飛機駕駛艙頂部板觸控技術工效學研究

張燕雯，張泉清

(上海航空電器有限公司 航空照明綜合技術重點實驗室，上海 201101)

1 引言

隨著信息化作戰的發展及駕駛艙智能交互技術的進步，集成化、智能化的顯示控制系統已成為未來駕駛艙的必然發展趨勢。觸摸屏操控技術作為自然直觀的交互手段之一，在手機、汽車等消費電子領域的應用已十分普遍，對于年輕飛行員而言，成長于觸摸屏消費時代，形成了觸控操作習慣，使用機械儀表可能會消耗更長的培訓時間[1]，不利于技能的學習和遷移。對于飛機設計而言，觸摸屏實現了輸出和輸入設備的集成和統一[1]，符合一體化設計的趨勢。近些年來其在現代飛機駕駛艙內的應用也得到了Thales、Honeywell等各大廠商的關注，目前業界已推出一些支持觸控的顯示器產品，并初步應用于飛機駕駛艙的顯示控制，如波音777 X、灣流G500、F35等飛機主控界面均已成功應用觸控技術[2]。然而，觸控交互存在控制精度不足、振動不利影響、操縱無法脫離注視、可能誤觸、缺乏觸動覺反饋等缺陷[3]。飛機駕駛艙頂部板通常位于飛行員前上方非中央視野范圍，飛行員操作時前臂屈曲一定的角度，雖然觸控技術的應用可能導致飛行員肌肉疲勞[4]，但從節省駕駛艙空間資源、減輕飛機重量、降低運營成本、利于技術更新的角度考慮[5]，仍存在必要的改裝需求。而國內針對飛機駕駛艙觸摸操控技術的應用仍處于發展階段，鑒于適航條款在技術安全方面的限制和約束，觸屏控制技術在國內缺乏適航取證的經驗[6]，目前主要關注適航審定和評估體系研究[7-8]，而國內在駕駛艙觸控產品的工效研究數據成果較少。本文對頂部板觸控交互是否滿足人機工效要求進行實證研究，旨在為飛機駕駛艙新型交互設計提供技術參考依據。

2 研究方法

2.1 被試

本實驗于上海航空電器有限公司實驗室完成，共招募20名被試自愿參加實驗，年齡均在25歲以上，矯正視力1.0以上，無色盲色弱，手臂和手指肌肉功能正常。

2.2 實驗環境

本實驗采用可進行觸控交互的控制板樣件和包含扳動開關、旋鈕、按鈕的實體控制板樣件。通過支架調節至和飛機頂部板一致的位置角度。保持被試坐姿眼位高度877 mm[9]，室內溫度控制在25°C。濕度控制在40%～60%。

2.3 實驗設計

本實驗共有兩個自變量，即控制方式和控制類型。控制方式包括觸控和實體開關兩種水平。控制類型選取了電源、發動機、外部照明和環控四種典型任務模塊，從電源、發動機、外部照明和環控模塊中各選取常規操作任務，開關類型包含扳動類、旋鈕類、按鈕類。實驗采用2×4被試內設計，一部分被試實驗順序為先觸控后實體開關，另一部分被試實驗順序為先實體開關后觸控。

實驗因變量有任務操作績效、任務操作工作負荷和操作品質。任務操作績效通過主試記錄操作任務正確率和任務完成時間；任務操作工作負荷采用NASA-TLX負荷量表進行主觀評分，內容包括腦力需求、體力需求、時間需求、績效滿意度、努力程度和挫折程度；操作品質采用7點評分量表進行主觀評分，內容包括可達性、易辨性、易用性、舒適性和防誤性。

2.4 實驗任務

主試參照駕駛艙設計眼位，確定被試固定眼位；主試使用視力表、色盲測試圖被試視力、有無色盲，詢問被試是否有肌無力等癥狀，記錄在被試信息記錄表中。被試入坐，依據坐高調節座椅高度，使眼睛到達主試確定的固定眼位位置；主試向被試介紹實驗內容。

被試開始任務學習和操作練習，每個控制方式上進行各種任務類型操作，重復操作5次；被試在第一種控制方式上準備進行第一項任務操作；主試給予任務指令，開始計時，被試進行任務操作，結束時主試停止計時，并確認任務操作是否正確，將結果記錄在實驗記錄表中，被試完成操作品質7點評分量表；完成一項任務后休息1分鐘，依據表1中的任務編號順序進行下一項任務操作，直到所有任務類型都重復操作2次，操作品質7點評分量表僅需在第一次操作后完成1次；完成一種控制方式的任務操作后，被試完成NASA-TLX負荷量表第一部分，休息5 min進行下一種控制方式的任務操作，至到完成所有控制方式操作。被試完成NASA-TLX負荷量表第二部分，實驗結束，見表1。

