白杰 王曼

摘要：為探究平視顯示器（HUD）不同告警位置對飛行員任務(wù)績效、腦力負(fù)荷和注意力分配的影響，招募15名被試人員開展不同告警位置下被試內(nèi)單因素設(shè)計的試驗(yàn)任務(wù)，以被試的任務(wù)績效、眼動指標(biāo)為因變量，綜合各項評估指標(biāo)分析結(jié)果表明，告警位置應(yīng)選擇高度興趣域，其次為姿態(tài)興趣域。當(dāng)告警位于航向興趣域時，被試的任務(wù)績效最差，腦力負(fù)荷大并且注意力分配比例較少，表明航向興趣域的位置不適于告警顯示。本次試驗(yàn)結(jié)果可為HUD告警設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：平視顯示器；告警；位置；任務(wù)績效；態(tài)勢感知

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

0 引言

HUD是誕生于20世紀(jì)50年代并應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)上的一種航行新技術(shù)，20世紀(jì)70年代作為主要顯示器應(yīng)用于民用運(yùn)輸機(jī)[1]。HUD的應(yīng)用使得飛行員可以持續(xù)地觀察外部環(huán)境，無需在關(guān)鍵操作時將視覺注意力從現(xiàn)實(shí)世界轉(zhuǎn)移到儀表盤上[2]。

作為主要飛行顯示器的HUD呈現(xiàn)的是基本飛行信息，其中告警信息對于飛行安全至關(guān)重要。早在1977年J. E.Veitengruber在研究中指出新一代商用運(yùn)輸機(jī)飛行員敦促美國聯(lián)邦航空局開發(fā)告警系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以便減少告警系統(tǒng)在新一代飛機(jī)上出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢[3]。

雖然HUD的使用可以幫助飛行員提高飛行安全，但在應(yīng)用過程中仍然存在問題。Ververs發(fā)現(xiàn)飛行員在使用HUD時容易受到認(rèn)知隧道的影響，使飛行員不自覺地專注某一個信息而犧牲其他信息，導(dǎo)致飛行安全性降低[4]。Bai Ling在研究中指出單色HUD態(tài)勢感知差，不利于信息獲取，尤其不利于預(yù)警、異常等關(guān)鍵信息的獲取，指出使用視覺編碼有助于飛行員的信息認(rèn)知[5]。SAE ARP5288中提出告警信息的顯示應(yīng)適當(dāng)使用閃爍、輪廓框、亮度和位置等視覺編碼，以此來強(qiáng)調(diào)告警信息的顯示。告警顯示位置對于飛行員任務(wù)績效、腦力負(fù)荷和注意力分配有著重要意義。MILSTD 1472F表明，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)使用位置編碼可以減少信息搜索時間[6]。

眾多學(xué)者對于使用位置編碼來幫助飛行員獲取告警信息的方法進(jìn)行了研究。David J.Sheehan以HUD告警位置為研究對象，記錄分析飛行員對不同告警位置的平均反應(yīng)時、遺失率和主觀評價，選擇出了對飛行員任務(wù)績效、腦力負(fù)荷和注意力分配較好的位置[7]，Omer Tsimhonl在以反應(yīng)時間、告警檢測率為因變量探究不同告警位置下的反應(yīng)時間和告警檢測率時發(fā)現(xiàn)，HUD告警位置決定了告警反應(yīng)時間和告警檢測率，并且告警反應(yīng)時間越短告警檢測率越高[8]。由此可知信息顯示位置的不同對飛行員任務(wù)績效有較大影響。

本試驗(yàn)以David J.Sheehan實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。首先對HUD飛行信息進(jìn)行劃分，再結(jié)合MILSTD-1472F和AC25.1322[9]條款中對HUD告警信息顯示的設(shè)計要求，分別在不同飛行信息區(qū)域確定一個告警位置進(jìn)行試驗(yàn)，探究不同告警位置對飛行員任務(wù)績效、腦力負(fù)荷和注意力分配的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用裝有P3D模擬飛行軟件的飛行仿真實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行模擬飛行，如圖1所示。采用SMART EYE PRO7.0校準(zhǔn)眼部坐標(biāo)（見圖2），Smart Recording記錄眼動軌跡，MAPPS2018導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，告警綜合控制器控制告警位置和記錄反應(yīng)時間，攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過程，HUD界面投影在分辨率為1920×1080的BenqMH520H投影儀上。

1.2 被試對象

招募15名中國民航大學(xué)研究生和老師作為被試對象，其中男性13名，女性2名，年齡在20～30歲之間，右利手，視力或矯正視力正常。要求被試對象試驗(yàn)前24h不能食用刺激性食物且保證充足的睡眠（至少8h）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)采用單因素被試內(nèi)設(shè)計，即告警位置因素，被試內(nèi)設(shè)計方法相對于被試外設(shè)計方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)間的微小差異更加敏感[10]，視覺追蹤腦力負(fù)荷測定采用雙任務(wù)測量法[11]，主任務(wù)為飛行操作，次任務(wù)為響應(yīng)告警。為消除試驗(yàn)順序及疲勞對試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用拉丁方試驗(yàn)編排[12]。試驗(yàn)位置如圖3所示。試驗(yàn)自變量為告警位置，因變量為任務(wù)績效測量指標(biāo)和眼動測量指標(biāo)。

