基于視線追蹤技術(shù)的地面維護(hù)設(shè)備燃油畫面工效學(xué)比較研究

閆明松　李晨　楊睿

摘 要：地面維護(hù)設(shè)備燃油畫面信息具有一定的復(fù)雜性，為保證操作人員快速準(zhǔn)確地獲取所需信息，對(duì)燃油顯示畫面設(shè)計(jì)的工效學(xué)水平提出了較高的要求。本研究借助于視線追蹤技術(shù)來評(píng)估燃油畫面的文字顯示和圖符顯示兩種顯示設(shè)計(jì)方式的人機(jī)工效水平，從而分析采用哪種設(shè)計(jì)方式更有利于提高操作者的視覺搜索和判讀績效，并為將視線追蹤技術(shù)應(yīng)用于地面維護(hù)設(shè)備顯示界面工效學(xué)評(píng)估提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：視線追蹤技術(shù)；地面維護(hù)設(shè)備；顯示界面；工效學(xué)

Abstract： For the complication of fuel display information of ground maintenance equipment， a high level display interface design in ergonomics is very important to ensure operators could acquire the information efficiently and accurately. Based on the eye-tracking technology， this study evaluated the ergonomics level of two interface design which are text display design and symbol display design， and analyzed which design type was more beneficial to improve the visual search performance of operators. It provided reference and consulting for applying eye-tracking technology in the ergonomics evaluation of the display interface of the ground maintenance equipment.

Key words： eye-tracking technology； ground maintenance equipment； display interface； ergonomics

1 概述

視覺顯示界面是人機(jī)界面中最重要的顯示界面類型。目前，視覺信息顯示主要包括圖符和文字兩種顯示方式。圖符信息顯示的主要優(yōu)點(diǎn)在于顯示的形式直觀形象，容易理解并且傳遞信息不受使用者語言、文字的限制，但對(duì)圖符的清晰醒目、涵義明確等方面要求較高。而文字信息顯示的主要優(yōu)點(diǎn)是顯示信息精確可靠，但與圖符顯示相比，存在反應(yīng)時(shí)間較長，認(rèn)知加工負(fù)荷較高等不足。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)被試

共有15名操作者作為實(shí)驗(yàn)被試，其中男性9人，女性6人，年齡在24-38周歲之間。其中8名操作者是對(duì)顯示畫面較為熟悉的經(jīng)驗(yàn)操作者，剩余7名操作者是從未見過此類顯示畫面的無經(jīng)驗(yàn)操作者。視力或矯正視力正常，無色盲或色弱，均為右利手。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中航上電所的座艙顯控人機(jī)工效實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，室內(nèi)亮度均勻并在適宜水平。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為臺(tái)式電腦一臺(tái)（操作系統(tǒng)Windows 7，顯示器為19英寸LED，屏幕分辨率為1600x900）。實(shí)驗(yàn)中的顯示畫面使用Experiment Center 3.0軟件在臺(tái)式電腦上呈現(xiàn)。顯示器中央點(diǎn)與被試的眼睛處于同一水平線。

實(shí)驗(yàn)中采用德國SMI RED-M桌面式眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)記錄操作人員在操作過程中的視線移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)。該型眼動(dòng)儀的優(yōu)點(diǎn)是被試不用佩戴任何設(shè)備，消除了被試使用頭戴式眼動(dòng)儀時(shí)的頭部負(fù)擔(dān)和不舒適感，且被試頭部在一定范圍內(nèi)有相對(duì)自由的活動(dòng)空間，適用于較長時(shí)間的測試。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料主要包括兩類燃油信息顯示畫面，即文字顯示設(shè)計(jì)畫面及圖符顯示設(shè)計(jì)畫面，如圖1所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)變量與設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用雙因素混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)的自變量是燃油信息畫面以及操作人員經(jīng)驗(yàn)水平。其中燃油信息畫面是被試內(nèi)變量，包括2個(gè)水平：文字顯示設(shè)計(jì)畫面和圖符顯示設(shè)計(jì)畫面；操作人員經(jīng)驗(yàn)水平是被試間變量，包括2個(gè)水平：有經(jīng)驗(yàn)操作人員和無經(jīng)驗(yàn)操作人員。

本實(shí)驗(yàn)的因變量主要包括以下五個(gè)：（1）完成視覺搜索任務(wù)的時(shí)間；（2）完成視覺搜索任務(wù)的正確率；（3）畫面中注視點(diǎn)總個(gè)數(shù)；（4）注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域時(shí)間；（5）操作人員對(duì)文字信息設(shè)計(jì)和圖符信息設(shè)計(jì)的主觀偏好評(píng)分。

