智文靜， 李國(guó)材， 鄭維娟， 張 晨， 劉冬平， 才瀟逸

（1. 航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司 航空設(shè)備研究所， 陜西 西安 710077；2. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 201210）

人機(jī)工程學(xué)是一門研究人機(jī)系統(tǒng)中人、機(jī)器、環(huán)境三大要素之間相互關(guān)系和相互作用的綜合性邊緣學(xué)科[1]，其目的是為解決人機(jī)系統(tǒng)中涉及效能、安全、健康等問題提供理論基礎(chǔ)與方法。人機(jī)工程學(xué)結(jié)合了人體科學(xué)和工程技術(shù)，其中人機(jī)界面設(shè)計(jì)是人機(jī)工程學(xué)研究領(lǐng)域的重要分支。人機(jī)界面是指人與機(jī)器之間相互施加影響的區(qū)域，人與機(jī)器之間的信息交互和控制活動(dòng)通常都在人機(jī)界面上開展。人體通過自身的視覺、觸覺及聽覺等感官體驗(yàn)獲取來自機(jī)器的信息，然后經(jīng)過大腦的信息加工、決策判斷后做出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)人體與機(jī)器的信息傳遞[2]。目前，針對(duì)產(chǎn)品人機(jī)界面的研究主要集中在顯示與控制兩個(gè)方面。產(chǎn)品的人機(jī)界面設(shè)計(jì)通常以人如何使用產(chǎn)品作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，圍繞人的生理、心理特點(diǎn)開展產(chǎn)品的外形、色彩和性能設(shè)計(jì)，最終使人與機(jī)器能夠高度協(xié)調(diào)一致，從而設(shè)計(jì)出高效、經(jīng)濟(jì)、安全的人機(jī)界面[3-8]。

現(xiàn)階段，我國(guó)在產(chǎn)品的人機(jī)界面設(shè)計(jì)過程中主要關(guān)注高技術(shù)的應(yīng)用和復(fù)雜功能需求的實(shí)現(xiàn)，而忽略了人與機(jī)器之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，導(dǎo)致產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。因此，基于人機(jī)工程學(xué)開展人機(jī)界面設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。操作面板作為人機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)交互界面，其設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)直接影響用戶的操作效率和操作體驗(yàn)以及操作指令的準(zhǔn)確性。為此，筆者以民用飛機(jī)艙門操作面板設(shè)計(jì)為例，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，旨在增強(qiáng)艙門操作面板的適用性及優(yōu)化用戶的操作體驗(yàn)[9-10]。

1 操作面板設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)的關(guān)系

操作面板的主要功能是作為操作人員與機(jī)器之間交互的媒介，機(jī)器通過顯示界面向操作人員傳遞關(guān)鍵信息，操作人員通過操作界面的輸入操作向機(jī)器發(fā)布指令[1]。因此，操作面板的設(shè)計(jì)主要包括顯示界面、操作界面的設(shè)計(jì)和布局。同時(shí)，在操作面板的設(shè)計(jì)過程中還需考慮人體尺寸，且設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)符合人的生理和心理特點(diǎn)，以避免超出人體能力范圍和感覺器官功能極限以及使用時(shí)出現(xiàn)人積勞成疾的現(xiàn)象，從而保證人與機(jī)器之間協(xié)調(diào)統(tǒng)一。綜上，應(yīng)以人機(jī)工程學(xué)作為操作面板設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則和依據(jù)，且在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮操作人員完成任務(wù)的可行性，既要改善作業(yè)條件，又要減輕作業(yè)負(fù)擔(dān)[11]。

2 民用飛機(jī)艙門操作面板的設(shè)計(jì)

2.1 艙門操作面板的分類

民用飛機(jī)的艙門數(shù)量眾多（如國(guó)外某大型寬體飛機(jī)上約有20扇艙門），一般分為登機(jī)門、貨艙門和應(yīng)急門等。未來，隨著多電/全電飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，艙門系統(tǒng)將呈全電動(dòng)化操作的趨勢(shì)，同時(shí)艙門系統(tǒng)也將逐步由分布式艙門控制發(fā)展為集中式艙門操作控制。在艙門全電動(dòng)化操作和集中式控制的迫切需求下，需設(shè)計(jì)不同類型的顯示界面和操作界面作為操作面板，為空乘人員和地勤人員提供艙門操作的人機(jī)交互界面。目前，按照艙門類型和集中式操作控制的需求，可將艙門操作面板分為以下幾類。

1）登機(jī)門操作面板。

登機(jī)門操作面板通常安裝在每扇登機(jī)門右側(cè)的機(jī)身（外側(cè)）上，其主要功能是為空乘人員（或地勤人員）提供實(shí)現(xiàn)登機(jī)門自動(dòng)化操作的人機(jī)交互界面。

