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宫 宇， 邵 将
（中国矿业大学 建筑与设计学院， 江苏 徐州 221116）
无人机操作界面是操作员与无人机传递和交互信息的媒介， 无人机操作员通过无人机操作界面进行信息交互来了解无人机进行农业作业时的工作状态，无人机操作员的态势感知能力不仅仅涉及到认识效率问题， 更涉及到安全问题。因此，无人机的界面设计直接影响无人机操作员的工作效率。
而随着数字媒体技术、自动化技术、显示技术的成熟， 无人机的数字操作交互界面的视觉设计对系统人机工效的影响引起广泛重视， 巨大的信息量对于地面的操作员来说，加重信息处理难度的同时，还容易导致决策失误造成航空事故。
因此，本研究以某农业无人机操作界面为例， 研究态势感知理论应用于界面交互设计的方法， 同时对于准确获取界面信息提高操作员态势感知能力，提高工作绩效具有重要意义。
为农业无人机等工程机械操作界面优化设计提供一定参考。
1.1 态势感知
态势感知理论在人机交互系统领域中是一个非常重要的研究部分， 其在航空领域的概念最早追溯于第一次世界大战期间。
态势感知（Situation Awareness）的定义最早由Mica Endsley 在1988 年的国际人因工程协会的年度会议上给出，即态势感知是在特定的时间和空间范围内对周边环境中各种要素的感知、理解，并以此来对它们随后的状态进行预测[1]。
Endsley 的研究将态势感知分为三级，第一级是感知环境中的元素，第二级理解当前的情境，第三级是预测未来的状况。
简单来说，态势感知是意识到周围环境正在发生什么，并理解当前的信息以及未来会发生什么。
Endsley 描述了SA 的理论框架模型，如图1 所示，将态势感知的过程分为3 个层次， 第1 层是感知环境中的关键因素，第2 层是综合理解这些因素的含义，特别是当与目标相结合时， 在最高的层次是预测系统在不久的将来会发生什么的状况。
而界面设计的优劣将影响着操作员的态势感知能力，从而影响其决策判断和执行力，因而态势感知对于无人机操作员在农业作业时的决策制定和无人机操作具有十分重要的意义。
图1 Endsley 态势感知理论模型
1.2 态势感知在人机界面的相关研究
人机界面中的态势感知问题受到国内外学者的广泛关注，如金涛[2]根据界面作业所需完成的操作任务，采用行为实验和脑电实验相结合的新技术路线， 以脑电反馈负波、 反应时和正确率三个评价指标分别来衡量SA 的“感知性、 理解性和可判断性”， 解决数字图形界面态势感知（SA）难以被客观评测的问题。
Jin[3]讨论了态势感知与航空事故的关系， 提出了面向态势的人机界面设计流程。金涛[4]运用理论分析、实验研究、实例验证相结合的方法，提出新的SA 认知理论模型，为数字DHCI 的SA 测量提供了新思路和新方法，有助于提高DHCI 的SA 绩效和降低操作者的脑力负荷，其研究成果为有效实现对DHCI的SA 综合评价提供了重要技术手段和理论依据。
由芳[5]通过优化人机界面来提高人与车的团队协作， 对汽车人机界面评测与设计方法进行研究， 帮助优化汽车人机界面设计， 提高用户体验。
王建民[6]通过基于态势感知的智能驾驶汽车人机交互界面设计研究、实践与评估，为汽车人机界面 设计提供指导。
郭玉宋[7]针对复杂信息界面探索基于态势感知要素的用户心智模型构建方法， 以指导人机交互设计。
Wang[8]研究了在ACC 功能下HUD 的不同人机界面（HMI） 对态势感知的影响（SA）和切入驾驶场景的系统可用性，通过改进HUD-HMI 设计可以提高SA和系统可用性。