任務(wù)績效指標(biāo)選取反應(yīng)時和遺失率。被試對象響應(yīng)不同位置告警的時間由告警綜合控制器記錄。參考David實(shí)驗(yàn)中的遺失標(biāo)準(zhǔn)[7]，響應(yīng)告警時間超過4s為遺失。

眼動指標(biāo)中瞳孔直徑直接反映被試的腦力負(fù)荷水平，Jackson Beatty發(fā)現(xiàn)瞳孔直徑可以用來衡量人們執(zhí)行任務(wù)時的腦力負(fù)荷[13]，Hess曾指出在解決算數(shù)問題的過程中瞳孔會擴(kuò)張，擴(kuò)張的程度與問題的難度大小有關(guān)系[14]。完顏笑如指出瞳孔直徑隨著腦力負(fù)荷的增加而擴(kuò)張[15]；注視點(diǎn)百分比反映了被試的注意力分配水平。通過分析各個興趣域注視點(diǎn)百分比可以獲得被試人員對各個興趣域的注意力分配比例[16]。在顯示區(qū)域搜索特定目標(biāo)時，第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域的時間也是度量人機(jī)界面合理性的一個重要指標(biāo)[17]。因此，本次眼動指標(biāo)選取瞳孔直徑、注視點(diǎn)百分比和第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域時間為測量指標(biāo)。

1.4 任務(wù)流程

研究發(fā)現(xiàn)飛行員在起飛爬升和巡航平飛階段的總腦力負(fù)荷明顯小于下滑著陸階段[18]，并且完成進(jìn)近著陸階段對于被試來說難度較大，故選取起飛爬升和巡航平飛階段為試驗(yàn)階段，由于起飛階段操作動作較多，故選取爬升和巡航為數(shù)據(jù)采集階段。試驗(yàn)開始前參考飛行手冊對被試人員進(jìn)行飛行操作培訓(xùn)，直至被試人員熟練掌握操作規(guī)范，理解顯示信息的含義，并且每名被試人員的熟練程度大致相同。校準(zhǔn)被試人員眼部坐標(biāo)，保證被試眼動數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確完整地被記錄下來。向被試人員宣讀試驗(yàn)注意事項后正式開始試驗(yàn)。飛行環(huán)境模擬天津?yàn)I海國際機(jī)場。

2 試驗(yàn)結(jié)果

采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對被試任務(wù)績效指標(biāo)和眼動數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行分析，確定不同告警位置之間的差異性。采用最小顯著差異（Least Significant Difference，LSD）以0.05置信度進(jìn)行事后檢驗(yàn)。

2.1 任務(wù)績效指標(biāo)測量結(jié)果

1）平均反應(yīng)時間

平均反應(yīng)時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。五個告警位置的平均反應(yīng)時間分別為3.994s、3.048s、2.575s、2.351s、2.256s。由圖4可知，位置5的平均反應(yīng)時間最長，位置1次之，位置4的平均反應(yīng)時間最短。事后檢驗(yàn)得出位置5與位置2、位置3、位置4的平均反應(yīng)時間之間具有顯著差異性（P<0.05），其余告警位置下的平均反應(yīng)時間之間均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。

2）遺失率

五個告警位置的遺失率分別為28.57%、14.28%、14.28%、7.14%和35.71%，對其進(jìn)行從大到小排序?yàn)?>1>2= 3>4。由圖5可知，位置5的遺失率最大，位置1次之，位置4的遺失率最小。

2.2 眼動指標(biāo)分析

1）瞳孔直徑

眼動指標(biāo)顯著性分析結(jié)果如表2所示。對五個告警位置的瞳孔直徑進(jìn)行分析，可得五個位置下的平均瞳孔直徑分別為2.71mm、2.041mm、1.976mm、1.776mm和2.945mm，由圖6可知，位置5的瞳孔直徑最大，位置1次之，位置4的平均瞳孔直徑最小。對不同告警位置下的瞳孔直徑進(jìn)行事后檢驗(yàn)，得出位置1與位置2、位置3、位置4下的瞳孔直徑具有顯著差異性（P<0.05），位置5與位置2、位置3、位置4下的瞳孔直徑具有顯著差異性（P<0.05）。位置1與位置5之間無顯著差異性（P>0.05）。位置2、位置3與位置4之間的平均瞳孔直徑無顯著差異性（P>0.05）。

2）注視點(diǎn)百分比

對不同告警位置所在興趣域的注視點(diǎn)百分比分析可得，五個告警位置所在興趣域注視點(diǎn)百分比分別為10.76%、23.79%、38.91%、12.17%和10.49%。由圖7可知，位置3所在興趣域的注視點(diǎn)百分比最大，其次為位置2，位置5所在興趣域注視點(diǎn)百分比最小。事后檢驗(yàn)得出，位置1、位置2、位置3注視點(diǎn)百分比兩兩之間具有顯著差異性（P<0.05），位置3與位置4和位置5注視點(diǎn)百分比均具有顯著差異性（P<0.05），其余告警位置之間的注視點(diǎn)百分比均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義。

