戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

李月文 張永生

（中國人民解放軍海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連116018）

0 引言

人機(jī)界面評(píng)價(jià)是依據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及操作人員自身的體會(huì)，判斷人機(jī)界面中操作人員與相關(guān)的顯示器、控制器以及輔助部件的匹配關(guān)系設(shè)計(jì)是否符合人機(jī)工程學(xué)的要求[1]。飛機(jī)駕駛員在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，處于一種信息高度密集的空間環(huán)境中，如果忽略人機(jī)界面適配性，將直接影響駕駛員的有效操作，降低完成任務(wù)和安全返回基地的可能性。目前，國內(nèi)雖有一些零散標(biāo)準(zhǔn)可用于評(píng)價(jià)人機(jī)界面適配性工效，但無法系統(tǒng)、綜合地評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣。本文針對(duì)現(xiàn)役第三代戰(zhàn)斗機(jī)中人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行研究，提出評(píng)價(jià)意見與建議，為我國戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中人機(jī)界面適配性評(píng)估提供依據(jù)。

1 人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建方法

人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立是為指導(dǎo)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，既要保證“機(jī)適人”，也要保證“人適機(jī)”。因此，在進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，以人機(jī)界面適配性最大化為原則，對(duì)影響人機(jī)界面的人機(jī)環(huán)三大要素進(jìn)行分析研究，解決好人控制機(jī)器和人接受信息兩大問題[2]。

人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，首先需明確人機(jī)界面中的人機(jī)環(huán)因素與相應(yīng)作業(yè)，通過對(duì)人機(jī)交互作業(yè)進(jìn)行分析，可使人機(jī)環(huán)因素相互作用的過程清晰明了，體現(xiàn)人機(jī)界面性質(zhì)的過程符合人的認(rèn)知習(xí)慣；其次分析交互過程中所涉及到的作業(yè)，研究人機(jī)環(huán)因素各自特性在交互過程中的體現(xiàn)，選定評(píng)價(jià)因素；最后分析評(píng)價(jià)因素，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

可以看出，人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的具體步驟為：（1）分析人機(jī)交互過程。以典型任務(wù)為過程分析對(duì)象，研究任務(wù)內(nèi)容，列出交互過程中所有相關(guān)的人機(jī)環(huán)因素和相應(yīng)的作業(yè)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分類。（2）分析人機(jī)交互作業(yè)。以步驟（1）得到的作業(yè)為分析對(duì)象，用三維矩陣分析人的特性、設(shè)備屬性和環(huán)境條件三者之間的交互過程，交互點(diǎn)上所體現(xiàn)的所有因素就是人機(jī)交互過程中需要分析的評(píng)價(jià)因素。同時(shí)這些因素能夠反映人機(jī)環(huán)因素之間的相互作用和各自的特性。（3）應(yīng)用取消、合并、重排和簡(jiǎn)化四大技巧，分析比較評(píng)價(jià)因素間的關(guān)系，確定評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)。（4）確定指標(biāo)間的層次和結(jié)構(gòu)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[3]。

2 人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)

在人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取過程中應(yīng)遵循以下三個(gè)原則：（1）系統(tǒng)性原則。全面反映評(píng)價(jià)對(duì)象的本質(zhì)特性和整體性能。（2）可行性原則。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所選取的因素既要考慮因素自身的特點(diǎn)，又要考慮所需的資料是否易于調(diào)查和收集。（3）獨(dú)立性原則。所選取的因素要求具有相對(duì)獨(dú)立性，即同層次上的因素不具有包含關(guān)系或者是因素之間的關(guān)聯(lián)性較小，也是說所選擇的因素，一方面是構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必不可少的，另一方面彼此要相對(duì)獨(dú)立[4]。

2.1 飛行員負(fù)荷來源

在實(shí)際飛行任務(wù)過程中，飛行員負(fù)荷主要來源于：物理特性、生理特性和心理特性。物理特性從幾何、力學(xué)和熱力學(xué)三方面進(jìn)行研究；生理特性從感覺特性和生理適應(yīng)性兩方面進(jìn)行研究；心理特性從人的心理過程進(jìn)行研究，如表1所示。

表1 戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙飛行員負(fù)荷來源

2.2 飛行員負(fù)荷工效評(píng)價(jià)

2.2.1 操作域/視域/注意域測(cè)量

在實(shí)際工作過程中，對(duì)操作域/視域的測(cè)量必須結(jié)合具體的任務(wù)要求而進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，并且隨著研究的進(jìn)一步深入，對(duì)注意域的關(guān)注越來越強(qiáng)烈；對(duì)動(dòng)態(tài)操作域的測(cè)量可根據(jù)駕駛員在各種任務(wù)背景下的反應(yīng)時(shí)間/準(zhǔn)確率來進(jìn)行；動(dòng)態(tài)視域/注意域的測(cè)量可依據(jù)駕駛員操作時(shí)視野區(qū)域的注視空間頻率分布、注視持續(xù)時(shí)間、注視分配序列、水平與垂直掃視軌跡幅度及次數(shù)等指標(biāo)來檢測(cè)評(píng)價(jià)。具體序列如下：

