周海海，張哲睿，蔡林峰，王延斌，陳黎，張嵐云

（南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院 工業(yè)設(shè)計系，南京 210016）

隨著飛機機載計算機的數(shù)據(jù)處理能力和多模態(tài)交互技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機座艙數(shù)字界面的人機交互設(shè)計及其觸發(fā)飛行員情境感知，引起了國內(nèi)外人機交互領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。尤其是未來空戰(zhàn)將會面臨更為復(fù)雜和極端惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，需要在多維立體環(huán)境條件下執(zhí)行多平臺、多任務(wù)的高度信息化作戰(zhàn)式樣[1]。飛機座艙人機界面作為飛行員與飛機之間進(jìn)行人機對話和信息交換的媒介，飛行員需要與座艙的顯示與控制系統(tǒng)（顯控系統(tǒng)）進(jìn)行交互，以此來獲取飛機的狀態(tài)信息和周邊態(tài)勢信息。由于飛行環(huán)境多變，任務(wù)困難度高，信息顯示界面往往存在信息密度大、結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜的問題，飛行員不僅需要對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行逐一讀取，還需要結(jié)合當(dāng)前飛行任務(wù)，進(jìn)行綜合判斷并做出決策。由于數(shù)字化顯示在飛機座艙的應(yīng)用使人機界面信息的呈現(xiàn)方式及內(nèi)容相較于傳統(tǒng)顯示方式有了巨大差異，操作者的角色從手動控制者轉(zhuǎn)變成監(jiān)控者和決策者，需要一系列認(rèn)知與交互行為來執(zhí)行飛行與作戰(zhàn)任務(wù)。因此，運用人機交互設(shè)計技術(shù)優(yōu)化飛機座艙人機界面的交互設(shè)計，提升飛行員的情境感知能力就顯得尤為重要。

1 飛機座艙人機交互界面的發(fā)展

飛機座艙人機交互界面的發(fā)展主要經(jīng)歷了3 個階段：以機械顯控為主的物理人機界面；以電子顯示器和數(shù)字屏幕顯控為主的2D 數(shù)字界面；基于AR（增強現(xiàn)實）、VR（虛擬現(xiàn)實）、MR（混合現(xiàn)實）等技術(shù)（統(tǒng)稱XR 技術(shù)）的新型虛擬增強型人機交互界面，見圖1。

早期飛機座艙顯控系統(tǒng)以機械式儀表、操作桿和操作按鈕為主，因此，該階段的人機交互界面可以稱作物理人機界面。物理人機界面的特點是，因技術(shù)限制，只能以操縱桿、實體按鈕、實體開關(guān)進(jìn)行信息輸入，以物理實物形式的指針、數(shù)字刻度盤、數(shù)字滾輪進(jìn)行信息輸出。例如，飛機可以通過機械式儀表感知外界的氣壓，并將其數(shù)值轉(zhuǎn)化為飛機的高度和速度數(shù)值，并用儀表指針在刻度盤上指示出來[1]。二戰(zhàn)時期的P-51 野馬戰(zhàn)斗機座艙的機械顯示儀表已經(jīng)超過10個，座艙的信息顯示和控制開始變得復(fù)雜。

在20 世紀(jì)40 年代至70 年代，飛機座艙顯控系統(tǒng)由電子顯示器和綜合控制系統(tǒng)共同形成。隨著電子綜合顯示儀表的出現(xiàn)，飛機座艙的人機交互界面產(chǎn)生了顯著的改變。機械按鈕和開關(guān)在這一階段是主要的信息輸入手段，電子儀表盤則是進(jìn)行信息輸出。20世紀(jì)80 年代，CRT 顯示器被引入飛行儀表系統(tǒng)中。為了改變儀表越來越多使飛機駕駛員認(rèn)知負(fù)荷提高的問題，在全面進(jìn)入2D 數(shù)字屏幕界面階段后，飛機座艙只有少數(shù)的傳統(tǒng)機械儀表被保留，大部分的飛行信息數(shù)據(jù)都由計算機分析后再在主飛行顯示器（PFD）上顯示出來，這種獲取信息的方式大大增強了飛行員駕駛的安全性。平視顯示器（HUD）是飛機座艙人機交互界面的另一種形式。HUD 可以減少飛行技術(shù)誤差，在低能見度、復(fù)雜地形條件下向飛行員提供正確的飛行指引信息。隨著集成化和顯示器技術(shù)的不斷進(jìn)步，20 世紀(jì)末至今，飛機座艙有著進(jìn)一步融合顯示器、實現(xiàn)全數(shù)字化界面的趨勢。例如，我國自主研發(fā)生產(chǎn)的ARJ21 支線客機、C919 民航客機，其座艙的人機界面設(shè)計均采用觸控數(shù)字界面技術(shù)代替了大部分的機械儀表按鈕[2]。

