宮 宇， 邵 將

（中國礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

無人機操作界面是操作員與無人機傳遞和交互信息的媒介， 無人機操作員通過無人機操作界面進行信息交互來了解無人機進行農(nóng)業(yè)作業(yè)時的工作狀態(tài)，無人機操作員的態(tài)勢感知能力不僅僅涉及到認識效率問題， 更涉及到安全問題。因此，無人機的界面設(shè)計直接影響無人機操作員的工作效率。 而隨著數(shù)字媒體技術(shù)、自動化技術(shù)、顯示技術(shù)的成熟， 無人機的數(shù)字操作交互界面的視覺設(shè)計對系統(tǒng)人機工效的影響引起廣泛重視， 巨大的信息量對于地面的操作員來說，加重信息處理難度的同時，還容易導(dǎo)致決策失誤造成航空事故。 因此，本研究以某農(nóng)業(yè)無人機操作界面為例， 研究態(tài)勢感知理論應(yīng)用于界面交互設(shè)計的方法， 同時對于準確獲取界面信息提高操作員態(tài)勢感知能力，提高工作績效具有重要意義。 為農(nóng)業(yè)無人機等工程機械操作界面優(yōu)化設(shè)計提供一定參考。

1 相關(guān)理論研究

1.1 態(tài)勢感知

態(tài)勢感知理論在人機交互系統(tǒng)領(lǐng)域中是一個非常重要的研究部分， 其在航空領(lǐng)域的概念最早追溯于第一次世界大戰(zhàn)期間。 態(tài)勢感知（Situation Awareness）的定義最早由Mica Endsley 在1988 年的國際人因工程協(xié)會的年度會議上給出，即態(tài)勢感知是在特定的時間和空間范圍內(nèi)對周邊環(huán)境中各種要素的感知、理解，并以此來對它們隨后的狀態(tài)進行預(yù)測[1]。 Endsley 的研究將態(tài)勢感知分為三級，第一級是感知環(huán)境中的元素，第二級理解當前的情境，第三級是預(yù)測未來的狀況。 簡單來說，態(tài)勢感知是意識到周圍環(huán)境正在發(fā)生什么，并理解當前的信息以及未來會發(fā)生什么。

Endsley 描述了SA 的理論框架模型，如圖1 所示，將態(tài)勢感知的過程分為3 個層次， 第1 層是感知環(huán)境中的關(guān)鍵因素，第2 層是綜合理解這些因素的含義，特別是當與目標相結(jié)合時， 在最高的層次是預(yù)測系統(tǒng)在不久的將來會發(fā)生什么的狀況。 而界面設(shè)計的優(yōu)劣將影響著操作員的態(tài)勢感知能力，從而影響其決策判斷和執(zhí)行力，因而態(tài)勢感知對于無人機操作員在農(nóng)業(yè)作業(yè)時的決策制定和無人機操作具有十分重要的意義。

