基于情境意識的直升機模擬器顯示界面設計研究

（燕山大學 066004）

隨著國民建設的全面發展，航空裝備正面臨由傳統機械化設施向智能信息化系統全面升級的現狀。對于駕駛艙操作系統，這樣的技術升級意味著使用功能數量的增加，還代表承載信息量的加大。因此，難度加劇的駕駛艙顯示界面在加重飛行員對于信息認知處理成本的同時，還容易誘發操作決策失誤進而造成航空事故。

情境意識作為對飛行員快速認知所在環境并預測后續反應水平的研究，在航空駕駛這一復雜動態場景，通過內在機制研究“人”對信息的注意資源分配以及事件狀況的判斷及決策，其理論目前已成為航空心理學的熱門領域。飛行任務主要依靠顯示界面完成指令接收與操作反饋，顯示界面作為駕駛艙內重要信息系統，承載了監視、控制、輸出等核心操作功能，由于常有多任務并行出現的飛行狀態，所以顯示界面工效提升的核心問題是減少信息認知負擔的以及符合感覺通道操作特性。目前，情境意識用于直升機模擬器顯示界面優化設計研究較少，缺乏將認知內部思維特點映射至產品優化設計的相關過程，

一、情境意識相關理論概述

1.情境意識

情境意識（Situation Awareness，簡稱SA）的概念最早出現在航空心理學領域，形容作戰環境中飛行員對操縱控制的理解。目前，引用最廣泛的概念是Endsley提出的，她認為情境意識以人對環境的認知和思維為中心，代表了人在復雜動態環境下對信息的理解及事件狀況的預測水平。高水平的情境意識可以盡快理解發生變化的環境信息中駕駛任務特征，幫助注意力資源進行合理分配，減少腦力負荷過重引發的緊張及分心情況，對后續狀態進行正確判斷和決策。

2.情境意識模型及應用

根據研究取向的差異，情境意識出現過多個理論模型。Endsley使用信息加工模型闡述信息加工機制中短時記憶、圖式以及注意等概念與情境意識的關系。在信息處理這方面，情境意識擁有三層次理論模型：感知環境要素（SA1）-理解當前情境（SA2）-預測未來狀態（SA3）。這三個層次水平依次升高，在高水平情境意識與低水平之間呈必要但不充分關系。根據信息加工模型的描述（見圖1），獲取并解析當前環境信息是形成情境意識的關鍵因素，這一過程受到注意資源與工作記憶的制約，相反，制約因素又被操作者的目標指向和心理模型所克服。由此可見，只有順利地理解圍繞核心飛行任務目標的環境信息，才能促成飛行員對于未來狀態的正確決策。據研究顯示，人為因素造成的航空事故已占到航空事故總數的80%，而51.6%的重大事故和35.1%的非重大事故皆歸因于情境意識錯誤導致的后續判斷失誤。同時，事故中飛行員的不安全動作多發生于環境發生變化的應急狀態并伴隨注意力不集中的認知狀態。情境意識理論和系統模型的出現，可以幫助研究者更科學地分析飛行事故形成原因。形成人在狀單一“操作”狀態變化到“監視、決策與控制”全流程關注的安全保障。

從理論與模型特性可發現，情境意識的核心思想就是分析復雜任務中操作者的認知變化，進而為產品信息通道呈現方式提供優化設計依據，減少注意力資源對核心任務的流失、避免情境意識丟失、提升任務安全與實現效率。

圖1 情境意識信息加工模型（引自Endsley，1995）

3.飛行駕駛環境中情境意識與腦力負荷

由于駕駛艙多樣的飛行操縱控制水平和控制方式要求，駕駛員承擔了飛行操縱者和狀態監控者復合身份，且要保持對系統任務持續且密集地學習輸出。這樣復雜信息密集環境中，個體的注意資源分配、情境意識水平、腦力負荷間有著緊密又復雜的關系。注意是形成情境意識的基礎，在信息被視覺通道掃入后，此時操作者使用認知完成著對注意資源的分配策略。所以，對注意力分配水平的優劣，即“分心”狀態的輕重程度，是飛行操作者情境意識水平高低判斷的主要依據之一。腦力負荷水平則決定了注意力分配的效率和方式，研究表明，隨駕駛任務累積增加導致腦力負荷水平逐漸增高時，以及過于放松腦力負荷極低時，注意力分配策略下均表現出更差的情境意識水平。