20 世紀(jì)70 年代，美軍在主戰(zhàn)機上裝備了頭盔顯示系統(tǒng)（HMDs），引發(fā)了空中戰(zhàn)爭領(lǐng)域的技術(shù)革命。在虛擬成像技術(shù)成熟后，利用增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)可以直接將經(jīng)過計算機運算處理過的數(shù)據(jù)和圖象投射到駕駛員頭盔的面罩上。例如，美國F-35 戰(zhàn)斗機的飛行員頭盔使用了虛擬成像技術(shù)，將計算機模擬的數(shù)字化信息數(shù)據(jù)與現(xiàn)實環(huán)境無縫融合，具有實時顯示和信息疊加功能，突破了空間和時間的限制。

20 世紀(jì)90 年代，美國麥道飛機公司提出了“大圖像”智能化全景座艙設(shè)計理念，之后美國空軍研究實驗室又提出了超級全景座艙顯示（SPCD）的概念，充分調(diào)用飛行員的視覺、聽覺和觸覺，利用頭盔顯示器或其他大屏幕顯示器、交互語音控制系統(tǒng)、AR/VR/ MR 系統(tǒng)、手/眼/頭跟蹤電子組件、飛行員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，把飛行員置身于多維度的顯示與控制環(huán)境中。此外，在空間三維信息外加上預(yù)測信息的時間維度功能也是未來座艙顯示器的發(fā)展趨勢[3]。2020 年，英國宇航系統(tǒng)公司發(fā)布了一款第六代戰(zhàn)斗機的概念座艙，去除了駕駛艙中所有的控制操作儀器，完全依靠頭盔以AR 形式將操作界面顯示出來。由上述分析可知，未來基于XR 環(huán)境下的虛擬增強型人機界面將成為飛機座艙人機交互的全新途徑之一。

在學(xué)術(shù)界，有關(guān)飛機座艙人機交互界面的研究也取得了較為豐碩的成果，其中代表性研究成果見表1。

表1 飛機座艙人機交互界面的代表性研究成果Tab.1 Representative research results of human-machine interface in aircraft cockpit

2 飛機座艙數(shù)字信息界面設(shè)計相關(guān)研究

2.1 座艙數(shù)字界面信息表征設(shè)計研究

當(dāng)數(shù)字化信息界面引入飛機座艙，飛行信息的視覺表征設(shè)計便成為飛機座艙人機交互設(shè)計的重要研究方向之一。飛機功能越復(fù)雜，飛行數(shù)據(jù)的信息量就越大，對信息表征的設(shè)計要求就越高。國內(nèi)外有關(guān)飛機座艙數(shù)字界面的信息表征設(shè)計研究以數(shù)字界面信息的架構(gòu)與層級化、信息的頁面布局與視覺編碼元素，以及界面的視覺風(fēng)格統(tǒng)一為主。

在界面的信息結(jié)構(gòu)上，仇岑等[20]提出了生態(tài)界面設(shè)計方法，利用抽象層級分析人機界面的工作領(lǐng)域，并提出數(shù)字界面信息圖形化、可視化設(shè)計的原則。Michalski 等[21]研究了圖形對象（圖標(biāo)）的計算機屏幕界面設(shè)計及其分組（圖表結(jié)構(gòu)）的幾何設(shè)計特征對人機交互的任務(wù)效率的影響。李珍等[22]基于座艙布局需求，提出了以提升人機功效為目標(biāo)的飛機座艙顯控設(shè)備布局設(shè)計，從駕駛員操作舒適的角度得到各類設(shè)備在座艙空間中的尺寸約束，結(jié)合駕駛員生理需求對座艙空間進(jìn)行分區(qū)，提高了人機交互效率。

