基于AHP的小型飛機座艙界面信息元素設計研究

任宏，劉玉雪，鄒媛媛，張寧寧

基于AHP的小型飛機座艙界面信息元素設計研究

任宏，劉玉雪，鄒媛媛，張寧寧

（沈陽航空航天大學，沈陽 110136）

從飛行員飛行過程的實際出發，探索飛行員對小型飛機座艙界面中各信息元素的辨識度。引用層次分析法（AHP），對現有小型飛機座艙界面中的信息編碼進行分析對比。首先參照C172座艙界面，提取小型飛機座艙界面中的文字字體、標記形式、符號形狀，字符色彩等4類元素，全面系統地對信息進行歸納分析；其次基于AHP，建立小型飛機座艙界面信息元素辨識度評價體系，對不同元素表現形式的易辨識度進行分析排序。飛行員對不同表現形式的信息元素辨識度存在差異。Trebuehet MS的文字字體、縮寫的標記形式、三角形的符號形狀辨識度較高，可應用于小型飛機座艙界面優化設計中。黃色/黑色、綠色/黑色作為目標信息與背景的色彩搭配辨識度最高，純藍色則不適合作為目標信息色彩編碼。

小型飛機；駕駛艙；信息元素；層次分析法；界面設計

近幾年，我國民用航空工業中的通用航空領域不斷擴容，小型飛機的飛行總量每年約以10%[1]的規模穩步增長。飛行員在駕駛小型飛機時的人機交互行為主要集中于飛機座艙界面，座艙界面是人機信息交流的載體，在信息傳遞過程中扮演著重要的角色。飛行員主要通過視覺、聽覺和觸覺等感覺器官來獲取信息，其中視覺信息占據了80%以上[2]，視覺信息絕大多數來自飛機座艙界面，通過對其簡潔高效的設計，不僅充分發揮了飛機的性能，也能夠確保飛行的安全。

由于飛機的自動化程度和信息集成化程度逐步提高，操作系統也更加錯綜復雜。在飛行過程中，飛行員主要通過飛機座艙界面來獲取當前的飛行狀況，并對海量的數據進行快速的分析和判斷，大幅增加了飛行員的認知負荷[3]，從而對飛行安全帶來潛在隱患。小型飛機座艙內部空間有限，無論對行為空間還是顯示布局均需要統籌設計，取舍權重信息，才能在局促的顯控界面上完整合理地顯示各種飛行信息，這就給小型飛機座艙界面設計帶來了新的挑戰。文中利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），提取小型飛機座艙界面中的文字字體、標記形式、符號形狀，字符色彩等4類元素，全面系統地對信息進行歸納總結，研究不同信息元素表現形式帶給飛行員的感知，為小型飛機座艙界面設計提供理論依據。

1 飛機座艙界面設計準則

1.1 界面信息可視性原則

小型飛機座艙界面不僅是飛行員接收飛行信息的載體，同時也是飛行員與飛機交互控制的平臺。在復雜的飛機座艙界面中，運用信息設計方法將大量且繁雜的飛行數據進行重組，同時結合字符編碼、圖符編碼等多種編碼技術，使信息顯示更加合理、有序。其中，可視性原則是信息設計的基礎，在傳統意義上指的是視覺通達性[4]。在小型飛機座艙界面設計中，要充分考慮光照、振動、噪聲等環境因素的影響，同時也要保證飛行員對其進行快速識別。

1.2 小型飛機座艙界面信息元素設計準則

根據飛機座艙界面信息設計的相關準則，如咨詢通告（Advisory Circular，AC25–11A）等相關局方資料顯示，小型飛機座艙界面顯示的信息內容主要由飛行數據和參數，以及具有提示意義的標記組成，而表征這些信息的設計元素有文字、符號，以及文字和符號的組合。各種元素在形態、大小、顏色等方面都有各自的特點和表現形式，色彩是人們識別和搜索信息的關鍵因素[5]。由于小型飛機座艙內儀表板及顯示器尺寸受到空間的限制，依靠增大信息元素尺寸來提高識別度是很困難的。為了提升飛行員的識別效率，除了要對信息的密度和強度進行控制之外，還應重點關注信息元素的表現形式。在信息元素的表現形式上，應適當增加元素之間的差異和對比度，以增強信息的識別度，并確保界面的和諧與一致。如果信息元素太過突出，反而會對視覺搜索造成影響[6]。

