车载显控终端触屏按键尺寸工效学实验研究

傅斌贺，刘维平，王 全，金 毅

(装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072)

按键是实现把人的指令传递给机器，让机器按照人的预定目标工作的装置，其设计是否合理将直接关系到整个系统的工作效率、安全运行以及使用者操作的舒适性［1］.触屏按键因其具有所触即所得、操作便捷、尺寸调整方便、布置灵活等特点，为各类显控终端人机界面优化匹配带来便利，已在智能手机、ATM机、PDA、自助服务终端等普遍采用.装甲车辆车载显控终端外形尺寸受限，如何在有限的平面内，实现多种信息的清晰显示与交互控制的有效操作，显控界面的合理匹配至关重要，采用触屏按键无疑是化解所面临问题有效途径之一.

触屏按键的操作工效受按键尺寸、按键间距、布局位置、运动距离等诸多因素影响［2］，Fitts的研究结果认为运动距离和按键尺寸两个因素对操作工效影响较大，Pfauth和Priest进一步证明了按键尺寸是影响操作工效的主要因素［3］.ANSI/HFES(2007)标准建议按键尺寸至少为9.5 mm，按键尺寸超过 22 mm 时操作工效不再会提高［4］.ISO9241-9则建议按键尺寸至少等于95%成年男性食指宽度，约为 22.8 mm［5］.MontereyTechnologies(1996)则建议按键尺寸至少应为 19.05 mm［6］.综合分析相关研究可发现，尽管国内外学者一致认为操作工效随按键尺寸增加而提高，且到达一定的尺寸后趋于稳定，但并没有给出统一的标准.因此，有必要结合作业实际和中国人群形体尺寸特征，通过实验对车载信息终端触屏按键尺寸进行研究，以达到提高操作工效，为显控终端人机界面优化提供技术支撑的目的.

研究基于自主开发的车载信息系统作业模拟及工效测试系统，以装甲车辆车载信息系统的典型作业操作为实验手段，通过对不同触屏按键尺寸下，乘员操作工效变化规律的实验研究，寻找合理的触屏按键尺寸，为车载显控终端触屏按键及界面匹配设计提供参考.

1 实验方法

1.1 实验装置

实验仪器为自主开发的车载信息系统作业模拟测试系统.

系统硬件由计算机和模拟终端组成，计算机选用普通台式计算机，用于安装和运行模拟实验软件;模拟显控终端选用带触摸屏的液晶显示屏，外形尺寸与实际车载显控终端一致.模拟显控终端布置在专门设计的实验舱室中，实验舱室布局，模拟实车战斗舱室设计，能够根据研究需要，灵活调整车载显控终端的空间布局，包括人眼与显示器的距离、显示器的倾斜角度、显示器的上下位置、显示器的左右位置等，以模拟不同型号装甲车辆舱室空间布局.

系统实验软件基于Labview编程语言自主开发，具有系统管理、模拟试验与测试和实验数据统计分析等功能，其中，作业模拟功能是主要功能，可随机生成任务信息，模拟典型信息操作功能，并实时记录被试的任务完成时间、操作次数与错误次数等指标.

1.2 被试

随机选取15名男性本科学员作为被试，年龄21～24岁，平均年龄21.8岁.所有被试均为右利手，且从未进行过车载终端操作，身体健康，视力正常，自愿参与实验.

1.3 实验任务

选用常用的“信息录入”作业作为研究的实验任务.该作业虽然操作流程固定，但实验过程中，目标提示信息均是随机出现，每次信息呈现的目标类型、性质、方位、速度和数量等具体信息均不相同.其操作功能具有代表性、随机性等特点，显示信息量较大，反应方式多样，对被试注意集中能力要求高，能反映被试在不同操作方式下信息处理能力的变化，满足研究的需要.

1.4 实验方案

实验采用单因素被试内实验设计，根据实验目的，以按键尺寸为自变量，分为A、B、C、D、E 5个水平，分别对应7.5 mm、10 mm、12.5 mm、15 mm、17.5 mm，按键间隙统一为5 mm.在实验中为了避免熟练和疲劳对实验结果的影响，采用拉丁方平衡法安排实验顺序如表1所示，实验中每个实验条件呈现10次.

表1 拉丁方实验顺序表

1.5 实验过程

1)向被试说明实验目的、意义及要求，讲解操作的方法和操作流程.

2)为排除训练的学习效应，实验前组织被试进行训练，训练成绩趋于稳定后进入正式实验，每组训练之间休息2分钟.

3)设置试验因素水平，让被试执行“信息录入”实验任务，实时测量作业绩效数据.

4)收集汇总实验数据.

5)休息5分钟后，按顺序表更换因素设置水平，重复上述步骤.

2 实验数据分析

2.1 任务完成时间

表2给出了不同键盘尺寸下，任务完成时间的平均值及Kolmogorov-Smirnov正态性检验结果.

表2 任务完成时间及K-S正态检验值

表2结果表明任务完成时间符合正态分布.从表2可以看出，任务完成时间随按键尺寸的增加而呈现下降趋势，操作工效提高.方差分析结果 (P=0.000＜0.05)表明按键尺寸主效应显著，不同按键尺寸下的任务完成时间存在显著差异，对操作工效影响显著.

