戰斗機駕駛艙人機界面適配性評價指標體系研究

李月文 張永生

（中國人民解放軍海軍大連艦艇學院，遼寧 大連116018）

0 引言

人機界面評價是依據相關的設計準則以及操作人員自身的體會，判斷人機界面中操作人員與相關的顯示器、控制器以及輔助部件的匹配關系設計是否符合人機工程學的要求[1]。飛機駕駛員在執行飛行任務時，處于一種信息高度密集的空間環境中，如果忽略人機界面適配性，將直接影響駕駛員的有效操作，降低完成任務和安全返回基地的可能性。目前，國內雖有一些零散標準可用于評價人機界面適配性工效，但無法系統、綜合地評價方案的優劣。本文針對現役第三代戰斗機中人機界面適配性評價指標體系進行研究，提出評價意見與建議，為我國戰斗機設計中人機界面適配性評估提供依據。

1 人機界面適配性評價指標體系構建方法

人機界面適配性評價指標體系建立是為指導人機界面的設計，既要保證“機適人”，也要保證“人適機”。因此，在進行人機界面設計時，以人機界面適配性最大化為原則，對影響人機界面的人機環三大要素進行分析研究，解決好人控制機器和人接受信息兩大問題[2]。

人機界面適配性評價指標體系的建立，首先需明確人機界面中的人機環因素與相應作業，通過對人機交互作業進行分析，可使人機環因素相互作用的過程清晰明了，體現人機界面性質的過程符合人的認知習慣；其次分析交互過程中所涉及到的作業，研究人機環因素各自特性在交互過程中的體現，選定評價因素；最后分析評價因素，確定評價指標，建立人機界面適配性評價指標體系，如圖1所示。

可以看出，人機界面適配性評價指標體系建立的具體步驟為：（1）分析人機交互過程。以典型任務為過程分析對象，研究任務內容，列出交互過程中所有相關的人機環因素和相應的作業并進行統計與分類。（2）分析人機交互作業。以步驟（1）得到的作業為分析對象，用三維矩陣分析人的特性、設備屬性和環境條件三者之間的交互過程，交互點上所體現的所有因素就是人機交互過程中需要分析的評價因素。同時這些因素能夠反映人機環因素之間的相互作用和各自的特性。（3）應用取消、合并、重排和簡化四大技巧，分析比較評價因素間的關系，確定評價因素和評價指標。（4）確定指標間的層次和結構，構建評價指標體系[3]。

2 人機界面適配性評價指標

在人機界面適配性評價指標選取過程中應遵循以下三個原則：（1）系統性原則。全面反映評價對象的本質特性和整體性能。（2）可行性原則。評價指標體系所選取的因素既要考慮因素自身的特點，又要考慮所需的資料是否易于調查和收集。（3）獨立性原則。所選取的因素要求具有相對獨立性，即同層次上的因素不具有包含關系或者是因素之間的關聯性較小，也是說所選擇的因素，一方面是構成評價指標體系必不可少的，另一方面彼此要相對獨立[4]。

2.1 飛行員負荷來源

在實際飛行任務過程中，飛行員負荷主要來源于：物理特性、生理特性和心理特性。物理特性從幾何、力學和熱力學三方面進行研究；生理特性從感覺特性和生理適應性兩方面進行研究；心理特性從人的心理過程進行研究，如表1所示。

表1 戰斗機駕駛艙飛行員負荷來源

2.2 飛行員負荷工效評價

2.2.1 操作域/視域/注意域測量

在實際工作過程中，對操作域/視域的測量必須結合具體的任務要求而進行動態測量，并且隨著研究的進一步深入，對注意域的關注越來越強烈；對動態操作域的測量可根據駕駛員在各種任務背景下的反應時間/準確率來進行；動態視域/注意域的測量可依據駕駛員操作時視野區域的注視空間頻率分布、注視持續時間、注視分配序列、水平與垂直掃視軌跡幅度及次數等指標來檢測評價。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心的信息；

圖1 人機界面適配性評價指標體系建立過程示意圖

④接受信息的關心程度；

⑤從接受一個信息轉化到另一個信息的切換速度。

2.2.2 三維目標拾取

目標拾取運動作為人機環境系統中人機界面作業的一種基本操作，對于系統的設計有著重要的影響。可通過設計進行三維目標拾取運動實驗，獲得了大量的實驗數據，在實驗中采用計算機測控技術，并根據理論研究和實驗分析，建立三維目標拾取運動特性的理論模型;最后，采用所獲得的實驗數據對理論模型的實驗系數進行了確定。主要測量指標為各種任務下操作的反應時和準確率。

2.2.3 視覺反應適配性

在眾多的視覺信息內容輸入（觀察）和輸出（控制）時，必然存在著競爭與優先權的問題。因此，必須研究手眼反應適配性問題，通過對觀察識別區與運動控制區的實驗測試，根據二者在空間及時間尺度的單元特征序列數據計算并結合相應的任務要求進行靈活性、協調性評價。