圖1所示為空客A380飛機(jī)的登機(jī)門外部操作面板。由于A380 飛機(jī)整機(jī)登機(jī)門的解閂、解鎖及提升操作仍采用手動(dòng)操作模式，即登機(jī)門的打開和關(guān)閉屬于半自動(dòng)化操作，因此該登機(jī)門操作面板上僅設(shè)置了艙門打開按鍵（OPEN）和艙門關(guān)閉按鍵（CLOSE），操作面板位于外部手柄下方。

2）貨艙門操作面板。

貨艙門操作面板通常安裝在每扇貨艙門右側(cè)的機(jī)身（外側(cè)）上，其主要功能是為地勤人員提供實(shí)現(xiàn)貨艙門自動(dòng)化操作的人機(jī)交互界面。貨艙門操作面板按功能可分為兩部分：電動(dòng)操作區(qū)域和操作指示及狀態(tài)顯示區(qū)域。

圖2所示為波音B747-800飛機(jī)（貨運(yùn)型）的后貨艙門外部操作面板。B747-800飛機(jī)的整機(jī)貨艙門除了解鎖動(dòng)作仍采用手動(dòng)操作外，其他的解閂和開門操作均采用電動(dòng)操作，即貨艙門的打開、關(guān)閉屬于半自動(dòng)化操作，因此其后貨艙門操作面板上設(shè)置了貨艙門預(yù)位/解除預(yù)位鈕子開關(guān)、打開/關(guān)閉鈕子開關(guān)、上鎖/解鎖鈕子開關(guān)以及對(duì)應(yīng)的貨艙門狀態(tài)指示燈（預(yù)位指示燈、打開指示燈、關(guān)閉指示燈、解鎖指示燈、上鎖指示燈和上閂指示燈）。

圖2 波音B747-800飛機(jī)的后貨艙門操作面板Fig.2 Aft cargo door operation panel of Boeing B747-800 aircraft

圖3所示為波音B787 飛機(jī)的主貨艙門外部操作面板。波音系列飛機(jī)技術(shù)的沿用性較強(qiáng)，B787飛機(jī)貨艙門的解閂/上閂、打開/關(guān)閉均采用液壓作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，解鎖動(dòng)作為手動(dòng)操作，因此其主貨艙門操作面板上設(shè)置了打開/關(guān)閉/停止三位鈕子開關(guān)、備份貨艙門打開/關(guān)閉按鍵以及對(duì)應(yīng)的貨艙門狀態(tài)指示燈（完全打開指示燈、準(zhǔn)備上鎖指示燈和關(guān)閉且上鎖指示燈）。

圖3 波音B787飛機(jī)的主貨艙門操作面板Fig.3 Main cargo door operation panel of Boeing B787 aircraft

3）艙門主顯控面板。

艙門主顯控面板是為適應(yīng)未來多電/全電飛機(jī)整機(jī)艙門集中操作控制而提出的綜合性人機(jī)交互界面。艙門主顯控面板通常安裝在登機(jī)門入口處空乘人員座椅的上方，其主要分為艙門集中控制操作區(qū)域和艙門狀態(tài)顯示區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)集中式艙門的作動(dòng)控制和狀態(tài)顯示。目前，國(guó)內(nèi)外暫無同類型的產(chǎn)品可參考借鑒。

2.2 艙門操作面板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.2.1 艙門操作面板的基本設(shè)計(jì)要求

民用飛機(jī)艙門操作面板通常由具備單一顯示功能的界面、具備單一操作功能的界面或兼具顯示和操作功能的界面組成。艙門操作面板設(shè)計(jì)的基本要求如下。

1）圖標(biāo)設(shè)計(jì)。

在艙門操作面板圖標(biāo)的設(shè)計(jì)過程中，首先，應(yīng)深入分析操作人員的生理、心理特性以及操作習(xí)慣。然后，對(duì)圖標(biāo)語(yǔ)義進(jìn)行拆分、理解，以確保每個(gè)圖標(biāo)都能準(zhǔn)確表達(dá)相應(yīng)的意義；同時(shí)，設(shè)計(jì)圖標(biāo)時(shí)應(yīng)充分考慮各種可視化元素，如顏色、形狀和大小等。最后，對(duì)艙門系統(tǒng)操作任務(wù)所需的特殊圖標(biāo)以及開關(guān)、縮放和設(shè)置等通用圖標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以達(dá)到符合操作人員認(rèn)知習(xí)慣、縮短操作人員學(xué)習(xí)記憶過程、輔助操作人員理解辨識(shí)以及提高操作效率的目的[12]。

2）控件設(shè)計(jì)。

在對(duì)操作面板的窗口、菜單、標(biāo)簽、文本框和按鍵等控件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮使控件的色彩、樣式、風(fēng)格以及交互方式盡量統(tǒng)一，以減少雜亂信息所造成的注意分散現(xiàn)象；同時(shí)，應(yīng)明確信息劃分的層級(jí)，使得信息有序地呈現(xiàn)，最終保證各控件模塊之間能夠很好地銜接與融合[13]。

