民機(jī)駕駛艙中觸摸屏設(shè)備應(yīng)用的工效學(xué)探討

舒秀麗，王黎靜，何雪麗，董文俊

(1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海　201210)

(2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京　100191)

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民機(jī)駕駛艙中觸摸屏設(shè)備應(yīng)用的工效學(xué)探討

舒秀麗1，王黎靜2，何雪麗2，董文俊1

(1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

(2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

摘要：觸摸屏設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于民機(jī)駕駛艙的顯控設(shè)備提供了可能。從觸摸屏設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)分析了觸摸屏技術(shù)在民機(jī)駕駛艙內(nèi)的潛在應(yīng)用可能性及其工效學(xué)問題，對(duì)比分析了觸摸屏技術(shù)與其他控制方式的操作績(jī)效。結(jié)果表明：是否適宜采用觸摸屏技術(shù)取決于控制設(shè)備的執(zhí)行任務(wù)。以期該研究對(duì)觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于民機(jī)駕駛艙及其工效學(xué)設(shè)計(jì)考慮提供理論支持和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：民機(jī)駕駛艙；觸摸屏；顯控設(shè)備；工效學(xué)

0引言

觸摸屏起源于20世紀(jì)70年代，早期的觸摸屏技術(shù)發(fā)展很不完善，價(jià)格也相對(duì)昂貴，使用范圍多集中于工業(yè)設(shè)備。2007年，iPhone手機(jī)風(fēng)靡全球，揭開了觸摸屏行業(yè)發(fā)展的高潮，之后觸摸屏技術(shù)不斷發(fā)展完善，并向各個(gè)行業(yè)普及和拓展，使用范圍愈加廣泛，例如日常使用的移動(dòng)電子設(shè)備、汽車車載設(shè)備等都裝有觸摸屏。目前，觸摸屏設(shè)備逐步滲透航空領(lǐng)域。國外已經(jīng)針對(duì)觸摸屏在駕駛艙的應(yīng)用展開了研究工作，觸摸屏也已經(jīng)出現(xiàn)在國外的軍用和民用駕駛艙概念設(shè)計(jì)中[1]。

在民機(jī)領(lǐng)域，Garmin、Thales、Barco、Honeywell等公司在觸摸屏引入駕駛艙設(shè)計(jì)方面做了很多研究工作。中國臺(tái)灣Garmin公司的G3000和G5000導(dǎo)航系統(tǒng)均使用了觸摸屏進(jìn)行顯示控制[1]。法國Thales公司的設(shè)計(jì)人員稱在二十年甚至十年以后，操縱飛機(jī)駕駛艙的將是新世紀(jì)的一代，而這一代人從小使用的就是觸摸屏設(shè)備，對(duì)于他們而言，現(xiàn)在復(fù)雜的物理按鍵式飛機(jī)駕駛艙將會(huì)非常難以操控，他們會(huì)更傾向于使用簡(jiǎn)潔、方便操控的觸摸屏設(shè)備構(gòu)成的駕駛艙。如果不將觸摸屏引入飛機(jī)駕駛艙，在未來的二十年內(nèi)將有可能導(dǎo)致飛行員的訓(xùn)練時(shí)間和成本大幅提升，因?yàn)樵谛乱淮贻p人的意識(shí)里，觸摸屏已經(jīng)根深蒂固，而觸摸屏是他們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，如果讓他們從操作?jiǎn)單、便捷的觸摸屏設(shè)備轉(zhuǎn)換到復(fù)雜、難以操作的機(jī)械儀表上，需要更長(zhǎng)的培訓(xùn)時(shí)間，更長(zhǎng)的培訓(xùn)周期。Thales公司[2]設(shè)計(jì)的ODICIS駕駛艙使用一整塊觸摸屏取代了原始駕駛艙中的顯控設(shè)備。比利時(shí)的Barco公司[3]也提出了類似的觸摸屏駕駛艙設(shè)計(jì)理念，使用一整塊觸摸屏完成駕駛艙內(nèi)的操控任務(wù)。美國的Honeywell公司同F(xiàn)AA一起開展關(guān)于駕駛艙觸摸屏的工效學(xué)研究[4]，設(shè)計(jì)了基于駕駛艙航電系統(tǒng)的Primus Epic航空系統(tǒng)，并成功引入到灣流公司的G500和G600公務(wù)機(jī)上，采用11塊8 in全觸摸屏液晶顯示器，整合了飛行管理、通信、氣象雷達(dá)等多個(gè)系統(tǒng)，替代了原有的大部分按鈕和旋鈕開關(guān)以實(shí)現(xiàn)飛行規(guī)劃、飛機(jī)系統(tǒng)控制等功能，大幅減少了開關(guān)的數(shù)量[5]。

