公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)感性評(píng)價(jià)

陸蔚華,姜冠岳,劉雨婷,張益茬,張執(zhí)南

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016;2.法國(guó)工程技術(shù)大學(xué) 法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心 交叉科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,法國(guó) 貝爾福 90400;3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

0 引言

公務(wù)機(jī)作為一類(lèi)高端定制產(chǎn)品,可以滿足客戶(hù)高效舒適、安全私密、個(gè)性化的出行需求,其市場(chǎng)日漸繁榮。近20年來(lái),在我國(guó)經(jīng)濟(jì)態(tài)勢(shì)不斷向好的趨勢(shì)下,國(guó)內(nèi)公務(wù)航空呈現(xiàn)出機(jī)隊(duì)規(guī)模日益擴(kuò)大、需求結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化、飛行體驗(yàn)越發(fā)多元等特點(diǎn)[1]。

駕駛艙是飛行員獲取飛行信息、控制飛機(jī)、完成飛行任務(wù)的重要場(chǎng)所,其內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)影響飛行員的情景意識(shí)和決策能力,與飛行安全和效率有著非常密切的關(guān)系[2]。公務(wù)機(jī)相較其他類(lèi)型的民機(jī)更注重體驗(yàn),駕駛艙不同內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)會(huì)營(yíng)造不同的駕駛環(huán)境氛圍,或使飛行員感到動(dòng)感振奮,亦或平靜舒適。

隨著技術(shù)發(fā)展和需求層次的提高,人們對(duì)飛機(jī)駕駛艙人—機(jī)—環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識(shí)從“人適機(jī)”轉(zhuǎn)入“機(jī)宜人”的新階段。近年來(lái),駕駛艙設(shè)計(jì)逐漸衍變?yōu)椤耙匀藶橹行摹钡脑O(shè)計(jì)理念[3],以人的使用需求為出發(fā)點(diǎn),優(yōu)化功能邏輯和人機(jī)交互界面,提高系統(tǒng)安全,降低后期系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。研究聚焦于諸如駕駛艙布局及設(shè)施優(yōu)化[4-5]、交互顯示界面評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建[6-7]、飛行員行為信號(hào)識(shí)別[8-9]等。然而,現(xiàn)有工作絕大多數(shù)局限于物理邏輯,通過(guò)系統(tǒng)收集飛行員的動(dòng)靜態(tài)尺寸、能力、特長(zhǎng)和弱點(diǎn)等各類(lèi)數(shù)據(jù),使設(shè)計(jì)適合予人,鮮有關(guān)注飛行員的心理和情緒。然而,人類(lèi)都遵循“認(rèn)知—情感—行為”的行為邏輯[10],即便經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練強(qiáng)化的飛行員,在密閉、復(fù)雜、狹小的駕駛艙內(nèi),潛意識(shí)中會(huì)渴望駕駛艙能滿足自身的情感關(guān)聯(lián)及價(jià)值實(shí)現(xiàn),從而達(dá)到人—機(jī)—環(huán)境精神上的和諧。

飛行員與駕駛艙這種潛意識(shí)的交互反饋,由感覺(jué)、印象、情緒等綜合反饋呈現(xiàn),被學(xué)界描述為“感性(Kansei)”,是一種隱性知識(shí),映射了用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的需求信息[11]。感性因素對(duì)駕駛艙設(shè)計(jì)的影響逐漸受到重視,吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注,主要有3方面的探索:①針對(duì)駕駛艙造型的具體設(shè)計(jì)應(yīng)用。例如,劉崗[12]對(duì)駕駛艙形態(tài)各類(lèi)線型依據(jù)重要程度進(jìn)行簡(jiǎn)化以提取“平均形”,為駕駛艙的造型創(chuàng)意提供參考。②建立駕駛艙局部設(shè)計(jì)特征與感性評(píng)價(jià)之間的映射模型,以達(dá)到預(yù)測(cè)目的。例如,王黎靜等[13]以駕駛艙T形區(qū)的圖片為視覺(jué)刺激,使用語(yǔ)義差異法獲取被試的感性評(píng)價(jià),運(yùn)用形體分析法對(duì)駕駛艙設(shè)計(jì)要素進(jìn)行解構(gòu),采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建設(shè)計(jì)要素與感性評(píng)價(jià)之間的關(guān)聯(lián)模型,以實(shí)現(xiàn)對(duì)新樣本感性評(píng)價(jià)值的預(yù)測(cè)。③應(yīng)用數(shù)據(jù)智能和機(jī)器學(xué)習(xí),建立面向駕駛艙設(shè)計(jì)的形態(tài)或配色方案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),為駕駛艙內(nèi)部空間的感性評(píng)價(jià)提供決策支持。例如,CHEN等[14]基于感性工學(xué),利用模糊集合理論、支持向量機(jī)構(gòu)建了飛機(jī)駕駛艙智能色彩綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證,可實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛艙配色方案的感性評(píng)價(jià)。盡管感性驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)研究取得了一些階段性結(jié)果,但研究體系尚不完備,回歸到飛機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì),現(xiàn)有對(duì)感性質(zhì)量的理解和用戶(hù)需求的感知,并沒(méi)有映射到飛機(jī)駕駛艙具體設(shè)計(jì)特征,以獲取理想的設(shè)計(jì)方向。

