飞机驾驶舱触摸屏界面的人机交互

飞机驾驶舱触摸屏界面的人机交互Abstract：Touchscreenshavebeenusedinaircraftcockpitinrecentyears.Touchscreenaffordsanintuitiveanddirectinteraction,whichcandecreaseworkload,anditsdisplaycouldbebasedontaskdemand.Ontheotherhand,theinteractivecontrolprecisionoftouchscreenisinsufficient,andvibrationmakesitsuseinconvenient.Theoperationreliesoneyegaze.Unintendedtouchmayoccur,andtheinteractionlackshapticfeedback.Furtherresearchisproposedtoprovidereferencesforimprovingthesecurityandefficiencyoftouchscreeninteraction.KeyWords：TouchScreen;Man-machineinteraction;Humanfactors;Man-machineinterface;Safety近年來，触摸屏作为一种新的人机界面交互媒介和手段，在日常生活及诸多工业领域得到了越来越广泛的应用。在航空业中，也出现了应用触摸屏替代常规显示控制界面的趋势。例如,iPad作为电子飞行包(EFB)进入了驾驶舱;Garmin、Thales、Barco、Honeywell等公司设计了多款民机驾驶舱中使用的触摸屏，并运用到部分机型中，如湾流G500和G600公务机。触摸屏在航空业中的应用尚处于起步阶段，除了触摸屏技术需要不断完善之外，从飞行员的角度出发进行人机交互分析也是研究的重点。飞行员处于飞行任务的中心环节，需要从人机界面获取所需信息,经过大脑的感知与加工处理，做出判断决策并输岀正确的行动，该行动又作用于人机界面，进而产生对飞机的操控。可见，在上述“信息输入-加工处理-行动输出”的环路中，人机界面既是信息的提供渠道，又是行动的作用目标，因此，人机界而的形式会对飞行员的认知过程产生重大影响。经过几十年的发展，驾驶舱人机界而的形式己从过去的机械式分离仪表发展到现在的电子式大屏幕综合仪表，使得飞行员能够更加安全、高效、舒适地完成飞行作业。那么，触摸屏这种新的人机界而形式与常规形式相比，会对飞行员的人机交互产生怎样的影响？这些影响能否进一步提高飞行的安全、高效与舒适？以下就触控交互的优缺点展开讨论，并提出未来研究方向。1触控交互的优点1.1交互方式自然直观触摸屏的显示和操作是一种非常直观、自然的交互方式，人机界面的元素拥有很高的“可供性”(affordance)。可供性是一种人和物体的关系，这种关系是指人感知到来自于物体的促发因素，而产生做出某种行动的可能。一个良好设计的物体应该给人以自然直观的动作提示，让人不假思索地正确使用它。目前，触摸屏交互方式已经深入到人们的日常生活中，即使几岁的小孩也可以轻松使用iPad等触摸屏设备，可见触摸屏人机交互方式的自然直观性。日常生活中对触摸屏设备的熟悉，也会对飞行员产生积极影响。例如，不同触摸屏设备界面元素的一致性能为飞机驾驶舱触摸屏界面的设计提供重要参考。基于这种自然直观的交互方式，飞行员的操作速度更快，错误操作率更低。另外，也具备良好的可学习性和技能迁移性，飞行员能快速学习和掌握触控交互方式，且不易遗忘。1.2降低工作负荷飞行任务是由多种任务组成的复杂任务，尤其在起飞、进近着陆等关键飞行阶段，飞行员的工作负荷通常很高，也更容易诱发失误。引入触摸屏后，可以将显示与控制设备相结合，实现基于飞行任务的资源整合，有效协同手、眼、脚等操作，缩短任务中多个显示与控制元件的物理操作距离，也减少飞行员心理加工过程和环节，达到降低工作负荷的目的。