在軍事領(lǐng)域，最早可追溯到美國F-22的設(shè)計(jì)計(jì)劃。在F-22設(shè)計(jì)之初，提出了觸摸屏概念駕駛艙。但因受限于當(dāng)時(shí)觸摸屏技術(shù)的不完善和可靠性等諸多問題，在定型設(shè)計(jì)中未采取該設(shè)計(jì)，卻為F-35成功實(shí)現(xiàn)觸摸屏駕駛艙奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。F-35駕駛艙采用了兩大塊液晶顯示屏取代了傳統(tǒng)的羅盤、水平位置儀、速度表、高度表等儀表，實(shí)現(xiàn)了信息、色彩的多樣化和集成化，使得飛行員獲得的信息更加全面。觸摸屏技術(shù)可幫助飛行員更好地管理信息，處理復(fù)雜任務(wù)，及時(shí)應(yīng)對(duì)飛行中出現(xiàn)的各種狀況。

為了提高設(shè)備的可用性，Barco公司和代爾夫特理工大學(xué)合作，開發(fā)設(shè)計(jì)了包含多塊高質(zhì)量觸摸屏的觸摸屏控制單元(TSCU)[6]。J Barbé等對(duì)觸摸交互區(qū)域模型進(jìn)行了探索性介紹，并對(duì)其在使用過程中的技術(shù)問題進(jìn)行了評(píng)估，為未來空客飛機(jī)駕駛艙布局設(shè)計(jì)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)提供參考[7]，并對(duì)未來飛機(jī)駕駛艙觸摸屏交互設(shè)計(jì)中涉及到的人體工效進(jìn)行了定義研究[8]。

觸摸屏駕駛艙是航空領(lǐng)域的一個(gè)新的理念，從其雛形的提出至今還不足十年時(shí)間，仍處于初始概念階段，但其應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙成為未來駕駛艙發(fā)展的必然趨勢(shì)[9-10]，對(duì)觸摸屏在駕駛艙的應(yīng)用研究也會(huì)愈加深入和廣泛，其中一個(gè)主要的研究方向是引入觸摸屏技術(shù)帶來的人機(jī)交互模式的改變，涵蓋操作方式、區(qū)域位置、功能及工效學(xué)設(shè)計(jì)等。國內(nèi)開始關(guān)注觸摸屏在軍機(jī)駕駛艙里的應(yīng)用研究，對(duì)駕駛艙觸摸屏的應(yīng)用進(jìn)行了人機(jī)工效的分析[11-12]。但目前國內(nèi)的研究處于初期，還未有公開的研究成果。

本文從人機(jī)交互角度出發(fā)，分析觸摸屏設(shè)備的特點(diǎn)，結(jié)合觸摸屏設(shè)備特點(diǎn)，并通過飛行員訪談的形式確定駕駛艙內(nèi)適合觸摸屏控制的相關(guān)設(shè)備，梳理觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于民機(jī)駕駛艙還需深入研究的人機(jī)工學(xué)問題，并與其他控制方式的績(jī)效進(jìn)行對(duì)比分析。

1觸摸屏特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)駕駛艙顯控設(shè)備相比，觸摸屏具有四個(gè)顯著特點(diǎn)：①顯示區(qū)域與操縱區(qū)域結(jié)合，即一塊觸摸屏在呈現(xiàn)用戶所需信息的同時(shí)，在對(duì)應(yīng)區(qū)域上可以實(shí)現(xiàn)直接操作，而操作所產(chǎn)生的視覺反饋(信息變化)也可以在相同的區(qū)域呈現(xiàn)；②無坐標(biāo)原點(diǎn)操作，即操作者可以直接點(diǎn)擊自己希望操作的位置，觸摸屏可以即時(shí)定位，并觸發(fā)對(duì)應(yīng)的操作；③可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)操控，即使用手指就可以在觸摸屏上進(jìn)行操作，執(zhí)行任務(wù)；④占空間小，設(shè)備簡(jiǎn)潔(傳統(tǒng)裝置包括顯示部件和控制部件，兩者缺一不可，但觸摸屏技術(shù)則僅需傳統(tǒng)裝置的顯示屏空間，即可達(dá)到任務(wù)操控的需要，因此可大大縮小所在空間)。觸摸屏技術(shù)的以上四個(gè)特點(diǎn)，可為駕駛艙帶來巨大的效益，可大幅提高駕駛艙的飛行員乘坐舒適性、視覺愉悅性等。

