位置编码下平视显示器告警显示工效学问题探究

白杰 王曼

摘要：为探究平视显示器（HUD）不同告警位置对飞行员任务绩效、脑力负荷和注意力分配的影响，招募15名被试人员开展不同告警位置下被试内单因素设计的试验任务，以被试的任务绩效、眼动指标为因变量，综合各项评估指标分析结果表明，告警位置应选择高度兴趣域，其次为姿态兴趣域。当告警位于航向兴趣域时，被试的任务绩效最差，脑力负荷大并且注意力分配比例较少，表明航向兴趣域的位置不适于告警显示。本次试验结果可为HUD告警设计提供参考。

关键词：平视显示器；告警；位置；任务绩效；态势感知

Keywords：head-up display；alarm；position；task performance；situational awareness

0 引言

HUD是诞生于20世纪50年代并应用于战斗机上的一种航行新技术，20世纪70年代作为主要显示器应用于民用运输机[1]。HUD的应用使得飞行员可以持续地观察外部环境，无需在关键操作时将视觉注意力从现实世界转移到仪表盘上[2]。

作为主要飞行显示器的HUD呈现的是基本飞行信息，其中告警信息对于飞行安全至关重要。早在1977年J. E.Veitengruber在研究中指出新一代商用运输机飞行员敦促美国联邦航空局开发告警系统设计标准，以便减少告警系统在新一代飞机上出现不稳定趋势[3]。

虽然HUD的使用可以帮助飞行员提高飞行安全，但在应用过程中仍然存在问题。Ververs发现飞行员在使用HUD时容易受到认知隧道的影响，使飞行员不自觉地专注某一个信息而牺牲其他信息，导致飞行安全性降低[4]。Bai Ling在研究中指出单色HUD态势感知差，不利于信息获取，尤其不利于预警、异常等关键信息的获取，指出使用视觉编码有助于飞行员的信息认知[5]。SAE ARP5288中提出告警信息的显示应适当使用闪烁、轮廓框、亮度和位置等视觉编码，以此来强调告警信息的显示。告警显示位置对于飞行员任务绩效、脑力负荷和注意力分配有着重要意义。MILSTD 1472F表明，在规定区域内使用位置编码可以减少信息搜索时间[6]。

众多学者对于使用位置编码来帮助飞行员获取告警信息的方法进行了研究。David J.Sheehan以HUD告警位置为研究对象，记录分析飞行员对不同告警位置的平均反应时、遗失率和主观评价，选择出了对飞行员任务绩效、脑力负荷和注意力分配较好的位置[7]，Omer Tsimhonl在以反应时间、告警检测率为因变量探究不同告警位置下的反应时间和告警检测率时发现，HUD告警位置决定了告警反应时间和告警检测率，并且告警反应时间越短告警检测率越高[8]。由此可知信息显示位置的不同对飞行员任务绩效有较大影响。

本试验以David J.Sheehan实验为基础，采用先进实验设备进行试验。首先对HUD飞行信息进行划分，再结合MILSTD-1472F和AC25.1322[9]条款中对HUD告警信息显示的设计要求，分别在不同飞行信息区域确定一个告警位置进行试验，探究不同告警位置对飞行员任务绩效、脑力负荷和注意力分配的影响。

1 试验方法

1.1 试验设备

试验采用装有P3D模拟飞行软件的飞行仿真实验台进行模拟飞行，如图1所示。采用SMART EYE PRO7.0校准眼部坐标（见图2），Smart Recording记录眼动轨迹，MAPPS2018导出试验数据，告警综合控制器控制告警位置和记录反应时间，摄像机记录试验过程，HUD界面投影在分辨率为1920×1080的BenqMH520H投影仪上。

1.2 被试对象

招募15名中国民航大学研究生和老师作为被试对象，其中男性13名，女性2名，年龄在20～30岁之间，右利手，视力或矫正视力正常。要求被试对象试验前24h不能食用刺激性食物且保证充足的睡眠（至少8h）。