3）第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域時間

第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域時間分別為 34.6s、12.23s、12s、12.93s、29.82s。由圖8可知，位置1的第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域時間最長，位置5次之，位置3所用時間最短，位置1所用時間最長。事后檢驗(yàn)得出，位置1與位置2、3、4處的第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域時間之間具有顯著差異性（P<0.05）。位置2、位置3與位置5之間具有顯著差異性（P<0.05）。其余位置之間所用時間均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 任務(wù)績效指標(biāo)分析

對任務(wù)績效指標(biāo)反應(yīng)時和遺失率進(jìn)行分析可知，位置2、3、4的平均反應(yīng)時短，遺失率小，任務(wù)績效較好，這與David J.Sheehan實(shí)驗(yàn)結(jié)果有相同趨勢，即飛行員對中間水平位置的反應(yīng)時更短，遺失率低，偏離中心越遠(yuǎn)位置的反應(yīng)時和遺失率越高[7]。位置5的平均反應(yīng)時最長，遺失率最大，任務(wù)績效最差。分析其原因可能為位置5存在視覺遮蔽現(xiàn)象，告警不易被察覺。對比中間位置2、3、4的任務(wù)績效，發(fā)現(xiàn)位置4的任務(wù)績效優(yōu)于位置2、3的任務(wù)績效，位置2的任務(wù)績效優(yōu)于位置3的任務(wù)績效，分析其原因可能為位置3在飛行過程中隨著姿態(tài)信息的移動容易引起信息混亂，導(dǎo)致位置3的任務(wù)績效差。這也與AC25.1322中對信息顯示設(shè)計所提出的關(guān)于信息顯示應(yīng)易于識別、不能引起混淆的要求相吻合[9]。而位置4與位置2相比，無其他飛行信息干擾，右側(cè)位置4的任務(wù)績效優(yōu)于位置2的任務(wù)績效。Omer Tsimhonl在研究HUD告警位置對駕駛員反應(yīng)的影響中發(fā)現(xiàn)相比于合適的告警位置，駕駛員更喜歡不與其他重要信息發(fā)生重疊的位置[8]。

3.2 眼動指標(biāo)分析

通過分析不同告警位置下的瞳孔直徑可知，當(dāng)告警出現(xiàn)在中間三個位置時，瞳孔直徑較小，被試腦力負(fù)荷較小，原因可能為被試者在中間告警位置分配的注意力較多，易于發(fā)現(xiàn)告警。當(dāng)告警出現(xiàn)在位置5時，存在視覺遮蔽現(xiàn)象，識別告警時瞳孔直徑變大，被試者承受的腦力負(fù)荷增大。對比中間的2、3、4位置發(fā)現(xiàn)，位置4的腦力負(fù)荷小于位置2與位置3的腦力負(fù)荷，分析其原因?yàn)槲恢?處的空白區(qū)域較多，被試者不用付出較大努力就能識別告警，由此可知2、3、4位置處的腦力負(fù)荷較小，位置5處的腦力負(fù)荷最大。對比不同告警位置所在興趣域的注視點(diǎn)百分比可知，位置2、3、4的注視點(diǎn)百分比約占總注視點(diǎn)的74.87%，位置1和5的注視點(diǎn)百分比分別為10.76%和10.49%，表明被試者的注意力主要分配在中間2、3、4位置?？偨Y(jié)瞳孔直徑和注視點(diǎn)百分比結(jié)果可知，中間三個位置處的態(tài)勢感知（SA）優(yōu)于其余兩個位置，位置5處的SA最差，其中位置3處的SA最優(yōu)，其次為位置4，最后為位置2。對第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域的時間進(jìn)行分析可知，中間三個位置的第一次到達(dá)目標(biāo)興趣域時間最小，且時間差較小，表明告警出現(xiàn)在中間位置更合理。

4 結(jié)論

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)得出如下結(jié)論：

1）從任務(wù)績效結(jié)果可知，當(dāng)告警信息位于航向興趣域時，被試任務(wù)績效最差，當(dāng)位于高度興趣域時的任務(wù)績效最優(yōu)，位于速度興趣域的告警位置的任務(wù)績效僅次于位于高度興趣域告警位置的任務(wù)績效。

2）從眼動指標(biāo)結(jié)果可知，告警位于姿態(tài)興趣域時SA較好，其次為高度興趣域，位于航向興趣域時的SA較差，偏航興趣域告警位置處的SA僅優(yōu)于航向興趣域。

3）綜合任務(wù)績效和眼動指標(biāo)得出，告警位置優(yōu)先選擇中間偏右的高度興趣域告警位置，其次為中間姿態(tài)興趣域告警位置，航向興趣域告警位置最不適于告警信息的顯示。

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