1.1顯示區(qū)域與控制區(qū)域結(jié)合

作為一種新型的顯示控制設(shè)備，與傳統(tǒng)設(shè)備的最大不同在于，它在作為信息顯示設(shè)備的同時(shí)，也可作為控制設(shè)備/輸入設(shè)備，即實(shí)現(xiàn)了輸出和輸入設(shè)備的集成和統(tǒng)一。而傳統(tǒng)設(shè)備的顯示和控制是分離的，顯示設(shè)備只能用于顯示，控制設(shè)備僅限于控制。傳統(tǒng)的顯示和控制設(shè)備需要飛行員觀察顯示區(qū)域內(nèi)的顯示信息和操控工作同步進(jìn)行，易導(dǎo)致注意力在顯示區(qū)域和控制區(qū)域間相互轉(zhuǎn)移，增大飛行員的腦力負(fù)荷。

若使用顯示區(qū)域和控制區(qū)域相結(jié)合的觸摸屏設(shè)備，飛行員則可以直接在同一區(qū)域內(nèi)完成信息的讀取和飛行操作任務(wù)，充分提高了手-眼協(xié)調(diào)性，有效地降低飛行員的腦力負(fù)荷，極大地縮短了執(zhí)行任務(wù)的操作時(shí)間[13]。

1.1.1提高手-眼操作的協(xié)調(diào)性

引入觸摸屏的駕駛艙，可以使飛行員在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)的注意力分配集中于同一區(qū)域。不僅包括飛行員眼睛的注視點(diǎn)，還包括飛行員用手指在觸摸屏上進(jìn)行操作。因操控注意力和視覺注意力均集中于同一區(qū)域，飛行員在操控過程中可以在同一位置獲得信息的反饋，而無需移動(dòng)視覺注意力。此種新的操作方式降低了飛行員手-眼協(xié)調(diào)工作能力的要求，使得飛行員可以更加容易地完成執(zhí)行任務(wù)。

1.1.2降低腦力負(fù)荷

觸摸屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)了顯示與控制區(qū)域的結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)飛行員獲得對(duì)操控動(dòng)作的即時(shí)性信息反饋提供了可能。相較于傳統(tǒng)設(shè)備，飛行員完成某個(gè)操控動(dòng)作后，需要將視線移動(dòng)到該控制器所對(duì)應(yīng)的顯示器上進(jìn)行相關(guān)信息確認(rèn)，該過程會(huì)占用部分腦力容量。若采用觸摸屏設(shè)備，飛行員在完成輸入的同時(shí)，在同地即可獲得信息的反饋，省去了判別信息顯示和控制操作相對(duì)應(yīng)的腦力消耗，對(duì)降低飛行員的腦力負(fù)荷極為有利。

1.1.3縮短操作時(shí)間

觸摸屏技術(shù)可大量縮短操作時(shí)間。因顯示和控制相集成于同一器件，飛行員的注視焦點(diǎn)和操作對(duì)象位于同一區(qū)域，免去了采用傳統(tǒng)顯示和操控設(shè)備的駕駛艙所需的視線焦點(diǎn)在控制區(qū)域與顯示區(qū)域上來回移動(dòng)的情況。盡管對(duì)一個(gè)操作來講，所節(jié)省的時(shí)間微乎其微，但在大量的操控任務(wù)下，所縮短的時(shí)間是非?？捎^的。

1.2無坐標(biāo)原點(diǎn)操作

無坐標(biāo)原點(diǎn)操作，即飛行員可以直接定位到所期望的位置并進(jìn)行操作。觸摸屏的這個(gè)特點(diǎn)和目前的顯示控制設(shè)備有著很大的區(qū)別。盡管目前民機(jī)駕駛艙的某些顯示和控制設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)集成化，但采用的是鼠標(biāo)按鍵操作，都是以某一坐標(biāo)原點(diǎn)作為操作運(yùn)動(dòng)的開始，然后將從光標(biāo)點(diǎn)所在的位置移動(dòng)到所預(yù)想的位置進(jìn)行操作，因而即時(shí)性較差。對(duì)于觸摸屏而言，飛行員僅需手指或觸摸筆直接在觸摸屏上相應(yīng)的位置進(jìn)行操作即可，顯得更加直觀和高效。