在界面的圖符元素上，任宏等[23]應(yīng)用層次分析法（AHP），建立了飛機座艙界面信息元素（文字字體、標(biāo)記形式、符號形狀、字符色彩）的辨識度評價體系，發(fā)現(xiàn)三角形的符號形狀辨識度較高，黃黑和綠黑是辨識度最高的信息與背景的色彩搭配。王國軍[24]研究了人用視覺來認(rèn)知和處理信息的過程，描述了數(shù)字界面的信息元素由顯示界面到駕駛員的傳遞全過程，給出了典型任務(wù)下的數(shù)字界面設(shè)計流程。張磊等[12]研究了飛機座艙顯示界面的編碼方式，得出腦力負(fù)荷大小會影響文字編碼方式。同時顏色的編碼差異十分顯著，其中紅色和黃色適合作為需要準(zhǔn)確認(rèn)知信息的編碼，淡綠色和黃色適合需要快速認(rèn)知信息的編碼，藍(lán)色不適合用作編碼方式。張慧姝等[25]利用匹配測試和排序測試對圖符設(shè)計進(jìn)行了實驗，得出紅色實心的三角形圖符適合用于識別敵方飛機，藍(lán)色或綠色實心的圓形圖符適合用于識別友方飛機，黃色實心的方形圖符適合用于識別不明飛機的結(jié)論。因此，在設(shè)計圖符時應(yīng)該更注重識別性的優(yōu)劣，而非僅僅考慮美觀和功能。

在視覺的風(fēng)格統(tǒng)一上，范瑞杰等[26]對人機數(shù)字信息界面設(shè)計的一致性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明一致性設(shè)計在人機界面設(shè)計中可以降低飛行員的認(rèn)知負(fù)荷，從而提高飛機駕駛的安全性和效率。張德斌等[27]提出飛機座艙人機交互界面應(yīng)采用友好直觀的設(shè)計、有序的儀表布置及和諧統(tǒng)一的色彩。數(shù)字界面的布局、顯示的內(nèi)容、時間和信息量都對人機功效有很大的影響。牛亞峰[28]研究了數(shù)字界面的腦機交互和腦電評價方法，提出了數(shù)字界面視覺元素的腦電實驗范式設(shè)計，對數(shù)字界面利用ERP 腦機交互進(jìn)行整體和局部實驗的評價方法及數(shù)字界面視覺元素的評價指標(biāo)進(jìn)行了實例驗證。Nakajima 等[29]使用了雙任務(wù)方法進(jìn)行了實驗，得出頭盔顯示器比移動設(shè)備需要更多的腦力負(fù)荷，在視覺風(fēng)格統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，再使用音頻通知系統(tǒng)可以有效降低認(rèn)知負(fù)荷。田筱越[30]根據(jù)飛行任務(wù)和視覺認(rèn)知建立了符合數(shù)字界面顯示規(guī)范的注意力分配模型，優(yōu)化了數(shù)字界面的視覺效果，使駕駛員能夠更舒適地與數(shù)字界面交互，并更準(zhǔn)確地認(rèn)知數(shù)字界面輸出的信息。

本研究團隊基于某型號空中加油機后艙人機界面設(shè)計項目，針對飛機數(shù)字界面信息表征中的視覺立體化特征、視覺動效特征與認(rèn)知負(fù)荷的關(guān)聯(lián)開展了系列研究，提出了可控認(rèn)知負(fù)荷水平下的飛機座艙人機界面設(shè)計原則，見圖2。

圖2 某型號空中加油機后艙人機界面設(shè)計研究Fig.2 Design research on human-machine interface of the air tanker back-cockpit of a certain model

綜上所述，近些年有關(guān)飛機座艙數(shù)字界面信息表征設(shè)計的研究，主要從飛行員認(rèn)知特性與人機界面設(shè)計要素兩個視角進(jìn)行研究。對于復(fù)雜信息界面設(shè)計，信息的視覺設(shè)計直接關(guān)系到用戶認(rèn)知，不僅要考慮界面美感、秩序感，還要從用戶認(rèn)知的視角考慮整體人機界面的邏輯架構(gòu)、前后關(guān)聯(lián)與一致性，從而提升人機界面的使用體驗和可用性。

