張之勇, 郭孜政, 譚永剛, 劉玉增, 楊京帥

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031; 3. 四川警察學(xué)院 道路交通管理系, 四川 瀘州 646000; 4.長安大學(xué) 汽車學(xué)院, 陜西 西安 710064)

高速、封閉的運(yùn)行環(huán)境，自動(dòng)、信息化的作業(yè)方式，使動(dòng)車組司機(jī)單位時(shí)間的作業(yè)負(fù)荷量大幅增加，因此司機(jī)對顯控界面文字信息識別效率與準(zhǔn)確性成為影響司機(jī)作業(yè)可靠性的關(guān)鍵因素之一。針對動(dòng)車組顯控界面漢字字符特征(漢字字體、字符復(fù)雜度)對司機(jī)識別效率的影響性進(jìn)行研究，對于優(yōu)化動(dòng)車組顯控界面設(shè)計(jì)、提高動(dòng)車組人機(jī)交互效率具有重要理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者就顯控界面物理特征對識別效率影響性研究可劃分為以下3類：(1)顯控界面字符密度對識別效率影響性研究，文獻(xiàn)[1]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了顯控界面字符行/列距對作業(yè)者識別效率的影響性，文獻(xiàn)[2]則在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對顯控界面的英文字符列距與識別效率間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，李永建則在定義顯控界面字符密度的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)識別效率與顯控界面字符密度呈倒U型關(guān)系[3]；(2)顯控界面字符與背景色彩匹配對識別效率的影響性，文獻(xiàn)[4]證實(shí)了界面色彩組合對作業(yè)者識別效率的影響性，郭孜政、李永建等人則針對動(dòng)車組顯控界面，研究了不同背景色、前景色及前景色與背景色組合對動(dòng)車組司機(jī)識別效率影響性，并給出了一些動(dòng)車組顯控界面的色彩設(shè)計(jì)原則[5-6]； (3)控字符大小對識別效率的影響性[7-8]，文獻(xiàn)[9]針對文字閱讀，研究了英文字符大小對閱讀速度的影響，隨后CHUNG等人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)英文字體大小對視覺識別效率的影響性是有限的，當(dāng)字體增大到一定程度時(shí)讀取速度不再增加[10]，郭孜政、李永建等人則針對動(dòng)車組顯控界面，采用回歸分析，構(gòu)建了字體大小與識別效率(反應(yīng)時(shí))間的函數(shù)。

上述研究從不同角度豐富了顯控界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但較少關(guān)注漢字特征(漢字字體、復(fù)雜度)對識別效率的影響性[11]。此外，現(xiàn)有國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，僅對工程制圖[12]、印刷[13]等行業(yè)的字體選用給出了標(biāo)準(zhǔn)要求，但對信息顯控界面字體要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則尚未制定。因此,本研究擬在模擬動(dòng)車組顯控界面各項(xiàng)物理特征的基礎(chǔ)上，對動(dòng)車組顯控界面漢字字體、復(fù)雜度對司機(jī)識別效率的影響性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為動(dòng)車組顯控界面漢字字體選擇及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 被試對象選擇

招募中國鐵路總公司動(dòng)車組司機(jī)培訓(xùn)班學(xué)員10名作為被試，10名學(xué)員均大專以上學(xué)歷，年齡20～25周歲，無睡眠及精神類疾病。同時(shí)，所選被試者先前均未接觸過同類實(shí)驗(yàn)，無色盲、色弱，矯正視力在1.0以上，且均為右手利。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境

為了與實(shí)際動(dòng)車組作業(yè)環(huán)境相似，采用動(dòng)車組使用的日本SHARP公司LQ104V1DG11型10寸TFT真彩液晶顯示器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。該顯示器的具體規(guī)格參數(shù)為，顯示面積212 mm×158 mm，分辨率640×480，亮點(diǎn)直徑0.33 mm，亮度300 cd/m2，背光燈電源頻率35 kHz。