1.2.1降低任務(wù)操作時(shí)間

駕駛艙是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其涉及到的顯示設(shè)備和控制設(shè)備數(shù)量繁多，在進(jìn)行飛行、起飛、降落等任務(wù)時(shí)，飛行員所應(yīng)該完成的任務(wù)量巨大，步驟復(fù)雜。若使用觸摸屏代替目前使用的顯示控制設(shè)備，不但可以降低任務(wù)操作時(shí)間，而且操作直觀[14-15]。例如，A320飛機(jī)駕駛艙中有一類似觸摸屏的控制設(shè)備——光標(biāo)控制裝置(Cursor Control Device，簡(jiǎn)稱CCD)，其工作過程如下：在操控時(shí)，飛行員的手指觸摸到CCD上后，對(duì)應(yīng)的顯示屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)光標(biāo)，然后像使用鼠標(biāo)一樣，用自己的手指移動(dòng)光標(biāo)至相應(yīng)的位置進(jìn)行操作。若采用觸摸屏設(shè)備，則可直接用手指點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)需要操作的位置，省去了從光標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)到操作點(diǎn)的時(shí)間，大大地縮短操作時(shí)間，提高完成任務(wù)的效率。

1.2.2任務(wù)操作直觀

以CCD為例，若飛行員打算在CCD屏幕上對(duì)某一個(gè)位置進(jìn)行選擇操作，可分為以下三個(gè)步驟：①分配視覺注意力資源于該位置；②用手指觸碰CCD使之出現(xiàn)光標(biāo)；③將視線移到光標(biāo)點(diǎn)，注視并控制光標(biāo)抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行操作。若使用觸摸屏設(shè)備，只需要用手指點(diǎn)擊目標(biāo)位置，就可完成選擇。觸摸屏設(shè)備要比使用原始的顯示控制設(shè)備更加直觀，更符合人的心理感受。

1.3可實(shí)現(xiàn)手勢(shì)操控

觸摸屏的操作過程中不需要專門的控制裝置，使用手指就可以在觸摸屏上進(jìn)行操作，執(zhí)行任務(wù)。目前，觸摸屏設(shè)備已經(jīng)大量應(yīng)用于日常的各類電子設(shè)備上，例如手機(jī)、平板電腦等。大量的研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)建立了符合人的認(rèn)知和操作習(xí)慣的用戶手勢(shì)，并且其所開發(fā)的手勢(shì)操控已經(jīng)被觸摸屏用戶所接受。如果駕駛艙引入了觸摸屏設(shè)備，那么飛行員在日常生活中所使用的手勢(shì)語言也可以直接引入其中，這符合飛行員的日常操作模式，可以讓飛行員減少學(xué)習(xí)使用設(shè)備的時(shí)間，從而大大提高培訓(xùn)效率，節(jié)約培訓(xùn)成本。從培訓(xùn)的角度上講，手勢(shì)語言的記憶很迅速，也比較容易固定，較難遺忘，具有固定性。

1.4觸摸屏設(shè)備簡(jiǎn)潔

相較于傳統(tǒng)的顯示控制設(shè)備，無需額外的空間用于安裝操控設(shè)備，節(jié)省了大量空間，使得駕駛艙的感官空間大為提升。駕駛艙是一個(gè)復(fù)雜的空間，里面有著極其復(fù)雜的顯示器、控制器，空間環(huán)境的擁擠給飛行員的心里造成了一定程度的壓迫感。觸摸屏設(shè)備引入駕駛艙后，駕駛艙將會(huì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，原有的很多控制設(shè)備將被取消，飛行員將有更大的空間、更舒適的環(huán)境，大大降低飛行員的心理緊張程度，提升舒適感。

2觸摸屏在駕駛艙內(nèi)的應(yīng)用分析

觸摸屏設(shè)備可以降低任務(wù)的操作時(shí)間，提高飛行員的工作效率，降低飛行員執(zhí)行任務(wù)時(shí)的腦力負(fù)荷，提高培訓(xùn)效率，降低培訓(xùn)成本，同時(shí)提高駕駛艙空間感官感，減少駕駛艙給飛行員的空間壓力感，提升乘坐舒適性。但駕駛艙是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)飛行安全占據(jù)首要位置的民用飛機(jī)來說，觸摸屏技術(shù)的應(yīng)用可能性是必須進(jìn)行深入研究的。

民用A320飛機(jī)駕駛艙的基本布局如圖1所示。通常情況下，民機(jī)的駕駛艙可分成以下六個(gè)區(qū)域：主儀表板(T形區(qū)域)、遮光罩、中央操縱臺(tái)、頂部板、左操縱臺(tái)、右操縱臺(tái)[16-20]。