對(duì)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征的理解在感性設(shè)計(jì)中尤為重要,是后續(xù)研究工作的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。感性設(shè)計(jì)遵循“整體—局部”的拓?fù)湔J(rèn)知特性[15],以認(rèn)知學(xué)原理對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)特征解構(gòu):①考慮整體感性意象的優(yōu)先性,以產(chǎn)品特征線(通常是輪廓線)作為重點(diǎn),通過(guò)定義和調(diào)節(jié)控制點(diǎn),由點(diǎn)到線定量描述產(chǎn)品外觀的大體輪廓[16];②綜合考慮產(chǎn)品整體和細(xì)節(jié)的感性意象,從特征組成、特征提取、特征解析等手段研究產(chǎn)品外觀,常見(jiàn)的有形體分析法(morphological method)[17]、形狀文法(shape grammer)[18]和可拓學(xué)(extenics)[19];③面向產(chǎn)品識(shí)別,將生物界基因的遺傳與變異理論引入設(shè)計(jì),在產(chǎn)品外形特征的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取設(shè)計(jì)DNA,表征產(chǎn)品族外形進(jìn)化機(jī)制與規(guī)則[20]。綜上,由于產(chǎn)品外觀千差萬(wàn)別,尚未形成普適性的設(shè)計(jì)特征解構(gòu)系統(tǒng)理論和使能工具,現(xiàn)有方法具有典型的對(duì)象依賴(lài)性。面向消費(fèi)型產(chǎn)品,離散、定性式的設(shè)計(jì)特征解構(gòu)方法足矣,但對(duì)于航空航天領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品,尚缺乏系統(tǒng)的參數(shù)化特征解構(gòu)方法和工具。

本文通過(guò)感性設(shè)計(jì)方法,綜合運(yùn)用多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí),基于多維感知信息融合,建立飛行員與公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)感性評(píng)價(jià)方法,量化表征飛行員的感性質(zhì)量。同時(shí),探索融合整體與局部特征的駕駛艙設(shè)計(jì)特征參數(shù)化表征機(jī)理,通過(guò)揭示駕駛艙內(nèi)飾局部設(shè)計(jì)特征與感性質(zhì)量的映射機(jī)理,形成條理化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)知識(shí),指導(dǎo)飛機(jī)駕駛艙的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)。旨在提出一套面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的感性設(shè)計(jì)理論、方法和工具,營(yíng)造合適的駕駛環(huán)境,提高航空安全性,從感性層面為適航指令的擴(kuò)充提供理論支持。

1 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局樣本庫(kù)構(gòu)建

以公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片作為內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)刺激物。為了便于設(shè)計(jì)特征提取和屬性定義,所搜集的公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片需遵循以下3個(gè)原則:①具有較高的清晰度;②具有統(tǒng)一的視角和尺度;③涵蓋盡可能完整的設(shè)計(jì)要素。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢索收集,初步得到公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片63張。進(jìn)一步剔除同一品牌造型相似的機(jī)型,篩選后確定來(lái)自12個(gè)品牌42款機(jī)型的駕駛艙圖片。