對象采用E-Prime2.0編制實(shí)驗(yàn)程序，該程序可自動(dòng)給被試對象呈現(xiàn)漢字刺激，同時(shí)記錄被試對象反應(yīng)時(shí)。程序運(yùn)行計(jì)算機(jī)CPU主頻2.5 MHZ，內(nèi)存1 GB，操作系統(tǒng)為win7、64位，系統(tǒng)整體計(jì)時(shí)誤差不大于10 ms。

由于聽覺對視覺具有干擾性，為模擬實(shí)際動(dòng)車組作業(yè)環(huán)境，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在封閉隔音室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)播放事前錄制好的動(dòng)車組司機(jī)駕駛室背景噪聲音頻文件(自由聲場，被試外耳處聲壓級70 dB)，溫度控制在23±2℃，照度為750 lx，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為上午9:00～10:00。

1.3 實(shí)驗(yàn)變量及因素水平的確定

本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察動(dòng)車組顯控界面漢字字體、漢字復(fù)雜度2項(xiàng)字體特征對動(dòng)車組司機(jī)識別效率的影響性。結(jié)合動(dòng)車組顯控界面的實(shí)際特征，確定上述2項(xiàng)因素的實(shí)驗(yàn)水平。字體選取方正舒體、華文行魏、方正姚體、黑體、華文行楷、華文隸書、楷體、隸書、宋體、幼圓10種漢字常見字體。

以漢字筆畫數(shù)作為漢字復(fù)雜度測評量，對LKJ、ATP顯控界面固定信息顯示漢字使用頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出常用漢字筆畫數(shù)主要分布在5～16劃之間(約占常用漢字總體的74.3%)，考慮到對該區(qū)間漢字的代表性，最終選取6劃(代表5劃、7劃)，9劃(代表8劃、10劃)，12劃(代表11劃、13劃)，15劃(代表14劃、16劃)4種復(fù)雜度水平。

實(shí)驗(yàn)靶材選取中，為了能夠更好觀測不同字體對識別效率的影響性，對于特定的復(fù)雜度，選取形體上較為接近的4組常見漢字作為測試靶材，具體實(shí)驗(yàn)靶材選取如表1所示。

表1 不同復(fù)雜度的測試靶材

基于上述實(shí)驗(yàn)變量的選取及變量水平的劃分，采用10×4被試內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，字體類型與漢字復(fù)雜度構(gòu)成40種組合條件，每種組合條件下每個(gè)被試重復(fù)測量27次。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)整體分為2個(gè)階段，第1階段為練習(xí)階段，練習(xí)次數(shù)為27次，其目的為使被試對象充分理解實(shí)驗(yàn)過程，并使被試對象逐步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。第2階段為正式實(shí)驗(yàn)階段，每名被試對象需在40種條件組合下完成測試1 080次。

(2) 1次測試(一種特定組合條件)的實(shí)施過程

Step1被試對象端坐于顯示器前，固定頭部位置，保證眼睛至顯示器中心點(diǎn)處距離為70 cm；

Step2顯示器屏幕為黑色背景，屏幕中央呈現(xiàn)白色十字交叉標(biāo)記(白色)，視角為0.76 mm×0.80 mm，該十字標(biāo)持續(xù)500 ms，隨后消失；

Step3十字標(biāo)消失后，立刻呈現(xiàn)一個(gè)漢字(該漢字從復(fù)雜度測試靶材庫中隨機(jī)抽取)，要求被試看清漢字后，立即點(diǎn)擊空格鍵確定，系統(tǒng)自動(dòng)記錄反應(yīng)時(shí)(反應(yīng)時(shí)記錄的時(shí)間為從漢字出現(xiàn)至空格鍵被點(diǎn)擊間時(shí)長)。要求被試在靶材漢字出現(xiàn)后的1 000 ms內(nèi)點(diǎn)擊空格，進(jìn)行確認(rèn)反應(yīng)，若無反應(yīng)則本次測試數(shù)據(jù)作廢，且系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)測試；