圖1 Endsley 態(tài)勢感知理論模型

1.2 態(tài)勢感知在人機界面的相關(guān)研究

人機界面中的態(tài)勢感知問題受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，如金濤[2]根據(jù)界面作業(yè)所需完成的操作任務(wù)，采用行為實驗和腦電實驗相結(jié)合的新技術(shù)路線， 以腦電反饋負波、 反應(yīng)時和正確率三個評價指標分別來衡量SA 的“感知性、 理解性和可判斷性”， 解決數(shù)字圖形界面態(tài)勢感知（SA）難以被客觀評測的問題。 Jin[3]討論了態(tài)勢感知與航空事故的關(guān)系， 提出了面向態(tài)勢的人機界面設(shè)計流程。金濤[4]運用理論分析、實驗研究、實例驗證相結(jié)合的方法，提出新的SA 認知理論模型，為數(shù)字DHCI 的SA 測量提供了新思路和新方法，有助于提高DHCI 的SA 績效和降低操作者的腦力負荷，其研究成果為有效實現(xiàn)對DHCI的SA 綜合評價提供了重要技術(shù)手段和理論依據(jù)。 由芳[5]通過優(yōu)化人機界面來提高人與車的團隊協(xié)作， 對汽車人機界面評測與設(shè)計方法進行研究， 幫助優(yōu)化汽車人機界面設(shè)計， 提高用戶體驗。 王建民[6]通過基于態(tài)勢感知的智能駕駛汽車人機交互界面設(shè)計研究、實踐與評估，為汽車人機界面 設(shè)計提供指導(dǎo)。 郭玉宋[7]針對復(fù)雜信息界面探索基于態(tài)勢感知要素的用戶心智模型構(gòu)建方法， 以指導(dǎo)人機交互設(shè)計。 Wang[8]研究了在ACC 功能下HUD 的不同人機界面（HMI） 對態(tài)勢感知的影響（SA）和切入駕駛場景的系統(tǒng)可用性，通過改進HUD-HMI 設(shè)計可以提高SA和系統(tǒng)可用性。 Zhang[9]基于視覺和聽覺感官通道的觸發(fā)輸入，提出了一種基于多智能體的態(tài)勢感知分析模型，探討了事故發(fā)生的機理和可能的預(yù)防措施， 可以有效避免嚴重風(fēng)險。 Sa Kil Kim[10]提出了一種用于核電廠主側(cè)監(jiān)測的EID 原型， 驗證生態(tài)界面設(shè)計能夠提高核電廠高級控制室操作人員的態(tài)勢感知能力。

1.3 無人機操作界面相關(guān)研究

現(xiàn)階段， 國內(nèi)外學(xué)者對無人機的研究集中在控制系統(tǒng)、自動化技術(shù)等方面，其研究對象多為軍用無人機，對農(nóng)業(yè)無人機操作界面的研究并不是很多。 張楨[11]設(shè)計并實現(xiàn)了植保旋翼無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)， 可實現(xiàn)與植保無人機的遠距離實時通信、監(jiān)測飛行姿態(tài)、顯示飛行作業(yè)軌跡和飛行控制等操作。 Jonathan Cacace[12]提出了一個多模態(tài)的注意為基礎(chǔ)的界面， 該框架是對流向操作者的信息流進行過濾，根據(jù)情境和人的狀態(tài)選擇和調(diào)整通信方式，用于人類操作員監(jiān)測和控制活動的一組無人機在搜索和救援任務(wù)。 王佳珂等[13]提出通過融合生理評測技術(shù)的無人機控制界面研究方法，進一步提升界面用戶體驗，從而降低無人機事故發(fā)生率。 丁霖[14]簡要介紹了中美兩國無人機系統(tǒng)人機交互界面的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，提出了未來人機交互界面技術(shù)中需大力研究顯示要素、 顯示形式、顯控布局等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了我國開展相應(yīng)工作的對策建議， 以對無人機系統(tǒng)人機交互界面的設(shè)計發(fā)展起到牽引作用。KWANGSU CHO[15]通過兩個實驗對無人機的用戶操控界面可用性作出評價， 識別基于不同心智模型的操控性能的差異， 結(jié)果顯示以飛行員為中心的控制器具有更高的表現(xiàn)。

2 基于態(tài)勢感知的農(nóng)業(yè)無人機操作界面優(yōu)化策略

本文主要通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)無人機操作界面元素的組織和呈現(xiàn)方式來提高操作員的態(tài)勢感知能力從而對界面進行優(yōu)化設(shè)計， 通過對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)無人機操作界面存在的問題進行調(diào)研分析， 并提出農(nóng)業(yè)無人機操作界面的設(shè)計原則，為農(nóng)業(yè)無人機操作界面的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2.1 現(xiàn)有界面問題分析

