劉維平，傅斌賀，劉西俠，金毅

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072）

車載顯控終端輸入方式對乘員信息處理能力影響試驗(yàn)研究

劉維平，傅斌賀，劉西俠，金毅

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072）

基于自主開發(fā)的車載顯控終端作業(yè)模擬及工效測試系統(tǒng)，以任務(wù)完成時間和錯誤率為考核指標(biāo)，通過作業(yè)模擬方式，以研究觸屏和鼠標(biāo)兩種輸入方式對乘員信息處理能力的影響為試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行了試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：所采用的研究方法可有效區(qū)分不同輸入方式對乘員信息處理能力的影響，實(shí)際作業(yè)績效考核應(yīng)以觸屏操作的績效考核指標(biāo)為準(zhǔn)；但從掌握系統(tǒng)操作功能來看，兩種輸入方式的訓(xùn)練效果相同。該研究結(jié)果可為車載顯控終端輸入方式的遴選，人員科學(xué)訓(xùn)練提供借鑒和參考。

兵器科學(xué)與技術(shù)；車載顯控終端；輸入方式；信息處理能力

0 引言

裝甲車輛車載顯控終端是具有綜合顯示與控制特征并用于人機(jī)交互的車載式計(jì)算機(jī)［1］，是裝甲車輛指揮體系中的重要組成部分，其信息輸入的快速性、準(zhǔn)確性，對于裝甲車輛系統(tǒng)效能的發(fā)揮至關(guān)重要。車載顯控終端涉及功能較多，實(shí)時交互信息量大。信息處理的快速性和準(zhǔn)確性，不但與乘員信息處理能力密切相關(guān)，同時，也與所用輸入方式有密切關(guān)系。目前，車輛信息系統(tǒng)操作的訓(xùn)練和使用中，采用了鍵盤和鼠標(biāo)兩種輸入方式，其中觸屏鍵盤輸入是實(shí)車使用操作的一種主要方式。鼠標(biāo)輸入主要在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中采用，用于乘員的集中培訓(xùn)。

鑒于信息作業(yè)培訓(xùn)和實(shí)車操作中，存在不同的輸入方式，為檢驗(yàn)?zāi)M培訓(xùn)的效果，找出訓(xùn)練操作與實(shí)際操作之間的關(guān)系，有必要對兩種輸入方式下信息處理速度與準(zhǔn)確性進(jìn)行甄別和分析。同時，也可為其他信息顯控終端輸入方式的選擇提供參考和借鑒。為此，本文利用車載顯控終端作業(yè)模擬及工效測試系統(tǒng)，采取被試間與被試內(nèi)設(shè)計(jì)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，以任務(wù)完成時間和錯誤率為考核指標(biāo)，選擇觸屏和鼠標(biāo)兩種輸入方式進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，從而判斷輸入方式對乘員信息處理能力的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 被試人員

選取20名軍校本科學(xué)員，年齡在20～25歲（平均年齡21歲），男性，均為右利手，身體健康，矯正視力正常。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器為自主開發(fā)的車載顯控終端作業(yè)模擬及工效測試系統(tǒng)［2］。系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)和模擬顯控終端組成，計(jì)算機(jī)選用普通臺式計(jì)算機(jī)，模擬顯控終端選用帶觸摸屏的液晶顯示屏，外形尺寸和界面按照車載顯控終端設(shè)計(jì)，配置了觸屏和鼠標(biāo)兩種輸入方式。

試驗(yàn)軟件基于Labview編程語言自主開發(fā)，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)管理、模擬試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析3個模塊構(gòu)成。管理模塊主要完成被試人員信息管理、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和試驗(yàn)項(xiàng)目選擇等功能。模擬試驗(yàn)?zāi)K主要具有兩個功能:一是作業(yè)模擬，隨機(jī)生成任務(wù)信息，模擬典型信息操作功能；二是測試記錄功能，實(shí)時記錄被試人員作業(yè)的任務(wù)完成時間、操作次數(shù)與錯誤次數(shù)等參數(shù)。統(tǒng)計(jì)分析模塊主要用于對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容選擇主要基于以下3點(diǎn)原則確定:

1）典型性。試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)是戰(zhàn)時常用任務(wù)，對乘員信息處理速度和準(zhǔn)確性要求高，其操作功能具有代表性，能覆蓋系統(tǒng)的基本操作功能。

