蔣浩

摘 ? 要：近年來，觸摸屏在飛機駕駛艙中開始了應用。觸摸屏人機交互自然直觀，能降低工作負荷，其界面顯示可以基于任務需求。另一方面，觸摸屏交互控制精度不足，在振動環(huán)境使用不便，其操作無法脫離注視，且可能產(chǎn)生誤觸，也缺乏觸動覺反饋。提出了未來研究方向，為提升觸摸屏交互的安全性與高效性提供參考。

關鍵詞：觸摸屏 ?人機交互 ?人的因素 ?人機界面 ?安全性

中圖分類號：V241 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0021-03

Abstract： Touch screens have been used in aircraft cockpit in recent years. Touch screen affords an intuitive and direct interaction， which can decrease workload， and its display could be based on task demand. On the other hand， the interactive control precision of touch screen is insufficient， and vibration makes its use inconvenient. The operation relies on eye gaze. Unintended touch may occur， and the interaction lacks haptic feedback. Further research is proposed to provide references for improving the security and efficiency of touch screen interaction.

Key Words： Touch Screen; Man-machine interaction; Human factors; Man-machine interface; Safety

近年來，觸摸屏作為一種新的人機界面交互媒介和手段，在日常生活及諸多工業(yè)領域得到了越來越廣泛的應用。在航空業(yè)中，也出現(xiàn)了應用觸摸屏替代常規(guī)顯示控制界面的趨勢。例如，iPad作為電子飛行包（EFB）進入了駕駛艙;Garmin、Thales、Barco、Honeywell等公司設計了多款民機駕駛艙中使用的觸摸屏，并運用到部分機型中，如灣流G500和G600公務機[1]。

觸摸屏在航空業(yè)中的應用尚處于起步階段，除了觸摸屏技術需要不斷完善之外，從飛行員的角度出發(fā)進行人機交互分析也是研究的重點。飛行員處于飛行任務的中心環(huán)節(jié)，需要從人機界面獲取所需信息，經(jīng)過大腦的感知與加工處理，做出判斷決策并輸出正確的行動，該行動又作用于人機界面，進而產(chǎn)生對飛機的操控?？梢?，在上述“信息輸入-加工處理-行動輸出”的環(huán)路中，人機界面既是信息的提供渠道，又是行動的作用目標，因此，人機界面的形式會對飛行員的認知過程產(chǎn)生重大影響。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，駕駛艙人機界面的形式已從過去的機械式分離儀表發(fā)展到現(xiàn)在的電子式大屏幕綜合儀表，使得飛行員能夠更加安全、高效、舒適地完成飛行作業(yè)。那么，觸摸屏這種新的人機界面形式與常規(guī)形式相比，會對飛行員的人機交互產(chǎn)生怎樣的影響？這些影響能否進一步提高飛行的安全、高效與舒適？以下就觸控交互的優(yōu)缺點展開討論，并提出未來研究方向。

1 ?觸控交互的優(yōu)點

1.1 交互方式自然直觀

觸摸屏的顯示和操作是一種非常直觀、自然的交互方式，人機界面的元素擁有很高的“可供性”（affordance）?？晒┬允且环N人和物體的關系，這種關系是指人感知到來自于物體的促發(fā)因素，而產(chǎn)生做出某種行動的可能。一個良好設計的物體應該給人以自然直觀的動作提示，讓人不假思索地正確使用它[2]。

目前，觸摸屏交互方式已經(jīng)深入到人們的日常生活中，即使幾歲的小孩也可以輕松使用iPad等觸摸屏設備，可見觸摸屏人機交互方式的自然直觀性。日常生活中對觸摸屏設備的熟悉，也會對飛行員產(chǎn)生積極影響。例如，不同觸摸屏設備界面元素的一致性能為飛機駕駛艙觸摸屏界面的設計提供重要參考。

基于這種自然直觀的交互方式，飛行員的操作速度更快，錯誤操作率更低。另外，也具備良好的可學習性和技能遷移性，飛行員能快速學習和掌握觸控交互方式，且不易遺忘。

1.2 降低工作負荷

飛行任務是由多種任務組成的復雜任務，尤其在起飛、進近著陸等關鍵飛行階段，飛行員的工作負荷通常很高，也更容易誘發(fā)失誤。引入觸摸屏后，可以將顯示與控制設備相結合，實現(xiàn)基于飛行任務的資源整合，有效協(xié)同手、眼、腳等操作，縮短任務中多個顯示與控制元件的物理操作距離，也減少飛行員心理加工過程和環(huán)節(jié)，達到降低工作負荷的目的。