3）布局設(shè)計(jì)。

在布局設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)艙門操作面板的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并在顯示界面中對(duì)信息進(jìn)行合理布局，以使界面排布達(dá)到最佳狀態(tài)，從而減輕操作人員的工作負(fù)荷。同時(shí)，對(duì)操作面板的操作順序進(jìn)行合理規(guī)劃，即按重要性、操作頻率及成組相關(guān)性進(jìn)行布局，以提高操作的便利性和操作效率。

4）交互設(shè)計(jì)。

在交互設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)建符合機(jī)組人員視覺習(xí)慣的交互機(jī)制，以保證操作人員可以高效地使用艙門操作面板，并在與艙門系統(tǒng)的交互中獲得良好的操作體驗(yàn)。

2.2.2 艙門操作面板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)需求

民用飛機(jī)艙門操作面板的人機(jī)界面設(shè)計(jì)是操作面板設(shè)計(jì)的重要部分，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的篩選流程如圖4 所示。為了確保設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的科學(xué)性和實(shí)用性，對(duì)現(xiàn)有的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，并明確選擇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先次序，以避免同一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)具有多個(gè)可參考標(biāo)準(zhǔn)值的情況。最后，依據(jù)GB/T 18978.11—2023《系統(tǒng)交互工效學(xué) 第11 部分 可用性：定義和概念》，開展設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)用性檢查，將適用的標(biāo)準(zhǔn)編入艙門操作面板人機(jī)界面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[14]。

圖4 民用飛機(jī)艙門操作面板人機(jī)界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的篩選流程Fig.4 Selection process of human-machine interface design criteria for civil aircraft cabin door operation panel

艙門操作面板的人機(jī)界面設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其中，硬件設(shè)計(jì)部分包括操作面板的總體布置、排列方式和硬件控制器等；軟件設(shè)計(jì)部分包括術(shù)語(yǔ)、信息組織、編碼技術(shù)、顯示元素和顯示形式等。設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合軟、硬件設(shè)計(jì)需求規(guī)范編制交互管理準(zhǔn)則，以滿足基于作業(yè)任務(wù)的人因工程設(shè)計(jì)要求。

2.3 艙門操作面板設(shè)計(jì)

民用飛機(jī)艙門操作面板設(shè)計(jì)除了要符合美學(xué)原則外，還要適應(yīng)操作人員的人體功能特點(diǎn)，以達(dá)到操作方便、操作效率高與準(zhǔn)確性高的目的。在艙門操作面板設(shè)計(jì)中，登機(jī)門操作面板和貨艙門操作面板不涉及顯示界面的設(shè)計(jì)，僅需要考慮所有按鍵的工作形式和整體布局以及所有指示燈的顏色選擇、排列及整體布局。艙門主顯控面板需要結(jié)合人機(jī)功效綜合考慮顯示界面的具體顯示元素、顯示信息和顯示效果等設(shè)計(jì)要素[15-18]。

2.3.1 登機(jī)門操作面板的設(shè)計(jì)

登機(jī)門操作面板按功能可分為兩部分：指示區(qū)域和電動(dòng)操作區(qū)域。其中，指示區(qū)域主要包括電源指示燈（POW）、故障指示燈（FD）、壓差指示燈（RP）和預(yù)位指示燈（ARM）。在實(shí)際工作過程中，電源指示燈綠色常亮表示上電，綠色熄滅表示下電；故障指示燈紅色不亮表示設(shè)備正常，紅色常亮表示設(shè)備故障；壓差指示燈紅色常亮表示有余壓信號(hào)，紅色熄滅表示無余壓信號(hào)；預(yù)位指示燈綠色常亮表示滑梯包預(yù)位，綠色熄滅表示滑梯包未預(yù)位。電動(dòng)操作區(qū)域主要包括打開按鍵（OPN）和關(guān)閉按鍵（CLS）。登機(jī)門操作面板上按鍵的尺寸和狀態(tài)指示以及指示燈的尺寸等均需依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并確保其整體布局合理，以符合空乘人員（或地勤人員）的認(rèn)知水平和操作習(xí)慣?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)要素，登機(jī)門操作面板的外觀設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 登機(jī)門操作面板外觀設(shè)計(jì)Fig.5 Appearance design for passenger door operation panel

2.3.2 貨艙門操作面板的設(shè)計(jì)