2）診斷性。試驗(yàn)應(yīng)能反映乘員在不同輸入方式下信息處理能力的變化，能夠診斷乘員對隨機(jī)信息的快速處理能力。

3）敏感性。任務(wù)具有隨機(jī)性，信息量大，反應(yīng)方式多樣，對被試人員注意集中能力要求高。

基于上述原則，選用常用的信息錄入任務(wù)作為本文研究的試驗(yàn)內(nèi)容。

1.4 試驗(yàn)操作流程

試驗(yàn)開始后，屏幕右下角隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)提示信息，被試人員依據(jù)所看到的信息，首先選擇作業(yè)類型，進(jìn)入相應(yīng)的二級作業(yè)界面；其次判斷目標(biāo)類型，做出相應(yīng)的選擇；然后進(jìn)入下一級操作，依據(jù)顯示的作業(yè)界面，錄入目標(biāo)類型、數(shù)量、方位和速度等相關(guān)信息。信息錄入均以菜單單選方式進(jìn)行。按確定鍵后，即完成本次作業(yè)，轉(zhuǎn)入下一次操作。

由于每次信息呈現(xiàn)的目標(biāo)類型、數(shù)量、方位和速度等多項(xiàng)具體信息均是隨機(jī)組合顯現(xiàn)，信息短時提示后即消失，這對被試人員的快速反應(yīng)、選擇反應(yīng)、短時記憶、工作記憶等綜合能力要求較高，符合試驗(yàn)研究的要求。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)本文的研究目的，試驗(yàn)分為兩部分。

試驗(yàn)1為訓(xùn)練效應(yīng)測試，通過對被試人員訓(xùn)練過程作業(yè)績效的對比試驗(yàn)，比較兩種輸入方式對作業(yè)績效的影響，驗(yàn)證影響的顯著性，以分析和檢驗(yàn)訓(xùn)練效果的合理性。

試驗(yàn)2為不同輸入方式測試，每名被試人員在熟練掌握兩種輸入方式后，通過測試被試人員兩種輸入方式下的作業(yè)績效，進(jìn)一步驗(yàn)證不同輸入方式對作業(yè)績效影響的顯著性及與訓(xùn)練過程的影響是否存在不同。

1.6 試驗(yàn)方案

1）為消除練習(xí)效應(yīng)和順序效應(yīng)，訓(xùn)練效應(yīng)測試采用被試間設(shè)計(jì)，將20名被試人員編為兩組，一組以鼠標(biāo)輸入方式進(jìn)行訓(xùn)練，另一組以觸屏輸入方式進(jìn)行訓(xùn)練，為減小隨機(jī)誤差，采取隨機(jī)分配被試人員的方式進(jìn)行編組。

試驗(yàn)前對被試人員進(jìn)行專門理論培訓(xùn)，向被試人員說明試驗(yàn)基本程序和要求。

試驗(yàn)分為5個階段，每階段進(jìn)行10次連續(xù)試驗(yàn)，兩階段間適當(dāng)休息，以消除因疲勞有可能產(chǎn)生的影響。

2）不同輸入方式測試采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)。從20名被試人員中隨機(jī)抽取10人作為試驗(yàn)2被試人員，試驗(yàn)采取兩種輸入方式交替進(jìn)行展開試驗(yàn)，每種輸入方式連續(xù)進(jìn)行5次試驗(yàn)，兩種輸入方式的試驗(yàn)之間適當(dāng)休息。

被試人員完成試驗(yàn)后，填寫主觀調(diào)查問卷。從輸入方式對掌握系統(tǒng)功能、信息辨識方便性、操作速度和準(zhǔn)確性等4個方面的影響，分別對兩種輸入方式進(jìn)行評價。

2 結(jié)果及分析

2.1 訓(xùn)練效應(yīng)測試的結(jié)果及分析

采用估算邊際均值法對兩種輸入方式下訓(xùn)練過程的各階段任務(wù)完成時間和錯誤率的均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖1、圖2分別給出了任務(wù)完成時間和錯誤率隨訓(xùn)練過程變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖1 任務(wù)完成時間的估算邊際均值圖Fig.1 Estimated marginal means of task completion time

圖2 錯誤率的估算邊際均值圖Fig.2 Estimated marginal means of error rate

為進(jìn)一步分析兩種輸入方式對任務(wù)完成時間和錯誤率影響的顯著性，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，表1、表2分別給出對任務(wù)完成時間和錯誤率影響的方差分析結(jié)果。

表1 任務(wù)完成時間的方差分析結(jié)果Tab.1 ANOVO of task completion time

1）由圖1可看出，兩種輸入方式下任務(wù)完成時間隨訓(xùn)練量的增加均呈下降趨勢，表明訓(xùn)練可有效提高信息處理速度；這與人的一般認(rèn)知過程相吻合；且鼠標(biāo)輸入方式下的任務(wù)完成時間大于觸屏輸入方式，表1的方差分析結(jié)果表明，二者存在顯著差異（P=0.004）.說明輸入方式對任務(wù)完成時間有顯著影響。