2 小型飛機座艙界面信息元素提取及研究對象

2.1 小型飛機座艙界面信息元素提取

2.1.1 文字字體

屏幕顯示所用的字母和數字必須具有適當的大小、高寬比、字距、筆畫寬度等，保證飛行員在正常的視距與視野范圍內快速捕捉與識別。除此之外，不同的字體、字形、字重也會對信息傳遞效率產生影響，從而影響整體的視覺體驗。例如，選擇更容易產生細微水平結構的字體，會對西文字母產生一種視覺圖形化組合的水平閱讀引導，使飛行員順滑且連續地識別組合信息。座艙顯示界面的字體選擇應充分考慮顯示技術水平與承載環境，與等線字體相比，常規的襯線字體會在低分辨率下發生形變，導致信息識別度降低。在有限的屏幕空間中，字體成為影響文字信息識別的關鍵因素，并直接影響飛行信息接收的質量。故選擇4種具有代表性的英文字體，即：Verdana、Tahoma、Trebuchet MS和Georgia。這4種英文字體是屏顯專用字體中的佼佼者，為微軟的核心內置字體，應用廣泛，綜合評價較高[7]。其中，Verdana、Tahoma、Georgia由世界級字型設計大師馬修·卡特專門為微軟設計，是英文Windows操作系統的默認字體。Trebuchet Ms是一款人性化的無襯線字體，它是1996年文森·寇奈爾專門為微軟公司設計的，被廣泛應用于網頁與屏幕顯示。對文本字體進行評價時，要保證字體大小、字符色彩、間距等基本屬性一致，減少無關變量的影響。

2.1.2 標記形式

在飛機座艙界面中，標記是一種特殊的符號，它代表功能信息的具體含義或控制件的功能，對小型飛機駕駛員長時記憶的覺醒起提示作用。通過對不同區域的數字、符號或文字信息進行標記，可以幫助飛行員更容易地理解信息的含義以及控制件的信息反饋。圖符、專業術語縮略語作為標記的主要表現形式，在設計和選擇中應簡潔有力且辨識度高，對應不同顯示與控制內容的標記應存在明顯的區別。小型飛機座艙界面中存在多種標記形式，例如，完整標語形式、縮寫形式、圖標形式、圖標與縮寫形式等，文中選取使用頻率最高的4種標記形式作為評價對象。

2.1.3 符號形狀

由于符號具有很強的特性，所以在信息界面上頻繁地出現，它可以通過更直觀的方式來增強信息的識別效率，從而幫助用戶獲得數據以及數據之間隱含的關系[8]。符號可以進一步分為圖標、象征符號和指示符號。指示符號是一種用來指明抽象事物并建立事物之間聯系的符號，在飛機座艙界面中用來指示信息，并表示信息實時的變化趨勢。皮爾斯指出，指示符號可以指向具體的信息或者指代特定的物體，該信息或物體與指示符號之間有一定的動力聯系，或者與用戶的感知和記憶有關，從而引起用戶的注意[9]。由于各方標準中對指示符號的使用沒有明確規定[10]，文中將對符號形狀（包括：上箭頭、五邊形箭頭、指北箭頭、三角形）做進一步研究。

2.1.4 字符色彩

色彩對信息認知效果有著巨大的影響，色彩的不同搭配會導致信息識別效率的不同，好的色彩搭配增加了相關信息的突顯程度，并降低了無關信息的干擾。色彩在視覺信息設計中承擔增加誘導性和注目性的重任，好的色彩編碼對信息界面的內涵情感與功能識別均高于其他信息要素的影響力。從這個角度來看，色彩可以決定信息傳遞的效率，而對色彩進行科學的選擇和搭配，則會改善人機交互的體驗。

根據飛機座艙界面的色彩編碼準則，界面中的色彩信息應該符合下列原則：色彩數量不超過6種，過多的色彩選擇會干擾飛行員的判斷，出現識別困難和操作失誤；色彩編碼應該符合適航標準，可選取紅色作為告警色，采用除綠色和紅色外的顏色作為咨詢告警色[11]；禁止使用強烈的對比色進行色彩搭配，如綠色和深紅色、紅色和深藍色、黃色和紫色等；注意背景色與目標色的選擇，不要選擇模糊的配色組合，比如黑色和藍色；背景的色彩與肌理只能起到承載目標色的作用，不能壓制目標及其相關元素；整個駕駛艙色彩應協調統一，不要出現對比度過高或過低的現象，不要有聯想的歧義，應遵循整體信息管理體系的設計要求，比如藍色和褐色，分別代表天空和大地。

