資源用于視覺信息認(rèn)知。且觸控任務(wù)完成是否正確無即時(shí)有效的響應(yīng)反饋，對(duì)自己任務(wù)表現(xiàn)結(jié)果的不確定性可能降低了被試的自信水平，挫折感增強(qiáng)，績(jī)效自我評(píng)價(jià)降低。

5 小結(jié)

本研究對(duì)飛機(jī)駕駛艙觸控技術(shù)的應(yīng)用工效進(jìn)行了初步探討，對(duì)于頂部板而言，由于其布局位置并不處于最佳中央視野內(nèi)，采用單一觸控屏替代實(shí)體開關(guān)并沒有發(fā)揮觸控交互的優(yōu)勢(shì)，但觸控屏智能化程度高、占空間小、設(shè)備簡(jiǎn)潔、界面集成化，是未來飛機(jī)智能駕駛艙設(shè)計(jì)技術(shù)趨勢(shì)所向，而頂部板上操控任務(wù)對(duì)應(yīng)的指令一般使用頻率不高，本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果也驗(yàn)證了觸控交互應(yīng)用時(shí)須考慮布局位置的影響，因此后續(xù)頂部板產(chǎn)品可參考汽車領(lǐng)域，采用多通道交互方式冗余設(shè)計(jì)，如加入語音、手勢(shì)等新型機(jī)載交互方式，彌補(bǔ)頂部板觸控交互可能存在手眼分離、抬臂操作疲勞的缺點(diǎn)。