Step4若被試對象在1 000ms內(nèi)點(diǎn)擊空格鍵，則呈現(xiàn)漢字選擇確認(rèn)界面，屏幕呈現(xiàn)9個(gè)漢字，每個(gè)漢字旁帶有編碼，要求被試從所呈現(xiàn)的漢字中選擇出剛才看到的漢字，并用小鍵盤輸入與該漢字對應(yīng)的編號，輸入完成后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一測試中。 一次測試實(shí)施過程見圖1。

Step5循環(huán)Step 2～Step 4的步驟，直至所有測試結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

本次實(shí)驗(yàn)共有被試對象10人，每人在特定條件下重復(fù)測試27次，共有40種組合條件，故共采集數(shù)據(jù)10 800個(gè)。剔除錯(cuò)誤率大于5%的被試數(shù)據(jù)(3人)。為避免極端值對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，對每種特定條件的一組數(shù)據(jù)剔除大于2.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異常數(shù)據(jù)，最終得到有效測試數(shù)據(jù)7 239個(gè)，若按復(fù)雜度分類，并對10種字體分別編號(方正舒體(1)、華文行魏(2)、方正姚體(3)、黑體(4)、華文行楷(5)、華文隸書(6)、楷體(7)、隸書(8)、宋體(9)、幼圓(10))，則其整體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布特征見圖2，圖2中的P25等為百分位數(shù)據(jù)，對應(yīng)的“+”、“-”為圖中該數(shù)據(jù)的位置。其中上、下截止線“-”對應(yīng)的為最大值和最小值，即P100和P0；“+”對應(yīng)的是50百分位數(shù)；中間的箱型上下邊界線分別對應(yīng)上下4分位數(shù)，即P75和P25。

2.2 字體、復(fù)雜度2因素主效應(yīng)及其交互作用分析

本次實(shí)驗(yàn)著重考察字體、復(fù)雜度2因素及其交互作用對動(dòng)車組司機(jī)識別效率的影響性，因此采用ANOVA方法，對預(yù)處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以計(jì)算分析(顯著性水平0.05條件下)，得到字體、復(fù)雜度，及其交互作用方差分析表，見表2。表中第1列為方差檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來源；第2列為離差平方和；df為自由度；第4列為均方差，為離差平方和與自由度的比值；F為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；P為顯著性水平。

表2 字體、復(fù)雜度及其交互作用

基于表2可得出以下3點(diǎn)結(jié)論:(1)漢字字體因素的主效應(yīng)顯著(F=17.981，P<0.05),故可知顯控界面不同的漢字字體對司機(jī)識別效率具有影響性；(2)復(fù)雜度因素的主效應(yīng)顯著(F=29.895，P<0.05),故可知顯控界面漢字不同復(fù)雜度對司機(jī)識別效率具有影響性；(3)字體與復(fù)雜度交互作用對識別效率的影響性不顯著(F=2.304，P>0.05),故可知字體與復(fù)雜度間不存在交互作用。

2.3 同一因素不同水平間差異性對比

通過前節(jié)對2類因素不同水平間的方差分析證實(shí)了字體與復(fù)雜度對動(dòng)車組司機(jī)識別效率具有影響性，但是還需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行字體與復(fù)雜度2因素不同水平間(字體8種水平，復(fù)雜度5種水平)兩兩對比分析，以確定造成這種差異的水平值。

對方正舒體(1)、華文行魏(2)、方正姚體(3)、黑體(4)、華文行楷(5)、華文隸書(6)、楷體(7)、隸書(8)、宋體(9)、幼圓(10)十種字體，以及6劃、9劃、12劃、15劃4種復(fù)雜度，分別采用Tukey-HSD方法進(jìn)行兩兩對比，計(jì)算結(jié)果見圖3。