1.3 基于任務需求的顯控界面

現(xiàn)有的駕駛艙儀表顯示和控制器件具有固定的位置和功能，其設計也并未從飛行任務及飛行員的需求出發(fā)，容易造成信息呈現(xiàn)混亂、難以識別關鍵信息、按錯按鈕等后果，危害飛行安全。

目前主流商業(yè)運輸機的顯示儀表包括主飛行顯示、導航顯示、系統(tǒng)顯示、告警顯示等多個大屏顯示，但這些儀表只起顯示作用，無法觸摸操控，也無法根據(jù)飛行任務所需變換顯示內容。飛行員在巡航階段需密切關注儀表顯示信息，保持良好的情境意識，而人的注意力難以長時間保持高度集中。因此，為了讓飛行員更好地對飛行狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)控，可將被動注視儀表轉變?yōu)橐环N更主動的交互方式，觸摸屏就提供了這樣一種可操作的主動式交互，能令飛行員更集中注意力。

由于觸摸屏的引入，顯示與控制便結合在一起，一塊屏幕既可用于信息的顯示，飛行員又可以直接在屏幕上進行操作。通過觸屏操作，可以改變屏幕上的顯示內容，該內容是當前飛行任務所需的關鍵信息，而其他不必要信息則暫時不顯示。因此，通過觸摸屏的交互手段，可以構建基于飛行任務需求的顯控界面，有利于飛行員更加安全、高效地進行監(jiān)控和操作。

2 ?觸控交互的缺陷

2.1 控制精度不足

觸摸屏是通過手指與界面接觸來實現(xiàn)對目標物的控制，這與鼠標、鍵盤、按鈕、旋鈕等控制器件相比，控制的精度不足，這體現(xiàn)在以下幾方面。（1）目標物的面積不能太小[3]。手指接觸屏幕的部位是一個面，具有一定的面積，因而不便定位面積太小的目標物。（2）多個目標物之間的距離不能太近。若幾個目標物同時處于手指接觸的面積以內，則難以將目標與非目標區(qū)分開來。（3）不便進行精確的數(shù)字任務。有的任務有精確的數(shù)字要求，例如調節(jié)電臺頻率、調整氣壓基準，此時采用旋鈕旋轉或鍵盤輸入更便捷，若采用觸屏操作則更耗時或易失誤。反之，不需精確數(shù)字的任務則可用觸屏操作，例如通過手指上下滑動將屏幕調到舒適的亮度，此時無須知道精確的亮度值是多少，只需主觀感受到舒適即可。

2.2 振動對觸控交互的不利影響

飛機在氣流中的顛簸和振動會使顯示畫面抖動，導致飛行員視物不清，這對于常規(guī)顯示和觸摸屏是同樣的問題。此外，振動不利于觸摸屏的操作，可出現(xiàn)定位不準、增加工作負荷等問題。隨著振動的增加，任務的反應時間呈線性或指數(shù)增加[4]。鼠標、軌跡球、觸摸屏等不同類型的交互媒介在振動環(huán)境中的績效是不同的，并且績效還與任務的精度要求有關。一般而言，如果任務精度要求不高，那么觸摸屏交互的速度和準確性是非常高的，在低、中、高等不同程度的振動環(huán)境下都是如此。反之，如果任務對精度要求很高，觸摸屏的績效就比軌跡球等交互方式要差。此外，不同的手勢在振動環(huán)境中的績效也不盡相同?！皢螕簟笔謩菔艿秸駝拥挠绊懽钚?，“拖拽”、“縮放”等手勢在較嚴重的振動環(huán)境中則延長了任務完成時間，出現(xiàn)更多的錯誤。

2.3 操作無法脫離注視

觸摸屏的操作需要在眼睛的注視之下才能完成，即手眼協(xié)同作業(yè)。傳統(tǒng)的操縱器件可以在眼睛注視下操作，也可以脫離眼睛注視，或者無須持續(xù)注視。傳統(tǒng)操縱器件本身具備不同的形狀和觸感，可以不借助視覺而準確定位和操作。反之，觸摸屏是一塊平整的屏幕，不借助視覺無法感知各部位的區(qū)別，各個可操作目標和元素是以圖標的形式呈現(xiàn)在屏幕上，要操作特定對象顯然要借助視覺的幫助定位[5]。因此，在多任務情景中不便使用觸摸屏操作，因為眼睛無法從觸摸屏轉移到其他任務上去。

