基于視線追蹤技術的地面維護設備燃油畫面工效學比較研究

閆明松　李晨　楊睿

摘 要：地面維護設備燃油畫面信息具有一定的復雜性，為保證操作人員快速準確地獲取所需信息，對燃油顯示畫面設計的工效學水平提出了較高的要求。本研究借助于視線追蹤技術來評估燃油畫面的文字顯示和圖符顯示兩種顯示設計方式的人機工效水平，從而分析采用哪種設計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應用于地面維護設備顯示界面工效學評估提供了借鑒和參考。

關鍵詞：視線追蹤技術；地面維護設備；顯示界面；工效學

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點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點是顯示信息精確可靠，但與圖符顯示相比，存在反應時間較長，認知加工負荷較高等不足。

2 實驗方法

2.1 實驗被試

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

2.2 實驗裝置

實驗在中航上電所的座艙顯控人機工效實驗室中進行，室內亮度均勻并在適宜水平。主要實驗設備為臺式電腦一臺（操作系統Windows 7，顯示器為19英寸LED，屏幕分辨率為1600x900）。實驗中的顯示畫面使用Experiment Center 3.0軟件在臺式電腦上呈現。顯示器中央點與被試的眼睛處于同一水平線。

實驗中采用德國SMI RED-M桌面式眼動跟蹤系統記錄操作人員在操作過程中的視線移動軌跡數據。該型眼動儀的優點是被試不用佩戴任何設備，消除了被試使用頭戴式眼動儀時的頭部負擔和不舒適感，且被試頭部在一定范圍內有相對自由的活動空間，適用于較長時間的測試。

2.3 實驗材料

本實驗材料主要包括兩類燃油信息顯示畫面，即文字顯示設計畫面及圖符顯示設計畫面，如圖1所示。

2.4 實驗變量與設計

本實驗采用雙因素混合實驗設計。實驗的自變量是燃油信息畫面以及操作人員經驗水平。其中燃油信息畫面是被試內變量，包括2個水平：文字顯示設計畫面和圖符顯示設計畫面；操作人員經驗水平是被試間變量，包括2個水平：有經驗操作人員和無經驗操作人員。

本實驗的因變量主要包括以下五個：（1）完成視覺搜索任務的時間；（2）完成視覺搜索任務的正確率；（3）畫面中注視點總個數；（4）注視點進入目標信息區域時間；（5）操作人員對文字信息設計和圖符信息設計的主觀偏好評分。

本實驗的差異顯著性檢驗均采用t檢驗。

2.5 實驗任務

實驗中操作人員需要完成的任務是燃油畫面信息搜索任務，即計算機屏幕呈現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確地找到搜索目標信息后按空格鍵，并口頭報告目標信息內容。主試人員會同時將回答結果記錄在結果記錄表中。

每個被試總共需要完成2種顯示設計畫面下各10次視覺搜索選擇任務，總共20次任務。為防止疲勞和學習效應，對每次兩種視覺顯示畫面呈現的先后順序采用完全隨機方式。

3 實驗結果

3.1 不同操作人員正確搜索到目標信息的完成時間

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

對于有經驗操作者，文字顯示畫面的搜索時間高于圖符顯示畫面的搜索時間。t檢驗結果表明，文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標信息搜索時間之間沒有達到顯著差異（t（12）=-0.744，P>0.05）。對于無經驗操作者，文字顯示畫面的搜索時間略少于圖符顯示畫面的搜索時間。t檢驗表明，文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標信息搜索時間之間沒有達到顯著差異（t（11）=-0.056，P>0.05）。

3.2 不同操作人員搜索到目標信息的正確率差異分析

表2是有經驗操作者和無經驗操作者在兩種不同顯示畫面下搜索到目標信息并能夠正確回答問題的正確率結果比較。從表中可以看出，無論是有經驗操作者還是無經驗操作者，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信息時注視點個數差異分析

表3是有經驗操作者和無經驗操作者在兩種不同顯示畫面下搜索到目標信息時的平均注視點個數結果。從表中可以看出，無論是有經驗操作者還是無經驗操作者，在文字顯示畫面和圖符顯示畫面下的注視點個數并沒有顯著差異，經t檢驗表明，差異均沒有達到顯著水平（p>0.05）。

