人机工程学是一门研究人机系统中人、机器、环境三大要素之间相互关系和相互作用的综合性边缘学科^[1]，其目的是为解决人机系统中涉及效能、安全、健康等问题提供理论基础与方法。人机工程学结合了人体科学和工程技术，其中人机界面设计是人机工程学研究领域的重要分支。人机界面是指人与机器之间相互施加影响的区域，人与机器之间的信息交互和控制活动通常都在人机界面上开展。人体通过自身的视觉、触觉及听觉等感官体验获取来自机器的信息，然后经过大脑的信息加工、决策判断后做出响应，从而实现人体与机器的信息传递^[2]。目前，针对产品人机界面的研究主要集中在显示与控制两个方面。产品的人机界面设计通常以人如何使用产品作为设计的出发点，围绕人的生理、心理特点开展产品的外形、色彩和性能设计，最终使人与机器能够高度协调一致，从而设计出高效、经济、安全的人机界面^[3-8]。

现阶段，我国在产品的人机界面设计过程中主要关注高技术的应用和复杂功能需求的实现，而忽略了人与机器之间的协调关系，导致产品在国际市场上缺乏竞争力。因此，基于人机工程学开展人机界面设计势在必行。操作面板作为人机系统中的人机交互界面，其设计质量会直接影响用户的操作效率和操作体验以及操作指令的准确性。为此，笔者以民用飞机舱门操作面板设计为例，结合人机工程学原理和相关标准对其进行详细设计，旨在增强舱门操作面板的适用性及优化用户的操作体验^[9-10]。

操作面板的主要功能是作为操作人员与机器之间交互的媒介，机器通过显示界面向操作人员传递关键信息，操作人员通过操作界面的输入操作向机器发布指令^[1]。因此，操作面板的设计主要包括显示界面、操作界面的设计和布局。同时，在操作面板的设计过程中还需考虑人体尺寸，且设计结果应符合人的生理和心理特点，以避免超出人体能力范围和感觉器官功能极限以及使用时出现人积劳成疾的现象，从而保证人与机器之间协调统一。综上，应以人机工程学作为操作面板设计的基本准则和依据，且在设计时充分考虑操作人员完成任务的可行性，既要改善作业条件，又要减轻作业负担^[11]。

民用飞机的舱门数量众多（如国外某大型宽体飞机上约有20扇舱门），一般分为登机门、货舱门和应急门等。未来，随着多电/全电飞机技术的发展，舱门系统将呈全电动化操作的趋势，同时舱门系统也将逐步由分布式舱门控制发展为集中式舱门操作控制。在舱门全电动化操作和集中式控制的迫切需求下，需设计不同类型的显示界面和操作界面作为操作面板，为空乘人员和地勤人员提供舱门操作的人机交互界面。目前，按照舱门类型和集中式操作控制的需求，可将舱门操作面板分为以下几类。

1）登机门操作面板。

登机门操作面板通常安装在每扇登机门右侧的机身（外侧）上，其主要功能是为空乘人员（或地勤人员）提供实现登机门自动化操作的人机交互界面。

图1所示为空客A380飞机的登机门外部操作面板。由于A380飞机整机登机门的解闩、解锁及提升操作仍采用手动操作模式，即登机门的打开和关闭属于半自动化操作，因此该登机门操作面板上仅设置了舱门打开按键（OPEN）和舱门关闭按键（CLOSE），操作面板位于外部手柄下方。

2）货舱门操作面板。

货舱门操作面板通常安装在每扇货舱门右侧的机身（外侧）上，其主要功能是为地勤人员提供实现货舱门自动化操作的人机交互界面。货舱门操作面板按功能可分为两部分：电动操作区域和操作指示及状态显示区域。

图2所示为波音B747-800飞机（货运型）的后货舱门外部操作面板。B747-800飞机的整机货舱门除了解锁动作仍采用手动操作外，其他的解闩和开门操作均采用电动操作，即货舱门的打开、关闭属于半自动化操作，因此其后货舱门操作面板上设置了货舱门预位/解除预位钮子开关、打开/关闭钮子开关、上锁/解锁钮子开关以及对应的货舱门状态指示灯（预位指示灯、打开指示灯、关闭指示灯、解锁指示灯、上锁指示灯和上闩指示灯）。