為了避免駕駛艙內(nèi)飾色彩、材質(zhì)、肌理等因素對(duì)布局設(shè)計(jì)感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的干擾,對(duì)42張駕駛艙樣本圖片進(jìn)行處理,過(guò)程如圖1所示。首先,將圖片改為灰度模式并模糊表面材質(zhì)紋理,風(fēng)擋處均處理為白色。其次,采用Sobel算子[21]對(duì)樣本圖片進(jìn)行邊緣檢測(cè)。過(guò)濾局部線條,提取內(nèi)飾布局主體造型線,只保留頂部區(qū)、風(fēng)擋區(qū)和T形區(qū)的輪廓線,經(jīng)Adobe Illustrator矢量繪圖后疊加到原先樣本圖片中。最終,形成公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局樣本庫(kù),如圖2所示。

圖1 公務(wù)機(jī)駕駛艙樣本圖片處理過(guò)程

圖2 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局樣本庫(kù)

2 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局多維感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 感性指標(biāo)的選取

感性的復(fù)雜性決定了感性質(zhì)量只能間接地和部分地被測(cè)量和判斷,感性研究往往通過(guò)掌握與感性相關(guān)聯(lián)的元素從而達(dá)到評(píng)價(jià)感性質(zhì)量的目的[22]。常見(jiàn)的感性表征方式主要有行為、語(yǔ)言、面部表情以及生理響應(yīng)[23]四大類(lèi)別,常用量化手段有自我陳述法和生理測(cè)量法[24]。由于原理上的差異,感性量化工具各有利弊:自我陳述法基于用戶(hù)的判斷利于區(qū)分微妙感性的意象構(gòu)成,但不可避免有一定的主觀性。生理測(cè)量法客觀直接,能基于時(shí)序特征記錄用戶(hù)與產(chǎn)品交互反饋的演化過(guò)程。然而,鑒于產(chǎn)品誘發(fā)的各種生理指標(biāo)變化是細(xì)微的,通常需要綜合參考多種指標(biāo)數(shù)據(jù),并且不同的產(chǎn)品對(duì)象需要考慮不同的交互接口方式,以及多感官通道多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合分析技術(shù)[25]。

公務(wù)機(jī)駕駛艙空間密閉、觸點(diǎn)密集、功能復(fù)雜集成,僅靠單一維度的數(shù)據(jù)無(wú)法綜合、客觀、準(zhǔn)確地量化飛行員對(duì)內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)。指標(biāo)選取一方面要考慮對(duì)飛行員感性認(rèn)知評(píng)價(jià)的表征效果,即所選數(shù)據(jù)指標(biāo)能反映出飛行員對(duì)內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的滿意程度;另一方面還要考慮所采用的方法或儀器應(yīng)避免干擾性和侵入性,從而影響飛行員的真實(shí)反饋。因此,公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)將綜合主觀評(píng)價(jià)(感性意象耦合)和客觀生理測(cè)量(多感官感性反饋)兩個(gè)維度的信息,包含3個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù),同時(shí)視頻記錄被試的行為進(jìn)行時(shí)間的標(biāo)定和對(duì)齊。

(1)主觀評(píng)價(jià) 主觀評(píng)價(jià)即量化被試的感受,最常用方法是李克特量表(Likert scale)[26],由一組與某個(gè)主題相關(guān)的陳述或問(wèn)題構(gòu)成,邀請(qǐng)被試進(jìn)行等級(jí)制的打分,以了解人們對(duì)該調(diào)研主題的綜合態(tài)度或看法。

(2)眼動(dòng) 視眼動(dòng)技術(shù)充分利用視覺(jué)認(rèn)知機(jī)理,具有非常好的實(shí)驗(yàn)效度,記錄個(gè)體在交互過(guò)程中的視覺(jué)注意模式,常用的眼動(dòng)指標(biāo)有注視時(shí)間、熱區(qū)圖、興趣區(qū)等,已成為分析視覺(jué)感知特點(diǎn)、重現(xiàn)認(rèn)知加工的重要研究工具[27]。

(3)面部表情 臉是最直觀的情緒指示器,情緒依賴(lài)于面部肌肉精細(xì)分化的表情模式活動(dòng)快速、具體地呈現(xiàn)出來(lái),是用戶(hù)反饋豐富信息的來(lái)源[28]。無(wú)接觸式的測(cè)量方法,也為感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)提供了便捷準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)獲取方式。