各尺寸任务完成时间通过了方差齐次性检验(P=0.167＞0.05)，选用LSD法进行多重比较，分析不同按键尺寸水平下任务完成时间差异的显著性，LSD组间多重比较分析结果如表3所示.

表3 不同按键尺寸下的任务完成时间LSD组间分析

从表3中可知:任务完成时间在按键尺寸为10 mm和12.5 mm差异不显著、15 mm和17.5 mm差异不显著，15 mm和7.5 mm、10 mm、12.5 mm均存在显著差异，表明按键尺寸在15 mm任务完成时间稳定.

2.2 总错误率

表4给出了操作错误率及Kolmogorov-Smirnov正态检验结果.

表4 总错误率及K-S正态检验值

表4结果表明不同尺寸下的操作错误率不符合正态分布.从表4可以看出，按键尺寸与操作错误率之间无明显对应关系，且Kruskal-Wallis检验结果 (P=0.948＞0.05)表明按键尺寸对操作错误率无显著影响.

3 讨论

从数据分析来看，随着按键尺寸的增长，操作错误率无显著变化 (约为1%)，任务完成时间逐渐降低并在按键尺寸为15 mm时趋于稳定.为进一步分析按键尺寸在15 mm时，任务完成时间趋于稳定，即操作工效不再提高的原因.软件中还设置了自动记录被试操作时手指触摸按键的触点位置，不同按键尺寸下手指触点位置记录如图1所示.对应触点面积见表5.

图1 不同按键尺寸触点位置记录图

表5 不同按键尺寸下的触点面积

从图1及表5可以看出，当按键尺寸小于15 mm时，触点位置占据按键面积较大范围，触点面积约占按键面积的36.4% －68.7%，15 mm和17.5 mm时则有较大部分空余，触点面积仅占按键面积的26.8%－31.7%和20.2%－23.6%.随着按键尺寸的增加，使用键盘的触点面积虽在不断增加，但当按键尺寸为15 mm或大于15 mm后，键盘有效利用宽度基本稳定.由Fitts定律公式t=a+blog2(D/W+1)(t为运动时间，a、b为经验参数，D为运动距离，W为有效目标的宽度)可知在运动距离几乎不变的情况下，随着按键尺寸W的增加，任务完成时间t趋于稳定，验证了任务完成时间在某一按键尺寸值趋于稳定的正确性，而由实验结果得到这一按键尺寸值为15 mm.

实验只要求被试尽可能快的完成操作，未限定任务完成时间，从而减轻了被试的心理压力，这样实际操作小尺寸键盘时，被试很可能将操作准确性放在了首位，这样自然会增加操作时间，从而导致操作错误率较低，且差异不够显著.

此外，实验中，按键间隙始终为5 mm，这也是操作错误率较低的原因之一.以最小尺寸键盘7.5 mm为例，键盘尺寸加上两侧间隙的宽度，使得手指触点位实际落在了7.5+5×2=17.5mm的宽度范围内，由此产生的结果是一次性触发操作的准确性受到影响.因此，延长了任务完成时间，而对操作错误率影响不显著.这也间接说明当键盘尺寸较大时，键盘间隙可适当缩小.

4 结论

实验是在与实际车载显控终端一致的模拟终端上完成的，得出的结论具有一定参考和借鉴价值.从实验结果可以得出如下结论:

1)键盘尺寸对信息操作的任务完成时间有显著影响，且在一定范围内，任务完成时间随键盘尺寸增大而减小;

2)从实验结果看，键盘尺寸在15 mm左右较为合理，大于15 mm，操作工效提高不明显，且会加大显控终端匹配的难度;

3)键盘设计既要考虑尺寸因素，也要兼顾键盘尺寸和键盘间隙的综合效果，以有效利用有限的界面资源.

［1］郭 伏，钱省三.人因工程学［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］牟炜民.座舱显示器周边各键尺寸、方位和间隔的工效学实验研究 ［J］.人类工效学，1997，3(4):10-12.

［3］Heejin Kim，Sunghyuk Kwon，Jiyoon Heo，et al.The effect of touch－key size on the usability of In－Vehicle Information Systems and driving safety during simulated driving［J］.Applied Ergonomics，2014，45(3):379-388.

［4］Human Factors and Ergonomics Society.ANSI/HFES Standard No.100-2007，American National Standard for Human Factors Engineering of Computer Workstations［S］.Human Factors ＆ Ergonomics Society，Santa Monica，California，2007.

［5］International Organization for Standardization.ISO 9241-9，Ergonomic Requirements for Office Work with Visual Display Terminals(VDTs)-Part9:Requirements for Non-keyboard Input Devices［S］. International-Organization for Standardization，2000.

［6］Monterey Technologies，Inc. Design of Consumer Electronics［C］.EIA-EIF Committee on Product Accessibility，A Joint Venture of the Electronic Industries Association and the Electronic Industries Foundation，Washington，DC 20006，1996.