貨艙門操作面板的功能通常更加全面，按功能可分為四部分：指示區(qū)域、操作指示區(qū)域、電動(dòng)操作區(qū)域以及手動(dòng)操作區(qū)域。其中：指示區(qū)域包括電源指示燈（POW）、故障指示燈（FD）、壓差指示燈（RP）、艙門打開到位指示燈（OPN）、艙門關(guān)閉到位指示燈（CLS）、艙門上鎖指示燈（LK）和艙門上閂指示燈（LT）。在實(shí)際工作過程中，電源指示燈、故障指示燈和壓差指示燈的工作狀態(tài)與登機(jī)門操作面板的相同；打開到位指示燈綠色長(zhǎng)亮表示貨艙門開啟到位，綠色不亮表示貨艙門未開啟到位；關(guān)閉到位指示燈綠色長(zhǎng)亮表示貨艙門關(guān)閉到位，綠色不亮表示貨艙門未關(guān)閉到位；上鎖指示燈綠色長(zhǎng)亮表示鎖機(jī)構(gòu)上鎖到位，綠色不亮表示鎖機(jī)構(gòu)未上鎖到位；上閂指示燈綠色長(zhǎng)亮表示閂機(jī)構(gòu)上閂到位，綠色不亮表示閂機(jī)構(gòu)未上閂到位。操作指示區(qū)域包括一些對(duì)貨艙門操作流程提示和異常狀態(tài)警示提醒的文字。電動(dòng)操作區(qū)域主要包括打開按鍵（OPN）和關(guān)閉按鍵（CLS）?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)要素，貨艙門操作面板的外觀設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 貨艙門操作面板外觀設(shè)計(jì)Fig.6 Appearance design of cargo door operation panel

2.3.3 艙門主顯控面板的設(shè)計(jì)

艙門主顯控面板的功能通常較為復(fù)雜，可劃分為飛機(jī)艙門狀態(tài)顯示區(qū)域和艙門自動(dòng)化操作區(qū)域。其中，艙門狀態(tài)顯示區(qū)域包括登機(jī)門開關(guān)狀態(tài)顯示、貨艙門開關(guān)狀態(tài)顯示以及系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示等；操作區(qū)域包括查故操作區(qū)、滑梯預(yù)位操作區(qū)（含預(yù)位操作和解除預(yù)位操作）、登機(jī)門操作區(qū)以及貨艙門操作區(qū)等。登機(jī)門操作區(qū)包括1L#、2L#、3L#、4L#、1R#、2R#、3R#、4R#登機(jī)門的開關(guān)操作按鍵，對(duì)應(yīng)的操作為確認(rèn)開啟、取消開啟、確認(rèn)關(guān)閉、取消關(guān)閉、確認(rèn)應(yīng)急開啟和取消應(yīng)急開啟等。貨艙門操作區(qū)包括1F#、1A#貨艙門的開關(guān)操作按鍵，對(duì)應(yīng)的操作為確認(rèn)開啟、取消開啟、確認(rèn)關(guān)閉和取消關(guān)閉等。此外，整個(gè)艙門主顯控面板上還包括具有白晝和夜晚兩種操作模式的選擇按鍵，夜晚模式便于操作人員在黑暗環(huán)境下執(zhí)行操作。

在設(shè)計(jì)艙門主顯控面板人機(jī)界面時(shí)，須對(duì)其功能需求進(jìn)行分析，以明確功能層級(jí)。艙門主顯控面板人機(jī)界面的功能層級(jí)如圖7所示。由圖7可知，在對(duì)艙門主顯控面板人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，須對(duì)艙門操作區(qū)域和艙門狀態(tài)顯示區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，且要求操作區(qū)域易識(shí)別，操作簡(jiǎn)單且邏輯結(jié)構(gòu)層次清晰，以減輕空乘人員（或地勤人員）的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)；狀態(tài)顯示區(qū)域應(yīng)一目了然，艙門狀態(tài)顯示清晰，且可顯示整架飛機(jī)并標(biāo)示艙門位置，可運(yùn)用圖標(biāo)與顏色對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)能夠及時(shí)地將操作信息反饋給操作人員。

圖7 艙門主顯控面板人機(jī)界面功能層級(jí)Fig.7 Functional hierarchy of human-machine interface of main display and control panel of cabin door

3 民用飛機(jī)艙門操作面板的布局設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 登機(jī)門操作面板的布局設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

登機(jī)門操作面板上設(shè)計(jì)有4 個(gè)指示燈和2 個(gè)按鍵，其布局與尺寸如圖8所示。指示燈選擇M6型帶螺母底座，按鍵的尺寸為19 mm；左側(cè)指示燈距離操作面板左邊緣50 mm，左、右側(cè)指示燈的間距為50 mm，上、下側(cè)指示燈的間距為28 mm；按鍵距離操作面板下邊緣43 mm，距離操作面板左邊緣50 mm；左、右側(cè)按鍵的間距為50 mm；下側(cè)指示燈與按鍵之間的距離為53 mm。

圖8 登機(jī)門操作面板的布局設(shè)計(jì)與尺寸Fig.8 Layout design and dimensions of passenger door operation panel

根據(jù)GJB 2873—1997《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[19]，要求圓形按鍵的最小直徑為4.75 mm，最大直徑為12.50 mm；按鍵之間的最小距離為13 mm。按照上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所設(shè)計(jì)的登機(jī)門操作面板進(jìn)行布局驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。

表1 登機(jī)門操作面板布局驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Layout verification results of passenger door operation panel