表1 操控任務

3 結果

本實驗不同控制方式之間操作正確率均達到100%，本實驗的結果表明觸控方式在正確率上可達到使用要求，但也可能是實驗任務難度較小并且被試經過了任務學習和操控學習對任務熟悉后的結果。但重復性方差檢驗結果表明，不同控制方式之間的任務完成時間呈顯著性差異(F=203.603,P<0.01)。估算邊際均值結果顯示實體開關的任務完成時間顯著低于觸控任務完成時間(F=203.603，P<0.01)。

采用重復性方差檢驗，各主觀評價維度的不同控制方式之間均呈著性差異，結果如表2所示。

表2 主觀評估主體間效應檢驗結果

估算邊際均值結果顯示實體開關的主觀操作品質各維度得分均顯著優于觸控操作(P<0.01)，在控制類型上并未出現交互效應。不同控制方式和控制類型任務主觀評估的描述性統計結果如表3所示。

表3 主觀評估的描述性統計結果

對于觸控的操作可達性評分在電源、發動機兩種控制指令類型上均值>5分，可認為被試易到達。但在環控指令上觸控方式的可達性、易用性、舒適性評分均值<3分，可能和該控件在界面上的布局位置相關。防誤性條目分值越大代表越容易誤操作，四種控制類型的觸控方式防誤性評分均值<4分，即認為觸控方式的防誤性可接受。

表4表明，實體鍵和觸控兩種控制方式NASA-TLX量表總分沒有顯著差異(t=-2.028,P=0.058)。但各分項得分差異檢驗顯示，兩者在體力需求、時間需求和努力程度三個維度上沒有顯著性差異，但實體鍵的腦力需求顯著低于觸控(t=-3.000,P=0.008)，挫折程度顯著低于觸控(t=-4.604,P=0.000)，績效滿意顯著高于觸控(t=5.244,P=0.000)。被試在頂部板觸控操作過程中腦力需求更高，挫折程度更高，績效滿意更低。

表4 實體控制-觸控成對差異檢驗

4 討論

本研究對比測試了飛機頂部板采用觸控和實體按鍵兩種交互方式完成電源、發動機、外部照明和環控模塊的控制指令時的任務績效、操作品質及任務負荷。結果表明兩種控制方式任務正確率沒有顯著差異，一方面可能是任務設計的難度并不是很大，被試的任務負荷沒有超載，另外一方面可能是本實驗是在無振動的條件下進行的，對觸控的正確率沒有造成干擾。但是實體控制方式在任務完成時間低于觸控方式。可能是因為頂部板處于非中央視野內，實體開關具有不同的形狀特征更適于盲操，而觸控屏幕需要視覺辨認任務信息增加了額外的注視時間，這一結果于前人研究的結果一致[10]。

被試對實體方式的操作品質評價在可達性、易用性、舒適性、易辨性、防誤性維度上均優于觸控方式。可能是由于觸控控件的形狀單一且在屏幕上是二維的，而實體開關是三維，設計形狀特征各異，觸覺差異使易辨性和防誤性更好，且有較為明顯的觸覺反饋，被試對于可達性、易用性、舒適性的主觀感知更為強烈。該結果與前人認為觸控可能存在反饋延遲使對可用性產生負面影響的研究觀點也較為一致[11]。

兩種方式的任務負荷沒有表現明顯的差異，但被試對實體的挫折程度評價顯著低于觸控方式，績效滿意程度高于觸控方式。可能是由于頂部板一般布局于飛行員前上方，并不位于中央視野范圍內，觸控方式缺少明顯的視覺提示和反饋機制，與前人綜述研究的觀點較為一致[12]。觸覺和視覺認知機制分離，被試需付出更多的負荷資源用于視覺信息認知。且觸控任務完成是否正確無即時有效的響應反饋，對自己任務表現結果的不確定性可能降低了被試的自信水平，挫折感增強，績效自我評價降低。

5 小結

本研究對飛機駕駛艙觸控技術的應用工效進行了初步探討，對于頂部板而言，由于其布局位置并不處于最佳中央視野內，采用單一觸控屏替代實體開關并沒有發揮觸控交互的優勢，但觸控屏智能化程度高、占空間小、設備簡潔、界面集成化，是未來飛機智能駕駛艙設計技術趨勢所向，而頂部板上操控任務對應的指令一般使用頻率不高，本實驗的數據結果也驗證了觸控交互應用時須考慮布局位置的影響，因此后續頂部板產品可參考汽車領域，采用多通道交互方式冗余設計，如加入語音、手勢等新型機載交互方式，彌補頂部板觸控交互可能存在手眼分離、抬臂操作疲勞的缺點。