這些情境意識機制可拓展至顯示界面設計中，通過設置更明確的功能分區以及分度較大的信息優先級人機界面，控制飛行員分配注意資源的關鍵信息數量，實現最佳績效水平。

二、直升機顯示界面的情境意識分析

1.顯示界面的情境意識三層次模型

直升機顯示界面承擔了飛行任務的操作輸出，在執行任務的過程中，快速理解變化中的狀態特征以及對新狀況實現認知中新的注意資源分配策略，可以幫助飛行員做出正確的判斷。

駕駛環境中，飛行員依靠顯示界面完成引導信息和飛行指令的人機交互。情境意識開始于感知環境要素這一層次（SA1），也是對環境中信息的初始收集。信息感知主要通過視覺通道方式完成，一種是目標驅動，使用自上而下的認知加工模式；另一種是信息驅動，圍繞任務目標展開，也是飛行員構建自我情境意識的核心，服務于任務目的進行信息搜尋，屬于自下而上的認知加工模式。比如，飛行員接到飛行高度調整的命令，經過大腦處理后，引發后續飛行員的操縱變化。這兩種認知模式的合理交替，有利于飛行員高水平情境意識的促成。其次，就是理解當前情境的第二層次情境意識（SA2），這一層次主要體現在飛行員感知信息后的內在加工處理，此層次的目標是更全面透徹的理解信息代表的意義，對變化狀態產生相應的認識及評估。在深入理解的過程中，這通常會喚起認知中的圖式釋放記憶與經驗形成知識基礎，結合現有狀況塑造情境意識二層次狀態。其次，從駕駛操作角度看，飛行員同樣依賴于顯示界面的儀表元件呈現的多類型密切相關信息（速度、高度、設備運行、氣壓等），用于理解評估。因此，除自我認知以外，可以干預顯示界面的信息排列與呈現方式，搭配系統化與數字可視化方式助力飛行員閱讀效率與理解速度，使情境意識維持在較高水平。情境意識的第三層次則是預測未來狀態，高層次的情境意識的精密度一方面基于低層次情境意識形成的認知基礎，一方面與用戶經驗積累以及個人能力相關。飛行環境中做出的任何決策即使稍有不慎，都可能引發航空事故。所以，顯示界面應增加關于預測內容的可視化描述，幫助飛行員決策的準確度。

2.顯示界面設計現存問題

顯示界面處在具有振動及光電綜合儀表系統這樣的復雜空間中，是信息的提供渠道，也是行動的作用目標。目前國內在航空設備視景資源與顯示界面的綜合化與高效化策略部分處于模仿和跟蹤的階段。本文選取某型直升機飛行模擬器（圖2）作為研究載體，以其駕駛艙內的人機界面作為研究對象。通過現場調研的方式，直觀發現其有以下幾方面設計缺點：

（1）使用時的閱讀角度、離地高度與座位間距不符合標準化，難以滿足操作可達性；

（2）光電顯示器單元呈碎片式、模糊化排布，未見清晰的系統化顯示編碼設計；

（3）人機界面色彩設計單薄，未見符合視覺特性的防干擾色彩設計；

（4）視景系統的外殼與座椅處連接部分缺乏設計感，且裸露處增加了外界光照、溫濕影響和安全多重風險。

圖2 某型直升機飛行模擬器駕駛艙人機界面樣機

3.直升機模擬器顯示界面交互分析

從現有的駕駛艙人機界面的設計缺陷分析可知，顯示與固定器件的功能位置設計、編碼設計僅羅列展示并未從貼近使用對象的系統化視角出發。在操作交互要素特征的基礎上（表1），從直升機飛行訓練環境和駕駛操作者的雙重需求考慮優化方向。

表1 某型直升機飛行模擬器駕駛艙人機界面交互要素提取

人機界面在信息排布方式上需具有高效化，這包括操作觸達、顯示容量兩方面，顯示界面的展示按照功能重要層級優先原則，在直視范圍內縮短觸達的物理距離，排布必須必要功能。有限的核心視野范圍，功能進行架構歸類，把具有相同屬性的功能的按鈕形式以組合式連接式排布，降低處理信息總量的同時也可以節省腦力負荷；在顯示字符的編碼上要滿足防干擾易讀、差異性，無法避免光照強度波動和光線反射對視覺判斷的影響，字符的編碼需在顏色、形狀和文字說明上做出有益于快速識別的特征。顯示編碼的差異性要體現在不同功能類型與不同狀態下的人機界面的表現形態差別。同樣，人機界面在觸覺通道也要關注控制精度與反饋，人機界面皆由駕駛者手指接觸操控，這說明目標按鈕與信息光電界面不可過小，混合排列時距離不宜過近。可以使用多通道手段對重點功能的觸覺操作進行反饋提醒，減少外在負荷。

三、設計實踐

1.基于飛行需求的顯示界面設計過程

利用人機工程學的上肢可達參數對人機界面的位置進行物理空間的調整，使駕駛者與操作界面的直線距離滿足大部分駕駛者飛行舒適性要求（圖3）。其次，針對顯示界面進行編碼工效設計，從易用性角度出發，以工業設計的手段對相似功能進行分區規劃，提高信息的辨識效率。

2.直升機顯示界面優化方案

圖3 優化后的顯示界面設計及駕駛環境人機工程關系圖

此設計方案將開關和光電設備進行功能重新重要度排序，并利用可視化方式呈現狀態信息，促進認知注意資源的合理分配及腦力負荷的降低，滿足高水平情境意識狀態下的駕駛需求。

四、結語

目前，國內通過內在認知機制研究航空環境操作與顯示界面彼此關系的研究較少。本文經過對顯示界面的情境意識三層次歸納以及操作過程的交互核心要素分析，以及駕駛任務與飛行員的需求的設計結合，對顯示界面進行了功能按優先級劃分、顯示元件重新編碼的設計改造。這里的研究對此類航空人機界面設計研發具有一定參考價值，為提升飛行駕駛體驗做出貢獻。