①明確信息來源；

②了解信息接受順序；

③確定接受信息中最關(guān)心的信息；

圖1 人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立過程示意圖

④接受信息的關(guān)心程度；

⑤從接受一個(gè)信息轉(zhuǎn)化到另一個(gè)信息的切換速度。

2.2.2 三維目標(biāo)拾取

目標(biāo)拾取運(yùn)動(dòng)作為人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中人機(jī)界面作業(yè)的一種基本操作，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要的影響?？赏ㄟ^設(shè)計(jì)進(jìn)行三維目標(biāo)拾取運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)中采用計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)，并根據(jù)理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，建立三維目標(biāo)拾取運(yùn)動(dòng)特性的理論模型;最后，采用所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論模型的實(shí)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行了確定。主要測(cè)量指標(biāo)為各種任務(wù)下操作的反應(yīng)時(shí)和準(zhǔn)確率。

2.2.3 視覺反應(yīng)適配性

在眾多的視覺信息內(nèi)容輸入（觀察）和輸出（控制）時(shí)，必然存在著競(jìng)爭(zhēng)與優(yōu)先權(quán)的問題。因此，必須研究手眼反應(yīng)適配性問題，通過對(duì)觀察識(shí)別區(qū)與運(yùn)動(dòng)控制區(qū)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)二者在空間及時(shí)間尺度的單元特征序列數(shù)據(jù)計(jì)算并結(jié)合相應(yīng)的任務(wù)要求進(jìn)行靈活性、協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)。

2.2.4 作業(yè)效率與視覺功能時(shí)間變化特性

有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，隨著作業(yè)時(shí)間的延長，飛行員視覺功能會(huì)有不同程度的降低，并導(dǎo)致中樞神經(jīng)處理能力下降，即作業(yè)效率下降。其主要原因是視覺感受器所傳遞的信息強(qiáng)度不足，使中樞不能有效響應(yīng)所致，主要表現(xiàn)為飛行員反應(yīng)時(shí)間延長。

2.2.5 飛行員生理信息與顯示器布局工效

飛行員的生理信息，如心血管功能、心肺功能、腦功能等，與顯示器布局工效存在一定的關(guān)系，但目前國內(nèi)外研究較少。目前航空醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)人員把生理信息測(cè)量?jī)?nèi)容集中頭部水平的動(dòng)脈搏動(dòng)、腦電譜及心率等，利用這些參數(shù)來評(píng)估駕駛員生理負(fù)荷、認(rèn)知負(fù)荷等。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)過程中應(yīng)把握控制器及與之相關(guān)的顯示器關(guān)系明顯的原則，即控制器應(yīng)設(shè)計(jì)在鄰近顯示器的下方或右方，以保證飛行員操作控制器時(shí)不會(huì)擋住顯示器[5]：

①人機(jī)界面中儀表、控制器的位置可按功能、順序、一致性、可達(dá)性等指標(biāo)分組布置；

②人機(jī)界面中儀表、控制器的時(shí)空轉(zhuǎn)換分配可通過時(shí)滯、使用匹配性、指針標(biāo)度、部件的運(yùn)動(dòng)方向等指標(biāo)來衡量；

③人機(jī)界面中儀表、控制器的顏色可根據(jù)概念兼容性、視敏度、對(duì)比度等指標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計(jì)；

④人機(jī)界面中儀表、控制器的形狀可依據(jù)用途、空間間距、顏色、視距、操作生理要求等指標(biāo)來確定；

⑤人機(jī)界面中的照明評(píng)價(jià)可采用燈光分布、對(duì)比度、亮度、夜視裝置相容性、完全暗適應(yīng)/不完全暗適應(yīng)性等指標(biāo)來反映。

為提高顯示/控制器的信息綜合顯示性能，降低飛行員的誤操作率，就必須從飛行員使用角度出發(fā)充分考慮人對(duì)信息感知、分析、評(píng)價(jià)、決策和操作等各個(gè)環(huán)節(jié)生理和心理需求來設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)顯示/控制器面板。設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)原則如下：

（1）顯示元件形式的設(shè)計(jì)。對(duì)于需要定量顯示的信息，可采用數(shù)字顯示方式;對(duì)于需要定性顯示的信息，可采用模擬顯示方式，如指針式表頭顯示、圖表顯示和曲線顯示等。

