基于CPDLC 空管人機交互界面的改進方法研究

胡姍姍 HU Shan-shan；張杰 ZHANG Jie；霍文博 HUO Wen-bo；張天成 ZHANG Tian-cheng

（中國民用航空飛行學院空中交通管理學院，廣漢618307）

0 引言

隨著當代民航技術的飛速發展，空管新技術已成為民航各領域和航空公司關注的焦點內容。CPDLC 作為現有的民航空管新技術，是數據鏈技術在現代空中交通管制中最為廣泛的應用。采用DATA LINK 通信技術可以解決傳統無線電語音方式進行信息傳送存在的一些問題。但是，目前設計的DATA LINK 系統存在一些人機界面問題需要解決，特別在CPDLC 通信中，不合理的人機界面會嚴重影響CPDLC 在飛行任務中的使用。因此，針對這些缺陷，本文主要旨在對現有的CPDLC 空管人機交互界面進行改進。

為改進現有的CPDLC 空管人機交互界面，首先需要找出影響管制員工作負荷的因子，基于影響因子建立管制員與CPDLC 交互的評價模型。根據影響因子和所建立的模型，設計與改進空管人機交互界面，使其更容易被管制員所接受，從而可以提升管制效率，降低工作負荷。

1 管制員工作負荷的影響因子

1.1 管制工作的復雜程度

工作負荷過高的原因主要是空中交通管制工作的復雜性造成的，主要有協調因素、地理因素、特別空域、高度改變因素、相遇因素等。而主要影響空中交通管制工作量或者工作復雜程度的因素有扇區的物理特性、穿梭空域空中交通聯系等綜合因素[1]。

1.2 管制工作能力和素質的要求

對于空中交通管制員的工作效率要求，空中交通管理相關規章制度[2]都有明確規定：管制員應具備的能力：①具有較強的專業性；②能夠承擔很大的安全工作壓力；③應變突發事件的能力。管制員應具備的素質：①較強的責任意識；②較強的心理；③較強的團隊協作。這些對管制員的硬性要求也對管制員的工作負荷產生影響。

1.3 管制工作環境

管制員的工作負荷會受到管制環境的影響。而管制工作環境會對管制員的生理心理產生影響，在管制員工作負荷研究當中，引入了行為科學和生理科學的概念，研究管制員的各項生理行為指標。然后在不同交通特征中，來分析和測量這些參數的變化，最后進行統計和歸納，從而獲取管制員工作負荷與生理行為方面的關系。

1.4 管制設備的可控性

管制設備的易操作程度可減小管制員的工作難度，從而間接減少管制員的工作負荷[3]。基于管制員的CPDLC 人機交互界面就是管制設備之一，它的優化對降低管制員的工作負荷起著關鍵性作用。

交互界面對管制員工作負荷的影響因子可分為以下四點：

①操作時長與操作效率。操作耗時長，效率較低。

②交互信息與指令的具體程度。信息分類過多過細有些分類不合理，若信息過于復雜，會增加管制員的工作難度，若應答內容過于簡單，則會限制雙方交流的操作流程。交互信息與指令的顯示需要簡明扼要。

③界面布局與可控按鍵的設計合理性。無論是信息顯示界面還是指令操作界面，布局的好壞以及可控按鍵的設計合理性都對管制員視覺舒適度起著關鍵性作用，而視覺舒適度又和管制員的工作負荷息息相關。

④交互系統的可操作性和各別子系統的簡便程度。界面切換或者相關性息的提供能否做到及時、準確，面對不同特殊情況的發生，交互界面提供給管制員的指令是否全面，這些都會對管制員的工作負荷造成影響。