2.4 可能產(chǎn)生誤觸

由于種種原因，飛行員可能錯誤地觸摸了觸屏的某個區(qū)域或對象，由此可能產(chǎn)生不可逆轉的后果。為避免這一問題，可采取以下措施。（1）明確觸摸屏作業(yè)范圍。在所有的飛行任務中，哪些可以用觸摸屏實現(xiàn)，哪些不可以，目前尚無定論。一種極端是所有任務都不能使用觸摸屏，另一個極端則是所有任務都可以用觸摸屏。在確保安全的前提下，應當根據(jù)任務的重要程度仔細確定是否能用觸摸屏的方式。（2）增加再次確認機制。對一些關鍵操作，應再次確認，以避免誤觸。（3）提供中斷或可逆操作，作為誤觸之后的補救措施?？傮w而言，對于誤觸的防范需要深入探索觸摸的人機交互機制，目前對這一問題還缺乏足夠的研究。

2.5 缺乏觸動覺反饋

傳統(tǒng)的操縱器件大多具備觸動覺反饋，飛行員可以根據(jù)觸動覺反饋核實并調整自己的操作。例如，一個經(jīng)驗豐富的飛行員會潛意識地通過感知駕駛桿的力度來判斷飛機的姿態(tài)。實際上，從信息加工的角度而言，駕駛艙中的觸覺信息是除了視覺和聽覺信息以外最常用的信息，而觸摸屏操作恰好損失了觸動覺的反饋信息。這可能產(chǎn)生多感覺通道信息不一致的后果，如視覺-觸覺信息不一致。換句話說，飛行員僅從視覺通道獲取了操作成功的信息，然而無法從觸覺通道核實該信息。為彌補這一缺陷，應當為飛行員適當補充一些信息（不一定是觸覺信息），輔助其核實，避免多感覺通道不一致。

3 ?未來的研究方向

3.1 觸控手勢

與傳統(tǒng)顯控器件不同的是，觸摸屏的人機交互可以通過不同的手勢來實現(xiàn)。隨著觸控技術的發(fā)展，已由單點觸控轉變?yōu)槎帱c觸控，可雙手、雙人同時操作，手勢也更為豐富，常見的手勢有單擊、雙擊、長按、（上下左右）滑動、拖動、縮放等。手勢的含義應當直觀自然，例如，地圖的放大和縮小一般采用兩個手指向外擴張或向內壓縮的方式，符合人們的心理預期，但地圖放大也有采用雙擊屏幕的方式，稍顯不自然，但通過簡單的學習也能掌握。手勢設計的優(yōu)劣會極大地影響操作者的舒適性[6]，因此對這一問題進行研究很有必要。

對手勢的研究主要包括以下幾個方面：（1）采用幾種手勢？受記憶的限制，手勢的數(shù)量不宜過多，以免造成記憶混亂。（2）采用哪些手勢？除上文提及了滑動、縮放等約定俗成的手勢以外，手持設備中新出現(xiàn)的手勢也可以考慮在駕駛艙儀表上使用，例如加大按壓力度的“重按”。創(chuàng)設新的手勢需要充分考慮人手的操作特性及心理預期。（3）手勢的含義如何確定？手勢與其含義的聯(lián)系并不是嚴格一成不變的，但兩者的聯(lián)系應當盡量符合自然直觀的原則，至少不能違背操作者的心理預期。同時，一個手勢在不同的情境下可能具備不同的含義，在設計時應注意避免造成混淆。

3.2 觸摸屏的布局與可達性

為使飛行員在進行觸控交互時更舒適，減輕肌肉疲勞，應當注意觸摸屏的合理布局和可達性問題。有研究構建了基于觸控交互的區(qū)域模型，用于確定交互的區(qū)域，可供觸控交互設計參考[7]。傳統(tǒng)的儀表和控制面板布局于飛行員的前方、側方和上方，而觸摸屏則不宜安裝在頂板處，因為頂部面板距離飛行員較遠，完成觸摸手勢需向上伸直手臂，造成肌肉疲勞。即使是布局于飛行員前方的觸摸屏，也應調節(jié)其距離，使得屏幕具備良好的可達性。此外，屏幕的傾斜角度也會影響飛行員的觀察與操作。

