飞行员视觉信息流强度模拟及适人性分析

张慧姝 庄达民

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

马 丁 孙 建

(北京联合大学工程艺术系，北京 100023)

飞行员视觉信息流强度模拟及适人性分析

张慧姝 庄达民

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

马 丁 孙 建

(北京联合大学工程艺术系，北京 100023)

为了合理地确定飞行员在执行飞行任务时的视觉信息流强度，开发了飞机座舱显示界面仿真模型，以被试的正确反应率和反应时间来评价作业绩效.通过实验和数据分析得到以下结果:所建立的视觉信息流模型中视觉信息流强度曲线符合正态分布.不同的视觉信息量完成任务差异显著，信息量增加到一定程度时辨识变慢，出现错误的几率升高;在相同视觉信息量情况下，夜晚与白天、动态与静态执行任务辨识和绩效差异显著，白天要比夜晚、静态要比动态辨识效率和绩效更好.

动态模拟;显示界面;编码设计;视觉信息流;辨识性和绩效

视觉显示是飞机向飞行员传递信息的主要形式.随着科技的发展，人机系统的复杂程度越来越高，对视觉显示的设计要求越来越高.这是因为飞行员通过座舱显示系统接收到的飞行信息大量地增加，如 F-18座舱内，1个 HUD(Head-Up Display)，3个 MFD(Multi-Function Display)上共计有62幅显示画面，675个缩写符号，其中177个符号有4种不同大小，总信息量达1 000多个，导致飞行员脑力负荷加重，心理疲劳增多［1－2］.如何通过视觉快速地获取、正确地选取这些信息，做出合理的决策，使飞行员准确有效地操作，就需要对飞机座舱显示信息进行规划和整合，对飞机座舱显示界面进行良好的设计［3－4］.本文的目的是通过理论分析和实验来建立视觉信息流强度模型和评价不同信息量、不同时间执行飞行任务的辨识和绩效，为飞机座舱显示界面的工效学设计提供科学依据和评价方法.

1 实验设计

1.1 被 试

实验被试为22名(男12名，女10名)北京联合大学工业设计专业的本科学生，被试了解飞机座舱显示系统和控制系统的相关知识(在实验前学习60学时人机工程学课程，对飞机座舱显示系统和控制系统进行了充分调研，并掌握了相应的理论知识)，年龄在19～20岁之间，无色盲和色弱，矫正视力1.0以上.

1.2 实验设备及环境

实验设备包括惠普xw8600图形工作站8台;遥杆5个(油门杆、操纵杆、方向舵、升降舵和飞行动力系统)，能完成飞机的加速、减速、俯仰、偏航和滚转等基本控制;音响1个和飞行仿真系统1套.在动态模拟飞行座舱显示界面的仿真模型上开发相应的实验程序来开展被试实验并进行工效评价.飞行仿真系统显示在hp工作站19 in(1 in=2.54 cm)显示屏上，分辨率为1280×1024像素.人机信息交互采用遥杆、键盘和鼠标.被试和显示屏的距离为600mm.由于照明分布和光源对作业绩效会产生一定的影响，要求室内照明分布稳定，光源采用白光照射.实验从4月份持续到7月份，该期间为防止室内温度发生急剧变化而采用空调来控制环境温度.

1.3 实验任务

实验分动态和静态两种情况，动态意指被试在操纵飞机驾驶同时完成确认任务.静态意指被试无须操纵飞机飞行去完成确认任务.根据动态和静态及白天和夜晚等共设以下3种实验任务.