3.2 貨艙門操作面板的布局設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

貨艙門操作面板上設(shè)計(jì)有7 個(gè)指示燈和1 個(gè)鈕子開關(guān)，其布局與尺寸如圖9所示。指示燈選擇M6型帶螺母底座，鈕子開關(guān)的型號(hào)為T-21BS；左側(cè)豎排指示燈距離操作面板下邊緣30 mm，距離操作面板左邊緣40 mm；2 列豎排指示燈的左右間距和上下間距均為20 mm；電源指示燈與其左側(cè)指示燈之間的距離為34 mm，電源指示燈距離操作面板下邊緣50 mm；鈕子開關(guān)距離電源指示燈24 mm，距離操作面板下邊緣50 mm。

圖9 貨艙門操作面板的布局設(shè)計(jì)與尺寸Fig.9 Layout design and dimensions of cargo door operation panel

根據(jù)GJB 2873—1997[19]，要求鈕子開關(guān)的最小臂長(zhǎng)為13 mm，最大直徑為50 mm；鈕子開關(guān)調(diào)節(jié)角度的最小值為30°，最大值為80°；按鍵的最小間距為13 mm。按照上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所設(shè)計(jì)的貨艙門操作面板進(jìn)行布局驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。

表2 貨艙門操作面板布局驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Layout verification results of cargo door operation panel

3.3 艙門主顯控面板的布局設(shè)計(jì)及可用性評(píng)估

3.3.1 艙門主顯控面板的人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)

艙門主顯控面板人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如圖10所示。

圖10 艙門主顯控面板人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.10 Technical route of human-machine interface layout design of main display and control panel of cabin door

根據(jù)HB 20099—2012《航空裝備控制器人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[20]，觸摸屏響應(yīng)區(qū)的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮操作人員的手指大小和由視差引起的誤差，觸摸按鍵的高度和寬度宜為15～40 mm，左、右側(cè)觸摸按鍵的間距宜為3～6 mm。艙門主顯控面板的人機(jī)界面布局如圖11所示。

圖11 艙門主顯控面板的人機(jī)界面布局Fig.11 Human-machine interface layout of main display and control panel of cabin door

采用原型設(shè)計(jì)軟件Axure RP輔助完成艙門主顯控面板人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)。在Axure RP軟件中，尺寸采用像素表示，將Axure RP 界面轉(zhuǎn)換為3D 模型前須進(jìn)行尺寸轉(zhuǎn)換。艙門主顯控面板的界面尺寸為（1 080×768）像素，則艙門主顯控面板觸摸屏幕的尺寸選擇12.1英寸（即307 mm）。假設(shè)觸摸屏幕的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，根據(jù)勾股定理和等比定理，可得：

根據(jù)式(1)，可得觸摸屏幕的長(zhǎng)度L=248 mm，寬度W=177 mm。

在Axure RP軟件中，艙門主顯控面板中觸摸按鍵的尺寸為（106×66）像素。假設(shè)觸摸按鍵的長(zhǎng)度為l，寬度為w，根據(jù)觸摸按鍵尺寸與觸摸屏幕尺寸的比例關(guān)系，可得：

根據(jù)式(2)，可得觸摸按鍵的長(zhǎng)度l=24.30 mm，寬度w=15.15 mm。同理，按鍵的間距也可以按相應(yīng)的比例關(guān)系求得，計(jì)算過程不再贅述。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)艙門主顯控面板中觸摸按鍵的尺寸及間距進(jìn)行人因分析并開展布局合理性驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示。

表3 艙門主顯控面板布局驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Layout verification results of main display and control panel of cabin door

由表3所示驗(yàn)證結(jié)果可知，艙門主顯控面板中觸摸按鍵的尺寸和間距均滿足HB 20099—2012中的設(shè)計(jì)要求[20]。

3.3.2 艙門主顯控面板人機(jī)界面的可用性評(píng)估

可用性評(píng)估是指通過實(shí)驗(yàn)等方法獲取數(shù)據(jù)以驗(yàn)證人機(jī)界面設(shè)計(jì)可用性的過程[7]。本文采用問卷調(diào)查的形式來對(duì)艙門主顯控面板人機(jī)界面的可用性進(jìn)行評(píng)估。該調(diào)查問卷分為兩部分：整體可用性調(diào)查和圖標(biāo)認(rèn)知調(diào)查，以全面了解艙門主顯控面板人機(jī)界面的可用性和用戶對(duì)圖標(biāo)的理解程度。

在進(jìn)行可用性評(píng)估前，選擇較成熟的可用性問卷和量表評(píng)價(jià)法來設(shè)置調(diào)查問卷的問題。目前，典型的可用性調(diào)查問卷使用李克特量表法和語(yǔ)義差分法來設(shè)置問題并要求測(cè)試者對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行打分，目的是通過科學(xué)方法來保證評(píng)估結(jié)果的效度和信度[7]。根據(jù)艙門主顯控面板人機(jī)界面的功能和設(shè)計(jì)要求，在設(shè)置其整體可用性調(diào)查問卷的問題時(shí)應(yīng)考慮以下問題。

1）根據(jù)艙門真實(shí)的形狀與狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)易化和抽象化，使其符合空乘人員（或地勤人員）的認(rèn)知；在按鍵設(shè)計(jì)過程中充分考慮操作人員的生理、心理特性，且按鍵尺寸應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)要求，并嚴(yán)格控制按鍵間距，以避免操作人員在操作時(shí)誤觸。