3.3 觸摸屏的心理接受度

面對新鮮事物和新技術，人們往往處于復雜矛盾的心理狀態(tài)。一方面，對新事物充滿了新鮮感，想要試探性地嘗試;另一方面又不愿接受新事物，認為新技術不成熟、不安全、難以學習，自己已經(jīng)掌握的舊技術更熟練可靠。對于觸摸屏技術，不同的飛行員態(tài)度不一，因此有必要進行訪談和問卷調查，分析他們對觸摸屏的心理感受，這將影響這項技術的運用。從技能獲取的角度而言，新技術必須經(jīng)過一定時間的學習，而新技術的學習過程又會受到先前已掌握技術的影響，這種影響可以起到積極的促進作用（正遷移），也可能起妨礙作用（負遷移）。對新技術持否定心理態(tài)度的人，通常是因為新技能的學習過程中遭遇了負遷移，從而產(chǎn)生不良的心理體驗，排斥新技術。因此，需要從人的心理接受度入手，考慮觸摸屏的設計，盡可能使飛行員產(chǎn)生技能正遷移和良好的心理體驗，才能利于新技術的推廣運用。

3.4 老年人的操作特性

包括我國在內，世界上很多國家正處于老齡化進程中，未來一段時期內人口結構中會出現(xiàn)越來越多的老年人，對飛行員群體也是如此。新技術對年齡偏大的使用者來說是一項全新挑戰(zhàn)。首先，老年人對新技術有上文提及的心理接受度問題。老年人的知識結構、技能水平和觀念態(tài)度都相當成熟穩(wěn)定，可塑性相對較低，因此對新技術有潛意識的抗拒性，或者難以掌握新技術。其次，很多新技術在設計之初的定位主要是年輕人，并未更多考慮老年人的操作特性，這也是造成老年人使用不習慣的原因之一。因此，新技術應當盡可能充分考慮包括老年人在內的各類人群的使用特性。就觸摸屏而言，應充分考慮老年人的手指不夠靈活、速度較慢、記憶力減退等特性[8]，改進觸摸屏的設計，以利于年老飛行員的使用。

4 ?結語

隨著經(jīng)濟發(fā)展和技術進步，觸摸屏等新技術開始在駕駛艙中開始應用。本文闡述了觸摸屏應用中的人機交互問題。觸控交互具有自然直觀特性，能降低操作者的工作負荷;同時，這種交互方式也具有精度較低、易受顛簸影響、需要視覺注視、缺乏觸動覺反饋等缺陷。為克服這些缺陷，充分發(fā)揮觸控交互的優(yōu)勢，未來應研究恰當?shù)挠|控手勢，構建合理的觸控面板布局，并分析對觸摸屏的心理接受度問題，充分考慮年齡較大使用者等特殊人群的操作特性，使觸控交互為安全、高效、舒服的飛行活動提供更有力的保障。

參考文獻

[1] 舒秀麗，王黎靜，何雪麗，等.民機駕駛艙中觸摸屏設備應用的工效學探討[J].航空工程進展，2016，7（1）：112-119.

[2] Letondal C， Vinot J L， Pauchet S， et al. Being in the Sky： Framing Tangible and Embodied Interaction for Future Airliner Cockpits[C]//TEI 2018 12th International Conference on Tangible， Embedded and Embodied Interactions， 2018.

[3] 陶達，袁娟，劉雙，等.觸摸屏按鍵特征因素對鍵盤輸入操作可用性的影響[J].人類工效學，2016，22（5）：1-6.

[4] Alapetite A， M?llenbach E， Stockmarr A， et al. A Rollercoaster to Model Touch Interactions during Turbulence[J].Advances in Human-Computer Interaction， 2018， Article ID 2698635.

[5] Pauchet S， Letondal C， Vinot J L， et al. GazeForm： Dynamic Gaze-adaptive Touch Surface for Eyes-free Interaction in Airliner Cockpits[C]//Proceedings of the 2018 on Designing Interactive Systems Conference 2018. ACM， 2018： 1193-1205.

[6] Kim H， Song H. Evaluation of the safety and usability of touch gestures in operating in-vehicle information systems with visual occlusion[J]. Applied Ergonomics， 2014， 45（3）：789-798.

[7] Barbé J， Mollard R， Wolff M. Ergonomic approaches to integrate touch screen in future aircraft cockpits[J]. Human–Computer Interaction： Interaction Modalities and Techniques Part III， 2014： 429-438.

[8] 吳金鐸，李宏汀，王春慧，等.基于中老年用戶的移動設備觸摸屏手勢操作可用性研究[J].人類工效學， 2016， 22（2）：12-20.