3.4 不同操作人員注視點進入目標信息區域的時間差異分析

表4是有經驗操作者和無經驗操作者在兩種不同顯示畫面下進行目標搜索時，眼睛注視點進入目標信息區域所需時間的比較。從表中可以看出，對于有經驗操作者，文字顯示畫面的注視點進入目標信息區域所需時間高于圖符顯示畫面。t檢驗表明，兩種信息顯示畫面之間達到顯著差異（t（35）=2.319，P<0.05）。對于無經驗操作者，文字顯示畫面的注視點進入目標信息區域所需時間略少于圖符顯示畫面的搜索時間。經t檢驗表明，文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標信息搜索時間之間沒有達到顯著差異（t（37）=0.582，P<0.05）。

3.5 不同操作人員對不同顯示畫面設計的主觀評分分析

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

表6是不同操作人員對不同顯示畫面設計的布局合理性主觀評分比較。從表中可以看出，對于無經驗操作者來說，由于其對畫面信息并不熟悉，需要更多顯示元素的解釋信息，因此其認為文字顯示畫面設計的布局更為合理，而相對于有經驗操作者來說，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 文字顯示畫面設計與圖符顯示畫面設計的工效學比較

從視覺信息搜索時間結果上來看，對于初學者來說，文字顯示畫面與圖符顯示畫面這兩種顯示畫面設計在目標搜索時間上并沒有顯著差異。但隨著使用經驗的增加，相比于文字信息畫面設計，圖符顯示畫面設計在目標搜索時間上逐漸出現更快的優勢，這一點符合操作者的認知加工特點，也與Ellis和Dewar等人的研究結果相一致。從本實驗結果來看，這種優勢在統計上并沒有達到顯著差異，說明圖符顯示畫面的設計上還存在進一步提升的必要，從而把這種優勢更為明顯表現出來。

同時，在視覺搜索正確率指標上，無論是有經驗操作者還是無經驗操作者，文字顯示畫面的正確率均要高于圖符顯示畫面。這一差異結果與本實驗中要求操作者完成的任務需要精確判讀和記憶過程有關?？傮w上，對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容，而更適合進行狀態快速檢查的任務類型。

4.2 視線追蹤技術應用于地面維護設備視覺顯示界面評估

本研究通過視線追蹤技術記錄了操作者在進行視覺目標搜索過程中的眼動模式，主要選取了兩個眼動指標。其中注視點個數指標反映視覺搜索行為的次數，用來揭示界面信息的相對組織程度；注視點數多則表明搜索量大，界面設計可能存在問題。注視點進入目標信息區域的時間指標可用于考察被試注意加工到視覺目標顯示信息的時間快慢。從注視點個數和進入目標區域注視時間的眼動數據上來看，對于文字顯示畫面和圖符顯示畫面的目標搜索效率結果與行為指標結果較為一致，即對于初學者來說，兩種顯示畫面設計在注視點進入目標信息區域所需時間上并沒有顯著差異。但隨著使用經驗的增加，相比于文字信息畫面設計，圖符顯示畫面設計在注視點進入目標信息區域所需時間上逐漸展現出更快的優勢，并且這種優勢在統計上達到了顯著差異。

本研究結果也表明，通過視線追蹤技術能夠更為客觀和深入地分析地面維護設備視覺顯示界面的工效學水平，該方法對于傳統的工效學評估技術和方法，如行為績效指標、主觀評分指標等來說是一個重要而有益的補充。同時，結合眼動指標分析可以更直觀、更有效地發現視覺顯示界面設計中存在的工效學問題及其深層原因。這一點也是對前人研究結果的驗證。

5 結束語

通過開展上述基于視覺追蹤技術的工效評估實驗，可以了解到如何借助視線追蹤技術客觀地分析和揭示地面維護設備燃油畫面的可用性水平，為地面維護設備燃油畫面的優化提供了依據。在傳統的可用性測試的基礎上同時融入視線追蹤技術，可以更直觀和客觀的評價人機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。

李晨（1981-），女，高級工程師，碩士，主要研究方向為座艙顯示控制與人機工效技術、無人機系統技術。