基于视线追踪技术的地面维护设备燃油画面工效学比较研究

闫明松　李晨　杨睿

摘 要：地面维护设备燃油画面信息具有一定的复杂性，为保证操作人员快速准确地获取所需信息，对燃油显示画面设计的工效学水平提出了较高的要求。本研究借助于视线追踪技术来评估燃油画面的文字显示和图符显示两种显示设计方式的人机工效水平，从而分析采用哪种设计方式更有利于提高操作者的视觉搜索和判读绩效，并为将视线追踪技术应用于地面维护设备显示界面工效学评估提供了借鉴和参考。

关键词：视线追踪技术；地面维护设备；显示界面；工效学

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

视觉显示界面是人机界面中最重要的显示界面类型。目前，视觉信息显示主要包括图符和文字两种显示方式。图符信息显示的主要优点在于显示的形式直观形象，容易理解并且传递信息不受使用者语言、文字的限制，但对图符的清晰醒目、涵义明确等方面要求较高。而文字信息显示的主要优点是显示信息精确可靠，但与图符显示相比，存在反应时间较长，认知加工负荷较高等不足。

2 实验方法

2.1 实验被试

共有15名操作者作为实验被试，其中男性9人，女性6人，年龄在24-38周岁之间。其中8名操作者是对显示画面较为熟悉的经验操作者，剩余7名操作者是从未见过此类显示画面的无经验操作者。视力或矫正视力正常，无色盲或色弱，均为右利手。

2.2 实验装置

实验在中航上电所的座舱显控人机工效实验室中进行，室内亮度均匀并在适宜水平。主要实验设备为台式电脑一台（操作系统Windows 7，显示器为19英寸LED，屏幕分辨率为1600x900）。实验中的显示画面使用Experiment Center 3.0软件在台式电脑上呈现。显示器中央点与被试的眼睛处于同一水平线。

实验中采用德国SMI RED-M桌面式眼动跟踪系统记录操作人员在操作过程中的视线移动轨迹数据。该型眼动仪的优点是被试不用佩戴任何设备，消除了被试使用头戴式眼动仪时的头部负担和不舒适感，且被试头部在一定范围内有相对自由的活动空间，适用于较长时间的测试。

2.3 实验材料

本实验材料主要包括两类燃油信息显示画面，即文字显示设计画面及图符显示设计画面，如图1所示。

2.4 实验变量与设计

本实验采用双因素混合实验设计。实验的自变量是燃油信息画面以及操作人员经验水平。其中燃油信息画面是被试内变量，包括2个水平：文字显示设计画面和图符显示设计画面；操作人员经验水平是被试间变量，包括2个水平：有经验操作人员和无经验操作人员。

本实验的因变量主要包括以下五个：（1）完成视觉搜索任务的时间；（2）完成视觉搜索任务的正确率；（3）画面中注视点总个数；（4）注视点进入目标信息区域时间；（5）操作人员对文字信息设计和图符信息设计的主观偏好评分。

本实验的差异显著性检验均采用t检验。

2.5 实验任务

实验中操作人员需要完成的任务是燃油画面信息搜索任务，即计算机屏幕呈现以文字或以图符显示的燃油信息画面，要求操作人员尽可能快而准确地找到搜索目标信息后按空格键，并口头报告目标信息内容。主试人员会同时将回答结果记录在结果记录表中。

每个被试总共需要完成2种显示设计画面下各10次视觉搜索选择任务，总共20次任务。为防止疲劳和学习效应，对每次两种视觉显示画面呈现的先后顺序采用完全随机方式。

3 实验结果

3.1 不同操作人员正确搜索到目标信息的完成时间

表1是有经验操作者和无经验操作者在两种不同显示画面下正确搜索到目标信息所用时间的结果比较。从表中可以看出，无论是文字显示画面还是图符显示画面，有经验操作者的搜索时间均要显著少于无经验操作者（P<0.05）。

对于有经验操作者，文字显示画面的搜索时间高于图符显示画面的搜索时间。t检验结果表明，文字显示画面和图符显示画面的目标信息搜索时间之间没有达到显著差异（t（12）=-0.744，P>0.05）。对于无經验操作者，文字显示画面的搜索时间略少于图符显示画面的搜索时间。t检验表明，文字显示画面和图符显示画面的目标信息搜索时间之间没有达到显著差异（t（11）=-0.056，P>0.05）。

3.2 不同操作人员搜索到目标信息的正确率差异分析

表2是有经验操作者和无经验操作者在两种不同显示画面下搜索到目标信息并能够正确回答问题的正确率结果比较。从表中可以看出，无论是有经验操作者还是无经验操作者，文字显示画面的正确率均要高于图符显示画面。