1.3基于任务需求的显控界面现有的驾驶舱仪表显示和控制器件具有固定的位置和功能，其设计也并未从飞行任务及飞行员的需求出发，容易造成信息呈现混乱、难以识别关键信息、按错按钮等后果，危害飞行安全。目前主流商业运输机的显示仪表包括主飞行显示、导航显示、系统显示、告警显示等多个大屏显示，但这些仪表只起显示作用，无法触摸操控，也无法根据飞行任务所需变换显示内容。飞行员在巡航阶段需密切关注仪表显示信息，保持良好的情境意识，而人的注意力难以长时间保持高度集中。因此，为了让飞行员更好地对飞行状态进行持续监控，可将被动注视仪表转变为一种更主动的交互方式，触摸屏就提供了这样一种可操作的主动式交互，能令飞行员更集中注意力。由于触摸屏的引入，显示与控制便结合在一起，一块屏幕既可用于信息的显示，飞行员又可以直接在屏幕上进行操作。通过触屏操作，可以改变屏幕上的显示内容，该内容是当前飞行任务所需的关键信息,而其他不必要信息则暂时不显示。因此，通过触摸屏的交互手段，可以构建基于飞行任务需求的显控界面，有利于飞行员更加安全、高效地进行监控和操作。2触控交互的缺陷2.1控制精度不足触摸屏是通过手指与界而接触来实现对目标物的控制，这与鼠标、键盘、按钮、旋钮等控制器件相比，控制的精度不足，这体现在以下几方而。（2）目标物的面积不能太小。手指接触屏幕的部位是一个面，具有一定的而积，因而不便定位面积太小的目标物。（2）多个目标物之间的距离不能太近。若几个目标物同时处于手指接触的而积以内，则难以将目标与非目标区分开来。（3）不便进行精确的数字任务。有的任务有精确的数字要求，例如调节电台频率、调整气压基准，此时采用旋钮旋转或键盘输入更便捷，若采用触屏操作则更耗时或易失误。反之，不需精确数字的任务则可用触屏操作，例如通过手指上下滑动将屏幕调到舒适的亮度，此时无须知道精确的亮度值是多少，只需主观感受到舒适即可。2.2振动对触控交互的不利影响飞机在气流中的颠簸和振动会使显示画而抖动，导致飞行员视物不清，这对于常规显示和触摸屏是同样的问题。此外，振动不利于触摸屏的操作，可出现定位不准、增加工作负荷等问题。随着振动的增加，任务的反应时间呈线性或指数增加。鼠标、轨迹球、触摸屏等不同类型的交互媒介在振动环境中的绩效是不同的，并且绩效还与任务的精度要求有关。一般而言，如果任务精度要求不高，那么触摸屏交互的速度和准确性是非常高的，在低、中、高等不同程度的振动环境下都是如此。反之，如果任务对精度要求很高，触摸屏的绩效就比轨迹球等交互方式要差。此外，不同的手势在振动环境中的绩效也不尽相同「单击”手势受到振动的影响最小，“拖拽”、•缩放”等手势在较严重的振动环境中则延长了任务完成时间，出现更多的错误。2.3操作无法脱离注视触摸屏的操作需要在眼睛的注视之下才能完成，即手眼协同作业。传统的操纵器件可以在眼睛注视下操作，也可以脱离眼睛注视，或者无须持续注视。传统操纵器件本身具备不同的形状和触感，可以不借助视觉而准确定位和操作。反之，触摸屏是一块平整的屏幕，不借助视觉无法感知各部位的区别，各个可操作目标和元素是以图标的形式呈现在屏幕上，要操作特定对象显然要借助视觉的帮助定位。因此，在多任务情景中不便使用触摸屏操作，因为眼睛无法从触摸屏转移到其他任务上去。2.4可能产生误触由于种种原因，飞行员可能错误地触摸了触屏的某个区域或对象,由此可能产生不可逆转的后果。为避免这一问题，可采取以下措施。（1） 明确触摸屏作业范围。在所有的飞行任务中，哪些可以用触摸屏实现，哪些不可以，目前尚无定论。一种极端是所有任务都不能使用触摸屏，另一个极端则是所有任务都可以用触摸屏。在确保安全的前提下，应当根据任务的重要程度仔细确定是否能用触摸屏的方式。（2） 增加再次确认机制。对一些关键操作，应再次确认，以避免误触。（3）提供中断或可逆操作，作为误触之后的补救措施。总体而言，对于误触的防范需要深入探索触摸的人机交互机制，目前对这一问题还缺乏足够的研究。