小型飛機座艙中僅對部分信息色彩進行了規定，例如天空、大地等環境色，特定的告警功能顏色，以及特定的校準線、參考符號等顯示特征顏色。對目標字符與背景的色彩搭配，目前還沒有一個清晰的定義[12]，因此文中針對目標字符與背景的色彩搭配進行辨識度評判。為了保證評價的準確性，保持目標字符純度值為99%、明度值為66%，僅通過調整色相值來設置實驗材料。此研究將對以下6種作為目標信息與背景的色彩搭配進行研究：黃色/黑色、綠色/黑色、綠色/棕色、黃色/棕色、藍色/棕色、藍色/黑色。

2.2 研究對象

選擇16名對傳統機械式儀表較為熟悉的飛行專業本科生（均為男性，年齡在20～24歲），他們都具備模擬飛行經驗且了解小型飛機座艙界面信息，視力或矯正視力良好，無色盲、色弱、散光等眼部疾病，心理健康，能夠理解并配合完成此次實驗任務。

3 AHP及其分析過程

3.1 層次分析法

層次分析法是美國Saaty教授首次提出的一種研究方法[13]，該方法融合定性與定量研究的優勢，將復雜信息要素分解為多重信息層級，有序排列，以其獨有方式評價所有影響因子的權重。目前AHP被應用于多種領域中，特別是城市規劃、軍事戰略決策、科研評價及項目管理信息的分類和篩選，并且已經在A380和B–787型寬體飛機的信息重組中得到了應用。

3.2 構建元素辨識度評價體系

由于小型飛機座艙界面信息元素量大且繁雜，因此可通過層次分析法構建元素辨識度評價體系，以確定各信息元素的表現形式及屬性。將小型飛機座艙界面視為一個整體，以界面信息元素為評價主體，以文字字體、標記形式、符號形狀、字符色彩4種信息元素為評價類別，結合這些元素的特征和形式，構建元素辨識度評價體系，見圖1。

圖1 元素辨識度評價體系

3.3 確定判斷矩陣

在建立元素辨識度評價體系時，要了解每個指標在目標決策中所占的比重，才能實現決策的目的。在AHP中，Saaty教授提出了一種基于一致性矩陣的方法，它不需要將各個因子進行比較，而使用相對比較的方法，進行2個元素之間的對比。針對某種元素的特征和形式，將其下的各個設計元素進行兩兩比較，按照它們的重要程度，構建出如式（1）的判斷矩陣，然后由該式（1）計算各個元素的權重。

(1)

表1 元素辨識度標度

Tab.1 Element importance scale table

根據辨識度量化值指標含義說明，被試者通過對同一評價類別中的各種元素的表現形式進行兩兩比較打分，并對得出的分數計算其算數平均值，得到的數據可以作為辨識參數。

3.4 層次單排序及一致性檢驗

3.4.1 層次單排序

層級單排序是指在該層的各個元素的重要程度排序，主要針對上一層某因素而言的。根據1—9標度法中的判斷矩陣，其中各層次元素的權重值可使用式（2）計算：

(2)

(3)

(4)

(5)

3.4.2 一致性檢驗

在計算權重的過程中，存在多種主觀及客觀因素，因此需要對判斷矩陣使用一致性檢驗方法，以驗證結果的合理準確。

(6)

常規一致性指標定義：

(7)

表2“1—9”階判斷矩陣平均隨機一致性指標標準值

Tab.2 "1-9" order judgment matrix average stochastic consistency indicator standard value

4 數據分析

4.1 文字字體辨識度

通過對文字字體中的各種元素的表現形式進行兩兩比較打分，對得出的分數計算其算數平均值，得出判斷矩陣：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

4.2 標記形式、指示符號和字符色彩辨識度

按照文字字體評價的步驟與方法，繼續完成對標記形式、符號形狀和字符色彩等其他3種信息元素的辨識度評價矩陣計算，推導出對應的特征向量，并對各信息元素的辨識度權重向量進行排序，信息元素辨識度評價結果見表3。

表3 信息元素辨識度評價結果

Tab.3 Standard value of mean random consistency index

5 評價結果分析

通過構建小型飛機座艙界面信息元素層次結構模型，并對數據進行計算和分析，比較各元素的辨識度權重向量。在4種常用于屏顯的文字字體中，在保證字符大小、筆畫寬度、字母間距、字體色彩、環境影響等相關變量一致的情況下，Trebuchet MS字體（2.230）的辨識度最高，其次為Georgia字體（1.301），而Verdana（0.274）、Tahoma（0.440）這2種字體的辨識度相對較低，文字字體的辨識度權重向量見圖2。Trebuchet MS字體雖然是無襯線字體，但是這款字體在一些字母的筆畫上有細微的裝飾線條，保持了隱約的手寫字體特征。這在字形上既體現了美學特征，又通過較小的字母寬度和較寬大的字懷提高了識別效率，降低了認知負荷，因此在小型飛機座艙界面設計中可考慮應用辨識度最高的Trebuchet MS字體。