1)实验要求在模拟系统中设置任务场景，起飞机场为San Francisco国际机场，跑道为10Left跑道，季节为夏天，白天中午时间，天气晴朗，在该机场沿跑道起飞，飞行高度达到5 000 ft(1 524m)时进行平飞.舱内照度872 lx，无眩光.任务设定为:①在战术信息显示界面中分别完成确认敌机1个目标;②确认敌机和友机2个目标;③确认敌机、友机和僚机3个目标;④确认敌机、友机、僚机和不明飞机4个目标.如图1所示，为战术信息界面及目标呈现状况，本文完成各项任务同时需要监视飞机姿态(高度，空速，俯仰，滚转).把确认为1，2，3，4 个目标定义为视觉信息量 1，2，3，4个.在雷达范围外出现的目标无须进行反应，在雷达范围内出现的目标辨认其是友机或是敌机，是敌机的情况通过点击该目标来加以确认.

图1 简化后的战术信息界面

2)实验要求在模拟系统中设置任务场景，起飞机场为San Francisco国际机场，跑道为10Left跑道，季节为夏天，午夜时间，天气晴朗，在该机场沿跑道起飞，飞行高度达到5 000 ft时进行平飞，舱内照度3 lx，无眩光.任务设定同1)中的①～④.

3)飞机在白天地面上静态时完成任务同1)中的①～④.

1.4 战术显示界面设计

1.4.1 完成任务时的视觉信息加工过程

如图2所示，飞机显示界面信源通过视觉通道把来自于外部的战术情况和飞机的航姿情况等信息，经过大脑加工，做出判断和决策并向效应器手和脚对飞机进行操作，改变飞机的运动状态和攻击状况.这种过程不断地循环，直至达到人机系统的预定目的:完成战术任务.在显示界面设计中要充分考虑视觉信息加工过程，并进行评估.

图2 飞行员完成任务时的视觉信息加工过程

1.4.2 飞行员的视觉行为过程

图3 飞行员视觉行为过程

总的来说该过程分为做某事和检查所做的事的结果这两个阶段.所以在设计时要考虑如图3所示行为目标、行为、行为对象和行为结果4个方面的问题.如飞行员视觉行为过程，首先确立了作战任务的目标，按照作战任务在飞机座舱显示界面上进行视觉行为，经过大脑处理再进行操作，座舱界面又通过视觉将行为结果反馈给人［5］.

1.4.3 目标图符设计

图符设计包括图的形状、颜色和大小.根据视觉信息加工过程和飞行员的视觉行为过程特点，设计信息的信道尽量越少越好，以减轻脑力负荷，采用色彩、形状和界面信息几个信道.由于容易吸引视觉注意的视觉特征有大的、亮的、彩色的和变化的(或者闪动的)，本次目标图符设计采用明度高的彩色吸引视觉注意.图形标志的设计原则参照文献［6］，优先采用对称图形和实心图形，长宽尽量接近，醒目清晰等.目标的形状和颜色也是影响辨认效率的因素.其形状的优劣次序为:三角形、圆形、梯形、方形、长方形、椭圆形、十字形.当干扰点强度较大时，方形目标优于圆形目标［7］.如图1中被确认目标中的图符设计采用了语义学［8］、心理学［9］、工业设计学［10］和人机工程学的原理和方法设计了11套方案，根据色彩和形状的变化共设计了表1所示的28个图符(表1中相同形状变换不同色彩).为了避免构成图符的视觉要素发生混淆，4个目标图符的形状采用不同的形式，设计时采用具象型特征与使用者所熟悉的庶务关联起来，同时设计采用具有语义指向性的图形和色彩［11－12］.

表1 图符设计方案

色彩设计也参考了F-22猛禽战斗机的图符设计.如敌机被显示成红色三角形，友机被显示成绿色三角形，未知敌友的飞机则显示成黄色方块，用蓝色F-22图标代表自己的编队飞机.

参照文献［13］，采用适当性排序测试和匹配测试评价测试方法，用统计学进行分析，最后选定的方案为表1中的2号方案.敌机为红色实心三角形，友机为绿色实心圆形，僚机为蓝色同心圆，内圆为实心，不明飞机为黄色实心方块.