2）在艙門主顯控面板人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)過程中考慮空乘人員的視覺特性與操作習(xí)慣，采用左、右式布局形式，即左側(cè)為顯示區(qū)域，右側(cè)為操作區(qū)域。

3）在艙門主顯控面板人機(jī)界面整體色彩顯示上采用白晝和夜晚兩種模式，分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)光線和弱光線這2種不同的操作環(huán)境。

基于上述要求，完成對(duì)艙門主顯控面板人機(jī)界面中圖標(biāo)、觸摸按鍵、布局、色彩的設(shè)計(jì)并形成其可用性調(diào)查問卷。調(diào)查問卷主要針對(duì)艙門主顯控面板人機(jī)界面的易學(xué)性、易用性、有效性、效率、美觀度、可視化程度和操作反饋等多個(gè)方面進(jìn)行問題設(shè)置，并要求用戶對(duì)整個(gè)人機(jī)界面的滿意度進(jìn)行整體打分。

1）艙門主顯控面板的整體可用性調(diào)查問卷。

為了高效地完成艙門主顯控面板的整體可用性評(píng)估，使用專業(yè)的在線問卷設(shè)計(jì)平臺(tái)“問卷星”快速地創(chuàng)建艙門主顯控面板的可用性調(diào)查問卷。該平臺(tái)可通過手機(jī)端或電腦客戶端發(fā)布問卷，同時(shí)利用數(shù)據(jù)采集和報(bào)表分析功能獲得問卷總得分和問卷分析結(jié)果。對(duì)于可用性調(diào)查問卷，總得分越高，說明人機(jī)界面信息越容易獲取，人機(jī)界面圖標(biāo)設(shè)計(jì)越符合人的認(rèn)知特性，更容易被操作者識(shí)別，即人機(jī)界面的可用性越高。

2）艙門主顯控面板圖標(biāo)語(yǔ)義可知性調(diào)查問卷。

艙門主顯控面板圖標(biāo)語(yǔ)義可知性調(diào)查問卷如表4所示。

表4 艙門主顯控面板圖標(biāo)語(yǔ)義可知性調(diào)查問卷Table 4 Survey questionnaire for icon semantics of main display and control panel of cabin door

3）艙門主顯控面板可用性評(píng)估結(jié)果。

根據(jù)可用性調(diào)查問卷所設(shè)置的問題，邀請(qǐng)已完成人機(jī)界面典型任務(wù)操作實(shí)驗(yàn)的8名視覺設(shè)計(jì)專業(yè)人員進(jìn)行評(píng)分。將問卷中的問題按照各維度進(jìn)行分配后，將8 名被試者的問卷結(jié)果轉(zhuǎn)化為1～5 的分?jǐn)?shù)并取平均值。本次實(shí)驗(yàn)選擇在哈爾濱工程大學(xué)61#樓的人因工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室可保證被試者在執(zhí)行艙門主顯控面板中典型任務(wù)時(shí)周圍環(huán)境相對(duì)安靜與舒適，避免外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)過程造成干擾和中斷，從而保證本次實(shí)驗(yàn)具有較高的可信度[7]。

根據(jù)對(duì)艙門主顯控面板可用性調(diào)查問卷中各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)與分析，得到各可用性指標(biāo)的得分情況，結(jié)果如表5所示。

表5 艙門主顯控面板可用性指標(biāo)的得分情況Table 5 Score of availability indicators for main display and control panel of cabin door

由可用性調(diào)查問卷的結(jié)果可知，艙門主顯控面板的8個(gè)可用性指標(biāo)的評(píng)分均高于4.5，總體得分為131.7，說明其可用性較高，屬于優(yōu)秀等級(jí)（較差：0～77 分；一般：78～98 分；良好：99～119 分；優(yōu)秀：120～140 分），且用戶滿意度和可操作性較高，符合人的認(rèn)知特性。同時(shí)，簡(jiǎn)潔的圖標(biāo)設(shè)計(jì)降低了艙門主顯控面板的復(fù)雜程度，操作人員在執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)操作時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確地獲取和理解所需的信息，可有效提高操作效率。

4 民用飛機(jī)艙門操作面板觸及域的仿真驗(yàn)證

隨著數(shù)字建模、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可為解決上述問題提供便捷的方法。在仿真方式上，按虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為沉浸式仿真和非沉浸式仿真。前者以虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)構(gòu)建產(chǎn)品的使用場(chǎng)景，以人體的實(shí)際視覺、聽覺或感應(yīng)反饋等感官刺激作為輸入，以用戶身臨其境的使用感覺和交互感覺來驗(yàn)證產(chǎn)品的人機(jī)功效；后者以電子信息技術(shù)的軟硬件為基礎(chǔ)，在電腦端模擬器上進(jìn)行人機(jī)交互仿真。綜合考慮成本和普及性，本文選擇采用非沉浸式仿真方式，對(duì)民用飛機(jī)艙門操作面板進(jìn)行可視化觸及域的驗(yàn)證。