2）由圖2可看出，兩種輸入方式下的錯誤率隨訓(xùn)練量的增加，變化趨勢不明顯。雖然，鼠標(biāo)輸入錯誤率略高于觸屏輸入，但相差很小。而表2的方差分析結(jié)果表明，輸入方式對錯誤率影響不顯著（P= 0.061）.這一方面說明輸入方式對錯誤率的影響不夠顯著，另一方面說明錯誤率的影響因素較為復(fù)雜，它受人的能力、素質(zhì)等多重因素影響，具有不確定性。

2.2 不同輸入方式測試的結(jié)果及分析

表3、表4分別給出了熟練掌握兩種輸入操作后，被試人員兩種輸入方式下任務(wù)完成時間和錯誤率方差分析的結(jié)果。

表3、表4的結(jié)果表明，被試人員熟練掌握兩種輸入操作后，輸入方式對任務(wù)完成時間的影響仍顯著（P=0.012），而對操作錯誤率的影響不顯著（P=0.207），與試驗(yàn)1的分析結(jié)論吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)1的結(jié)論。說明輸入方式對被試人員操作績效的影響，主要體現(xiàn)在任務(wù)完成時間上。

表3 任務(wù)完成時間的方差分析結(jié)果Tab.3 ANOVO of task completion time

2.3 輸入方式的主觀評價

表5給出了被試人員對兩種輸入方式主觀評價結(jié)果。由表5可看出，兩種輸入方式對于被試人員掌握系統(tǒng)功能沒有影響，輸入操作的方便性評價一致；而對于輸入操作快速性和準(zhǔn)確性的評價存在差異，其中快速性評價差異較大；而操作準(zhǔn)確性上，評價差異較小。主觀評價結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了不同輸入方式對任務(wù)完成時間影響的顯著性，而對錯誤率影響不顯著的試驗(yàn)分析結(jié)果，證明試驗(yàn)結(jié)果是合理、有效的。

表5 不同輸入方式的主觀評價結(jié)果Tab.5 Subjective evaluation results of different input modes

綜合主、客觀試驗(yàn)結(jié)果，還可看出輸入方式對于被試人員操作的影響主要體現(xiàn)在作業(yè)績效上，而不影響系統(tǒng)的認(rèn)知和操作功能掌握。這說明訓(xùn)練過程中，如果不考核培訓(xùn)人員實(shí)際作業(yè)績效，重點(diǎn)是讓培訓(xùn)人員掌握系統(tǒng)操作功能，則采用鼠標(biāo)輸入方式是合理可行的，利于擴(kuò)大培訓(xùn)規(guī)模，豐富培訓(xùn)手段，彌補(bǔ)訓(xùn)練器材有限的不足。

3 討論

3.1 觸屏輸入操作分析

觸屏操作時，手指直接操作觸屏，對操作目標(biāo)直接作用，轉(zhuǎn)換操作目標(biāo)時手指隨著注意力的轉(zhuǎn)移和視覺觀察目標(biāo)的轉(zhuǎn)換而同步移動，能夠?qū)σ曈X觀察目標(biāo)立即操作，觸屏操作是一個直接操作過程，具有較強(qiáng)的指向性和同步性。

3.2 鼠標(biāo)輸入操作分析

鼠標(biāo)操作時，手指通過使用鼠標(biāo)控制屏幕上的指針對目標(biāo)進(jìn)行間接操作，對操作目標(biāo)間接作用，注意力轉(zhuǎn)移和視覺觀察目標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后才進(jìn)行鼠標(biāo)指針的移動，鼠標(biāo)操作是一個間接操作過程，這在一定程度上影響了操作的指向性和同步性。

鼠標(biāo)指針目標(biāo)較小，對小距離移動影響不大，但對長距離移動影響較為明顯，移動鼠標(biāo)指針后需要完成一個尋找并判斷指針位置的過程，較小的指針會加大這一過程的難度，延長任務(wù)完成時間，降低了操作準(zhǔn)確性。