（2）操作單元形式的設(shè)計(jì)。對(duì)于開關(guān)量信息的輸入，可采用按鍵或按鈕的形式;對(duì)于多項(xiàng)選擇信息的輸入，可采用一排按鍵的形式；對(duì)于連續(xù)信息的輸入.可采用滑塊形式等。

（3）直接操作形式的設(shè)計(jì)。在顯示元件部分，對(duì)顯示信息的載體，如曲線、指針等，應(yīng)設(shè)計(jì)直接操作形式，使其達(dá)到預(yù)定的位置，實(shí)現(xiàn)操作方式中顯示元件與操作元件合二為一，操作簡(jiǎn)單，增加顯示/控制器面板的“透明性”。

（4）面板的布局設(shè)計(jì)應(yīng)符合重要性原則、分組原則及相關(guān)性原則，即：顯示元件按重要性的大小，應(yīng)依布置在面板的第1，2，3，4象限；操作元件應(yīng)按使用頻率的高低依次布置在第4，3，2，1象限。

分組原則：顯示元件和操作元件應(yīng)按功能分組，分組方法有線框圍合法、顏色區(qū)分法、形狀區(qū)分法和距離區(qū)分法等。

相關(guān)性原則：功能相關(guān)的顯示元件和操作元件，在布置時(shí)應(yīng)顯示出它們的內(nèi)在邏輯關(guān)系。

（5）面板分頁設(shè)計(jì)，功能較復(fù)雜的顯示/控制器面板可采用幾個(gè)分面板形式，分配到每個(gè)子面板上的功能應(yīng)簡(jiǎn)潔明了，易于飛行員理解，但面板數(shù)也不宜過多，以免造成飛行員學(xué)習(xí)和使用困難。

（6）面板色彩設(shè)計(jì)，應(yīng)增加視覺敏感度開減小視覺疲勞。

（7）顯示/操作菜單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于飛行員記憶及使用，最好能做成柔性形式，讓飛行員建立自己的顯示/操作菜單。

（8）圖符設(shè)計(jì)，應(yīng)與所要表達(dá)的含義有很強(qiáng)且很直接的聯(lián)系，有利于飛行員敏捷操作、記憶與迅速再識(shí)別。

（9）“幫助”菜單設(shè)計(jì)，應(yīng)符合人的信息處理規(guī)律。應(yīng)提供儀器的功能結(jié)構(gòu)框圖和面向功能的操作順序圖。

3 評(píng)價(jià)框架

如何對(duì)復(fù)雜的人機(jī)界面適配性系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的方法是使其評(píng)價(jià)單元化。劃分單元的方法有許多種，要依據(jù)具體的評(píng)價(jià)目的要求來進(jìn)行劃分。

針對(duì)人機(jī)界面適配性系統(tǒng)評(píng)價(jià)特點(diǎn)，劃分單元的一般方法有以下幾種方法：

（1）根據(jù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中作用的突出性進(jìn)行劃分；

（2）根據(jù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的先后順序進(jìn)行劃分；

（3）根據(jù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的不同區(qū)域進(jìn)行劃分；

（4）根據(jù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)關(guān)系相對(duì)嚴(yán)密程度進(jìn)行劃分。

劃分評(píng)價(jià)單元的目的是為了使評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)過程簡(jiǎn)單化，提高評(píng)價(jià)過程的易操作性，同時(shí)也體現(xiàn)了評(píng)價(jià)單元之間的結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系。評(píng)價(jià)框架如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)基本框架模型

4 結(jié)束語

隨著戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展的日新月異，要求飛行員在特定環(huán)境中既能觀察環(huán)境，又能操作和管理復(fù)雜系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備。人機(jī)界面適配性研究，是飛機(jī)駕駛艙面板優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和根據(jù)，是保障安全飛行和提高作戰(zhàn)能力和效率的重要手段，是研究新一代高性能軍用、民用飛機(jī)函待解決的重大安全技術(shù)問題。本文從系統(tǒng)學(xué)角度，全面、綜合地建立了人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)體系，但主要局限于定性分析，有關(guān)人機(jī)界面適配性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建精確化、科學(xué)化，還需進(jìn)一步深入研究。

［1］蔣濤.火力發(fā)電廠DCS系統(tǒng)人機(jī)界面綜合評(píng)價(jià)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2006:5-6.

［2］孫林巖.人因工程[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2001:52.

［3］趙君,郝建平,李星新.裝甲車駕駛艙人機(jī)界面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].人類工程學(xué),2008,14(4):53-56.

［4］劉偉,袁修平,柳忠起，等.人機(jī)顯示/控制界面適配性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2004,12(4):32-34.

［5］劉偉,袁修干,莊達(dá)民.眼動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其在工效學(xué)中的應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào),2001,22(5):385-389.