人機(jī)工程仿真軟件DELMⅠA是一款數(shù)字化企業(yè)互動(dòng)制造應(yīng)用軟件，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海以及傳統(tǒng)制造業(yè)等領(lǐng)域[21]。DELMⅠA 軟件中的人體任務(wù)仿真（Human Task Simulation）模塊具備人體模型作業(yè)姿態(tài)編輯能力，如人體模型按路徑行走、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)和身體轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作，同時(shí)可以設(shè)置每一個(gè)動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間。完成人體模型多個(gè)動(dòng)作姿態(tài)的設(shè)置后，先對(duì)動(dòng)作進(jìn)行排序，再采用幀融合技術(shù)將動(dòng)作姿態(tài)連接起來，以模擬人體模型連續(xù)的操作過程。

在仿真分析前，先通過查閱GB/T 10000—1988《中國(guó)成年人人體尺寸》[22]來獲取人體的尺寸參數(shù)。然后，利用DELMⅠA 軟件中的人體建模（Human Builder）模塊來創(chuàng)建操作人員的人體模型，通過在選項(xiàng)卡里修改人體模型的信息（如人種、性別、百分位數(shù)及參考點(diǎn)等）來模擬不同的操作場(chǎng)景。最后，使用DELMⅠA軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的艙門操作面板的可視化觸及域進(jìn)行仿真分析，具體流程如圖12所示。

圖12 艙門操作面板可視化觸及域仿真流程Fig.12 Visual touch area simulation process for cabin door operation panel

4.1 操作人員觸及域參數(shù)的選擇

根據(jù)GB/T 10000—1988[22]，確定人體模型的尺寸參數(shù)及對(duì)應(yīng)數(shù)值。考慮到實(shí)際工作年齡，取18～60歲男子的第95百分位（以下簡(jiǎn)稱P95男）及18～55歲女子的第5百分位（以下簡(jiǎn)稱P5女）所對(duì)應(yīng)的成年人人體尺寸代表最高與最低限值。人體主要尺寸參數(shù)及對(duì)應(yīng)數(shù)值分別如圖13、圖14和表6所示。

表6 人體主要尺寸參數(shù)的取值Table 6 Values of main dimension parameters of human body單位：cm

圖13 人體主要尺寸參數(shù)Fig.13 Main dimension parameters of human body

圖14 人體上部主要尺寸參數(shù)Fig.14 Main dimension parameters of upper human body

根據(jù)GB/T 10000—1988[22]中對(duì)人體數(shù)據(jù)修正的要求，增加人體站姿肩高的穿鞋修正量（男子加2.5 cm，女子加2.0 cm）。由于GB/T 10000—1988中缺乏手功能長(zhǎng)的參考值，無法直接選用，考慮到按鍵、觸摸屏等均是采用人手食指進(jìn)行操作，旋鈕采用握姿操作的實(shí)際情況，對(duì)滿足操作任務(wù)要求的手功能長(zhǎng)進(jìn)行修正（按壓按鍵減1.2 cm，推動(dòng)和撥動(dòng)按鍵減2.5 cm）。修正后的站姿身高及手功能長(zhǎng)的取值如表7所示。

表7 修正后的站姿身高及手功能長(zhǎng)Table 7 Revised standing height and hand function length單位：cm

4.2 虛擬仿真模型的建立

本文采用UG NX 軟件、DELMⅠA 軟件來構(gòu)建飛機(jī)、艙門操作面板和操作人員的虛擬仿真模型。建模過程如下：首先，使用UG NX 軟件建立飛機(jī)和艙門操作面板的模型；然后，在飛機(jī)模型上對(duì)艙門操作面板模型進(jìn)行定位及裝配；最后，在DELMⅠA 軟件中建立人體模型，完成人體模型參數(shù)設(shè)置后，導(dǎo)入飛機(jī)和艙門操作面板的模型。

4.2.1 飛機(jī)模型的建立

在UG NX軟件中建立飛機(jī)的三維模型，其機(jī)身長(zhǎng)度為63.755 m，翼展長(zhǎng)度為63.860 m，高度為17.393 m。飛機(jī)的三維模型如圖15所示。

圖15 飛機(jī)三維模型Fig.15 Three-dimensional model of aircraft

4.2.2 艙門操作面板模型的建立及定位

三型艙門操作面板的設(shè)計(jì)需綜合考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及人機(jī)功效因素。根據(jù)HB 20098—2012《航空裝備交互與管理人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[16]中的相關(guān)要求，裝在垂直面板上的控制器應(yīng)布置在站姿平面上方860～1 780 mm。艙門主顯控面板、登機(jī)門操作面板及貨艙門操作面板的安裝位置及定位尺寸如表8所示。

表8 三型艙門操作面板的安裝位置及定位尺寸Table 8 Ⅰnstallation position and positioning dimension of three-type cabin door operation panel

