人因工程在飛機駕駛艙飛行姿態顯示設計中的應用

鐘昊權

摘 要 本文利用人因工程學中施耐德曼的八項黃金法則討論飛行姿態界面中兩大參考框架（MA、MH）與三種樣式（CON、CMD、PAS）搭配的六種不同界面的優劣性，對飛機姿態顯示界面的設計提供主觀性意見。

關鍵詞 施耐德曼八項黃金法則;飛行姿態顯示設計;人因工程

中圖分類號： V223.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

0 引言 隨著技術革新，民航科技不斷發展，增強飛機駕駛安全性的途徑諸多，除大力開展培訓飛行員、加強航空流量管制等工作外，改善飛機駕駛艙人機交互界面也是保證航空安全運行的關鍵之一。且飛行姿態顯示系統在飛行員手動操縱飛機的過程中尤為重要，在為飛行員提供更直觀易于理解的操縱界面的同時，從人因工程的角度提高了操縱飛機的簡便程度，縮短了飛機進入復雜狀態時的改出時間。由此在飛機駕駛艙設計過程中較好運用和開展人因工程學是未來的發展方向，不僅保證了人機交互的舒適性，還為民航安全運行提供保障。

施耐德曼的八項黃金法則（Schneidermans Eight Golden Rules;Schneiderman， 1998）[1]具有通用性，適用于任何界面的啟發式分析，包括飛機駕駛艙飛行姿態顯示界面，且其分析結果很有價值，占用資源量少，是人因工程學研究方法中較為簡便的一種界面研究方法[2]。本文通過此種方法對六種姿態方向指示界面進行研究分析，旨在獲得較為實用的搭配方式，為飛機駕駛艙飛行姿態顯示界面提供可行性方案。

1 飛機駕駛艙顯示界面設計原則

在飛機駕駛艙顯示界面設計方面，國內對人-機-環等諸要素的研究始于20世紀80年代后期，并在儀表及照明工程心理學等方面發展較快，但仍然落后于國外諸多國家，例如法國研制的空客A380飛機的駕駛艙完美體現了以人為本的設計理念，應用了大量人因工程學方面的設計原則，并取得了良好的效果[3]。

1.1 總體設計原則

顯示界面較為復雜的信息（例如復雜數據、文字、公式等）應進行簡化便于飛行員理解;儀表顯示設計應避免眩光和反射;顯示界面應與控制裝置放到同一操縱區域，并不應被遮擋為飛行員提供較好的操縱環境;飛行過程中的主要信息應放在顯示界面中的醒目位置，以便安全、順利地完成飛行任務。

1.2顯示信息設計原則

在界面信息顯示的設計中主要應遵循的原則包括：顯示信息盡量地少，呈現最必要的飛行信息，減少不必要信息對飛行員產生的干擾;顯示精度應在一定的范圍內;不得將不必要的冗余信息單獨列為一個條目，從而影響飛行員的注意力分配;明確顯示器故障，當飛行顯示器發生故障時應立即反饋給飛行員;不得標注飛行廠家及與飛行內容無關的商標信息;數量信息應標注度量單位等。顯示信息在異常飛行過程中十分重要，是飛行員判斷飛機狀態的重要依據，由此遵循顯示信息設計原則是飛行姿態顯示系統設計的關鍵。

1.3 顯示器的位置設計原則

飛機顯示器應布置在合適的位置，沒有障礙物遮擋，從而能精確地讀出需要的飛行信息;顯示器還應布置在合適的視角，盡量垂直于飛行員的正常視線，與正常視線的夾角不得小于45°[4];顯示器的布置還應避免反射，防止太陽光及艙內照明系統對顯示屏的反射由此影響飛行員對數據的讀取[5];顯示器的最大觀看距離應滿足從眼位參考點到顯示器不超過64cm;顯示器的最小觀看距離應滿足不小于330mm[4]。顯示器的位置設計對飛行員讀取數據的體驗感起著重要的作用，總的來說顯示器布局應滿足辨別度高這一特點。

1.4 顯示器編碼設計原則

顯示器應通過顏色、亮度、閃光、位置等譯碼且系統中所有的譯碼應具有一致性;閃光編碼用來強調當前信息與其他信息的相關性，可讀文字不應該閃爍，并且閃光區域應保證只有一小塊;顏色譯碼用于介紹顯示段落中詳細的說明，同時應用顏色譯碼區分不同程度的信息。

1.5 警報警告信息設計原則

警報信息的呈現必須在艙內正常燈光照明下能明顯的引起飛行員注意，必須與普通燈光有所不同;一般選用視覺和聽覺結合的警報系統提示飛行員;警報信號必須使用閃光頻率為3～5Hz，占空比為50%的紅色閃光燈[6]。警報信息在飛機即將進入到異常飛行狀態時起著決定性作用，為飛行員正確改出提供足夠的時間。

綜上所述，為確保航空安全運行，在駕駛艙顯示界面的設計中需要遵循大量原則。

2 姿態方向指示界面設計方案

姿態方向指示界面（attitude directional indicator，ADI）主要包括兩部分屬性[7]，即顯示樣式和參考框架。參考框架包括移動地平線（Moving Horizon，MH）和移動的飛機（Moving Airplane，MA）參考框架。三種顯示樣式包括：命令顯示樣式（Command display formats，CMD）、狀態顯示樣式（Conditional display formats，CON）、形象化顯示樣式（Pictorial display formats，PAS）。并由此組成六種搭配方案，具體說明如下。