圖1　A320飛機(jī)駕駛艙布局

下文主要論述這六個(gè)區(qū)域的顯控設(shè)備以及特點(diǎn)、操作方式等問題。

2.1主儀表板

主儀表板是飛行員操縱飛機(jī)時(shí)關(guān)注最多的區(qū)域，同時(shí)也是駕駛艙中顯示控制設(shè)備非常集中的區(qū)域。主儀表板上的儀表包括EFIS調(diào)節(jié)面板、主飛行顯示器、導(dǎo)航顯示器、飛行控制面板等顯示控制設(shè)備，在飛行時(shí)，飛行員所需要的動(dòng)態(tài)信息基本都位于駕駛艙的這個(gè)區(qū)域，如圖2所示。在正常情況下，機(jī)長(zhǎng)和副駕駛共用中間的兩塊顯示屏，左側(cè)和右側(cè)的兩塊顯示屏顯示相同的信息，機(jī)長(zhǎng)通過左側(cè)的兩塊顯示屏讀取信息，而副駕駛則通過右側(cè)的兩塊顯示屏讀取信息。與顯示設(shè)備分布一致，控制設(shè)備也分為兩套，左側(cè)受機(jī)長(zhǎng)控制，而右側(cè)受副駕駛控制。

圖2　A320主儀表板內(nèi)的顯示控制設(shè)備

主儀表板內(nèi)控制設(shè)備的主要操作方式為鈑鈕和旋鈕。在飛行過程中，飛行員主要通過伸縮手臂，旋轉(zhuǎn)旋鈕，或者直接扳動(dòng)鈑鈕來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的操控。

2.2遮光罩

遮光罩主要用于防止眩光、反光(如圖3所示)，但是由于遮光罩位于可達(dá)性非常好的特殊位置，因而其上通常安裝非常重要且常用的顯示控制設(shè)備，例如飛行控制面板、EFIS控制面板。與主儀表板類似，遮光罩也是呈對(duì)稱分布的，中間區(qū)域由兩飛行員共同使用，而左右側(cè)的顯控設(shè)備則分別受機(jī)長(zhǎng)和副駕駛控制。遮光罩上的顯控設(shè)備包括旋鈕、鈑鈕和按鍵三大類。由于其位置和主儀表板非常接近，飛行員操作時(shí)的動(dòng)作也與主儀表板是一致的。

圖3A320遮光罩

Fig.3Plane hood of A320

2.3中央操縱臺(tái)

中央操縱臺(tái)是機(jī)長(zhǎng)和副駕駛的共同可達(dá)區(qū)域，安置了大量常用的重要顯控設(shè)備(如圖4所示)，主要包括多功能顯示控制組件、推力/反推手柄、減速板手柄、無線電管理面板等。

圖4　A320中央操縱臺(tái)

中央操縱臺(tái)上的控制設(shè)備非常多，其操作方式除了主儀表板和遮光罩上所使用的按鍵、旋鈕、鈑鈕之外，還使用了手柄式的控制器，例如油門手柄、剎車手柄等。同時(shí)，在中央操縱臺(tái)上還有一塊非常特殊區(qū)域，即多功能顯示控制組件(MCDU)，這個(gè)組件比較獨(dú)立，既包含顯示功能又包含控制功能，主要通過鍵盤完成飛行計(jì)劃的控制和更變、飛機(jī)績(jī)效參數(shù)等的控制和檢查，是駕駛艙中非常重要的一個(gè)組件。中央操縱臺(tái)位于機(jī)長(zhǎng)右側(cè)，副駕駛左側(cè)，一般情況下，機(jī)長(zhǎng)負(fù)責(zé)左側(cè)的顯控設(shè)備，而副駕駛負(fù)責(zé)右側(cè)的顯控設(shè)備。

2.4頂部板

頂部板是一塊很大的控制板，上面包含了大量的控制設(shè)備，如圖5所示。這些設(shè)備的使用頻率較主儀表板、遮光罩和中央操縱臺(tái)低，例如APU火警面板、液壓控制面板、燃油控制面板、燈光控制、空調(diào)系統(tǒng)控制等安裝于其上。

頂部板位于機(jī)長(zhǎng)與副駕駛的頭頂上方，頂部板通常選用按鍵和鈑鈕作為控制器。飛行員在操作時(shí)向上伸臂，完成操作。

圖5　A320頂部板

2.5左/右操縱臺(tái)

左側(cè)/右側(cè)操縱臺(tái)呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分別受機(jī)長(zhǎng)和副駕駛控制，上面布置了少量控制裝置，其上最重要的設(shè)備是進(jìn)行飛行姿態(tài)調(diào)整的駕駛桿(本文主要基于空客A320)。