農(nóng)業(yè)無人機操作界面是信息提供的渠道， 也是決策行動的作用目標。 本文以某農(nóng)業(yè)無人機操作界面作為研究對象，對操作界面進行功能任務(wù)分析，通過對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)無人機操作界面的分析，發(fā)現(xiàn)界面信息元素較多，界面信息可視化呈現(xiàn)存在許多問題， 在不同程度上都降低了操作員的態(tài)勢感知能力。 本文農(nóng)業(yè)無人機操作界面的操作顯示問題分析為主進行說明。

通過相關(guān)調(diào)研分析， 發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)無人機操作界面存在以下問題：

（1）障礙物的視覺表現(xiàn)形式不突出，操作員無法在較短時間內(nèi)判斷當前無人機距離障礙物的距離。

（2）無人機電量的讀數(shù)不準確，無法得到精確數(shù)值。

（3）無人機的電量與遙控器的電量圖標表現(xiàn)形式不統(tǒng)一。

（4）無人機的剩余藥量位置及表現(xiàn)形式不明顯，不易引起操作者的注意。

2.2 農(nóng)業(yè)無人機操作界面設(shè)計原則

很多學(xué)者研究了無人機的界面設(shè)計和視覺元素呈現(xiàn)形式對無人機操作員操作績效的影響， 無人機的操作界面通常指的是控制和界面應(yīng)用部分，包括遙控器的按鈕、旋鈕、手柄和觸屏等。農(nóng)業(yè)無人機的操作界面應(yīng)合理安排各種信息區(qū)域， 界面整體顏色與色調(diào)應(yīng)最大化的避免視覺疲勞，減少閃爍感對操作員的注意力分散，采用明顯區(qū)分的顏色表示報警設(shè)備。因此，無人機操作界面的人機界面設(shè)計原則包括以下幾點。

（1）清晰簡潔原則。農(nóng)業(yè)無人機的操作界面主要實現(xiàn)操作員和無人機的信息交互，通過無人機界面獲取農(nóng)業(yè)無人機實時工作狀態(tài)信息，并完成農(nóng)業(yè)無人機的操作控制。根據(jù)人的記憶曲線原理，清晰簡潔的界面設(shè)計要求易讀、易懂、便于操作員理解使用，并減少操作員發(fā)生錯誤選擇的可能，有利于減少因操作不當而造成的安全事故。

（2）一致性原則。一致性的界面可以讓用戶對于如何操作有更好的理解，從而提升效率。風(fēng)格一致表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)無人機操作界面的整體風(fēng)格做到統(tǒng)一一致， 包括界面的背景色、標題欄、報警欄、控件、字體、字號和顏色等；色彩一致表現(xiàn)在不同的圖符顏色代表農(nóng)業(yè)無人機不同的工作狀態(tài)， 使無人機操作員可以在短時間內(nèi)辨認出顏色的差異從而判斷當前農(nóng)用無人機的工作狀態(tài)， 以便做出進一步的決策。

（3）易學(xué)性原則。良好的農(nóng)業(yè)無人機操作界面應(yīng)該對于無人機操作員來說應(yīng)該是易懂、易學(xué)的。由于農(nóng)業(yè)無人機操作員的經(jīng)驗、文化水平、語言等參差不齊，因此要結(jié)合操作員和界面設(shè)計理論原則進行設(shè)計， 做到農(nóng)業(yè)無人機操作界面易懂易學(xué)易用。

3 界面優(yōu)化設(shè)計方案

針對上述提出的農(nóng)業(yè)無人機操作界面可視化呈現(xiàn)存在的問題，并依據(jù)農(nóng)業(yè)無人機操作界面的設(shè)計原則，本文基于態(tài)勢感知理論對現(xiàn)有界面進行優(yōu)化設(shè)計。

（1）改變障礙物的視覺表現(xiàn)形式，增加色彩的語意設(shè)計， 根據(jù)無人機距離障礙物的遠近呈現(xiàn)不同的圖標顏色顯示。當無人機距離障礙物距離在8m 以內(nèi)時，顯示紅色，代表危險狀態(tài)；當無人機距離障礙物在8～20m 時，顯示黃色，代表警示狀態(tài)；當無人機距離障礙物大于20m 時，顯示綠色，代表安全狀態(tài)，并在障礙物上方呈現(xiàn)具體的無人機距離障礙物的距離及預(yù)計到達時間，減少操作員的反應(yīng)時間，提高操作者的決策和效率，降低安全事故的發(fā)生率。