2.2 基于語(yǔ)匯的感性意象空間構(gòu)建

恰當(dāng)?shù)母行砸庀骩29]可準(zhǔn)確表達(dá)飛行員對(duì)駕駛艙的主觀感知評(píng)價(jià),是有效描述感性質(zhì)量的要素。飛行員感知駕駛艙的維度并不單一,這也決定了感性意象具有多元特征?？紤]到被試在接受生理測(cè)量的同時(shí)很難完成繁瑣的主觀評(píng)估任務(wù),多元感性意象詞匯并不適合直接用來(lái)作為主觀評(píng)價(jià)的尺度。為了降低實(shí)驗(yàn)認(rèn)知負(fù)荷,需要對(duì)豐富的感性意象詞匯進(jìn)行采集、提純和降維,構(gòu)建感性意象空間,形成高度凝練的感性意象評(píng)價(jià)維度。

公務(wù)機(jī)駕駛艙感性意象詞匯的采集來(lái)源于實(shí)證研究(primary research)和間接研究(secondary research)。實(shí)證研究以定向發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷為主要方法,一方面邀請(qǐng)飛行員根據(jù)飛行經(jīng)歷、自身經(jīng)驗(yàn)等用形容詞匯描述對(duì)駕駛艙內(nèi)飾布局的感受、存在的問(wèn)題以及期望的駕駛艙設(shè)計(jì);另一方面邀請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)家和工程師描述公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局感性意象以及未來(lái)設(shè)計(jì)意象趨勢(shì)。間接研究主要通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料、相關(guān)書(shū)籍以及互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)信息,搜集描述公務(wù)機(jī)駕駛艙的段落、語(yǔ)句、短語(yǔ)等,并從中提取價(jià)值信息總結(jié)感性意象詞匯,初步得到形容詞約600個(gè)。對(duì)搜集的感性意象詞匯進(jìn)行篩選,合并相近詞匯并剔除一些相關(guān)性弱的詞匯。通過(guò)語(yǔ)義距離對(duì)這些感性意象詞匯進(jìn)行提純,并將這些詞匯中的正反義詞進(jìn)行配對(duì),得到160對(duì)形容詞組。通過(guò)凝聚式層次聚類(lèi)(Agglomerative Hierarchical Clustering,AHC)[30]和合適的粒度對(duì)感性意象詞匯進(jìn)行降維,最終得到14組感性意象詞匯,避免了信息的重復(fù)性和冗雜性。

表1 感性意象空間

2.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

組織多維感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)獲取被試觀察公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局樣本時(shí)的主觀評(píng)價(jià)、眼動(dòng)及面部表情數(shù)據(jù),同時(shí)視頻記錄被試行為用于生理測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)齊和同步,綜合、全方位地表達(dá)被試感性認(rèn)知評(píng)價(jià)信息,量化感性質(zhì)量。

感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在采光良好、舒適安靜的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括:眼動(dòng)設(shè)備采用德國(guó)SMI公司的RED 250型桌面型遙測(cè)式眼動(dòng)儀,采樣率250 Hz;面部表情識(shí)別采用荷蘭Noldus公司的Facereader 8.1及Rapoo C280高清攝像頭;行為觀察采用荷蘭Noldus公司的Observer XT行為觀察分析系統(tǒng)。生理測(cè)量數(shù)據(jù)均為非侵入式采樣,有效避免了被試受儀器影響所產(chǎn)生的緊張感與壓力感。