2.1 兩種參考框架

MH參考框架在顯示界面上的人造地平線與飛行員在駕駛艙中的視野相一致（Roscoe，Corl，&Jensen，1981）[8]，而MA參考框架則保持人造地平線不動，人造飛機圖標的移動與飛行員手部運動狀態一致（Yamaguchi&Proctor，2010）[9]。兩種參考框架各有優缺點，MH參考框架可保證顯示器上的移動地平線與飛行員觀察到的實際運動相一致，但不能保證手部運動與飛機運動狀態相一致（Previc&Ercoline，1999）[10]，MA與之相反。以往研究院對兩種框架的研究結果并未得到統一意見。

2.2 三種顯示樣式

命令顯示樣式（CMD）是指在飛行員操縱飛機之前得到指令，告知其應該恢復的期望姿態（Wickens et al，2007）[11]。當飛機進入復雜狀態需要改出時，飛行員從飛行姿態顯示界面上得到的是能直接指導其如何恢復的命令顯示。而狀態顯示樣式（CON）屬于傳統顯示樣式，只顯示當前飛機的狀態信息。形象化顯示樣式（PAS）是一種新型的顯示樣式，通過3D立體透視圖形的飛機符號來表示當前飛機滾轉與傾斜，更加直觀立體的吧飛行姿態信息呈現給飛行員。

有研究顯示，將狀態顯示樣式（CON）與MA參考框架相結合比與MH參考框架相結合更加的能提高被試的反應時間與正確率。也有研究表明在恢復俯仰狀態過程中，命令顯示樣式（CMD）搭配MA參考框架所需的注意力分配要高于MH參考框架的搭配（Lee&Myung，2013）[12]。顯示樣式與參考框架的討論仍未得到一致結果，本文通過人因工程學研究方法對各種搭配進行分析對比，由此將兩種參考框架與三種顯示樣式結合得到六種搭配方案，如表1。

表1 參考框架與顯示樣式的搭配方案

3 施耐德曼八項黃金法則評估六種搭配方案

施耐德曼的八項黃金法則屬于人因工程學研究方法中對界面評估的一種啟發式分析。雖然其方法的信度、效度與客觀性較差，但其操作簡單，輸出結果很有意義，可貫穿于整個設計過程中，并且耗費的時間較少可較好的應用于界面分析中。

施耐德曼的八項黃金法則包括：謀求一致性;操縱便捷性;提供明確反饋;設計對話以構成閉環;提供簡單的差錯處理;易于撤銷操作;支持用戶內在控制;減少短時記憶負擔。根據如上八項黃金法則評價飛行姿態顯示界面的六種搭配，如表2所示。

4 小結

目前飛機駕駛艙的飛行姿態顯示設計在大部分民機中已經成熟，但在無人機、軍用機中還未有明確的規定，仍需要根據各機型功能的不同選擇飛行姿態顯示界面。本文通過施耐德曼八項黃金法則評價了六種不同的飛行姿態顯示界面，發現命令顯示樣式的各項指標表現較好，但在具體設計過程中還要考慮不同的框架，從而給駕駛員最好的人機交互體驗。未來可以采用更多的人因工程學方法分析不同的飛行姿態顯示設計，根據不同的需求選擇出最恰當的設計原則，為民航發展提供一定的參考依據。

參考文獻

[1]羅燕.駕駛艙照明設計與分析[J].電子測試，2013（15）：27-30.

[2]羅曉利，陳德賢等.人因工程學研究方法[M].西南師范大學出版社.

[3]田鋼，等.基于逆向工程方法的A380人因工程學設計原理研究[D].四川：中國民航飛行學院，2013.

[4]王麗，等. 顯示器布局對人的視覺識別能力影響的研究[D]. 北京：北京航空航天大學，2003.

[5]張燕軍.民機駕駛艙工效若干關鍵技術研究[D].南京航天航空大學，2014.

[6]陳宏玉.無人機飛行姿態顯示界面設計對恢復異常飛行姿態操作的影響[D].西安：陜西師范大學，2018.

[7]Department of Defense.MIL-STD-1472F-1999 Department of Defense design criteria standard[S].USA：Department of Defense，1999.

[8]Schneidermans Eight Golden Rules;Schneiderman，1998

[9]Johnson，S.L，&Roscoe，S.N.（1981）.What moves， the airplane or the world？ Human Factors，14（2），107.

[10]Lee，B.G，&Myung，R.（2013）.Attitude Indicator Design and Reference Frame Effects on Unusual Attitude Recoveries. International Journal of Aviation Psychology，23（1），63-90.

[11]Previc， F.H，&Ercoline， W.R.（1999）.The outside-in attitude display concept revisited.International Journal of Aviation Psychology，9（4），377-401.

[12]Wickens，C.D，Self，B.P.Andre，T.S，Reynolds，T.J，Small，R.L.（2007）.Unusual Attitude Recoveries With a Spatial DisorientationIcon.International Journal of Aviation Psychology，17（2），153-165.