對標記的表現形式，辨識度最高的為縮寫形式（2.089），標記形式的辨識度權重向量見圖3。這與飛行員訓練習得的認知素養相關，在有限的顯示區域中，縮寫是最集約有效表達功能信息的形式，且具有國際統一標準，縮短了飛行員對新規范的學習時間，符合飛行員的認知規律。因此在小型飛機座艙界面設計中應用縮寫作為標記形式更加合理。

圖2 文字字體的辨識度權重向量

圖3 標記形式的辨識度權重向量

在這些符號形狀中，被試者選取了最易于辨認的三角形（2.277），其次是向上的箭頭（0.947），見圖4。這與人的認知規律有關，常見的抽象指示符號更容易理解辨識，這4種符號中，三角形與上箭頭在生活中更為常見，因此辨識度相對更高，獲取的關注度更高，有利于信息的傳遞。可以把這2種符號形狀用于指針設計或指示信息變化趨勢，并將它們應用于小型飛機的駕駛艙界面。

圖4 符號形狀的辨識度權重向量

在目標字符與背景的色彩搭配上，被試者對色彩的辨識度存在明顯的差別。見圖5，從高到低分別是：黃色/黑色（2.343）、綠色/黑色（1.072）、綠色/棕色（1.071）、黃色/棕色（0.787）、藍色/棕色（0.593）、藍色/黑色（0.312）。在目標字符與背景色彩差異很大的情況下，能夠突出該信息的特征。實驗表明，以黃色、綠色為目標字符，在黑色、褐色的背景下的辨識度最高，而純藍色不適用于目標字符的顏色。因此應選擇目標字符顏色與背景顏色形成明確對比的黃色/黑色、綠色/黑色應用在小型飛機座艙界面設計中，可以增強飛行員的辨識度，降低飛行員在飛行過程中的認知負荷。

圖5 字符色彩的辨識度權重向量

6 結語

以C172座艙界面為研究載體，從小型飛機座艙界面的信息元素編碼出發，提取小型飛機座艙界面中的文字字體、標記形式、符號形狀，字符色彩4類元素，構建元素辨識度評價體系，利用層次分析法對這4類元素進行分析排序。得出辨識度最高評價結果為：Trebuchet MS的文字字體、縮寫形式的標記形式、三角形的符號形狀，以及黃色/黑色、綠色/黑色作為目標信息與背景的字符色彩搭配。這些元素的表現形式及屬性可作為小型飛機座艙界面信息元素編碼的主要選擇。該結論可以有效地為小型飛機座艙界面信息優化設計奠定基礎，起到降低飛行員的認知負荷、提高信息識別效率的作用。

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Information Element Design of Cabin of Small Aircraft Based on AHP

REN Hong, LIU Yu-xue, ZOU Yuan-yuan, ZHANG Ning-ning

(Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

The paper aims to explore the pilots' identification of information elements in cockpit interface of small aircraft based on the actual flight process. AHP is used to analyze and compare the information coding in the cockpit interface of small aircraft. Firstly, referring to the cockpit interface of C172, four elements of text font, marking form, symbol shape and character color are extracted from the cockpit interface of small aircraft, and the information is comprehensively and systematically summarized and analyzed. Secondly, based on AHP, the identification evaluation system of small aircraft cockpit interface information elements is established, and the identification degree of different elements forms is analyzed and ranked. There are differences in pilots' identification of information elements in different forms. The Trebuehet MS has high recognition of the text font, the marking form of the abbreviation form and the symbol shape of the triangle, which can be applied to the optimization design of the cabin interface of small aircraft. Yellow/black and green/black are the colors with the highest recognition for the target information and background, while pure blue is not suitable for the color coding of the target information.

small aircraft; cockpit; information element; analytic hierarchy process (AHP); interface design

TB472

A

1001-3563(2022)10-0232-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.10.028

2022-01-08

教育部人文社科基金（20YJCZH227）

任宏（1967—），女，碩士，教授，主要研究方向為人機工程與交互設計。

張寧寧（1982—），女，博士，副教授，主要研究方向為設計的量化分析。

責任編輯：陳作