1.3 试验设计

本试验采用单因素被试内设计，即告警位置因素，被试内设计方法相对于被试外设计方法对试验数据间的微小差异更加敏感[10]，视觉追踪脑力负荷测定采用双任务测量法[11]，主任务为飞行操作，次任务为响应告警。为消除试验顺序及疲劳对试验结果的影响，采用拉丁方试验编排[12]。试验位置如图3所示。试验自变量为告警位置，因变量为任务绩效测量指标和眼动测量指标。

任务绩效指标选取反应时和遗失率。被试对象响应不同位置告警的时间由告警综合控制器记录。参考David实验中的遗失标准[7]，响应告警时间超过4s为遗失。

眼动指标中瞳孔直径直接反映被试的脑力负荷水平，Jackson Beatty发现瞳孔直径可以用来衡量人们执行任务时的脑力负荷[13]，Hess曾指出在解决算数问题的过程中瞳孔会扩张，扩张的程度与问题的难度大小有关系[14]。完颜笑如指出瞳孔直径随着脑力负荷的增加而扩张[15]；注视点百分比反映了被试的注意力分配水平。通过分析各个兴趣域注视点百分比可以获得被试人员对各个兴趣域的注意力分配比例[16]。在显示区域搜索特定目标时，第一次到达目标兴趣域的时间也是度量人机界面合理性的一个重要指标[17]。因此，本次眼动指标选取瞳孔直径、注视点百分比和第一次到达目标兴趣域时间为测量指标。

1.4 任務流程

研究发现飞行员在起飞爬升和巡航平飞阶段的总脑力负荷明显小于下滑着陆阶段[18]，并且完成进近着陆阶段对于被试来说难度较大，故选取起飞爬升和巡航平飞阶段为试验阶段，由于起飞阶段操作动作较多，故选取爬升和巡航为数据采集阶段。试验开始前参考飞行手册对被试人员进行飞行操作培训，直至被试人员熟练掌握操作规范，理解显示信息的含义，并且每名被试人员的熟练程度大致相同。校准被试人员眼部坐标，保证被试眼动数据能够准确完整地被记录下来。向被试人员宣读试验注意事项后正式开始试验。飞行环境模拟天津滨海国际机场。

2 试验结果

采用数据分析软件SPSS对被试任务绩效指标和眼动数据指标进行分析，确定不同告警位置之间的差异性。采用最小显著差异（Least Significant Difference，LSD）以0.05置信度进行事后检验。

2.1 任务绩效指标测量结果

1）平均反应时间

平均反应时的实验结果如表1所示。五个告警位置的平均反应时间分别为3.994s、3.048s、2.575s、2.351s、2.256s。由图4可知，位置5的平均反应时间最长，位置1次之，位置4的平均反应时间最短。事后检验得出位置5与位置2、位置3、位置4的平均反应时间之间具有显著差异性（P<0.05），其余告警位置下的平均反应时间之间均未达到统计学意义（P>0.05）。

2）遗失率

五个告警位置的遗失率分别为28.57%、14.28%、14.28%、7.14%和35.71%，对其进行从大到小排序为5>1>2= 3>4。由图5可知，位置5的遗失率最大，位置1次之，位置4的遗失率最小。

2.2 眼动指标分析

1）瞳孔直径

眼动指标显著性分析结果如表2所示。对五个告警位置的瞳孔直径进行分析，可得五个位置下的平均瞳孔直径分别为2.71mm、2.041mm、1.976mm、1.776mm和2.945mm，由图6可知，位置5的瞳孔直径最大，位置1次之，位置4的平均瞳孔直径最小。对不同告警位置下的瞳孔直径进行事后检验，得出位置1与位置2、位置3、位置4下的瞳孔直径具有显著差异性（P<0.05），位置5与位置2、位置3、位置4下的瞳孔直径具有显著差异性（P<0.05）。位置1与位置5之间无显著差异性（P>0.05）。位置2、位置3与位置4之间的平均瞳孔直径无显著差异性（P>0.05）。

2）注视点百分比

对不同告警位置所在兴趣域的注视点百分比分析可得，五个告警位置所在兴趣域注视点百分比分别为10.76%、23.79%、38.91%、12.17%和10.49%。由图7可知，位置3所在兴趣域的注视点百分比最大，其次为位置2，位置5所在兴趣域注视点百分比最小。事后检验得出，位置1、位置2、位置3注视点百分比两两之间具有显著差异性（P<0.05），位置3与位置4和位置5注视点百分比均具有显著差异性（P<0.05），其余告警位置之间的注视点百分比均未达到统计学意义。