2.2.4 作業效率與視覺功能時間變化特性

有關實驗表明，隨著作業時間的延長，飛行員視覺功能會有不同程度的降低，并導致中樞神經處理能力下降，即作業效率下降。其主要原因是視覺感受器所傳遞的信息強度不足，使中樞不能有效響應所致，主要表現為飛行員反應時間延長。

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系，但目前國內外研究較少。目前航空醫學和工程技術人員把生理信息測量內容集中頭部水平的動脈搏動、腦電譜及心率等，利用這些參數來評估駕駛員生理負荷、認知負荷等。

2.3 人機界面設計評價

人機界面設計過程中應把握控制器及與之相關的顯示器關系明顯的原則，即控制器應設計在鄰近顯示器的下方或右方，以保證飛行員操作控制器時不會擋住顯示器[5]：

①人機界面中儀表、控制器的位置可按功能、順序、一致性、可達性等指標分組布置；

②人機界面中儀表、控制器的時空轉換分配可通過時滯、使用匹配性、指針標度、部件的運動方向等指標來衡量；

③人機界面中儀表、控制器的顏色可根據概念兼容性、視敏度、對比度等指標來進行設計；

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

⑤人機界面中的照明評價可采用燈光分布、對比度、亮度、夜視裝置相容性、完全暗適應/不完全暗適應性等指標來反映。

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充分考慮人對信息感知、分析、評價、決策和操作等各個環節生理和心理需求來設計評價顯示/控制器面板。設計及評價原則如下：

（1）顯示元件形式的設計。對于需要定量顯示的信息，可采用數字顯示方式;對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）操作單元形式的設計。對于開關量信息的輸入，可采用按鍵或按鈕的形式;對于多項選擇信息的輸入，可采用一排按鍵的形式；對于連續信息的輸入.可采用滑塊形式等。

（3）直接操作形式的設計。在顯示元件部分，對顯示信息的載體，如曲線、指針等，應設計直接操作形式，使其達到預定的位置，實現操作方式中顯示元件與操作元件合二為一，操作簡單，增加顯示/控制器面板的“透明性”。

（4）面板的布局設計應符合重要性原則、分組原則及相關性原則，即：顯示元件按重要性的大小，應依布置在面板的第1，2，3，4象限；操作元件應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按功能分組，分組方法有線框圍合法、顏色區分法、形狀區分法和距離區分法等。

相關性原則：功能相關的顯示元件和操作元件，在布置時應顯示出它們的內在邏輯關系。

（5）面板分頁設計，功能較復雜的顯示/控制器面板可采用幾個分面板形式，分配到每個子面板上的功能應簡潔明了，易于飛行員理解，但面板數也不宜過多，以免造成飛行員學習和使用困難。

（6）面板色彩設計，應增加視覺敏感度開減小視覺疲勞。

（7）顯示/操作菜單結構設計，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）圖符設計，應與所要表達的含義有很強且很直接的聯系，有利于飛行員敏捷操作、記憶與迅速再識別。

（9）“幫助”菜單設計，應符合人的信息處理規律。應提供儀器的功能結構框圖和面向功能的操作順序圖。

3 評價框架

如何對復雜的人機界面適配性系統進行評價，最簡單、最實用的方法是使其評價單元化。劃分單元的方法有許多種，要依據具體的評價目的要求來進行劃分。

針對人機界面適配性系統評價特點，劃分單元的一般方法有以下幾種方法：

（1）根據評價系統中作用的突出性進行劃分；

（2）根據評價系統運轉的先后順序進行劃分；

（3）根據評價系統中的不同區域進行劃分；

（4）根據評價系統中結構關系相對嚴密程度進行劃分。

劃分評價單元的目的是為了使評價系統的評價過程簡單化，提高評價過程的易操作性，同時也體現了評價單元之間的結構邏輯關系。評價框架如圖2所示。

圖2 戰斗機駕駛艙人機界面適配性評價基本框架模型

4 結束語

隨著戰斗機發展的日新月異，要求飛行員在特定環境中既能觀察環境，又能操作和管理復雜系統和機械設備。人機界面適配性研究，是飛機駕駛艙面板優化設計的基礎和根據，是保障安全飛行和提高作戰能力和效率的重要手段，是研究新一代高性能軍用、民用飛機函待解決的重大安全技術問題。本文從系統學角度，全面、綜合地建立了人機界面適配性評價體系，但主要局限于定性分析，有關人機界面適配性評價體系構建精確化、科學化，還需進一步深入研究。

［1］蔣濤.火力發電廠DCS系統人機界面綜合評價研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2006:5-6.

［2］孫林巖.人因工程[M].北京:中國科學技術出版社,2001:52.

［3］趙君,郝建平,李星新.裝甲車駕駛艙人機界面評價指標體系研究[J].人類工程學,2008,14(4):53-56.

［4］劉偉,袁修平,柳忠起，等.人機顯示/控制界面適配性綜合評價指標和評價方法[J].中國安全科學學報,2004,12(4):32-34.

［5］劉偉,袁修干,莊達民.眼動測量系統及其在工效學中的應用[J].航空學報,2001,22(5):385-389.