2 管制員與CPDLC 交互的評價模型

根據上文的研究可知，人機交互界面對管制員工作負荷的影響因子有：

①操作時長與操作效率；

②交互信息與指令的具體程度；

③界面布局與可控按鍵的設計合理性；

④交互系統的可操作性和各別子系統的簡便程度。SHEL 模型[4]如圖 1 所示。

圖1 SHEL 模型

1972 年，愛德華教授首次提出了安全工作中“人”所處的特定系統界面的原理，組成這個界面的元素包括：軟件（Software）、硬件（Hardware）、環境（Environment）和人（Liveware），分別用其首字母 S、H、E、L 來代表，這四個元素組成的模型即是SHEL 模型。

由于界面間的元素不匹配而出現的差錯，可以對人的誤差進行分析。

差錯容易發生在處在中心位置的人與硬件，軟件，環境及其它人之間的接點上。模型形象地描繪了現代生產的脆弱環節，對于安全工作有直接的指導作用；而且所描述的界面不僅僅存在于一線，生產組織的各個層次都有類似界面，所以模型具有普遍意義。

人機交互界面的設計涉及到軟件、硬件、人之間的聯系，例如，管制界面的優化會給管制員帶來更好的工作體驗，從而管制員的工作負荷也能得到有效降低，而管制員的指揮很大程度上是基于人機交互，簡便的管制界面使用實施的，這些都對應于SHEL 模型中軟件硬件與人之間相互影響，共同進步。

結合SHEL 模型，分析評估人機交互界面設計的合理性可分為四個方面：

①顯示設計。即人機交互界面各板塊的布局。

②軟件設計。一是系統的可操作性，即指令發布的形式。二是系統的具體程度，即發布的指令的具體程度。三是系統的簡便程度，即發布指令的操作流程。[5]

③硬件設計。一是選擇組件。二是輸入組件。三是按鍵的合理性。

④操作設計。完成操作的影響因素可分為操作效率（完成一個完整操作所用的時間）及自動化程度。

根據以上四個方面及其影響因素，建立以下人機交互界面設計合理性的評價模型如表1。

表1 人機交互界面設計合理性的評價模型

人機交互界面在信息顯示上應盡量保證各板塊的易讀性，每個板塊的拓展性，板塊之間分布的合理性以及所提供信息的必要性。在軟件與系統的設計上應使用較便捷可靠的指令發布形式，保證系統的可操作性。指令應包含需要的位置信息與機動要求。軟件設計上應考慮系統的簡便程度，降低管制員不必要的工作負荷并避免出現歧義。硬件設計上應遵循簡便可靠的原則設計選擇與輸入組件，并考慮按鍵的合理性。操作設計上應提高操作效率，減小操作時長，并提高系統的自動化程度以減小管制員的工作負荷。

3 改進的CPDLC 空管自動化人機交互界面

3.1 顯示設計的改進

改進的CPDLC 空管自動化人機交互界面的顯示部分如圖2 所示。

圖2 中板塊①為電子進程單界面；板塊②為管制雷達顯示界面；板塊③為指令通信界面；板塊④為航路點信息顯示界面[6]；板塊⑤為區域環境信息顯示界面；板塊⑥為飛行計劃信息界面。

圖2 改進的CPDLC 空管自動化人機交互界面

3.2 軟件設計的改進

電子進程單界面可顯示所有計劃的航班信息，通過選中某一進程單，可在板塊②上特殊顯示該航班位置。

管制雷達顯示界面[7]可顯示管制范圍及周邊一定范圍內的航空器及其重要信息、航路及航路點、各種重要區域及事件等，通過選中某一航空器，可進行對該航空器的進一步操作。

指令通信界面[8]可對板塊②中任意一架選中的航空器發送指令，通過下拉菜單中的指令集選擇指令，確認后回車發送指令。點擊按鍵進行語音通信或檢查。點擊其他可選擇其余的指令集或鍵入指令進行發送。由自動化系統根據報文要求[9]編輯發送。

航路點信息顯示界面可查看板塊②中任意一架選中航空器的航路點信息，航空器在各航路點預計時間內的通過情況將顯示在該界面，對于一定時間內未通過某一航路點的航空器，板塊②中會進行著重提醒顯示，并播報警告音，以提醒管制員處理。

