人因工程在飞机驾驶舱飞行姿态显示设计中的应用

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　　摘 要 本文利用人因工程学中施耐德曼的八项黄金法则讨论飞行姿态界面中两大参考框架（MA、MH）与三种样式（CON、CMD、PAS）搭配的六种不同界面的优劣性，对飞机姿态显示界面的设计提供主观性意见。
　　关键词 施耐德曼八项黄金法则;飞行姿态显示设计;人因工程
　　中图分类号： V223.1                   文献标识码： A
　　0 引言 随着技术革新，民航科技不断发展，增强飞机驾驶安全性的途径诸多，除大力开展培训飞行员、加强航空流量管制等工作外，改善飞机驾驶舱人机交互界面也是保证航空安全运行的关键之一。且飞行姿态显示系统在飞行员手动操纵飞机的过程中尤为重要，在为飞行员提供更直观易于理解的操纵界面的同时，从人因工程的角度提高了操纵飞机的简便程度，缩短了飞机进入复杂状态时的改出时间。由此在飞机驾驶舱设计过程中较好运用和开展人因工程学是未来的发展方向，不仅保证了人机交互的舒适性，还为民航安全运行提供保障。
　　施耐德曼的八项黄金法则（Schneiderman’s Eight Golden Rules;Schneiderman， 1998）[1]具有通用性，适用于任何界面的启发式分析，包括飞机驾驶舱飞行姿态显示界面，且其分析结果很有价值，占用资源量少，是人因工程学研究方法中较为简便的一种界面研究方法[2]。本文通过此种方法对六种姿态方向指示界面进行研究分析，旨在获得较为实用的搭配方式，为飞机驾驶舱飞行姿态显示界面提供可行性方案。
　　1 飞机驾驶舱显示界面设计原则
　　在飞机驾驶舱显示界面设计方面，国内对人-机-环等诸要素的研究始于20世纪80年代后期，并在仪表及照明工程心理学等方面发展较快，但仍然落后于国外诸多国家，例如法国研制的空客A380飞机的驾驶舱完美体现了以人为本的设计理念，应用了大量人因工程学方面的设计原则，并取得了良好的效果[3]。
　　1.1 总体设计原则
　　显示界面较为复杂的信息（例如复杂数据、文字、公式等）应进行简化便于飞行员理解;仪表显示设计应避免眩光和反射;显示界面应与控制装置放到同一操纵区域，并不应被遮挡为飞行员提供较好的操纵环境;飞行过程中的主要信息应放在显示界面中的醒目位置，以便安全、顺利地完成飞行任务。
　　1.2 显示信息设计原则
　　在界面信息显示的设计中主要应遵循的原则包括：显示信息尽量地少，呈现最必要的飞行信息，减少不必要信息对飞行员产生的干扰;显示精度应在一定的范围内;不得将不必要的冗余信息单独列为一个条目，从而影响飞行员的注意力分配;明确显示器故障，当飞行显示器发生故障时应立即反馈给飞行员;不得标注飞行厂家及与飞行内容无关的商标信息;数量信息应标注度量单位等。显示信息在异常飞行过程中十分重要，是飞行员判断飞机状态的重要依据，由此遵循显示信息设计原则是飞行姿态显示系统设计的关键。
　　1.3 显示器的位置设计原则
　　飞机显示器应布置在合适的位置，没有障碍物遮挡，从而能精确地读出需要的飞行信息;显示器还应布置在合适的视角，尽量垂直于飞行员的正常视线，与正常视线的夹角不得小于45°[4];显示器的布置还应避免反射，防止太阳光及舱内照明系统对显示屏的反射由此影响飞行员对数据的读取[5];显示器的最大观看距离应满足从眼位参考点到显示器不超过64cm;显示器的最小观看距离应满足不小于330mm[4]。显示器的位置设计对飞行员读取数据的体验感起着重要的作用，总的来说显示器布局应满足辨别度高这一特点。
　　1.4 显示器编码设计原则
　　显示器应通过颜色、亮度、闪光、位置等译码且系统中所有的译码应具有一致性;闪光编码用来强调当前信息与其他信息的相关性，可读文字不应该闪烁，并且闪光区域应保证只有一小块;颜色译码用于介绍显示段落中详细的说明，同时应用颜色译码区分不同程度的信息。
　　1.5 警报警告信息设计原则
　　警报信息的呈现必须在舱内正常灯光照明下能明显的引起飞行员注意，必须与普通灯光有所不同;一般选用视觉和听觉结合的警报系统提示飛行员;警报信号必须使用闪光频率为3～5Hz，占空比为50%的红色闪光灯[6]。警报信息在飞机即将进入到异常飞行状态时起着决定性作用，为飞行员正确改出提供足够的时间。
　　综上所述，为确保航空安全运行，在驾驶舱显示界面的设计中需要遵循大量原则。
　　2 姿态方向指示界面设计方案
　　姿态方向指示界面（attitude directional indicator，ADI）主要包括两部分属性[7]，即显示样式和参考框架。参考框架包括移动地平线（Moving Horizon，MH）和移动的飞机（Moving Airplane，MA）参考框架。三种显示样式包括：命令显示样式（Command display formats，CMD）、状态显示样式（Conditional display formats，CON）、形象化显示样式（Pictorial display formats，PAS）。并由此组成六种搭配方案，具体说明如下。
　　2.1 两种参考框架