图3所示为波音B787飞机的主货舱门外部操作面板。波音系列飞机技术的沿用性较强，B787飞机货舱门的解闩/上闩、打开/关闭均采用液压作动筒驱动，解锁动作为手动操作，因此其主货舱门操作面板上设置了打开/关闭/停止三位钮子开关、备份货舱门打开/关闭按键以及对应的货舱门状态指示灯（完全打开指示灯、准备上锁指示灯和关闭且上锁指示灯）。

3）舱门主显控面板。

舱门主显控面板是为适应未来多电/全电飞机整机舱门集中操作控制而提出的综合性人机交互界面。舱门主显控面板通常安装在登机门入口处空乘人员座椅的上方，其主要分为舱门集中控制操作区域和舱门状态显示区域，可实现集中式舱门的作动控制和状态显示。目前，国内外暂无同类型的产品可参考借鉴。

民用飞机舱门操作面板通常由具备单一显示功能的界面、具备单一操作功能的界面或兼具显示和操作功能的界面组成。舱门操作面板设计的基本要求如下。

1）图标设计。

在舱门操作面板图标的设计过程中，首先，应深入分析操作人员的生理、心理特性以及操作习惯。然后，对图标语义进行拆分、理解，以确保每个图标都能准确表达相应的意义；同时，设计图标时应充分考虑各种可视化元素，如颜色、形状和大小等。最后，对舱门系统操作任务所需的特殊图标以及开关、缩放和设置等通用图标进行针对性设计，以达到符合操作人员认知习惯、缩短操作人员学习记忆过程、辅助操作人员理解辨识以及提高操作效率的目的^[12]。

2）控件设计。

在对操作面板的窗口、菜单、标签、文本框和按键等控件进行设计时，需要考虑使控件的色彩、样式、风格以及交互方式尽量统一，以减少杂乱信息所造成的注意分散现象；同时，应明确信息划分的层级，使得信息有序地呈现，最终保证各控件模块之间能够很好地衔接与融合^[13]。

3）布局设计。

在布局设计时，需要对舱门操作面板的信息结构进行分析并在显示界面中对信息进行合理布局，以使界面排布达到最佳状态，从而减轻操作人员的工作负荷。同时，对操作面板的操作顺序进行合理规划，即按重要性、操作频率及成组相关性进行布局，以提高操作的便利性和操作效率。

4）交互设计。

在交互设计时，构建符合机组人员视觉习惯的交互机制，以保证操作人员可以高效地使用舱门操作面板，并在与舱门系统的交互中获得良好的操作体验。

民用飞机舱门操作面板的人机界面设计是操作面板设计的重要部分，其设计准则的筛选流程如图4所示。为了确保设计准则的科学性和实用性，对现有的国际标准、国家标准、军用标准和行业标准进行整合，并明确选择设计标准的优先次序，以避免同一个设计指标具有多个可参考标准值的情况。最后，依据GB/T 18978.11—2023《系统交互工效学　第11部分　可用性：定义和概念》，开展设计指标的实用性检查，将适用的标准编入舱门操作面板人机界面的设计准则^[14]。

舱门操作面板的人机界面设计包括硬件设计和软件设计两大部分。其中，硬件设计部分包括操作面板的总体布置、排列方式和硬件控制器等；软件设计部分包括术语、信息组织、编码技术、显示元素和显示形式等。设计时结合软、硬件设计需求规范编制交互管理准则，以满足基于作业任务的人因工程设计要求。

民用飞机舱门操作面板设计除了要符合美学原则外，还要适应操作人员的人体功能特点，以达到操作方便、操作效率高与准确性高的目的。在舱门操作面板设计中，登机门操作面板和货舱门操作面板不涉及显示界面的设计，仅需要考虑所有按键的工作形式和整体布局以及所有指示灯的颜色选择、排列及整体布局。舱门主显控面板需要结合人机功效综合考虑显示界面的具体显示元素、显示信息和显示效果等设计要素^[15-18]。