實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)27名被試,男性,飛行專(zhuān)業(yè)大三在校生,有模擬駕駛經(jīng)驗(yàn)?？紤]被試對(duì)不同機(jī)型圖片的感知需要時(shí)間,且對(duì)感性意象評(píng)價(jià)維度的理解和判斷也是由表及里、由淺入深的過(guò)程,針對(duì)每張樣本圖片設(shè)計(jì)了3階段的“觀察—評(píng)價(jià)”實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示,設(shè)備校準(zhǔn)驗(yàn)證后顯示實(shí)驗(yàn)導(dǎo)語(yǔ),簡(jiǎn)要說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的背景、目的、內(nèi)容以及注意事項(xiàng)。為了充分調(diào)動(dòng)被試的注意力,屏幕呈現(xiàn)注視點(diǎn)1 000 ms,隨后進(jìn)入正式的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。第一階段,顯示1張公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片5 000 ms,被試根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求重點(diǎn)觀察駕駛艙圖片的內(nèi)飾具象形態(tài)特征,同步獲取其眼動(dòng)、面部表情和行為數(shù)據(jù)。接著被試根據(jù)實(shí)驗(yàn)提示,對(duì)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局的實(shí)體層意象感覺(jué)以五級(jí)李克特量表(-2、-1、0、1、2)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。第二階段,在空屏和注視點(diǎn)呈現(xiàn)之后,再次顯示同樣的公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片5 000 ms,被試根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求重點(diǎn)觀察駕駛艙圖片的內(nèi)飾布局與功能的對(duì)應(yīng)效果,同步獲取其眼動(dòng)、面部表情和行為數(shù)據(jù),并對(duì)秩序?qū)拥囊庀蟾杏X(jué)以五級(jí)李克特量表進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。第三階段,再次呈現(xiàn)空屏和注視點(diǎn),顯示同樣的公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片5 000 ms,被試根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求重點(diǎn)觀察體會(huì)駕駛艙圖片的內(nèi)飾布局所帶來(lái)的情感體驗(yàn),同步獲取其眼動(dòng)、面部表情和行為數(shù)據(jù),并對(duì)氛圍層的意象感覺(jué)以五級(jí)李克特量表進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。依次迭代至看完所有樣本圖片,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)約30 min。

圖3 感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)流程

3 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)模型

研究多維感知信息融合機(jī)制,融合來(lái)自主、客觀的“主觀評(píng)價(jià)—眼動(dòng)—面部表情”3個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù),從“實(shí)體層—秩序?qū)印諊鷮印?個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度對(duì)感性質(zhì)量進(jìn)行定義,構(gòu)建公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的九維感性評(píng)價(jià)模型(Nine-Dimensional Kansei Evaluation Model,NDKEM),解釋判斷感性體驗(yàn)的優(yōu)劣,表示為:

(1)

式中:ES、EE、EF分別表示從主觀評(píng)價(jià)、眼動(dòng)、面部表情指標(biāo)對(duì)意象評(píng)價(jià)維度“實(shí)體層”的感性評(píng)價(jià);OS、OE、OF分別表示從主觀評(píng)價(jià)、眼動(dòng)、面部表情指標(biāo)對(duì)意象評(píng)價(jià)維度“秩序?qū)印钡母行栽u(píng)價(jià);AS、AE、AF分別表示從主觀評(píng)價(jià);眼動(dòng)、面部表情指標(biāo)對(duì)意象評(píng)價(jià)維度“氛圍層”的感性評(píng)價(jià)。

九維感性評(píng)價(jià)模型如圖4所示,3個(gè)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在3個(gè)評(píng)價(jià)維度的感性意象里充分發(fā)揮自身特性的同時(shí)又互為補(bǔ)充,以主客觀結(jié)合的方法綜合表達(dá)飛行員對(duì)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)。

圖4 九維感性評(píng)價(jià)模型

定義n表示被試人數(shù),m表示公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局樣本數(shù),k表示感性意象評(píng)價(jià)維度數(shù)。其中n、m、k均取正整數(shù)。

3.1 主觀評(píng)價(jià)矩陣

記錄n名被試在第k個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的主觀評(píng)分,得到主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)元素集合矩陣Qk:

(2)

(3)

以m個(gè)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾樣本在第k個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的主觀評(píng)價(jià)評(píng)分均值建立矩陣,得到主觀評(píng)價(jià)矩陣Sk:

(4)

3.2 眼動(dòng)矩陣

眼動(dòng)數(shù)據(jù)能客觀地反映決策過(guò)程的時(shí)間特征和對(duì)信息的加工深度[27,31]。當(dāng)用戶(hù)看到誘發(fā)負(fù)面情緒(諸如不安、有威脅的)的產(chǎn)品時(shí),會(huì)投入更多的注意力,即視線的停留時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)[32-33]。以注視時(shí)長(zhǎng)(fixation time)與停留時(shí)長(zhǎng)(dwell time)的比值量化被試對(duì)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾樣本的注視程度。記錄n名被試在第k個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的眼動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值,得到眼動(dòng)數(shù)據(jù)元素集合矩陣Tk:

(5)

(6)

(7)

以m個(gè)駕駛艙內(nèi)飾樣本在第k個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的眼動(dòng)評(píng)分均值建立矩陣,得到眼動(dòng)矩陣Ek:

(8)

3.3 面部表情矩陣

FaceReader通過(guò)獲取分析被試面部表情數(shù)據(jù)得到對(duì)應(yīng)的效價(jià)值。效價(jià)是對(duì)情緒屬性的評(píng)估指標(biāo),有正性和負(fù)性之分,可作為衡量飛行員感性質(zhì)量的判斷依據(jù)[34]。記錄n名被試在第k個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的面部表情效價(jià)值,得到面部表情數(shù)據(jù)元素集合矩陣Ck:

(9)

(10)

以m個(gè)駕駛艙內(nèi)飾樣本在第k個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的面部表情評(píng)分均值建立矩陣,得到面部表情矩陣Fk:

(11)

3.4 綜合感性評(píng)價(jià)矩陣

為了消除主觀評(píng)價(jià)、眼動(dòng)和面部表情三項(xiàng)指標(biāo)量綱之間的差異,將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用離差標(biāo)準(zhǔn)化(min-max normalization)[35]方法,對(duì)各維度評(píng)價(jià)矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換,使評(píng)價(jià)結(jié)果值映射到[0,1]之間。

(12)

由于主觀評(píng)價(jià)、眼動(dòng)、面部表情三項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)中所起作用的重要性不同,可靠性也存在差異,為各指標(biāo)分配權(quán)重,使其充分發(fā)揮效能與價(jià)值。獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法[36]是根據(jù)各指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的共線性強(qiáng)弱來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)復(fù)相關(guān)系數(shù)R越大,說(shuō)明指標(biāo)之間的共線性關(guān)系越強(qiáng),該指標(biāo)越容易由其他指標(biāo)的線性組合表示,重復(fù)信息越多,權(quán)重越小。單一維度復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:

(13)

(14)

(15)

3.5 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)

根據(jù)多維感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果,取n=27、m=42、k=3,將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依次代入式(2)～式(15),求得實(shí)體層、秩序?qū)?、氛圍?個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)如表2所示。

表2 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)

由于對(duì)主觀評(píng)價(jià)、眼動(dòng)評(píng)價(jià)和面部表情矩陣進(jìn)行了歸一化處理,取李克特量表的歸一化結(jié)果作為閾值能表征綜合感性評(píng)價(jià)結(jié)果。因公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局及操作繁瑣復(fù)雜,飛行員需盡量保持理性的思考,同時(shí)避免疲勞和誤操作,感性評(píng)價(jià)的閾值選中性為宜。對(duì)五級(jí)李克特量表的分值做歸一化處理后,中間值0.5表示感性評(píng)價(jià)結(jié)果為中性值;大于0.5表示感性評(píng)價(jià)結(jié)果為正向值,且數(shù)值越接近1,滿意度越高;小于0.5表示感性評(píng)價(jià)結(jié)果為負(fù)向值,且數(shù)值越接近0,滿意度越低。

感性評(píng)價(jià)的數(shù)值大小反映了公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。由表2可以看出,當(dāng)前市場(chǎng)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)的感性評(píng)價(jià)在實(shí)體層和秩序?qū)虞^高,彰顯了形態(tài)美學(xué)以及與功能映射的優(yōu)質(zhì)性。而氛圍層的感性評(píng)價(jià)分值整體偏低,表明駕駛艙意象氛圍的塑造尚有較大優(yōu)化空間,為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化指明了方向。

計(jì)算駕駛艙內(nèi)飾樣本在九維感性評(píng)價(jià)模型的空間坐標(biāo)與原點(diǎn)的距離,得到3個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:樣本中內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)感性評(píng)價(jià)最優(yōu)的為P39,最劣的為P02。如圖5所示,兩者設(shè)計(jì)風(fēng)格差異明顯。

圖5 感性評(píng)價(jià)最優(yōu)及最劣樣本

4 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征與感性評(píng)價(jià)映射關(guān)系的建立