1.4.4 战术显示界面设计

战术显示界面配色采用原始的配色，界面其他元素不变.真正的战术显示界面比较复杂，为了研究需要，将界面进行了适当的简化.只设计了雷达范围和必要的标识，可在动态情况下进行操作.该显示界面设计了3套方案:黑色背景，黄色字符和雷达范围线;黑色背景，绿色字符和雷达范围线;蓝色背景，白色字符和雷达范围线.

1.5 实验方法

实验前被试进行3周飞行训练(包括起飞，爬升，巡航，降落)和1周实验过程熟悉(包括实验操作方法，实验要求，数据记录等)，被试与显示器屏幕之间的距离为600mm.为消除疲劳效应采用交替方式进行，中间休息时间5min.实验时间为120 s，允许稍微多点或少点时间，计算机每隔1 s记录1次数据，记录内容包括通过点击确认的敌机次数，误点击到友机、僚机和不明飞机的次数，误点击到雷达范围外飞机的次数，对目标没有作出反应的次数，没有击中到任何目标的次数，共6个指标，以及它们相应的反应时间.当失速时发出警报，并进行记录.每次测试时间为120 s，取110 s的数据.

在实验之前进行了小范围实验，当目标出现间隔时间为500，800和1 000ms时，间隔时间为500和800ms的确认正确率较低，未反应率较高.同时根据文献［14］，当一个具有颜色、形状等多维目标，以持续时间1 s，间隔时间1 s的形式呈现时，人对其辨认绩效较好，故选择目标出现间隔时间为1000ms.

2 实验分析及讨论

将实验结果进一步分为情况1:完成夜间动态飞行任务;情况2:完成白天动态飞行任务;情况3:完成白天静态飞行任务的平均反应时和平均正确率.

2.1 不同视觉信息量下的辨认性分析

采用Spss软件进行数据处理.对4种视觉信息量完成任务的反应时进行重复测量方差分析检验，方差结果显著，(F(3，171)=9.968，P=0.000)，也就是被试内因素“视觉信息量”的因素主效应显著，说明不同的视觉信息量对辨识目标的快慢有显著的差异.

对其进行LSD(Least Significant Difference)方法的验后多重比较检验，结果见表2，发现信息量为1个时与2个、3个和4个反应时有显著性差异，说明视觉信息量为1时与视觉信息量为2、3和4时完成任务辨识快慢有很大的差别.

对实验设计中所定义的3种情况完成任务的反应时进行方差分析，发现(F(4，302)=29.113，P=0.000，P ＜0.005)，说明不同情况下完成任务反应时差异较大.事后检验结果如表3所示，此时，情况1与情况2和情况3的反应时有显著差异，说明夜间完成任务和白天完成任务的反应时差异显著，情况2和情况3的反应时差异显著，说明动态完成任务和静态完成任务差异显著.图4为3种情况下确认目标的辨识性比较，由图可知，不同情况下随着视觉信息量的增加，反应时也在增加，增加到一定值时下降;夜间动态完成任务的反应时明显高于白天动态完成任务的反应时，同时也高于静态完成任务的反应时;动态完成任务的反应时高于静态完成任务的反应时.

表2 视觉信息量主效应的验后多重比较结果

表3 各情况主效应验的后多重比较校验结果

图4 各情况下的辨识性

2.2 不同视觉信息量下的绩效分析

对4种视觉信息量完成任务的正确率进行重复测量方差分析，发现(F(3，171)=2.202，P=0.009)，P ＞0.05，说明不同视觉信息量完成任务的绩效差异不显著，稍有差别.对各情况下完成任务的正确率进行方差分析，发现(F(4，302)=29.113，P=0.000)，P ＜0.005，有统计学意义，说明不同情况下确认目标的绩效差异较大.对其进行LSD方法的验后多重比较检验结果如表4所示.情况1和情况2差异较大，说明夜间确认目标和白天确认目标的绩效差异显著.如图5所示，夜间确认目标的正确率比白天低，白天静态情况下确认目标的正确率比动态要高;随着视觉信息量增加，最初正确率在上升，达到一定值后开始下降.