2.2 座艙數(shù)字界面設(shè)計中的認(rèn)知工效研究

飛機座艙數(shù)字界面在飛機操縱時的人機信息交流中扮演著重要角色，飛行員從數(shù)字界面中獲取的視覺信息占所有信息的80%以上[31]。當(dāng)信息界面和操作邏輯的復(fù)雜性提高，便會增加飛行員的認(rèn)知負(fù)荷，從而產(chǎn)生飛行安全隱患，而簡潔高效的數(shù)字界面設(shè)計則會提高飛行員識別信息的效率。美國航空航天局設(shè)計了一種NASA 任務(wù)負(fù)荷指數(shù)（NASA–TLX）量表[32]，用于評價任務(wù)的腦力負(fù)荷。NASA–TLX 量表分別從腦力需求、體力需求、時間需求、努力度、受挫度和績效水平六個維度對飛行員的腦力負(fù)荷進(jìn)行評估，從而發(fā)現(xiàn)人機界面設(shè)計的問題。

陸崑等[33]采用績效測量法，主觀評價法和生理測量法，研究得出腦電、心電和眼動指標(biāo)都可以較準(zhǔn)確地反映飛機座艙數(shù)字界面腦力負(fù)荷變化特性，提出了與NASA–TLX 量表判別準(zhǔn)確率接近的雙生理測量指標(biāo)綜合評估模型。Wilson[34]應(yīng)用多種心理和生理指標(biāo)分析飛行員的心理負(fù)荷，并進(jìn)行了眼動測量實驗，得出在認(rèn)知負(fù)荷較大、視覺要求較高的飛行段，飛行員眨眼率會下降，任務(wù)難度和信息加工負(fù)荷會影響飛行員瞳孔直徑大小。柳忠起等[11]將飛行員的視覺信息源劃分為座艙內(nèi)和外景兩個區(qū)域，并利用眼動實驗證明外景區(qū)域有更多的注視點和注視時間，客觀地反映了飛行員飛行過程中注意力的分配規(guī)律。Wei 等[35]結(jié)合飛機座艙界面顯示系統(tǒng)的設(shè)計評估，討論了心理負(fù)荷測量方法的研究進(jìn)展與局限性，并指出了飛行員心理負(fù)荷評估的未來發(fā)展趨勢。曹恩龍等[36]分析了人機工效對座艙人機界面的設(shè)計要求，并結(jié)合了飛行員的實際操作需求，提出了可以有效降低飛行員認(rèn)知負(fù)荷的顯控界面設(shè)計準(zhǔn)則。姚施琪[37]設(shè)計了可應(yīng)用于HMDs界面的飛機座艙數(shù)字界面動效方案，運用基礎(chǔ)動效手段的組合，表達(dá)出常見的態(tài)勢反饋動效，有效降低了飛行員在態(tài)勢感知過程中的認(rèn)知負(fù)荷。Liushang 等[15]為預(yù)測飛行員在不同顯示界面和任務(wù)下的態(tài)勢感知變化，提出了一種定性分析和定量計算的聯(lián)合態(tài)勢感知模型，并根據(jù)ACT-R 理論分析并驗證了飛行員對情境要素的認(rèn)知過程。

本研究團隊基于某型號大型運輸機座艙數(shù)字畫面優(yōu)化設(shè)計項目，對飛機主飛行界面（PFD）、燃油、飛控、空投等40 多個界面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并邀請5名飛行員（南京航空航天大學(xué)飛行學(xué)院學(xué)員）開展了認(rèn)知工效測試實驗，融合了被試眼動、腦電、操縱行為數(shù)據(jù)，對優(yōu)化設(shè)計頁面進(jìn)行了評估，驗證了設(shè)計的有效性。見圖3。

圖3 基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的飛機座艙數(shù)字界面認(rèn)知工效研究Fig.3 Research on cognitive efficiency of cockpit digital interface based on multimodal data

總結(jié)以上有關(guān)飛機座艙數(shù)字界面設(shè)計的認(rèn)知工效研究，主要采用主觀心理量表和客觀生理數(shù)據(jù)測量相結(jié)合的方法評估飛行員的認(rèn)知工效。數(shù)字界面的交互邏輯、設(shè)計元素、布局架構(gòu)均會對飛行員的認(rèn)知工效產(chǎn)生影響，屬于影響認(rèn)知工效的外部因素。同時值得注意的是，飛行員本身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、工作記憶也會對認(rèn)知工效產(chǎn)生影響，屬于內(nèi)在和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。多維的影響因素對認(rèn)知工效的研究帶來了挑戰(zhàn)。如何通過信息界面的優(yōu)化設(shè)計降低認(rèn)知負(fù)荷、加強態(tài)勢感知、提高飛行員信息認(rèn)知效率仍是未來該領(lǐng)域重點研究的課題之一。