4.2.3 人體模型的建立

首先，使用DEMLⅠA 軟件構(gòu)建P95 男人體模型，設(shè)置軟件參數(shù)如下：性別（Gender）為男子（Man），百分位數(shù)（Percentile）為95。最終建立的P95男人體模型如圖16所示。

圖16 P95男人體模型Fig.16 P95 male body model

然后，使用DEMLⅠA軟件構(gòu)建P5女人體模型，設(shè)置軟件參數(shù)如下：性別（Gender） 為女子（Woman），百分位數(shù)（Percentile）為5。最終建立的P5女人體模型如圖17所示。

圖17 P5女人體模型Fig.17 P5 female body model

4.3 操作面板觸及域仿真驗(yàn)證

4.3.1 登機(jī)門操作面板觸及域仿真驗(yàn)證

根據(jù)上節(jié)中所述的操作人員觸及域參數(shù)，在操作按鍵類設(shè)備時(shí)，P95 男觸及域的尺寸為780 mm，P5 女觸及域的尺寸為602 mm。登機(jī)門操作面板P95 男和P5 女的觸及域仿真結(jié)果分別如圖18和圖19所示。

圖18 登機(jī)門操作面板P95男觸及域仿真結(jié)果Fig.18 Simulation results of P95 male touch area of passenger door operation panel

圖19 登機(jī)門操作面板P5女觸及域仿真結(jié)果Fig.19 Simulation results of P5 female touch area of passenger door operation panel

由圖18 和圖19 可知，登機(jī)門操作面板位于人體站立點(diǎn)觸及域的有效范圍內(nèi)，即登機(jī)門操作面板符合觸及域設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 貨艙門操作面板觸及域仿真驗(yàn)證

根據(jù)上節(jié)所述參數(shù)，在操作按鍵類設(shè)備時(shí)，貨艙門操作面板P95男和P5女的觸及域仿真結(jié)果分別如圖20和圖21所示。

圖20 貨艙門操作面板P95男觸及域仿真結(jié)果Fig.20 Simulation results of P95 male touch area of cargo door operation panel

圖21 貨艙門操作面板P5女觸及域仿真結(jié)果Fig.21 Simulation results of P5 female touch area of cargo door operation panel

由圖20 和圖21 可知，貨艙門操作面板位于人體站立點(diǎn)觸及域的有效范圍內(nèi)，即貨艙門操作面板符合觸及域設(shè)計(jì)要求。

4.3.3 艙門主顯控面板觸及域仿真驗(yàn)證

根據(jù)上節(jié)所述參數(shù)，當(dāng)操作觸摸類設(shè)備時(shí)，P95男觸及域的尺寸為792 mm，P5女觸及域的尺寸為614 mm。艙門主顯控面板P95 男和P5 女觸及域的仿真結(jié)果分別如圖22和圖23所示。

圖22 艙門主顯控面板P95男觸及域仿真結(jié)果Fig.22 Simulation results of P95 male touch area of main display and control panel of cabin door

圖23 艙門主顯控面板P5女觸及域仿真結(jié)果Fig.23 Simulation results of P5 female touch area of main display and control panel of cabin door

由圖22 和圖23 可知，艙門主顯控面板位于人體站立點(diǎn)觸及域的有效范圍內(nèi)，即艙門主顯控面板符合觸及域設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

1）在對(duì)艙門操作面板的可用性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，使用整體可用性調(diào)查問卷和圖標(biāo)可知性調(diào)查問卷能夠有效地獲取所設(shè)計(jì)操作面板的可用性和可知性反饋結(jié)果，評(píng)估結(jié)果具有一定的效度和信度，可反映出用戶對(duì)操作面板的實(shí)際操作體驗(yàn)和認(rèn)知。但隨著操作面板人機(jī)界面復(fù)雜度的增加，尤其是在使用多層級(jí)菜單界面的情況下，操作面板的總體評(píng)分會(huì)降低。因此，在設(shè)計(jì)此類操作面板時(shí)，需要在可用性和界面復(fù)雜度之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡分析，以確保用戶能夠輕松、高效地完成操作任務(wù)。

2）在設(shè)計(jì)登機(jī)門操作面板、貨艙門操作面板和艙門主顯控面板時(shí)，需結(jié)合具體操作人員的人體特征數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。同時(shí)，應(yīng)對(duì)操作面板觸及域人機(jī)功效的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。若驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的操作面板能使操作人員在觸及域的有效范圍內(nèi)完成操作，則證明其人機(jī)功效合理性較好。

但是，目前可用性調(diào)查問卷的參與者主要是非民用航空服務(wù)人員且在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行。下一步工作是致力于優(yōu)化調(diào)查問卷內(nèi)容，并增加針對(duì)空乘人員或地勤人員的調(diào)查結(jié)果，以獲得更加直觀和明顯的評(píng)估結(jié)果。同時(shí)，還應(yīng)研究不同評(píng)價(jià)方法對(duì)操作面板人機(jī)功效的影響，以找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)艙門操作面板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。