表4 各情况主效应验后多重比较校验结果

图5 不同情况的绩效

2.3 视觉信息量与辨识性和绩效之间的关系

如图6所示，随着视觉信息量增加，正确率上升，反应时也增加，当反应时和正确率达到一定值时，随着信息量的增加，正确率在下降，反应时稍有增加，但变化不大.

图6 视觉信息量、反应时和正确率之间的关系

2.4 视觉信息流强度模型讨论

对多次实验进行统计学正态检验，视觉信息量曲线符合正态分布.由上面的实验分析可以得出信息流强度模型如图7所示，视觉信息流强度曲线为正态曲线，正态曲线的峰值不超过1，左右端点在600和900ms之间.根据视觉信息流强度模型可评价界面设计的好坏，包括图符(图形、颜色和大小)、字符(字体、颜色和大小)和信息等设计对信息流的影响.

图7 视觉信息流强度模型

2.5 实验中所测各项分析

实验中共测6个指标，每1 s记录一次，各项指标统计百分率的平均值如表5所示.由表5可知，随着视觉信息量的增加，确认目标的正确率下降，正确判断率略有升高，错误判断率先升高，后下降，误确认情况也在增加.说明由于视觉信息量的增加，视觉信息加工过程的时间变长，出错和没反应的几率在上升.

表5 实验中各项数据统计 %

2.6 不同视觉信息量的反应时

不同视觉信息量在完成任务时的平均反应时相差不多，测得的视觉平均反应时基本都在800ms多，未超过900ms，说明这个时间可清晰辨认目标.

3 结论

1)所建立的视觉信息流强度模型表明视觉信息流强度曲线为正态分布，正态曲线的峰值不超过1，左右端点在600和900ms之间，可用于评价界面设计的好坏.

2)不同的视觉信息量完成任务差异显著，随着信息量增加开始辨识较快较准确，达到一定时辨识变慢，出现错误的几率升高.

3)在相同视觉信息量情况下，夜晚与白天执行任务辨识差异显著，白天要比夜晚辨识更快更好.

4)在相同的视觉信息量下，动态和静态完成任务辨识差异显著，静态要比动态情况辨识更快.

5)白天动态完成任务的绩效好于夜晚，差别较明显，白天动态和静态情况下完成任务绩效相差不明显.

6)不同视觉信息量情况下900ms内基本可清晰辨认目标.

本实验的方法和结论对于人机显示界面设计的适人性研究有一定参考价值.

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(编 辑:李 晶)

Simulation and ergonomics analysis of pilot visual information flow intensity

Zhang Huishu Zhuang Damin

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Ma Ding Sun Jian

(Department of Engineering and Art，Beijing Union University，Beijing 100023，China)

In order to determine the reasonable information flow intensity of the flight task，a simulation model of aircraft information display interface was developed，in which the correct response rate and reaction time of subjects were used to evaluate the task performance.According to the experiments and data analysis，the results show that the intensity curve of visual information flow was consistent with the normal distribution in the established visual information flow model.The task performance is greatly influenced by different information flow.When the visual information flow increases to certain intensity，the identification become slow and the possibility ofmaking errors increase.Under the same information flow，there are significant differences of identification and performance between the daytime operation and nightoperation，as well as between the static operation and dynamic operation.The identification and performance is better in the daytime than at night，and is better at static state than dynamic state.

dynamic simulation;display interface;coding design;visual information flow;identification and performance

TB 18;R 857.1

A

1001-5965(2011)05-0519-05

2010-11-09

国家重点基础研究发展计划973计划资助项目(2010CB734104)

张慧姝(1971－)，女，黑龙江齐齐哈尔人，博士生，shthuishu@buu.edu.cn.