2.3 座艙數(shù)字界面設(shè)計中的認(rèn)知體驗研究

隨著飛機功能的日臻完善，以飛行員為中心，優(yōu)化座艙的人機設(shè)計和飛行員的操縱體驗，逐漸被研究者們所關(guān)注。作為飛機座艙人機設(shè)計模塊之一的數(shù)字人機界面，關(guān)系到飛行員的心理活動和認(rèn)知效率乃至安全。田馨[38]基于體驗設(shè)計理論，分析了體驗設(shè)計的理念，提出實用功能需求，感官設(shè)計需求，交互設(shè)計需求，情感設(shè)計需求這4 條體驗設(shè)計的應(yīng)用需求，以及通用航空飛行器體驗的三個主要體現(xiàn)方面：功能體驗，感受體驗，參與體驗。陳甜甜[39]運用感性工學(xué)的方法研究飛機顯控界面系統(tǒng)，結(jié)果表明感性工學(xué)在小型飛機顯控界面設(shè)計領(lǐng)域具有包容性和合理性，可以有效提高設(shè)計的科學(xué)性和客觀性，優(yōu)化了飛行員的用戶體驗，對小型飛機座艙顯控界面引入新的設(shè)計思路。劉昕[40]構(gòu)建了新型混合感性工學(xué)模型，采用改進(jìn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進(jìn)粒子群實現(xiàn)布局優(yōu)化的方式，建立了感性意象到設(shè)計元素的映射關(guān)系，提出了座艙內(nèi)人機交互設(shè)計的新方法，有助于解決飛機座艙此類復(fù)雜艙室的設(shè)計問題。

以VR/AR/MR 為代表的XR 技術(shù)逐漸應(yīng)用到飛機座艙的虛擬人機界面設(shè)計，飛行員通過虛擬界面控制飛機全局，其操作飛機過程中產(chǎn)生的臨境感是飛行員感知自己身處虛擬環(huán)境的一種主觀體驗，也是評價虛擬交互模擬真實交互環(huán)境有效性的重要指標(biāo)之一。在全數(shù)字化、虛擬化界面的發(fā)展趨勢下，飛機座艙數(shù)字界面的臨境感逐漸成為飛機駕駛員操縱體驗的重要因素之一。美國軍事研究所的Bob G. Witmer 等[41]于1992 年首次提出了臨境感的概念，并于1998 年設(shè)計了一種用于評價臨境感的“WS–PQ（Presence Questionnaire）”問卷，定義了臨境感為處在某個地點或者環(huán)境的主觀感受，即使物理上實際處于另一個地點或環(huán)境。周榮剛等[42]從生理指標(biāo)、行為指標(biāo)、心理物理學(xué)、主觀評價和績效等方面衡量了對臨境感的測量方法，結(jié)合了人機交互和系統(tǒng)論的觀點將影響臨境感的因素分為系統(tǒng)因素（主要指計算機設(shè)備）、用戶因素（個體差異）和交互因素（反饋、預(yù)期、信息交互的感覺通道和交互方式）。Daniel Paes 等[43]比較了沉浸式和非沉浸式虛擬環(huán)境的三維感知和臨境感，展示了沉浸式設(shè)計的認(rèn)知益處。黃藝華[44]基于可用性概念框架，提出了虛擬現(xiàn)實臨境感設(shè)計過程中的基本原則是可理解性和高效性，空間臨境感是由部分感知知覺的設(shè)計要素給予用戶身臨其境的體驗，自我臨境感的設(shè)計核心是用戶的精神集中狀態(tài)和對內(nèi)容的信任度。Slater 等[45]研究了虛擬環(huán)境中臨境感的概念，提出了個人的主導(dǎo)表征系統(tǒng)會影響他們的臨境感，而這種臨境感與堆疊深度有關(guān)。