本實(shí)驗(yàn)的差異顯著性檢驗(yàn)均采用t檢驗(yàn)。

2.5 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)中操作人員需要完成的任務(wù)是燃油畫面信息搜索任務(wù)，即計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)以文字或以圖符顯示的燃油信息畫面，要求操作人員盡可能快而準(zhǔn)確地找到搜索目標(biāo)信息后按空格鍵，并口頭報(bào)告目標(biāo)信息內(nèi)容。主試人員會(huì)同時(shí)將回答結(jié)果記錄在結(jié)果記錄表中。

每個(gè)被試總共需要完成2種顯示設(shè)計(jì)畫面下各10次視覺搜索選擇任務(wù)，總共20次任務(wù)。為防止疲勞和學(xué)習(xí)效應(yīng)，對(duì)每次兩種視覺顯示畫面呈現(xiàn)的先后順序采用完全隨機(jī)方式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同操作人員正確搜索到目標(biāo)信息的完成時(shí)間

表1是有經(jīng)驗(yàn)操作者和無經(jīng)驗(yàn)操作者在兩種不同顯示畫面下正確搜索到目標(biāo)信息所用時(shí)間的結(jié)果比較。從表中可以看出，無論是文字顯示畫面還是圖符顯示畫面，有經(jīng)驗(yàn)操作者的搜索時(shí)間均要顯著少于無經(jīng)驗(yàn)操作者（P<0.05）。

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)操作者，文字顯示畫面的搜索時(shí)間高于圖符顯示畫面的搜索時(shí)間。t檢驗(yàn)結(jié)果表明，文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標(biāo)信息搜索時(shí)間之間沒有達(dá)到顯著差異（t（12）=-0.744，P>0.05）。對(duì)于無經(jīng)驗(yàn)操作者，文字顯示畫面的搜索時(shí)間略少于圖符顯示畫面的搜索時(shí)間。t檢驗(yàn)表明，文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標(biāo)信息搜索時(shí)間之間沒有達(dá)到顯著差異（t（11）=-0.056，P>0.05）。

3.2 不同操作人員搜索到目標(biāo)信息的正確率差異分析

表2是有經(jīng)驗(yàn)操作者和無經(jīng)驗(yàn)操作者在兩種不同顯示畫面下搜索到目標(biāo)信息并能夠正確回答問題的正確率結(jié)果比較。從表中可以看出，無論是有經(jīng)驗(yàn)操作者還是無經(jīng)驗(yàn)操作者，文字顯示畫面的正確率均要高于圖符顯示畫面。

3.3 不同操作人員搜索到目標(biāo)信息時(shí)注視點(diǎn)個(gè)數(shù)差異分析

表3是有經(jīng)驗(yàn)操作者和無經(jīng)驗(yàn)操作者在兩種不同顯示畫面下搜索到目標(biāo)信息時(shí)的平均注視點(diǎn)個(gè)數(shù)結(jié)果。從表中可以看出，無論是有經(jīng)驗(yàn)操作者還是無經(jīng)驗(yàn)操作者，在文字顯示畫面和圖符顯示畫面下的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)并沒有顯著差異，經(jīng)t檢驗(yàn)表明，差異均沒有達(dá)到顯著水平（p>0.05）。

3.4 不同操作人員注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域的時(shí)間差異分析

表4是有經(jīng)驗(yàn)操作者和無經(jīng)驗(yàn)操作者在兩種不同顯示畫面下進(jìn)行目標(biāo)搜索時(shí)，眼睛注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域所需時(shí)間的比較。從表中可以看出，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)操作者，文字顯示畫面的注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域所需時(shí)間高于圖符顯示畫面。t檢驗(yàn)表明，兩種信息顯示畫面之間達(dá)到顯著差異（t（35）=2.319，P<0.05）。對(duì)于無經(jīng)驗(yàn)操作者，文字顯示畫面的注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域所需時(shí)間略少于圖符顯示畫面的搜索時(shí)間。經(jīng)t檢驗(yàn)表明，文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標(biāo)信息搜索時(shí)間之間沒有達(dá)到顯著差異（t（37）=0.582，P<0.05）。

3.5 不同操作人員對(duì)不同顯示畫面設(shè)計(jì)的主觀評(píng)分分析

表5是不同操作人員對(duì)不同顯示畫面設(shè)計(jì)的可理解性主觀評(píng)分比較。從表中可以看出，由于文字顯示其天然的優(yōu)勢(shì)，其可理解性的評(píng)分要高于圖符顯示，尤其是對(duì)于無經(jīng)驗(yàn)操作者來說，文字顯示設(shè)計(jì)更容易讓其理解畫面中各信息含義。而相對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)操作者來說，兩種信息顯示方式的可理解性評(píng)分并沒有明顯的差異。

表6是不同操作人員對(duì)不同顯示畫面設(shè)計(jì)的布局合理性主觀評(píng)分比較。從表中可以看出，對(duì)于無經(jīng)驗(yàn)操作者來說，由于其對(duì)畫面信息并不熟悉，需要更多顯示元素的解釋信息，因此其認(rèn)為文字顯示畫面設(shè)計(jì)的布局更為合理，而相對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)操作者來說，由于圖符顯示畫面更加直觀簡潔，因此其在布局合理性上要顯著好于文字顯示畫面。

