基于CPDLC 空管人机交互界面的改进方法研究

胡姗姗 HU Shan-shan；张杰 ZHANG Jie；霍文博 HUO Wen-bo；张天成 ZHANG Tian-cheng

（中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，广汉618307）

0 引言

随着当代民航技术的飞速发展，空管新技术已成为民航各领域和航空公司关注的焦点内容。CPDLC 作为现有的民航空管新技术，是数据链技术在现代空中交通管制中最为广泛的应用。采用DATA LINK 通信技术可以解决传统无线电语音方式进行信息传送存在的一些问题。但是，目前设计的DATA LINK 系统存在一些人机界面问题需要解决，特别在CPDLC 通信中，不合理的人机界面会严重影响CPDLC 在飞行任务中的使用。因此，针对这些缺陷，本文主要旨在对现有的CPDLC 空管人机交互界面进行改进。

为改进现有的CPDLC 空管人机交互界面，首先需要找出影响管制员工作负荷的因子，基于影响因子建立管制员与CPDLC 交互的评价模型。根据影响因子和所建立的模型，设计与改进空管人机交互界面，使其更容易被管制员所接受，从而可以提升管制效率，降低工作负荷。

1 管制员工作负荷的影响因子

1.1 管制工作的复杂程度

工作负荷过高的原因主要是空中交通管制工作的复杂性造成的，主要有协调因素、地理因素、特别空域、高度改变因素、相遇因素等。而主要影响空中交通管制工作量或者工作复杂程度的因素有扇区的物理特性、穿梭空域空中交通联系等综合因素[1]。

1.2 管制工作能力和素质的要求

对于空中交通管制员的工作效率要求，空中交通管理相关规章制度[2]都有明确规定：管制员应具备的能力：①具有较强的专业性；②能够承担很大的安全工作压力；③应变突发事件的能力。管制员应具备的素质：①较强的责任意识；②较强的心理；③较强的团队协作。这些对管制员的硬性要求也对管制员的工作负荷产生影响。

1.3 管制工作环境

管制员的工作负荷会受到管制环境的影响。而管制工作环境会对管制员的生理心理产生影响，在管制员工作负荷研究当中，引入了行为科学和生理科学的概念，研究管制员的各项生理行为指标。然后在不同交通特征中，来分析和测量这些参数的变化，最后进行统计和归纳，从而获取管制员工作负荷与生理行为方面的关系。

1.4 管制设备的可控性

管制设备的易操作程度可减小管制员的工作难度，从而间接减少管制员的工作负荷[3]。基于管制员的CPDLC 人机交互界面就是管制设备之一，它的优化对降低管制员的工作负荷起着关键性作用。

交互界面对管制员工作负荷的影响因子可分为以下四点：

①操作时长与操作效率。操作耗时长，效率较低。

②交互信息与指令的具体程度。信息分类过多过细有些分类不合理，若信息过于复杂，会增加管制员的工作难度，若应答内容过于简单，则会限制双方交流的操作流程。交互信息与指令的显示需要简明扼要。

③界面布局与可控按键的设计合理性。无论是信息显示界面还是指令操作界面，布局的好坏以及可控按键的设计合理性都对管制员视觉舒适度起着关键性作用，而视觉舒适度又和管制员的工作负荷息息相关。

④交互系统的可操作性和各别子系统的简便程度。界面切换或者相关性息的提供能否做到及时、准确，面对不同特殊情况的发生，交互界面提供给管制员的指令是否全面，这些都会对管制员的工作负荷造成影响。

2 管制员与CPDLC 交互的评价模型

根据上文的研究可知，人机交互界面对管制员工作负荷的影响因子有：

①操作时长与操作效率；

②交互信息与指令的具体程度；

③界面布局与可控按键的设计合理性；

④交互系统的可操作性和各别子系统的简便程度。SHEL 模型[4]如图 1 所示。

图1 SHEL 模型

1972 年，爱德华教授首次提出了安全工作中“人”所处的特定系统界面的原理，组成这个界面的元素包括：软件（Software）、硬件（Hardware）、环境（Environment）和人（Liveware），分别用其首字母 S、H、E、L 来代表，这四个元素组成的模型即是SHEL 模型。

由于界面间的元素不匹配而出现的差错，可以对人的误差进行分析。

差错容易发生在处在中心位置的人与硬件，软件，环境及其它人之间的接点上。模型形象地描绘了现代生产的脆弱环节，对于安全工作有直接的指导作用；而且所描述的界面不仅仅存在于一线，生产组织的各个层次都有类似界面，所以模型具有普遍意义。

人机交互界面的设计涉及到软件、硬件、人之间的联系，例如，管制界面的优化会给管制员带来更好的工作体验，从而管制员的工作负荷也能得到有效降低，而管制员的指挥很大程度上是基于人机交互，简便的管制界面使用实施的，这些都对应于SHEL 模型中软件硬件与人之间相互影响，共同进步。

结合SHEL 模型，分析评估人机交互界面设计的合理性可分为四个方面：

①显示设计。即人机交互界面各板块的布局。

②软件设计。一是系统的可操作性，即指令发布的形式。二是系统的具体程度，即发布的指令的具体程度。三是系统的简便程度，即发布指令的操作流程。[5]