在XR 環(huán)境下的虛擬增強型界面，臨境感作為評價虛擬環(huán)境中用戶體驗的一個重要指標(biāo)而逐漸受到重視，目前的臨境感主要評價方法有主觀評價和生理指標(biāo)評價兩種。而在未來虛擬增強型的座艙環(huán)境下，飛行員情感體驗和臨境感的研究將更加富有意義，從而帶動飛機座艙人機界面用戶體驗的不斷提升。

3 飛機座艙人機交互中的情境意識研究

情境意識[46]（situational awareness，SA）是人因研究的方向之一，它是最早被航空心理學(xué)提出的一個概念，是指操作員感知特定時間和空間內(nèi)的動態(tài)環(huán)境因素，并根據(jù)其對相關(guān)因素的認(rèn)知和理解，做出對環(huán)境變化的預(yù)測和對應(yīng)操作。根據(jù)澳大利亞運輸安全委員會的調(diào)查研究表明，70%航空安全事故由人為因素導(dǎo)致，而其中涉及SA 的占85%[47]。由此可見，SA不僅在航空安全中起著至關(guān)重要的作用，也是飛機座艙交互設(shè)計中一個不可忽視的因素。

3.1 個體情境意識與系統(tǒng)情境意識相關(guān)研究

1995 年，美國的空軍科學(xué)家Endsley 首次提出了SA 的概念，并提出了信息加工三層次模型[46]。他將SA 劃分為三個層次，分別為感知層（感知當(dāng)前環(huán)境）、理解層（理解當(dāng)前所處環(huán)境中的要素）、預(yù)測層（在理解的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身的經(jīng)驗和判斷，預(yù)測未來的情境狀態(tài)并作出決策），三個層次逐層遞進(jìn)，見圖4a。

針對航空領(lǐng)域的復(fù)雜情況，考慮到并非個體情境意識單獨作用，Endsley 進(jìn)一步提出了系統(tǒng)情境意識模型[46]，模型揭示了更多影響SA 形成過程的因素，見圖4b。首先，每個人獲得SA 的能力都與其自身的能力、工作經(jīng)驗和訓(xùn)練時長有關(guān)。此外，任務(wù)前的預(yù)期和目標(biāo)也會影響SA 的過程。而從系統(tǒng)角度看，飛機座艙傳達(dá)所需信息的能力，任務(wù)的工作量、壓力及復(fù)雜度都與獲得SA 的過程息息相關(guān)。

圖4 個體情境意識與系統(tǒng)情境意識相關(guān)研究Fig.4 Research on the relevance of individual and systematic situational awareness

經(jīng)過20 多年的發(fā)展，系統(tǒng)情境意識模型已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用在飛機座艙信息界面的設(shè)計研究當(dāng)中。如周穎偉[47]通過研究光照、顏色與字符大小對飛行員操作績效的影響，建立了高情境意識水平的界面信息表征參考，以系統(tǒng)情境意識模型作為設(shè)計指導(dǎo)，以探索如何降低操作界面的認(rèn)知負(fù)荷，符合飛行員的認(rèn)知習(xí)慣；基于Wickens 信息處理模型與情境意識理論，曾效良[48]建立了新的飛機座艙信息界面設(shè)計策略，以此為指導(dǎo)的座艙界面改良設(shè)計提高了飛行員在靜暗座艙環(huán)境中的情境意識水平和操作績效；舒秀麗和蔣浩[49-50]則通過分析導(dǎo)致低情境意識水平的原因，使用觸摸交互局部代替實體操作單元，降低了飛行員的腦力負(fù)荷和空間壓力。

綜上所述，情境意識理論不僅被應(yīng)用于飛機座艙界面交互設(shè)計的后期評估，也更多作為理論指導(dǎo)，指導(dǎo)座艙界面前期的開發(fā)設(shè)計工作。通過運用系統(tǒng)情境意識模型，分析飛機座艙環(huán)境、座艙界面的各類元素和操作方式對飛行員感知、理解和預(yù)測的影響，能在系統(tǒng)層面降低操作的復(fù)雜度，降低飛行員的認(rèn)知負(fù)荷和心理壓力，從而提高情境意識水平和操作績效，避免了界面交互設(shè)計中過多的主觀設(shè)計成分，減少界面設(shè)計開發(fā)過程中的迭代修改，從而更好地指導(dǎo)復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面交互設(shè)計，提升界面的使用體驗和人機工效質(zhì)量。