因此，觸屏操作的信息處理速度及主觀感受優(yōu)于鼠標(biāo)操作。

Wauther-Franks［3］通過試驗(yàn)得到了觸屏操作的任務(wù)完成時間小于鼠標(biāo)操作的結(jié)論，與本次試驗(yàn)結(jié)果相符。但Wu等［4］在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不論在3種導(dǎo)航方式中的哪一種，鼠標(biāo)的操作速度都好于觸屏，探究其原因:一方面其強(qiáng)調(diào)熟悉程度在操作界面用戶性能中的關(guān)鍵作用，而被試人員更熟悉鼠標(biāo)操作，因而鼠標(biāo)操作速度優(yōu)于觸屏；另一方面，其強(qiáng)調(diào)在觸屏操作過程中手指或手遮擋操作目標(biāo)，影響被試人員的視覺觀察，因而鼠標(biāo)操作速度優(yōu)于觸屏。針對第一個問題，Holzinger［5］提出觸屏操作是一種自然的輸入方法，缺乏經(jīng)驗(yàn)用戶也能夠輕松掌握；對于觸屏操作過程中手指或手遮擋操作目標(biāo)的問題，實(shí)踐表明，多數(shù)情況下表現(xiàn)并不明顯，同時，可通過顯控界面的合理布局，觸屏鍵尺寸的有效設(shè)計(jì)，有效規(guī)避其影響。如本文采用的模擬車載顯控終端界面，在操作目標(biāo)布局和鍵盤尺寸設(shè)計(jì)中，參考了ISO9241—9標(biāo)準(zhǔn)［6］的建議，并結(jié)合我國成年男子人體手部食指尺寸［7］，有效避免了遮擋操作目標(biāo)問題的發(fā)生。本文的兩個試驗(yàn)結(jié)果，以及表5主觀評價中，信息辨識方便性的評價結(jié)果很好地證明了這一點(diǎn)。這與其他研究人員［3，5，8］的結(jié)果基本一致，表明觸屏操作具有更好的用戶滿意度和用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)論

1）以作業(yè)績效作為評判指標(biāo)，基于典型作業(yè)任務(wù)操作，對顯控終端的輸入方式進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，對于甄別不同輸入方式對乘員信息處理能力的影響是有效的，試驗(yàn)證明研究方法可行，可作為各類信息終端輸入方式優(yōu)選的研究手段。

2）從熟悉和掌握系統(tǒng)操作功能看，鼠標(biāo)和觸屏兩種輸入方式效果是一致的，在車載顯控終端操作培訓(xùn)中，采用鼠標(biāo)操作進(jìn)行培訓(xùn)，能使乘員有效掌握顯控終端的操作功能，利于擴(kuò)大顯控終端培訓(xùn)規(guī)模，豐富培訓(xùn)手段，彌補(bǔ)訓(xùn)練器材有限的不足。

3）鑒于兩種輸入方式在任務(wù)完成時間上存在的差異比較顯著，乘員顯控終端操作實(shí)際作業(yè)績效考核，應(yīng)基于觸屏操作的績效考核指標(biāo)為準(zhǔn)。

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［1］ 中國人民解放軍總裝備部.GJB6106—2007裝甲車輛綜合顯控終端通用規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007. PLA General Armament Department.GJB6106—2007 General specification of integrated display&control terminal for armored vehicles［S］.Beijing:Standards Press of China，2007.（in Chinese）

［2］ Wang Q，Liu W P，Jin Y，et al.Design of the IDCTMV humanmachine ergonomics test system［C］∥The 4th International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology.Guilin，China:CEIS，2014:900-903.

［3］ Muller-Tomfelde C.Investigating temporal-spatial characteristics of mouse and touch input［J］.Lecture Notes in Computer Science，2009，5726（1）:645-657.

［4］ Wu F G，Lin H，You M L.Direct-touch vs.mouse input for navigation modes of the web map［J］.Displays，2011，32（5）:261-267.

［5］ Holzinger A.Finger instead of mouse:touch screens as a means of enhancing universal access［J］.Lecture Notes in Computer Science，2003，2615（1）:387-397.

［6］ European committee for standardization ISO 9241—9 Ergonomic requirements for office work with visual display terminals（VDTs）-part 9:requirements for non-keyboard input devices［S］.Geneva，Switzerland:Technical Committee ISO（TC）159，2000.

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［8］ Aras H，Walther-Franks B，Herrlich M，et al.Elastic steer-navigating large 3D information spaces via touch or mouse［J］.Lecture Notes in Computer Science，2011，6815（1）:138-141.

Experimental Study of Influences of Input Modes of Vehicle-mounted Display and Control Terminal on Crew's Information Processing Capability

LIU Wei-ping，F(xiàn)U Bin-he，LIU Xi-xia，JIN Yi
（Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Based on self-developed operation simulation and performance test system of vehicle-mounteddisplay and control terminal，the influences of input modes，i.e.，touch and mouse，on crew's information processing capability are analyzed by taking task completion time and error rate as evaluation indicators.The results show that the influences of different input modes on crew's information processing could be effectively discriminated by using the proposed method，and the touch mode should be regarded as the test mode of real operation performance test.However，the training effects of two input modes on mastering system operation functions are the same.The results can provide reference for the input mode selection of vehicle-mounted display and control terminal and the training of armored vehicle crews.

ordnance science and technology；vehicle-mounted display and control terminal；input mode；information processing capability

TJ811

A

1000-1093（2015）11-2180-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.024

2015-02-03

劉維平（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:lwpyxlzh@sohu.com