　　MH参考框架在显示界面上的人造地平线与飞行员在驾驶舱中的视野相一致（Roscoe，Corl，&Jensen，1981）[8]，而MA参考框架则保持人造地平线不动，人造飞机图标的移动与飞行员手部运动状态一致（Yamaguchi&Proctor，2010）[9]。两种参考框架各有优缺点，MH参考框架可保证显示器上的移动地平线与飞行员观察到的实际运动相一致，但不能保证手部运动与飞机运动状态相一致（Previc&Ercoline，1999）[10]，MA与之相反。以往研究院对两种框架的研究结果并未得到统一意见。 　　2.2 三種显示样式
　　命令显示样式（CMD）是指在飞行员操纵飞机之前得到指令，告知其应该恢复的期望姿态（Wickens et al，2007）[11]。当飞机进入复杂状态需要改出时，飞行员从飞行姿态显示界面上得到的是能直接指导其如何恢复的命令显示。而状态显示样式（CON）属于传统显示样式，只显示当前飞机的状态信息。形象化显示样式（PAS）是一种新型的显示样式，通过3D立体透视图形的飞机符号来表示当前飞机滚转与倾斜，更加直观立体的吧飞行姿态信息呈现给飞行员。
　　有研究显示，将状态显示样式（CON）与MA参考框架相结合比与MH参考框架相结合更加的能提高被试的反应时间与正确率。也有研究表明在恢复俯仰状态过程中，命令显示样式（CMD）搭配MA参考框架所需的注意力分配要高于MH参考框架的搭配（Lee&Myung，2013）[12]。显示样式与参考框架的讨论仍未得到一致结果，本文通过人因工程学研究方法对各种搭配进行分析对比，由此将两种参考框架与三种显示样式结合得到六种搭配方案，如表1。
　　表1 参考框架与显示样式的搭配方案
　　3 施耐德曼八项黄金法则评估六种搭配方案
　　施耐德曼的八项黄金法则属于人因工程学研究方法中对界面评估的一种启发式分析。虽然其方法的信度、效度与客观性较差，但其操作简单，输出结果很有意义，可贯穿于整个设计过程中，并且耗费的时间较少可较好的应用于界面分析中。
　　施耐德曼的八项黄金法则包括：谋求一致性;操纵便捷性;提供明确反馈;设计对话以构成闭环;提供简单的差错处理;易于撤销操作;支持用户内在控制;减少短时记忆负担。根据如上八项黄金法则评价飞行姿态显示界面的六种搭配，如表2所示。
　　4 小结
　　目前飞机驾驶舱的飞行姿态显示设计在大部分民机中已经成熟，但在无人机、军用机中还未有明确的规定，仍需要根据各机型功能的不同选择飞行姿态显示界面。本文通过施耐德曼八项黄金法则评价了六种不同的飞行姿态显示界面，发现命令显示样式的各项指标表现较好，但在具体设计过程中还要考虑不同的框架，从而给驾驶员最好的人机交互体验。未来可以采用更多的人因工程学方法分析不同的飞行姿态显示设计，根据不同的需求选择出最恰当的设计原则，为民航发展提供一定的参考依据。
　　参考文献
　　[1]罗燕.驾驶舱照明设计与分析[J].电子测试，2013（15）：27-30.
　　[2]罗晓利，陈德贤等.人因工程学研究方法[M].西南师范大学出版社.
　　[3]田钢，等.基于逆向工程方法的A380人因工程学设计原理研究[D].四川：中国民航飞行学院，2013.
　　[4]王丽，等. 显示器布局对人的视觉识别能力影响的研究[D]. 北京：北京航空航天大学，2003.
　　[5]张燕军.民机驾驶舱工效若干关键技术研究[D].南京航天航空大学，2014.
　　[6]陈宏玉.无人机飞行姿态显示界面设计对恢复异常飞行姿态操作的影响[D].西安：陕西师范大学，2018.
　　[7]Department of Defense.MIL-STD-1472F-1999 Department of Defense design criteria standard[S].USA：Department of Defense，1999.
　　[8]Schneidermans Eight Golden Rules;Schneiderman，1998
　　[9]Johnson，S.L，&Roscoe，S.N.（1981）.What moves， the airplane or the world？ Human Factors，14（2），107.
　　[10]Lee，B.G，&Myung，R.（2013）.Attitude Indicator Design and Reference Frame Effects on Unusual Attitude Recoveries. International Journal of Aviation Psychology，23（1），63-90.
　　[11]Previc， F.H，&Ercoline， W.R.（1999）.The outside-in attitude display concept revisited.International Journal of Aviation Psychology，9（4），377-401.
　　[12]Wickens，C.D，Self，B.P.Andre，T.S，Reynolds，T.J，Small，R.L.（2007）.Unusual Attitude Recoveries With a Spatial DisorientationIcon.International Journal of Aviation Psychology，17（2），153-165.
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