登机门操作面板按功能可分为两部分：指示区域和电动操作区域。其中，指示区域主要包括电源指示灯（POW）、故障指示灯（FD）、压差指示灯（RP）和预位指示灯（ARM）。在实际工作过程中，电源指示灯绿色常亮表示上电，绿色熄灭表示下电；故障指示灯红色不亮表示设备正常，红色常亮表示设备故障；压差指示灯红色常亮表示有余压信号，红色熄灭表示无余压信号；预位指示灯绿色常亮表示滑梯包预位，绿色熄灭表示滑梯包未预位。电动操作区域主要包括打开按键（OPN）和关闭按键（CLS）。登机门操作面板上按键的尺寸和状态指示以及指示灯的尺寸等均需依据相关标准进行设计并确保其整体布局合理，以符合空乘人员（或地勤人员）的认知水平和操作习惯。基于上述设计要素，登机门操作面板的外观设计如图5所示。

货舱门操作面板的功能通常更加全面，按功能可分为四部分：指示区域、操作指示区域、电动操作区域以及手动操作区域。其中：指示区域包括电源指示灯（POW）、故障指示灯（FD）、压差指示灯（RP）、舱门打开到位指示灯（OPN）、舱门关闭到位指示灯（CLS）、舱门上锁指示灯（LK）和舱门上闩指示灯（LT）。在实际工作过程中，电源指示灯、故障指示灯和压差指示灯的工作状态与登机门操作面板的相同；打开到位指示灯绿色长亮表示货舱门开启到位，绿色不亮表示货舱门未开启到位；关闭到位指示灯绿色长亮表示货舱门关闭到位，绿色不亮表示货舱门未关闭到位；上锁指示灯绿色长亮表示锁机构上锁到位，绿色不亮表示锁机构未上锁到位；上闩指示灯绿色长亮表示闩机构上闩到位，绿色不亮表示闩机构未上闩到位。操作指示区域包括一些对货舱门操作流程提示和异常状态警示提醒的文字。电动操作区域主要包括打开按键（OPN）和关闭按键（CLS）。基于上述设计要素，货舱门操作面板的外观设计如图6所示。

舱门主显控面板的功能通常较为复杂，可划分为飞机舱门状态显示区域和舱门自动化操作区域。其中，舱门状态显示区域包括登机门开关状态显示、货舱门开关状态显示以及系统各设备运行状态显示等；操作区域包括查故操作区、滑梯预位操作区（含预位操作和解除预位操作）、登机门操作区以及货舱门操作区等。登机门操作区包括1L#、2L#、3L#、4L#、1R#、2R#、3R#、4R#登机门的开关操作按键，对应的操作为确认开启、取消开启、确认关闭、取消关闭、确认应急开启和取消应急开启等。货舱门操作区包括1F#、1A#货舱门的开关操作按键，对应的操作为确认开启、取消开启、确认关闭和取消关闭等。此外，整个舱门主显控面板上还包括具有白昼和夜晚两种操作模式的选择按键，夜晚模式便于操作人员在黑暗环境下执行操作。

在设计舱门主显控面板人机界面时，须对其功能需求进行分析，以明确功能层级。舱门主显控面板人机界面的功能层级如图7所示。由图7可知，在对舱门主显控面板人机界面进行设计时，须对舱门操作区域和舱门状态显示区域进行区分，且要求操作区域易识别，操作简单且逻辑结构层次清晰，以减轻空乘人员（或地勤人员）的学习负担；状态显示区域应一目了然，舱门状态显示清晰，且可显示整架飞机并标示舱门位置，可运用图标与颜色对开关状态进行区分，同时能够及时地将操作信息反馈给操作人员。

登机门操作面板上设计有4个指示灯和2个按键，其布局与尺寸如图8所示。指示灯选择M6型带螺母底座，按键的尺寸为19 mm；左侧指示灯距离操作面板左边缘50 mm，左、右侧指示灯的间距为50 mm，上、下侧指示灯的间距为28 mm；按键距离操作面板下边缘43 mm，距离操作面板左边缘50 mm；左、右侧按键的间距为50 mm；下侧指示灯与按键之间的距离为53 mm。

根据GJB 2873—1997《军事装备和设施的人机工程设计准则》^[19]，要求圆形按键的最小直径为4.75 mm，最大直径为12.50 mm；按键之间的最小距离为13 mm。按照上述设计标准，对所设计的登机门操作面板进行布局验证，结果如表1所示。