3.2 情境意識測量與評估方法研究

飛行員通過處理大量的飛行信息并做出決策，而情境意識水平能夠直接反映飛行員操縱飛機的信息認(rèn)知績效，因此，情境意識水平的測量也引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)文獻(xiàn)梳理，情境意識測量主要分為定量測量和定性測量兩類方法。

3.2.1 情境意識評估的定量方法

此類方法通過對比被試對環(huán)境要素的理解認(rèn)知和周圍環(huán)境的真實狀態(tài)，直接評估被試的情境意識水平。主流的測量方法有[51-53]記憶探查測量法、作業(yè)績效測量法及生理測量法等。

3.2.1.1 記憶探查測量法

記憶探查測量法中常用到回溯測試、實時評估和凍結(jié)提問3 個子方法，以不同時間間隔喚醒被試，通過其對情境狀態(tài)的理解和記憶來回答相應(yīng)的問題，以回答結(jié)果作為評估相應(yīng)時段情境意識水平的依據(jù)。其中最具有代表性的方法有：SAGAT 情境意識全面評估技術(shù)（Situation Awareness Global Assessment Technique）、SACRI 情境意識控制室清單（Situation Awareness Control Room Inventory）、SAVANT 情境意識驗證和分析工具（Situation Awareness Verification and Analysis Tool）等。

通過SAGAT 測量飛行員的SA，并比較SA 與其心理運動追蹤測驗成績之間的相關(guān)性，Endsley 與Bosltad[54]發(fā)現(xiàn)SA 與心理運動測驗之間的相關(guān)性系數(shù)為0.72。因此，Endsley 等認(rèn)為優(yōu)秀的心理運動能力可以讓被試將節(jié)約的注意資源用于SA 感知，從而提高了情境意識水平。而Liu[15]等創(chuàng)新地將ACT-R（思維的自適應(yīng)控制，理性）理論用于解釋SA 形成的過程，并通過SAGAT 技術(shù)驗證了其合理性。

3.2.1.2 作業(yè)績效測量

作業(yè)績效測量法的主要評估指標(biāo)為被試的任務(wù)操作績效。其通過任務(wù)完成質(zhì)量的好壞來間接評估情境意識水平的高低，一般作為情境意識測量中的輔助測量指標(biāo)。Endsley[55]將作業(yè)績效測量法分為3 類：整體測量法、外部任務(wù)測量法和嵌入任務(wù)測量法。整體測量法僅僅關(guān)注整體任務(wù)的績效。而外部任務(wù)測量法一般通過除去或改變顯示器上的信息，記錄被試對除去或改變的信息作出反應(yīng)的時長，以此為評價被試情境意識水平的依據(jù)。但這種測量方法易受干擾，此外，考慮到被試即使注意到信息的變化也不一定會立即反饋的情況，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性也會大打折扣。嵌入任務(wù)測量法則是通過評估次任務(wù)的完成水平來評價被試的SA。

3.2.1.3 生理測量

與作業(yè)績效測量法一樣，生理測量一般作為輔助方法，輔助評估被試的情境意識水平。它一般通過腦電、皮電、眼動數(shù)據(jù)等生理參數(shù)關(guān)聯(lián)相應(yīng)的認(rèn)知加工過程，以此評價操作者的情境意識層次。在Vidulich[56]的研究中對比了在高低不同情境意識水平情況下被試生理數(shù)據(jù)的不同（其中一種顯示界面有助于被試獲得保持良好的SA，相反，另一種則不利于SA 的獲得）。通過記錄12 名被試在模擬的空對地戰(zhàn)斗飛行任務(wù)中記錄腦電與眼動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在低水平SA 情況下，被試的腦電θ波的活動水平較高，α波的活動水平較低，而眨眼時間短，頻率高。

3.2.2 情境意識評估的定性方法

定性測量情境意識水平主要由實驗被試自身評估，因此，評價量表的合理性是情境意識水平測量結(jié)果能否擺脫主觀化和差異合理泛化的保證。目前主流的評價量表有[51-53]：里克特7 點量表工具、CARS 成員意識評級量表（Crew Awareness Rating Scale）、MARS 任務(wù)感知評級量表（Mission Awareness Rating Scale）、3 維SART 量表（Situation Awareness Rating Technique）及10 維SART 量表等。這些主觀評價量表主要可分為兩類：自我直接評估和自我對比評估。自我直接評估即讓被試評估自己的SA，例如直接通過里克特7 點量表評估自己的SA。其評價過程既可以在任務(wù)中進(jìn)行，也可以在任務(wù)完成后進(jìn)行。Sarter和Woods[57]則認(rèn)為這種評價方法忽視了獲取SA 的過程，只把SA 作為結(jié)果來測量。而Taylor 提出的另一種自我直接評估方法——SA 評價技術(shù)（Situation Awareness Rating Technique，SART），通過10 維或3維的SART 量表來測量被試的SA。