4 討論

4.1 文字顯示畫面設(shè)計(jì)與圖符顯示畫面設(shè)計(jì)的工效學(xué)比較

從視覺信息搜索時(shí)間結(jié)果上來看，對(duì)于初學(xué)者來說，文字顯示畫面與圖符顯示畫面這兩種顯示畫面設(shè)計(jì)在目標(biāo)搜索時(shí)間上并沒有顯著差異。但隨著使用經(jīng)驗(yàn)的增加，相比于文字信息畫面設(shè)計(jì)，圖符顯示畫面設(shè)計(jì)在目標(biāo)搜索時(shí)間上逐漸出現(xiàn)更快的優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)符合操作者的認(rèn)知加工特點(diǎn)，也與Ellis和Dewar等人的研究結(jié)果相一致。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，這種優(yōu)勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上并沒有達(dá)到顯著差異，說明圖符顯示畫面的設(shè)計(jì)上還存在進(jìn)一步提升的必要，從而把這種優(yōu)勢(shì)更為明顯表現(xiàn)出來。

同時(shí)，在視覺搜索正確率指標(biāo)上，無論是有經(jīng)驗(yàn)操作者還是無經(jīng)驗(yàn)操作者，文字顯示畫面的正確率均要高于圖符顯示畫面。這一差異結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)中要求操作者完成的任務(wù)需要精確判讀和記憶過程有關(guān)。總體上，對(duì)于圖符顯示畫面來說，其并不適合顯示需要精確判讀或記憶的信息內(nèi)容，而更適合進(jìn)行狀態(tài)快速檢查的任務(wù)類型。

4.2 視線追蹤技術(shù)應(yīng)用于地面維護(hù)設(shè)備視覺顯示界面評(píng)估

本研究通過視線追蹤技術(shù)記錄了操作者在進(jìn)行視覺目標(biāo)搜索過程中的眼動(dòng)模式，主要選取了兩個(gè)眼動(dòng)指標(biāo)。其中注視點(diǎn)個(gè)數(shù)指標(biāo)反映視覺搜索行為的次數(shù)，用來揭示界面信息的相對(duì)組織程度；注視點(diǎn)數(shù)多則表明搜索量大，界面設(shè)計(jì)可能存在問題。注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域的時(shí)間指標(biāo)可用于考察被試注意加工到視覺目標(biāo)顯示信息的時(shí)間快慢。從注視點(diǎn)個(gè)數(shù)和進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域注視時(shí)間的眼動(dòng)數(shù)據(jù)上來看，對(duì)于文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標(biāo)搜索效率結(jié)果與行為指標(biāo)結(jié)果較為一致，即對(duì)于初學(xué)者來說，兩種顯示畫面設(shè)計(jì)在注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域所需時(shí)間上并沒有顯著差異。但隨著使用經(jīng)驗(yàn)的增加，相比于文字信息畫面設(shè)計(jì)，圖符顯示畫面設(shè)計(jì)在注視點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)信息區(qū)域所需時(shí)間上逐漸展現(xiàn)出更快的優(yōu)勢(shì)，并且這種優(yōu)勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上達(dá)到了顯著差異。

本研究結(jié)果也表明，通過視線追蹤技術(shù)能夠更為客觀和深入地分析地面維護(hù)設(shè)備視覺顯示界面的工效學(xué)水平，該方法對(duì)于傳統(tǒng)的工效學(xué)評(píng)估技術(shù)和方法，如行為績效指標(biāo)、主觀評(píng)分指標(biāo)等來說是一個(gè)重要而有益的補(bǔ)充。同時(shí)，結(jié)合眼動(dòng)指標(biāo)分析可以更直觀、更有效地發(fā)現(xiàn)視覺顯示界面設(shè)計(jì)中存在的工效學(xué)問題及其深層原因。這一點(diǎn)也是對(duì)前人研究結(jié)果的驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

通過開展上述基于視覺追蹤技術(shù)的工效評(píng)估實(shí)驗(yàn)，可以了解到如何借助視線追蹤技術(shù)客觀地分析和揭示地面維護(hù)設(shè)備燃油畫面的可用性水平，為地面維護(hù)設(shè)備燃油畫面的優(yōu)化提供了依據(jù)。在傳統(tǒng)的可用性測試的基礎(chǔ)上同時(shí)融入視線追蹤技術(shù)，可以更直觀和客觀的評(píng)價(jià)人機(jī)交互界面的可用性水平，并有助于分析和揭示可用性問題產(chǎn)生的原因。

作者簡介：閆明松（1973-），男，工程師，碩士，主要研究方向是航空電子技術(shù)。

李晨（1981-），女，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樽擄@示控制與人機(jī)工效技術(shù)、無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)。