货舱门操作面板上设计有7个指示灯和1个钮子开关，其布局与尺寸如图9所示。指示灯选择M6型带螺母底座，钮子开关的型号为T-21BS；左侧竖排指示灯距离操作面板下边缘30 mm，距离操作面板左边缘40 mm；2列竖排指示灯的左右间距和上下间距均为20 mm；电源指示灯与其左侧指示灯之间的距离为34 mm，电源指示灯距离操作面板下边缘50 mm；钮子开关距离电源指示灯24 mm，距离操作面板下边缘50 mm。

根据GJB 2873—1997^[19]，要求钮子开关的最小臂长为13 mm，最大直径为50 mm；钮子开关调节角度的最小值为30°，最大值为80°；按键的最小间距为13 mm。按照上述设计标准，对所设计的货舱门操作面板进行布局验证，结果如表2所示。

舱门主显控面板人机界面布局设计的技术路线如图10所示。

根据HB 20099—2012《航空装备控制器人机工程设计准则》^[20]，触摸屏响应区的尺寸设计应考虑操作人员的手指大小和由视差引起的误差，触摸按键的高度和宽度宜为15~40 mm，左、右侧触摸按键的间距宜为3~6 mm。舱门主显控面板的人机界面布局如图11所示。

采用原型设计软件Axure RP辅助完成舱门主显控面板人机界面布局设计。在Axure RP软件中，尺寸采用像素表示，将Axure RP界面转换为3D模型前须进行尺寸转换。舱门主显控面板的界面尺寸为（1 080×768）像素，则舱门主显控面板触摸屏幕的尺寸选择12.1英寸（即307 mm）。假设触摸屏幕的长度为L，宽度为W，根据勾股定理和等比定理，可得：

根据式(1)，可得触摸屏幕的长度L=248 mm，宽度W=177 mm。

在Axure RP软件中，舱门主显控面板中触摸按键的尺寸为（106×66）像素。假设触摸按键的长度为l，宽度为w，根据触摸按键尺寸与触摸屏幕尺寸的比例关系，可得：

根据式(2)，可得触摸按键的长度l=24.30 mm，宽度w=15.15 mm。同理，按键的间距也可以按相应的比例关系求得，计算过程不再赘述。

根据上述计算结果，对舱门主显控面板中触摸按键的尺寸及间距进行人因分析并开展布局合理性验证，结果如表3所示。

由表3所示验证结果可知，舱门主显控面板中触摸按键的尺寸和间距均满足HB 20099—2012中的设计要求^[20]。

可用性评估是指通过实验等方法获取数据以验证人机界面设计可用性的过程^[7]。本文采用问卷调查的形式来对舱门主显控面板人机界面的可用性进行评估。该调查问卷分为两部分：整体可用性调查和图标认知调查，以全面了解舱门主显控面板人机界面的可用性和用户对图标的理解程度。

在进行可用性评估前，选择较成熟的可用性问卷和量表评价法来设置调查问卷的问题。目前，典型的可用性调查问卷使用李克特量表法和语义差分法来设置问题并要求测试者对人机界面进行打分，目的是通过科学方法来保证评估结果的效度和信度^[7]。根据舱门主显控面板人机界面的功能和设计要求，在设置其整体可用性调查问卷的问题时应考虑以下问题。

1）根据舱门真实的形状与状态进行简易化和抽象化，使其符合空乘人员（或地勤人员）的认知；在按键设计过程中充分考虑操作人员的生理、心理特性，且按键尺寸应符合人机工程学要求，并严格控制按键间距，以避免操作人员在操作时误触。

2）在舱门主显控面板人机界面布局设计过程中考虑空乘人员的视觉特性与操作习惯，采用左、右式布局形式，即左侧为显示区域，右侧为操作区域。

3）在舱门主显控面板人机界面整体色彩显示上采用白昼和夜晚两种模式，分别对应强光线和弱光线这2种不同的操作环境。

基于上述要求，完成对舱门主显控面板人机界面中图标、触摸按键、布局、色彩的设计并形成其可用性调查问卷。调查问卷主要针对舱门主显控面板人机界面的易学性、易用性、有效性、效率、美观度、可视化程度和操作反馈等多个方面进行问题设置，并要求用户对整个人机界面的满意度进行整体打分。