Zhang[9]基于视觉和听觉感官通道的触发输入，提出了一种基于多智能体的态势感知分析模型，探讨了事故发生的机理和可能的预防措施， 可以有效避免严重风险。
Sa Kil Kim[10]提出了一种用于核电厂主侧监测的EID 原型， 验证生态界面设计能够提高核电厂高级控制室操作人员的态势感知能力。
1.3 无人机操作界面相关研究
现阶段， 国内外学者对无人机的研究集中在控制系统、自动化技术等方面，其研究对象多为军用无人机，对农业无人机操作界面的研究并不是很多。
张桢[11]设计并实现了植保旋翼无人机地面监控系统， 可实现与植保无人机的远距离实时通信、监测飞行姿态、显示飞行作业轨迹和飞行控制等操作。
Jonathan Cacace[12]提出了一个多模态的注意为基础的界面， 该框架是对流向操作者的信息流进行过滤，根据情境和人的状态选择和调整通信方式，用于人类操作员监测和控制活动的一组无人机在搜索和救援任务。
王佳珂等[13]提出通过融合生理评测技术的无人机控制界面研究方法，进一步提升界面用户体验，从而降低无人机事故发生率。
丁霖[14]简要介绍了中美两国无人机系统人机交互界面的发展现状，在此基础上，提出了未来人机交互界面技术中需大力研究显示要素、 显示形式、显控布局等关键技术，并提出了我国开展相应工作的对策建议， 以对无人机系统人机交互界面的设计发展起到牵引作用。KWANGSU CHO[15]通过两个实验对无人机的用户操控界面可用性作出评价， 识别基于不同心智模型的操控性能的差异， 结果显示以飞行员为中心的控制器具有更高的表现。
本文主要通过优化农业无人机操作界面元素的组织和呈现方式来提高操作员的态势感知能力从而对界面进行优化设计， 通过对现有农业无人机操作界面存在的问题进行调研分析， 并提出农业无人机操作界面的设计原则，为农业无人机操作界面的优化设计提供依据。
2.1 现有界面问题分析
农业无人机操作界面是信息提供的渠道， 也是决策行动的作用目标。
本文以某农业无人机操作界面作为研究对象，对操作界面进行功能任务分析，通过对现有农业无人机操作界面的分析，发现界面信息元素较多，界面信息可视化呈现存在许多问题， 在不同程度上都降低了操作员的态势感知能力。
本文农业无人机操作界面的操作显示问题分析为主进行说明。
通过相关调研分析， 发现农业无人机操作界面存在以下问题：
（1）障碍物的视觉表现形式不突出，操作员无法在较短时间内判断当前无人机距离障碍物的距离。
（2）无人机电量的读数不准确，无法得到精确数值。
（3）无人机的电量与遥控器的电量图标表现形式不统一。
（4）无人机的剩余药量位置及表现形式不明显，不易引起操作者的注意。
2.2 农业无人机操作界面设计原则
很多学者研究了无人机的界面设计和视觉元素呈现形式对无人机操作员操作绩效的影响， 无人机的操作界面通常指的是控制和界面应用部分，包括遥控器的按钮、旋钮、手柄和触屏等。农业无人机的操作界面应合理安排各种信息区域， 界面整体颜色与色调应最大化的避免视觉疲劳，减少闪烁感对操作员的注意力分散，采用明显区分的颜色表示报警设备。因此，无人机操作界面的人机界面设计原则包括以下几点。
（1）清晰简洁原则。农业无人机的操作界面主要实现操作员和无人机的信息交互，通过无人机界面获取农业无人机实时工作状态信息，并完成农业无人机的操作控制。根据人的记忆曲线原理，清晰简洁的界面设计要求易读、易懂、便于操作员理解使用，并减少操作员发生错误选择的可能，有利于减少因操作不当而造成的安全事故。
（2）一致性原则。一致性的界面可以让用户对于如何操作有更好的理解，从而提升效率。风格一致表现在农业无人机操作界面的整体风格做到统一一致， 包括界面的背景色、标题栏、报警栏、控件、字体、字号和颜色等；