2.6觸摸屏替代模塊的選擇

從飛行員的操作姿態(tài)、位置和可達(dá)性上進(jìn)行分析，可以看出主儀表板、遮光罩、中央操縱臺(tái)和左右側(cè)操縱臺(tái)適合使用觸摸屏設(shè)備，若在頂部版和后側(cè)面板上使用觸摸屏，可能會(huì)更多的引發(fā)飛行員的疲勞狀態(tài)。

從顯控設(shè)備的操作方式上進(jìn)行分析，觸摸屏設(shè)備更適于進(jìn)行點(diǎn)擊可以完成的操作，例如連續(xù)輸入、單擊等，在效率上優(yōu)于傳統(tǒng)的輸入；而在精密調(diào)節(jié)、連續(xù)調(diào)節(jié)方面的優(yōu)勢(shì)不明顯，甚至遜于傳統(tǒng)的物理輸入設(shè)備。因此在使用觸摸屏代替時(shí)，應(yīng)該更多的選用進(jìn)行輸入操作的設(shè)備，例如中央操縱臺(tái)上的MCDU、各個(gè)區(qū)域內(nèi)的按鈕等。而像手柄、旋鈕、駕駛桿這樣的輸入設(shè)備則應(yīng)該盡量避免用觸摸屏設(shè)備代替。

對(duì)航線飛行員進(jìn)行調(diào)研，了解其對(duì)觸摸屏引入飛機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)需求。多數(shù)飛行員認(rèn)為可以在顯控設(shè)備最集中且最適合觸摸屏操作模式的主儀表板和中央操縱臺(tái)上展開觸摸屏的相關(guān)研究，如此可以充分利用飛行員在日常觸摸屏手機(jī)等設(shè)備的操作基礎(chǔ)和習(xí)慣。少數(shù)飛行員認(rèn)為，多功能顯示控制組件(MCDU)上展開研究也適合用觸摸屏替代，盡管頂部板上使用觸摸屏可能會(huì)導(dǎo)致操作疲勞，但因其上設(shè)備的使用頻率較低，也適合開展觸摸屏的應(yīng)用研究。

3觸摸屏引入駕駛艙的工效學(xué)問題

盡管觸摸屏的潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)很多，但在應(yīng)用時(shí)還需注意一些缺陷和問題，以便盡可能地避免不利影響，更好地使用觸摸屏設(shè)備，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

3.1激活與誤操作

目前尚無明確的辦法定義何種激活方式可以有效地防止誤操作的發(fā)生[21]。早期的觸摸屏技術(shù)是一旦觸碰即激活操作，非常容易誤操作。A.Sears[20]引入了一種新的激活方式：當(dāng)手指離開屏幕的時(shí)候按鍵才會(huì)被激活，即只有當(dāng)操作者的手指離開某一區(qū)域的時(shí)候才會(huì)激活該區(qū)域。若飛行員無意間觸屏到了或者點(diǎn)擊了錯(cuò)誤的區(qū)域，可通過在屏幕上移動(dòng)手指到其他區(qū)域、再抬起手指，就可不激活該區(qū)域所對(duì)應(yīng)的操控。民用飛機(jī)對(duì)于安全性的要求很高，一旦出現(xiàn)誤操作很有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此在將觸摸屏引入駕駛艙時(shí)，需要充分考慮和研究誤操作問題。

鑒于觸摸屏技術(shù)對(duì)飛行員心理感知影響，其界面設(shè)計(jì)(激活或非激活狀態(tài))應(yīng)充分與飛行員的心理預(yù)期相符合。顯示界面的設(shè)計(jì)應(yīng)以非常直接和明白的形式告知飛行員，哪部分內(nèi)容是觸摸的和哪部分內(nèi)容是不可觸摸的。若飛行員認(rèn)為界面上某一個(gè)位置是可以觸摸并實(shí)現(xiàn)某種功能的，但是在實(shí)際中飛行員點(diǎn)擊該區(qū)域卻沒有得到相應(yīng)的反饋，容易讓飛行員的操作受挫，從而影響飛行員的心情，影響飛行員的正常操作。