1）舱门主显控面板的整体可用性调查问卷。

为了高效地完成舱门主显控面板的整体可用性评估，使用专业的在线问卷设计平台“问卷星”快速地创建舱门主显控面板的可用性调查问卷。该平台可通过手机端或电脑客户端发布问卷，同时利用数据采集和报表分析功能获得问卷总得分和问卷分析结果。对于可用性调查问卷，总得分越高，说明人机界面信息越容易获取，人机界面图标设计越符合人的认知特性，更容易被操作者识别，即人机界面的可用性越高。

2）舱门主显控面板图标语义可知性调查问卷。

舱门主显控面板图标语义可知性调查问卷如表4所示。

3）舱门主显控面板可用性评估结果。

根据可用性调查问卷所设置的问题，邀请已完成人机界面典型任务操作实验的8名视觉设计专业人员进行评分。将问卷中的问题按照各维度进行分配后，将8名被试者的问卷结果转化为1~5的分数并取平均值。本次实验选择在哈尔滨工程大学61#楼的人因工程实验室内进行，该实验室可保证被试者在执行舱门主显控面板中典型任务时周围环境相对安静与舒适，避免外界因素对实验过程造成干扰和中断，从而保证本次实验具有较高的可信度^[7]。

根据对舱门主显控面板可用性调查问卷中各项指标的相关统计与分析，得到各可用性指标的得分情况，结果如表5所示。

由可用性调查问卷的结果可知，舱门主显控面板的8个可用性指标的评分均高于4.5，总体得分为131.7，说明其可用性较高，属于优秀等级（较差：0~77分；一般：78~98 分；良好：99~119 分；优秀：120~140 分），且用户满意度和可操作性较高，符合人的认知特性。同时，简洁的图标设计降低了舱门主显控面板的复杂程度，操作人员在执行目标任务操作时能够快速、准确地获取和理解所需的信息，可有效提高操作效率。

随着数字建模、虚拟现实和增强现实等技术的发展，将虚拟仿真技术应用于航空产品设计，可为解决上述问题提供便捷的方法。在仿真方式上，按虚拟现实技术可分为沉浸式仿真和非沉浸式仿真。前者以虚拟现实、增强现实技术应用为基础构建产品的使用场景，以人体的实际视觉、听觉或感应反馈等感官刺激作为输入，以用户身临其境的使用感觉和交互感觉来验证产品的人机功效；后者以电子信息技术的软硬件为基础，在电脑端模拟器上进行人机交互仿真。综合考虑成本和普及性，本文选择采用非沉浸式仿真方式，对民用飞机舱门操作面板进行可视化触及域的验证。

人机工程仿真软件DELMIA是一款数字化企业互动制造应用软件，被广泛应用于航天、航空、航海以及传统制造业等领域^[21]。DELMIA软件中的人体任务仿真（Human Task Simulation）模块具备人体模型作业姿态编辑能力，如人体模型按路径行走、头部转动和身体转动等动作，同时可以设置每一个动作的持续时间。完成人体模型多个动作姿态的设置后，先对动作进行排序，再采用帧融合技术将动作姿态连接起来，以模拟人体模型连续的操作过程。

在仿真分析前，先通过查阅GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》^[22]来获取人体的尺寸参数。然后，利用DELMIA软件中的人体建模（Human Builder）模块来创建操作人员的人体模型，通过在选项卡里修改人体模型的信息（如人种、性别、百分位数及参考点等）来模拟不同的操作场景。最后，使用DELMIA软件对所设计的舱门操作面板的可视化触及域进行仿真分析，具体流程如图12所示。

根据GB/T 10000—1988^[22]，确定人体模型的尺寸参数及对应数值。考虑到实际工作年龄，取18~60岁男子的第95百分位（以下简称P95男）及18~55岁女子的第5百分位（以下简称P5女）所对应的成年人人体尺寸代表最高与最低限值。人体主要尺寸参数及对应数值分别如图13、图14和表6所示。