色彩一致表现在不同的图符颜色代表农业无人机不同的工作状态， 使无人机操作员可以在短时间内辨认出颜色的差异从而判断当前农用无人机的工作状态， 以便做出进一步的决策。
（3）易学性原则。良好的农业无人机操作界面应该对于无人机操作员来说应该是易懂、易学的。由于农业无人机操作员的经验、文化水平、语言等参差不齐，因此要结合操作员和界面设计理论原则进行设计， 做到农业无人机操作界面易懂易学易用。
针对上述提出的农业无人机操作界面可视化呈现存在的问题，并依据农业无人机操作界面的设计原则，本文基于态势感知理论对现有界面进行优化设计。
（1）改变障碍物的视觉表现形式，增加色彩的语意设计， 根据无人机距离障碍物的远近呈现不同的图标颜色显示。当无人机距离障碍物距离在8m 以内时，显示红色，代表危险状态；
当无人机距离障碍物在8～20m 时，显示黄色，代表警示状态；
当无人机距离障碍物大于20m 时，显示绿色，代表安全状态，并在障碍物上方呈现具体的无人机距离障碍物的距离及预计到达时间，减少操作员的反应时间，提高操作者的决策和效率，降低安全事故的发生率。
（2）优化无人机电量的视觉表现形式，使无人机电量图标与遥控器电量图标视觉呈现形式一致， 同时增加电量读数，视觉呈现形式更直观；
同时，根据电量的不同呈现不同的颜色显示， 有助于帮助操作者更直观的判断出当前状态下的安全状态。
（3）将剩余电量图标及其数字显示进行色彩设计，当无人机上剩余电量低于10%时， 显示红色， 代表危险状态；
当无人机剩余电量在10%～30%时，显示黄色，代表警示状态；
当无人机剩余电量大于30%时，显示绿色，代表安全状态。不同工作状态下显示不同的颜色，快速引起操作员的注意力并判断无人机当前的工作状态。
（4）优化无人机剩余药量的视觉表现形式，使剩余药量图标表现形式与无人机剩余电量的图标形成统一一致。
同时，将剩余药量图标及其数字显示进行色彩设计，当剩余药量低于3.2L 时，显示红色，代表危险状态；
当剩余药量在3.2～9.6L 时，显示黄色，代表警示状态；
当剩余药量大于9.6L 时，显示绿色，代表安全状态，这种表现形式可以快速帮助操作员判断无人机当前的工作状态，防止当剩余药量过低时容易对无人机造成损害， 并发生航空事故。
基于上述的优化， 基于态势感知理论与及界面设计原则，优化前后的农业无人机操作界面如图2 所示。
图2 优化前后农业无人机操作界面
农业无人机的操作界面设计是一个系统化工程，需要考虑的原则以及满足的需求很多。
在进行农业无人机操作界面的优化设计的过程中， 需要研究操作员的文化背景、工作环境以及操作员的认知方式，优秀的无人机人机系统，要根据操作员的需求，面对农田作业环境复杂多变，尤其是夜间作业或环境可视度低时，或者由于天气条件不可控制，在强风洪涝、高温干旱、低温冷害、沙暴扬尘等恶劣天气下，作业难度系数急剧提高的严峻形式下，操作员都可以依据无人机界面， 在复杂多变的任务环境当中处理大量的信息， 理解当前的任务态势从而做出正确的决策。随着数字化的发展，农业无人机操作界面中会有更多的信息传递给操作员， 人机交互界面的设计在无人机整体设计中占据着越来越重要的地位。
合理的农业无人机操作界面设计对提高操控人员态势感知能力， 提高其可以根据特殊环境因素而动态整体的理解当前情境的能力，对提前做出决策与行动，减少实际操作时间，以保障农用无人机可以安全顺利完成操作作业具有重要意义。
随着精准农业航空技术将在未来的农业生产中多个环节发挥作用，农业无人机交互界面系统会越来越成熟，给操作员提供更好的操作体验， 将对中国乃至世界智慧农业的发展产生深远影响。
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