③硬件设计。一是选择组件。二是输入组件。三是按键的合理性。

④操作设计。完成操作的影响因素可分为操作效率（完成一个完整操作所用的时间）及自动化程度。

根据以上四个方面及其影响因素，建立以下人机交互界面设计合理性的评价模型如表1。

表1 人机交互界面设计合理性的评价模型

人机交互界面在信息显示上应尽量保证各板块的易读性，每个板块的拓展性，板块之间分布的合理性以及所提供信息的必要性。在软件与系统的设计上应使用较便捷可靠的指令发布形式，保证系统的可操作性。指令应包含需要的位置信息与机动要求。软件设计上应考虑系统的简便程度，降低管制员不必要的工作负荷并避免出现歧义。硬件设计上应遵循简便可靠的原则设计选择与输入组件，并考虑按键的合理性。操作设计上应提高操作效率，减小操作时长，并提高系统的自动化程度以减小管制员的工作负荷。

3 改进的CPDLC 空管自动化人机交互界面

3.1 显示设计的改进

改进的CPDLC 空管自动化人机交互界面的显示部分如图2 所示。

图2 中板块①为电子进程单界面；板块②为管制雷达显示界面；板块③为指令通信界面；板块④为航路点信息显示界面[6]；板块⑤为区域环境信息显示界面；板块⑥为飞行计划信息界面。

图2 改进的CPDLC 空管自动化人机交互界面

3.2 软件设计的改进

电子进程单界面可显示所有计划的航班信息，通过选中某一进程单，可在板块②上特殊显示该航班位置。

管制雷达显示界面[7]可显示管制范围及周边一定范围内的航空器及其重要信息、航路及航路点、各种重要区域及事件等，通过选中某一航空器，可进行对该航空器的进一步操作。

指令通信界面[8]可对板块②中任意一架选中的航空器发送指令，通过下拉菜单中的指令集选择指令，确认后回车发送指令。点击按键进行语音通信或检查。点击其他可选择其余的指令集或键入指令进行发送。由自动化系统根据报文要求[9]编辑发送。

航路点信息显示界面可查看板块②中任意一架选中航空器的航路点信息，航空器在各航路点预计时间内的通过情况将显示在该界面，对于一定时间内未通过某一航路点的航空器，板块②中会进行着重提醒显示，并播报警告音，以提醒管制员处理。

区域环境信息显示界面[10]可显示板块②中任意一架选中航空器周围的各种信息，包括气象信息、航路及航路点信息、限制空域信息等。

飞行计划信息界面可显示板块②中任意一架选中航空器的飞行计划信息，包括航班呼号、机型、尾流等级、起飞机场与目的地机场、航空公司、航程、起飞时间与预达时间、预计飞行时间、航路点信息等。

3.3 硬件设计的改进

该系统在需要交互的硬件上由屏幕、鼠标、键盘[11]、耳机、话筒等组成。

屏幕为显示组件，显示该CPDLC 空管自动化人机交互界面。

鼠标为选择组件，可单击左键选择交互界面中的某一元素。其中，长按右键，可以对选中的某一航空器进行快速语音通信。

键盘为输入组件，可通过键盘进行键入操作。

耳机和话筒为话音组件，可接受与发送话音数据。

3.4 操作设计的改进

该交互界面中的板块①、板块②为选择界面，可通过单击鼠标左键选中任意一架航空器，也可同时按下CTRL+鼠标左键选择多架航空器同时发布指令。

该交互界面中的板块③为指令发布界面。可通过键入指令或指令集选择指令等对选中的航空器发布指令、进行话音通信、进行检查等。

该交互界面中的板块②、板块④、板块⑤、板块⑥为信息显示界面。各板块显示选中航空器的具体信息。为管制员提供信息参考，提高情景意识。

对于有冲突或可能发生冲突的航空器，板块②将着重提醒并播报警告音。对于进入或即将进入危险区、禁区、限制区或危险气象条件的航空器，板块②将着重提醒与播报警告音并弹出关闭提醒的选项框。对于以上各种情况，该系统会在板块②中显示出最优路径，并在板块③中提供最优指令以供管制员参考与选择。

4 对改进的CPDLC 交互界面的评估

4.1 使用评价模型对改进的交互界面进行评估

显示设计：界面的板块布局易读性高、拓展资源充分体现、合理性高、所提供信息的必要性高。

软件设计：在系统的可操作性（指令发布形式）方面，语音指令、键入指令以及指令集选择指令全面简洁。在系统的具体程度方面，飞机机动起始位置信息、要求到达的位置信息、机动过程中的飞行要求全部简明扼要。在系统的简便程度（操作流程）方面，输入方便，快速、界面直观易懂、可表达的内容丰富、指令意思的完整表达，很少出现歧义。

硬件设计：在选择组件方面，鼠标选择、按键选择、触摸选择均操作简易且不易出错。在输入组件方面，键盘输入、触摸输入均方便快捷且没有相互冲突。在按键合理性方面，按键分布十分合理，逻辑合理性高。

操作设计：操作效率高，完成一个指令操作所需要的时间少，自动化程度高，计算机自动化有效减少了管制员工作负荷。

4.2 结论

改进的CPDLC 交互界面相比于现有的交互界面，在各个方面其界面性能都有显著提升。

5 小结

本文通过对现有的空管人机交互界面的整体考察与研究，总结现有人机交互界面的缺陷和漏洞，挑选出在能力范围内可改进的缺点，并对其进行相关的改进。本文所提出的管制员人机交互界面，结合了管制员工作负荷的影响因子，并充分利用SHEL 模型的理论知识，进一步优化了交互的流程，使得交互更加便捷。将改进的CPDLC 交互界面与现有的交互界面进行比较、评估，得到优化效果显著的改进的CPDLC 交互界面。本研究所提出的改进的CPDLC 空管人机交互界面可应用于现有的管制员人机交互界面中，这将进一步促进智慧民航的发展，为我国未来民航的方向提供有效的应用依据。