自我比較評估要求被試對不同的設(shè)計進(jìn)行對比評價，如比較不同的座艙設(shè)計。該評價方法有兩個潛在的不足：第一，它僅適用于設(shè)計優(yōu)化的情境；其次，同所有的主觀評定一樣，不能保證被試間評價的一致性。Vidulich 和Hughes[58]通過研究發(fā)現(xiàn)約一半的被試將他們注意到的信息量作為評價SA 的依據(jù)，而另一半被試則通過估計其沒注意到的信息量來作為評價SA 水平的依據(jù)。

情境意識水平受人機界面的交互設(shè)計，用戶心理等多維因素影響，單一的客觀或主觀測量方法都不足以全面地評價人機界面的SA 水平。通過SA 的定量測量可實時評估飛行員情境意識水平，而通過完成飛行任務(wù)之后的定性測試可以作為實驗測試的補充和印證。根據(jù)上述思路，本研究團隊結(jié)合某大型運輸機座艙人機交互設(shè)計項目，開展了眼動數(shù)據(jù)與主觀問卷相結(jié)合的主飛行界面情境意識評估方法研究，見圖5。

圖5 主飛行界面情境意識評估實驗Fig. 5 Situational awareness evaluation experiment of main flight interface

4 結(jié)語

隨著新型交互技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，以及未來飛機復(fù)雜功能信息集成的需求，包括新一代戰(zhàn)機需要應(yīng)對復(fù)雜空戰(zhàn)戰(zhàn)況和瞬息萬變的戰(zhàn)爭態(tài)勢信息，未來飛機座艙人機交互設(shè)計將會在以下幾個方面產(chǎn)生變化。

飛機座艙未來交互理念發(fā)展趨勢變化。飛機座艙將從傳統(tǒng)的人為設(shè)計交互方式（觸控、鼠標(biāo)與虛擬指針）向自然交互、無意識交互、智能交互轉(zhuǎn)變，人與飛機的交互方式更加自然，更加符合人的思維習(xí)慣、行為習(xí)慣，飛機也更容易識別人的意圖并作出準(zhǔn)確反饋。例如腦控和眼控技術(shù)在飛機座艙的運用，飛行員指揮飛機更加自如，戰(zhàn)機的性能進(jìn)一步提升，不僅能做到“指哪打哪”，更能實現(xiàn)“想哪打哪”的水準(zhǔn)。

未來飛機座艙人機交互途徑的變化。如何通過多通道人機交互設(shè)計提升飛行員對飛機狀態(tài)和飛行環(huán)境（或戰(zhàn)場態(tài)勢）的感知和決策能力將是一種挑戰(zhàn)。與民用產(chǎn)品不同，飛機座艙人機交互處理的是海量飛行信息，以美國現(xiàn)役艦載機F-18 為例，僅在HUD 和多功能顯示器上，就有62 個顯示畫面，675 個符號（其中177 個符號通過不同大小顏色、虛線實線表達(dá)至少4 種含義），總的信息量達(dá)1 000 條以上。未來新型戰(zhàn)機的功能與信息量仍會增加，如何分配合理的交互途徑處理飛機不同種類信息將是未來座艙人機交互研究亟須解決的問題。

飛機座艙未來交互模式的變化。多通道交互技術(shù)運用，將對傳統(tǒng)人機交互模式帶來挑戰(zhàn)。以飛機座艙數(shù)字界面的功能菜單為例，在虛擬增強型交互界面中，傳統(tǒng)的觸控菜單交互和鼠標(biāo)指針式交互將不再適用，飛行員在虛擬3D 環(huán)境下，無論采用視線追蹤菜單、虛擬指針式菜單還是其他交互模式，只要能夠降低認(rèn)知負(fù)荷，提升飛行績效并減少出錯，都是具有研究價值的領(lǐng)域。