（2）優(yōu)化無人機電量的視覺表現(xiàn)形式，使無人機電量圖標與遙控器電量圖標視覺呈現(xiàn)形式一致， 同時增加電量讀數(shù)，視覺呈現(xiàn)形式更直觀；同時，根據(jù)電量的不同呈現(xiàn)不同的顏色顯示， 有助于幫助操作者更直觀的判斷出當前狀態(tài)下的安全狀態(tài)。

（3）將剩余電量圖標及其數(shù)字顯示進行色彩設(shè)計，當無人機上剩余電量低于10%時， 顯示紅色， 代表危險狀態(tài)；當無人機剩余電量在10%～30%時，顯示黃色，代表警示狀態(tài)；當無人機剩余電量大于30%時，顯示綠色，代表安全狀態(tài)。不同工作狀態(tài)下顯示不同的顏色，快速引起操作員的注意力并判斷無人機當前的工作狀態(tài)。

（4）優(yōu)化無人機剩余藥量的視覺表現(xiàn)形式，使剩余藥量圖標表現(xiàn)形式與無人機剩余電量的圖標形成統(tǒng)一一致。 同時，將剩余藥量圖標及其數(shù)字顯示進行色彩設(shè)計，當剩余藥量低于3.2L 時，顯示紅色，代表危險狀態(tài)；當剩余藥量在3.2～9.6L 時，顯示黃色，代表警示狀態(tài)；當剩余藥量大于9.6L 時，顯示綠色，代表安全狀態(tài)，這種表現(xiàn)形式可以快速幫助操作員判斷無人機當前的工作狀態(tài)，防止當剩余藥量過低時容易對無人機造成損害， 并發(fā)生航空事故。

基于上述的優(yōu)化， 基于態(tài)勢感知理論與及界面設(shè)計原則，優(yōu)化前后的農(nóng)業(yè)無人機操作界面如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前后農(nóng)業(yè)無人機操作界面

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)無人機的操作界面設(shè)計是一個系統(tǒng)化工程，需要考慮的原則以及滿足的需求很多。 在進行農(nóng)業(yè)無人機操作界面的優(yōu)化設(shè)計的過程中， 需要研究操作員的文化背景、工作環(huán)境以及操作員的認知方式，優(yōu)秀的無人機人機系統(tǒng)，要根據(jù)操作員的需求，面對農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是夜間作業(yè)或環(huán)境可視度低時，或者由于天氣條件不可控制，在強風(fēng)洪澇、高溫干旱、低溫冷害、沙暴揚塵等惡劣天氣下，作業(yè)難度系數(shù)急劇提高的嚴峻形式下，操作員都可以依據(jù)無人機界面， 在復(fù)雜多變的任務(wù)環(huán)境當中處理大量的信息， 理解當前的任務(wù)態(tài)勢從而做出正確的決策。隨著數(shù)字化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)無人機操作界面中會有更多的信息傳遞給操作員， 人機交互界面的設(shè)計在無人機整體設(shè)計中占據(jù)著越來越重要的地位。 合理的農(nóng)業(yè)無人機操作界面設(shè)計對提高操控人員態(tài)勢感知能力， 提高其可以根據(jù)特殊環(huán)境因素而動態(tài)整體的理解當前情境的能力，對提前做出決策與行動，減少實際操作時間，以保障農(nóng)用無人機可以安全順利完成操作作業(yè)具有重要意義。 隨著精準農(nóng)業(yè)航空技術(shù)將在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，農(nóng)業(yè)無人機交互界面系統(tǒng)會越來越成熟，給操作員提供更好的操作體驗， 將對中國乃至世界智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。