3.3 不同操作人员搜索到目标信息时注视点个数差异分析

表3是有经验操作者和无经验操作者在两种不同显示画面下搜索到目标信息时的平均注视点个数结果。从表中可以看出，无论是有经验操作者还是无经验操作者，在文字显示画面和图符显示画面下的注视点个数并没有显著差异，经t检验表明，差异均没有达到显著水平（p>0.05）。

3.4 不同操作人员注视点进入目标信息区域的时间差异分析

表4是有经验操作者和无经验操作者在两种不同显示画面下进行目标搜索时，眼睛注视点进入目标信息区域所需时间的比较。从表中可以看出，对于有经验操作者，文字显示画面的注视点进入目标信息区域所需时间高于图符显示画面。t检验表明，两种信息显示画面之间达到显著差异（t（35）=2.319，P<0.05）。对于无经验操作者，文字显示画面的注视点进入目标信息区域所需时间略少于图符显示画面的搜索时间。经t检验表明，文字显示画面和图符显示画面的目标信息搜索时间之间没有达到显著差异（t（37）=0.582，P<0.05）。

3.5 不同操作人员对不同显示画面设计的主观评分分析

表5是不同操作人员对不同显示画面设计的可理解性主观评分比较。从表中可以看出，由于文字显示其天然的优势，其可理解性的评分要高于图符显示，尤其是对于无经验操作者来说，文字显示设计更容易让其理解画面中各信息含义。而相对于有经验操作者来说，两种信息显示方式的可理解性评分并没有明显的差异。

表6是不同操作人员对不同显示画面设计的布局合理性主观评分比较。从表中可以看出，对于无经验操作者来说，由于其对画面信息并不熟悉，需要更多显示元素的解释信息，因此其认为文字显示画面设计的布局更为合理，而相对于有经验操作者来说，由于图符显示画面更加直观简洁，因此其在布局合理性上要显著好于文字显示画面。

4 讨论

4.1 文字显示画面设计与图符显示画面设计的工效学比较

从视觉信息搜索时间结果上来看，对于初学者来说，文字显示画面与图符显示画面这两种显示画面设计在目标搜索时间上并没有显著差异。但随着使用经验的增加，相比于文字信息画面设计，图符显示画面设计在目标搜索时间上逐渐出现更快的优势，这一点符合操作者的认知加工特点，也与Ellis和Dewar等人的研究结果相一致。从本实验结果来看，这种优势在统计上并没有达到显著差异，说明图符显示画面的设计上还存在进一步提升的必要，从而把这种优势更为明显表现出来。

同时，在视觉搜索正确率指标上，无论是有经验操作者还是无经验操作者，文字显示画面的正确率均要高于图符显示画面。这一差异结果与本实验中要求操作者完成的任务需要精确判读和记忆过程有关。总体上，对于图符显示画面来说，其并不适合显示需要精确判读或记忆的信息内容，而更适合进行状态快速检查的任务类型。

4.2 视线追踪技术应用于地面维护设备视觉显示界面评估

本研究通过视线追踪技术记录了操作者在进行视觉目标搜索过程中的眼动模式，主要选取了两个眼动指标。其中注视点个数指标反映视觉搜索行为的次数，用来揭示界面信息的相对组织程度；注视点数多则表明搜索量大，界面设计可能存在问题。注视点进入目标信息区域的时间指标可用于考察被试注意加工到视觉目标显示信息的时间快慢。从注视点个数和进入目标区域注视时间的眼动数据上来看，对于文字显示画面和图符显示画面的目标搜索效率结果与行为指标结果较为一致，即对于初学者来说，两种显示画面设计在注视点进入目标信息区域所需时间上并没有显著差异。但随着使用经验的增加，相比于文字信息畫面设计，图符显示画面设计在注视点进入目标信息区域所需时间上逐渐展现出更快的优势，并且这种优势在统计上达到了显著差异。

本研究结果也表明，通过视线追踪技术能够更为客观和深入地分析地面维护设备视觉显示界面的工效学水平，该方法对于传统的工效学评估技术和方法，如行为绩效指标、主观评分指标等来说是一个重要而有益的补充。同时，结合眼动指标分析可以更直观、更有效地发现视觉显示界面设计中存在的工效学问题及其深层原因。这一点也是对前人研究结果的验证。

5 结束语

通过开展上述基于视觉追踪技术的工效评估实验，可以了解到如何借助视线追踪技术客观地分析和揭示地面维护设备燃油画面的可用性水平，为地面维护设备燃油画面的优化提供了依据。在传统的可用性测试的基础上同时融入视线追踪技术，可以更直观和客观的评价人机交互界面的可用性水平，并有助于分析和揭示可用性问题产生的原因。

作者简介：闫明松（1973-），男，工程师，硕士，主要研究方向是航空电子技术。

李晨（1981-），女，高级工程师，硕士，主要研究方向为座舱显示控制与人机工效技术、无人机系统技术。