由圖3(a)中數(shù)據(jù)可以得出黑體、宋體2種字體間差異性不顯著(P>0.05，P=0.426)，即黑體、宋體兩種字體間識別效率無差異；方正舒體、華文行楷2種字體間差異性不顯著(P>0.05，P=0.213)；華文行魏(2)、方正姚體(3)、華文隸書(6)、楷體(7)、隸書(8)、幼圓(10)這6種字體間差異性不顯著(P值均大于0.05)。基于上述分析可將10種字體劃分為3個(gè)集合A1={黑體、宋體}，A2={方正舒體、華文行楷}，A3={華文行魏、方正姚體、華文隸書、楷體、隸書、幼圓}，集合內(nèi)各字體間識別效率無差異，集合間識別效率存在差異。對集合內(nèi)字體識別效率計(jì)算其平均反應(yīng)時(shí)，其結(jié)果見表3。

表3 不同字體分組的平均反應(yīng)時(shí)間

基于表3可以得出以下結(jié)論，黑體、宋體的反應(yīng)時(shí)最短，應(yīng)當(dāng)作為動(dòng)車組顯控界面字體選擇的首選字體集；華文行魏、方正姚體、華文隸書、楷體、隸書、幼圓的反應(yīng)時(shí)次之，可作為動(dòng)車組顯控界面的備選字體集；方正舒體、華文行楷的反應(yīng)時(shí)較長，動(dòng)車組顯控界面字體選擇時(shí)應(yīng)盡量避免。

同時(shí)，由圖3(b)中數(shù)據(jù)可以得出6劃漢字與9劃、12劃、15劃漢字間反應(yīng)時(shí)存在差異(P值均小于0.05)；9劃、12劃、15劃漢字間反應(yīng)時(shí)無差異(P值均大于0.05)。因此可將動(dòng)車組顯控界面常用漢字劃分為B1={6劃}，B2={9劃、12劃、15劃}2組。

分別計(jì)算B1組平均反應(yīng)時(shí)為422 ms，B2組平均反應(yīng)時(shí)為436 ms。由前述可知，漢字復(fù)雜度選擇時(shí)充分考慮了各類復(fù)雜度的均勻抽取及對顯控界面常見漢字分布的代表性，因此可以推斷漢字復(fù)雜度對司機(jī)識別效率具有影響，漢字識別效率隨復(fù)雜度增加而降低，但當(dāng)漢字復(fù)雜度達(dá)到9劃后，這種影響趨于平緩。

3 結(jié)束語

本研究以正確復(fù)雜反應(yīng)時(shí)為識別效率指標(biāo)，針對動(dòng)車組顯控界面設(shè)計(jì)中，漢字特征(漢字字體、復(fù)雜度)對動(dòng)車組司機(jī)視覺識別效率影響性問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到以下3項(xiàng)結(jié)論：

(1) 顯控界面不同漢字字體對司機(jī)識別效率具有影響性，漢字復(fù)雜度對司機(jī)識別效率具有影響性，但字體與復(fù)雜度間不存在交互作用。

(2) 常用漢字字體中，黑體、宋體的反應(yīng)時(shí)最短(平均426 ms)，應(yīng)當(dāng)作為動(dòng)車組顯控界面字體選擇的首選字體集；華文行魏、方正姚體、華文隸書、楷體、隸書、幼圓的反應(yīng)時(shí)次之，可作為動(dòng)車組顯控界面的備選字體集(平均433 ms)；方正舒體、華文行楷的反應(yīng)時(shí)最長(平均反應(yīng)時(shí)444 ms)，動(dòng)車組顯控界面字體選擇時(shí)應(yīng)盡量避免。

(3) 漢字識別效率隨漢字復(fù)雜度增加而降低，但當(dāng)漢字復(fù)雜度達(dá)到9劃后，這種影響趨于平緩。

本文研究結(jié)果可為動(dòng)車組顯控界面設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。今后將進(jìn)一步研究針對動(dòng)車組顯控界面色彩干擾下漢字字符特征對司機(jī)識別效率的影響。

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