區域環境信息顯示界面[10]可顯示板塊②中任意一架選中航空器周圍的各種信息，包括氣象信息、航路及航路點信息、限制空域信息等。

飛行計劃信息界面可顯示板塊②中任意一架選中航空器的飛行計劃信息，包括航班呼號、機型、尾流等級、起飛機場與目的地機場、航空公司、航程、起飛時間與預達時間、預計飛行時間、航路點信息等。

3.3 硬件設計的改進

該系統在需要交互的硬件上由屏幕、鼠標、鍵盤[11]、耳機、話筒等組成。

屏幕為顯示組件，顯示該CPDLC 空管自動化人機交互界面。

鼠標為選擇組件，可單擊左鍵選擇交互界面中的某一元素。其中，長按右鍵，可以對選中的某一航空器進行快速語音通信。

鍵盤為輸入組件，可通過鍵盤進行鍵入操作。

耳機和話筒為話音組件，可接受與發送話音數據。

3.4 操作設計的改進

該交互界面中的板塊①、板塊②為選擇界面，可通過單擊鼠標左鍵選中任意一架航空器，也可同時按下CTRL+鼠標左鍵選擇多架航空器同時發布指令。

該交互界面中的板塊③為指令發布界面。可通過鍵入指令或指令集選擇指令等對選中的航空器發布指令、進行話音通信、進行檢查等。

該交互界面中的板塊②、板塊④、板塊⑤、板塊⑥為信息顯示界面。各板塊顯示選中航空器的具體信息。為管制員提供信息參考，提高情景意識。

對于有沖突或可能發生沖突的航空器，板塊②將著重提醒并播報警告音。對于進入或即將進入危險區、禁區、限制區或危險氣象條件的航空器，板塊②將著重提醒與播報警告音并彈出關閉提醒的選項框。對于以上各種情況，該系統會在板塊②中顯示出最優路徑，并在板塊③中提供最優指令以供管制員參考與選擇。

4 對改進的CPDLC 交互界面的評估

4.1 使用評價模型對改進的交互界面進行評估

顯示設計：界面的板塊布局易讀性高、拓展資源充分體現、合理性高、所提供信息的必要性高。

軟件設計：在系統的可操作性（指令發布形式）方面，語音指令、鍵入指令以及指令集選擇指令全面簡潔。在系統的具體程度方面，飛機機動起始位置信息、要求到達的位置信息、機動過程中的飛行要求全部簡明扼要。在系統的簡便程度（操作流程）方面，輸入方便，快速、界面直觀易懂、可表達的內容豐富、指令意思的完整表達，很少出現歧義。

硬件設計：在選擇組件方面，鼠標選擇、按鍵選擇、觸摸選擇均操作簡易且不易出錯。在輸入組件方面，鍵盤輸入、觸摸輸入均方便快捷且沒有相互沖突。在按鍵合理性方面，按鍵分布十分合理，邏輯合理性高。

操作設計：操作效率高，完成一個指令操作所需要的時間少，自動化程度高，計算機自動化有效減少了管制員工作負荷。

4.2 結論

改進的CPDLC 交互界面相比于現有的交互界面，在各個方面其界面性能都有顯著提升。

5 小結

本文通過對現有的空管人機交互界面的整體考察與研究，總結現有人機交互界面的缺陷和漏洞，挑選出在能力范圍內可改進的缺點，并對其進行相關的改進。本文所提出的管制員人機交互界面，結合了管制員工作負荷的影響因子，并充分利用SHEL 模型的理論知識，進一步優化了交互的流程，使得交互更加便捷。將改進的CPDLC 交互界面與現有的交互界面進行比較、評估，得到優化效果顯著的改進的CPDLC 交互界面。本研究所提出的改進的CPDLC 空管人機交互界面可應用于現有的管制員人機交互界面中，這將進一步促進智慧民航的發展，為我國未來民航的方向提供有效的應用依據。