根据GB/T 10000—1988^[22]中对人体数据修正的要求，增加人体站姿肩高的穿鞋修正量（男子加2.5 cm，女子加2.0 cm）。由于GB/T 10000—1988中缺乏手功能长的参考值，无法直接选用，考虑到按键、触摸屏等均是采用人手食指进行操作，旋钮采用握姿操作的实际情况，对满足操作任务要求的手功能长进行修正（按压按键减1.2 cm，推动和拨动按键减2.5 cm）。修正后的站姿身高及手功能长的取值如表7所示。

本文采用UG NX软件、DELMIA软件来构建飞机、舱门操作面板和操作人员的虚拟仿真模型。建模过程如下：首先，使用UG NX软件建立飞机和舱门操作面板的模型；然后，在飞机模型上对舱门操作面板模型进行定位及装配；最后，在DELMIA软件中建立人体模型，完成人体模型参数设置后，导入飞机和舱门操作面板的模型。

在UG NX软件中建立飞机的三维模型，其机身长度为63.755 m，翼展长度为63.860 m，高度为17.393 m。飞机的三维模型如图15所示。

三型舱门操作面板的设计需综合考虑相关标准及人机功效因素。根据HB 20098—2012《航空装备交互与管理人机工程设计准则》^[16]中的相关要求，装在垂直面板上的控制器应布置在站姿平面上方860~1 780 mm。舱门主显控面板、登机门操作面板及货舱门操作面板的安装位置及定位尺寸如表8所示。

首先，使用DEMLIA软件构建P95男人体模型，设置软件参数如下：性别（Gender）为男子（Man），百分位数（Percentile）为95。最终建立的P95男人体模型如图16所示。

然后，使用DEMLIA软件构建P5女人体模型，设置软件参数如下：性别（Gender）为女子（Woman），百分位数（Percentile）为5。最终建立的P5女人体模型如图17所示。

根据上节中所述的操作人员触及域参数，在操作按键类设备时，P95男触及域的尺寸为780 mm，P5女触及域的尺寸为602 mm。登机门操作面板P95男和P5女的触及域仿真结果分别如图18和图19所示。

由图18和图19可知，登机门操作面板位于人体站立点触及域的有效范围内，即登机门操作面板符合触及域设计要求。

根据上节所述参数，在操作按键类设备时，货舱门操作面板P95男和P5女的触及域仿真结果分别如图20和图21所示。

由图20和图21可知，货舱门操作面板位于人体站立点触及域的有效范围内，即货舱门操作面板符合触及域设计要求。

根据上节所述参数，当操作触摸类设备时，P95男触及域的尺寸为792 mm，P5女触及域的尺寸为614 mm。舱门主显控面板P95男和P5女触及域的仿真结果分别如图22和图23所示。

由图22和图23可知，舱门主显控面板位于人体站立点触及域的有效范围内，即舱门主显控面板符合触及域设计要求。

1）在对舱门操作面板的可用性进行评估时，使用整体可用性调查问卷和图标可知性调查问卷能够有效地获取所设计操作面板的可用性和可知性反馈结果，评估结果具有一定的效度和信度，可反映出用户对操作面板的实际操作体验和认知。但随着操作面板人机界面复杂度的增加，尤其是在使用多层级菜单界面的情况下，操作面板的总体评分会降低。因此，在设计此类操作面板时，需要在可用性和界面复杂度之间进行适当的权衡分析，以确保用户能够轻松、高效地完成操作任务。

2）在设计登机门操作面板、货舱门操作面板和舱门主显控面板时，需结合具体操作人员的人体特征数据进行修正。同时，应对操作面板触及域人机功效的合理性进行验证。若验证结果表明，所设计的操作面板能使操作人员在触及域的有效范围内完成操作，则证明其人机功效合理性较好。

但是，目前可用性调查问卷的参与者主要是非民用航空服务人员且在实验室环境下进行。下一步工作是致力于优化调查问卷内容，并增加针对空乘人员或地勤人员的调查结果，以获得更加直观和明显的评估结果。同时，还应研究不同评价方法对操作面板人机功效的影响，以找到最优的设计方案，为后续国内民用飞机舱门操作面板的设计和应用提供指导和参考。