3.2顯示/控制的界面耦合影響

傳統(tǒng)顯示裝置的設(shè)計(jì)通常僅需考慮人體視覺感知特性的影響，著重于關(guān)注字符大小、色彩等設(shè)計(jì)要素，以保證飛行員有效地獲取顯示設(shè)備上的信息為設(shè)計(jì)目標(biāo)。但實(shí)現(xiàn)了顯控結(jié)合技術(shù)的觸摸屏技術(shù)，在考慮視覺工效的同時(shí)，還需考慮操控工效。這主要是因?yàn)橛|摸屏界面的設(shè)計(jì)要具備顯示任務(wù)和控制任務(wù)兩項(xiàng)功能，同時(shí)這兩項(xiàng)功能通常情況下存在相互疊加、相互影響，因而其對(duì)工效學(xué)設(shè)計(jì)因素的要求提出了更高的要求。例如菜單按鈕大小同時(shí)會(huì)影響讀取效率和操作效率。同時(shí)，傳統(tǒng)的顯示裝置對(duì)操縱效率影響的各種因素之間可以認(rèn)為是線性的，例如字符大小隨相對(duì)視角的減小讀取效率可認(rèn)為是呈簡(jiǎn)單地線性降低規(guī)律，但對(duì)于觸摸屏設(shè)備，因人體認(rèn)知過程的復(fù)雜性，顯示和操控的設(shè)計(jì)因素具有耦合性，設(shè)計(jì)效果具有非線性，存在放大效應(yīng)。

非線性放大效應(yīng)是觸摸屏技術(shù)引入駕駛艙設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的考慮因素。在考慮飛行員讀取界面顯示信息有效性的同時(shí)，還需關(guān)注執(zhí)行任務(wù)操作的高效性。目前普遍使用的傳統(tǒng)顯控設(shè)備均有相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或規(guī)范，例如字符大小、按鍵大小的設(shè)計(jì)規(guī)范。但使用觸摸屏設(shè)備時(shí)，不能簡(jiǎn)單地取傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中的要求進(jìn)行套用，而應(yīng)專門針對(duì)觸摸屏設(shè)備展開實(shí)驗(yàn)和分析研究，確定具體的設(shè)計(jì)要求。

3.3反饋缺失

傳統(tǒng)的機(jī)械式輸入設(shè)備可通過力、聲音或其他方式給飛行員一定的反饋，例如按鍵操作會(huì)伴隨聲音和力等反饋信息，駕駛桿在被操作時(shí)會(huì)傳遞給飛行員一反作用力反饋。但觸摸屏僅是一靜態(tài)的平面，難以引起飛行員的操縱感知，盡管可以通過聲音和振動(dòng)等方法，仍無法建立一個(gè)良好的信息反饋機(jī)制。民機(jī)駕駛艙是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)合適的觸摸屏技術(shù)的信息反饋機(jī)制是其研究的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

3.4響應(yīng)時(shí)間

觸摸屏技術(shù)其內(nèi)部主要是從軟件層面上實(shí)現(xiàn)的操控，其過程可簡(jiǎn)單描述為：將信息輸入(飛行員操作)至后臺(tái)處理器(內(nèi)部電子電路和處理器)計(jì)算后，再通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)和并發(fā)出反饋，在此過程中可能會(huì)出現(xiàn)短暫延遲。而這種延遲性可能會(huì)對(duì)飛行員的操作心理產(chǎn)生極大的影響，目前并沒有明確多大的延遲可以讓人接受或者感知到[21]。

針對(duì)傳統(tǒng)顯控設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間問題，F(xiàn)AA提出了明確的規(guī)定：要求在100ms時(shí)間內(nèi)必須為操作提供反饋，反饋的模式可以是觸覺的、聲音的或者視覺的[20,22-23]。但對(duì)于觸摸技術(shù)，目前沒有成熟或可借鑒的相關(guān)文件。鑒于民機(jī)駕駛艙是一個(gè)復(fù)雜度的系統(tǒng)，以及觸摸屏顯示技術(shù)自身的信息處理過程的特點(diǎn)，可預(yù)測(cè)其反饋的響應(yīng)時(shí)間只會(huì)更加嚴(yán)格。

3.5觸摸屏位置優(yōu)化

觸摸屏技術(shù)主要有表面聲波技術(shù)、電阻式技術(shù)和電容式技術(shù)等三種，目前廣泛使用的是電容式觸屏技術(shù)。尤其是電容式觸摸屏技術(shù)對(duì)屏幕操作非常敏感，非常容易導(dǎo)致誤操作。若在關(guān)鍵操控設(shè)備上使用觸摸屏技術(shù)，可能還需飛行員進(jìn)行手臂懸操作，極易引起疲勞[24]。

觸摸屏技術(shù)引入民機(jī)駕駛艙時(shí)，還需進(jìn)一步考慮其位置設(shè)計(jì)，要充分考慮人體運(yùn)動(dòng)工程學(xué)的特點(diǎn)。例如觸摸屏的設(shè)計(jì)位置離飛行員較遠(yuǎn)，則在使用時(shí)需付出更多的努力，長(zhǎng)時(shí)使用會(huì)引起疲勞，影響飛行績(jī)效；若較近，則可能引起其他設(shè)備的使用，或者引起誤操作。因此，觸摸屏技術(shù)引入駕駛艙之前，還需重新以飛行員為中心，充分研究其設(shè)計(jì)工效學(xué)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證安全的同時(shí)提高飛行員的操作績(jī)效。