3）第一次到达目标兴趣域时间

第一次到达目标兴趣域时间分别为 34.6s、12.23s、12s、12.93s、29.82s。由图8可知，位置1的第一次到达目标兴趣域时间最长，位置5次之，位置3所用时间最短，位置1所用时间最长。事后检验得出，位置1与位置2、3、4处的第一次到达目标兴趣域时间之间具有显著差异性（P<0.05）。位置2、位置3与位置5之间具有显著差异性（P<0.05）。其余位置之间所用时间均未达到统计学意义（P>0.05）。

3 试验结果分析

3.1 任务绩效指标分析

对任务绩效指标反应时和遗失率进行分析可知，位置2、3、4的平均反应时短，遗失率小，任务绩效较好，这与David J.Sheehan实验结果有相同趋势，即飞行员对中间水平位置的反应时更短，遗失率低，偏离中心越远位置的反应时和遗失率越高[7]。位置5的平均反应时最长，遗失率最大，任务绩效最差。分析其原因可能为位置5存在视觉遮蔽现象，告警不易被察觉。对比中间位置2、3、4的任务绩效，发现位置4的任务绩效优于位置2、3的任务绩效，位置2的任务绩效优于位置3的任务绩效，分析其原因可能为位置3在飞行过程中随着姿态信息的移动容易引起信息混乱，导致位置3的任务绩效差。这也与AC25.1322中对信息显示设计所提出的关于信息显示应易于识别、不能引起混淆的要求相吻合[9]。而位置4与位置2相比，无其他飞行信息干扰，右侧位置4的任务绩效优于位置2的任务绩效。Omer Tsimhonl在研究HUD告警位置对驾驶员反应的影响中发现相比于合适的告警位置，驾驶员更喜欢不与其他重要信息发生重叠的位置[8]。

3.2 眼动指标分析

通过分析不同告警位置下的瞳孔直径可知，当告警出现在中间三个位置时，瞳孔直径较小，被试脑力负荷较小，原因可能为被试者在中间告警位置分配的注意力较多，易于发现告警。当告警出现在位置5时，存在视觉遮蔽现象，识别告警时瞳孔直径变大，被试者承受的脑力负荷增大。对比中间的2、3、4位置发现，位置4的脑力负荷小于位置2与位置3的脑力负荷，分析其原因为位置4处的空白区域较多，被试者不用付出较大努力就能识别告警，由此可知2、3、4位置处的腦力负荷较小，位置5处的脑力负荷最大。对比不同告警位置所在兴趣域的注视点百分比可知，位置2、3、4的注视点百分比约占总注视点的74.87%，位置1和5的注视点百分比分别为10.76%和10.49%，表明被试者的注意力主要分配在中间2、3、4位置。总结瞳孔直径和注视点百分比结果可知，中间三个位置处的态势感知（SA）优于其余两个位置，位置5处的SA最差，其中位置3处的SA最优，其次为位置4，最后为位置2。对第一次到达目标兴趣域的时间进行分析可知，中间三个位置的第一次到达目标兴趣域时间最小，且时间差较小，表明告警出现在中间位置更合理。

4 结论

对试验数据结果进行总结得出如下结论：

1）从任务绩效结果可知，当告警信息位于航向兴趣域时，被试任务绩效最差，当位于高度兴趣域时的任务绩效最优，位于速度兴趣域的告警位置的任务绩效仅次于位于高度兴趣域告警位置的任务绩效。

2）从眼动指标结果可知，告警位于姿态兴趣域时SA较好，其次为高度兴趣域，位于航向兴趣域时的SA较差，偏航兴趣域告警位置处的SA仅优于航向兴趣域。

3）综合任务绩效和眼动指标得出，告警位置优先选择中间偏右的高度兴趣域告警位置，其次为中间姿态兴趣域告警位置，航向兴趣域告警位置最不适于告警信息的显示。

参考文献

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