2.5缺乏触动觉反馈传统的操纵器件大多具备触动觉反馈，飞行员可以根据触动觉反馈核实并调整自己的操作。例如，一个经验丰富的飞行员会潜意识地通过感知驾驶杆的力度来判断飞机的姿态。实际上，从信息加工的角度而言，驾驶舱中的触觉信息是除了视觉和听觉信息以外最常用的信息，而觸摸屏操作恰好损失了触动觉的反馈信息。这可能产生多感觉通道信息不一致的后果，如视觉-触觉信息不一致。换句话说，飞行员仅从视觉通道获取了操作成功的信息，然而无法从触觉通道核实该信息。为弥补这一缺陷，应当为飞行员适当补充一些信息（不一定是触觉信息），辅助其核实，避免多感觉通道不一致。3未来的研究方向3.1触控手势与传统显控器件不同的是，触摸屏的人机交互可以通过不同的手势来实现。随着触控技术的发展，己由单点触控转变为多点触控，可双手、双人同时操作，手势也更为丰富，常见的手势有单击、双击、长按、（上下左右）滑动、拖动、缩放等。手势的含义应当直观自然，例如，地图的放大和缩小一般采用两个手指向外扩张或向内压缩的方式，符合人们的心理预期，但地图放大也有采用双击屏幕的方式，稍显不自然，但通过简单的学习也能掌握。手势设计的优劣会极大地影响操作者的舒适性，因此对这一问题进行研究很有必要。对手势的研究主要包括以下几个方面：（1）采用几种手势？受记忆的限制，手势的数量不宜过多，以免造成记忆混乱。（2）采用哪些手势？除上文提及了滑动、缩放等约定俗成的手势以外，手持设备中新出现的手势也可以考虑在驾驶舱仪表上使用，例如加大按压力度的•重按”。创设新的手势需要充分考虑人手的操作特性及心理预期。（3）手势的含义如何确定？手势与其含义的联系并不是严格一成不变的,但两者的联系应当尽量符合自然直观的原则，至少不能违背操作者的心理预期。同时，一个手势在不同的情境下可能具备不同的含义，在设计时应注意避免造成混淆。3.2触摸屏的布局与可达性为使飞行员在进行触控交互时更舒适，减轻肌肉疲劳，应当注意触摸屏的合理布局和可达性问题。有研究构建了基于触控交互的区域模型，用于确定交互的区域，可供触控交互设计参考。传统的仪表和控制而板布局于飞行员的前方、侧方和上方，而触摸屏则不宜安装在顶板处，因为顶部面板距离飞行员较远，完成触摸手势需向上伸直手臂，造成肌肉疲劳。即使是布局于飞行员前方的触摸屏，也应调节其距离，使得屏幕具备良好的可达性。此外，屏幕的倾斜角度也会影响飞行员的观察与操作。3.3触摸屏的心理接受度面对新鲜事物和新技术，人们往往处于复杂矛盾的心理状态。一方而，对新事物充满了新鲜感，想要试探性地尝试;另一方而又不愿接受新事物，认为新技术不成熟、不安全、难以学习，自己己经掌握的旧技术更熟练可靠。对于触摸屏技术，不同的飞行员态度不一，因此有必要进行访谈和问卷调查，分析他们对触摸屏的心理感受，这将影响这项技术的运用。从技能获取的角度而言，新技术必须经过一定时间的学习，而新技术的学习过程又会受到先前已掌握技术的影响，这种影响可以起到积极的促进作用（正迁移），也可能起妨碍作用（负迁移）。对新技术持否定心理态度的人，通常是因为新技能的学习过程中遭遇了负迁移，从而产生不良的心理体验，排斥新技术。因此，需要从人的心理接受度入手，考虑触摸屏的设计，尽可能使飞行员产生技能正迁移和良好的心理体验，才能利于新技术的推广运用。3.4老年人的操作特性包扌舌我国在內，世界上很多国家正处于老龄化进程中，未来一段时期内人口结构中会出现越来越多的老年人，对飞行员群体也是如此。新技术对年龄偏大的使用者来说是一项全新挑战。首先，老年人对新技术有上文提及的心理接受度问题。老年人的知识结构、技能水平和观念态度都相当成熟稳定，可塑性相对较低，因此对新技术有潜意识的抗拒性，或者难以掌握新技术。其次，很多新技术在设计之初的定位主要是年轻人，并未更多考虑老年人的操作特性，这也是造成老年人使用不习惯的原因之一。因此，新技术应当尽可能充分考虑包括老年人在内的各类人群的使用特性。就触摸屏而言，应充分考虑老年人的手指不够灵活、