3.6環(huán)境因素

日常生活中，觸摸屏技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境較簡(jiǎn)單，而民機(jī)駕駛艙是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)，溫度、濕度、海拔高度、氣壓、振動(dòng)、噪聲等各種因素都對(duì)觸摸屏提出了更高的要求。在振動(dòng)環(huán)境下，觸摸屏的操作績(jī)效會(huì)大打折扣[24]。同時(shí)還需要考慮炫光等對(duì)飛行員的影響，以防止炫光阻礙飛行員獲取顯示信息和執(zhí)行任務(wù)。

3.7觸摸屏技術(shù)的潛在應(yīng)用可能性

觸摸屏是一種新型的控制設(shè)備，與傳統(tǒng)的控制設(shè)備相比，觸摸屏的優(yōu)勢(shì)在于其輸入功能。不同的控制設(shè)備執(zhí)行不同的操作任務(wù)效率并不具備一致性[25]。觸摸屏技術(shù)在使用按壓開關(guān)、或者兩檔功能的旋鈕等操控設(shè)備上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但功能多于三種以上的旋鈕、駕駛桿或駕駛盤等傳統(tǒng)設(shè)備方面并不具備優(yōu)勢(shì)，甚至劣于傳統(tǒng)的操控設(shè)備。因此在駕駛艙內(nèi)應(yīng)用觸摸屏技術(shù)之前，需要對(duì)傳統(tǒng)駕駛艙的布局進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新[26-28]，以使更能發(fā)揮觸摸屏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)束語

觸摸屏技術(shù)引入民機(jī)駕駛艙領(lǐng)域是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。作為駕駛艙新的交互模式，必然會(huì)帶來人機(jī)工效領(lǐng)域的新問題。觸摸屏技術(shù)集成了顯示、控制設(shè)備的功能，具有無坐標(biāo)原點(diǎn)操作、手勢(shì)控制、設(shè)備簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，可提高飛行員執(zhí)行任務(wù)時(shí)手眼協(xié)調(diào)性、降低腦力負(fù)荷、縮短操作時(shí)間，更符合飛行員操控心理學(xué)特征，為飛行員高效地操縱飛機(jī)帶來益處。同時(shí)，觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于民機(jī)駕駛艙，面臨諸多需要解決的問題，存在引發(fā)傳統(tǒng)駕駛艙布局大幅變革的可能性，需要深入研究其人機(jī)工效學(xué)問題，充分論證其引入駕駛艙而帶來的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合權(quán)衡和評(píng)價(jià)相對(duì)于傳統(tǒng)方式帶來的效益。

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舒秀麗(1963-)，女，高級(jí)工程師。主要研究方向：系統(tǒng)工程、人機(jī)工效。

王黎靜(1965-)，女，副教授。主要研究方向：飛機(jī)人機(jī)工效綜合評(píng)估等。

何雪麗(1986-)，女，博士研究生。主要研究方向：飛行員工作負(fù)荷、人體建模、人機(jī)工效。

董文俊(1983-)，男，工程師。主要研究方向：飛行器設(shè)計(jì)、駕駛艙集成和人為因素設(shè)計(jì)。

(編輯：趙毓梅)

Ergonomics Discussion on Application of Touch Screen in Civil Cockpit

Shu Xiuli1, Wang Lijing2, He Xueli2, Dong Wenjun1

(1.Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd., Shanghai 201210, China)(2.School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract:Touch screen has been widely used in various areas of life, which make its application of display & control device possible in the civil cockpit. Meanwhile there must be some subsequent issues about ergonomic when the touch screen is applied in cockpit, thus several analyses and research related should be done. The characteristics of the touch screen are demonstrated, based on which the possibility and the ergonomics of the application in civil cockpit are analyzed, which reveals that using the touch screen or not depend on the mission of control equipment. Finally, comparative analysis of performance is made with other control methods. It is expected that this paper can provide a theoretic support and technology reference for application and ergonomic design consideration of touch screen in the civil cockpit.

Key words:civil cockpit; touch screen; display & control device; ergonomics

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：R857.13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.01.016

文章編號(hào):1674-8190(2016)01-112-08

通信作者：董文俊,195025159@qq.com

收稿日期：2015-09-10；修回日期：2015-12-07