建立公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征與感性評(píng)價(jià)的映射關(guān)系,進(jìn)一步探究?jī)?nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征形成不同感性評(píng)價(jià)的原因,預(yù)測(cè)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)優(yōu)化方向,從工程角度提出系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)知識(shí)。由知覺(jué)的拓?fù)湫再|(zhì)決定,從整體到局部是普遍存在的腦認(rèn)知規(guī)律,整體組織是知覺(jué)局部性質(zhì)的基礎(chǔ)[15]。研究分別從整體層和細(xì)節(jié)層探索駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征的表征機(jī)理,并揭示影響感性評(píng)價(jià)的原因,挖掘可靠、可顯現(xiàn)和可重用的設(shè)計(jì)知識(shí)。

4.1 基于ANOVA的整體層映射分析

眼動(dòng)熱區(qū)圖與興趣區(qū)顯示被試注視區(qū)域集中于風(fēng)擋區(qū)及T型區(qū),在整體層提取其輪廓線定義駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征。以公務(wù)機(jī)P24為例,整體層設(shè)計(jì)特征提取結(jié)果如圖6所示,L1為風(fēng)擋區(qū)上部線條,L2為風(fēng)擋區(qū)下部線條,L3為T(mén)型區(qū)線條。

圖6 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征定義

組織設(shè)計(jì)師專(zhuān)家焦點(diǎn)小組(focus group),基于形體分析法對(duì)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局輪廓線進(jìn)行特征解構(gòu)。以離散式的形態(tài)表征性狀,在整體層定性描述輪廓線可能出現(xiàn)的特征,如表3所示。

表3 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局輪廓線特征解構(gòu)

根據(jù)方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)[37]構(gòu)建公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征與感性評(píng)價(jià)之間的映射模型。以實(shí)體層維度為例,根據(jù)各要素層次的價(jià)值,可得結(jié)論如圖7所示。

圖7 內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征在實(shí)體層感性評(píng)價(jià)的方差分析結(jié)果

L1設(shè)計(jì)特征要素:線條趨勢(shì)“平(A3)”、線條樣式“階梯式(B1)”、線條屬性“直曲結(jié)合(C3)”均可喚起實(shí)體層感性評(píng)價(jià)上的優(yōu)質(zhì)體驗(yàn);而線條趨勢(shì)“上(A1)”、線條樣式“平滑式(B2)”、線條屬性“直(C1)”則會(huì)削弱感性評(píng)價(jià)。

L2設(shè)計(jì)特征要素:線條樣式“平滑式(G2)”、線條屬性“曲(H2)”可喚起飛行員在實(shí)體層的感性?xún)?yōu)質(zhì)體驗(yàn);而線條樣式“階梯式(G1)”、線條屬性“直曲結(jié)合(H3)”會(huì)削弱這種感性體驗(yàn)感。

L3設(shè)計(jì)特征要素:線條趨勢(shì)“收縮(M1)”、線條樣式“階梯式(O1)”、線條屬性“直曲結(jié)合(Q3)”會(huì)提高實(shí)體層的感性評(píng)價(jià);而線條趨勢(shì)“擴(kuò)張(M2)”、線條樣式“平滑式(O2)”、線條屬性“曲(Q2)”會(huì)使其降低。

綜上,在實(shí)體層維度,感性評(píng)價(jià)最優(yōu)的公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征要素為“A3-B1-C3-G2-H2-M1-O1-Q3”。

4.2 基于NURBS的細(xì)節(jié)層映射分析

基于ANOVA的分析從造型線整體出發(fā),討論了線條趨勢(shì)、樣式及屬性對(duì)感性評(píng)價(jià)的影響。然而,此過(guò)程只涉及離散型設(shè)計(jì)變量,描述的公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局造型線依舊具有模糊性和不確定性。需對(duì)線條細(xì)節(jié)進(jìn)行更精準(zhǔn)細(xì)致的參數(shù)化定義及回歸分析,以填補(bǔ)設(shè)計(jì)信息的缺失。

以非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)[38]在細(xì)節(jié)層對(duì)駕駛艙內(nèi)飾布局細(xì)節(jié)特征進(jìn)行參數(shù)化定義,為標(biāo)準(zhǔn)解析公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局細(xì)節(jié)特征提供了公共統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)形式?？刂泣c(diǎn)決定了線的形態(tài),線決定了面的形態(tài),最終面決定了飛機(jī)駕駛艙的內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)。

一條k次NURBS曲線公式為:

(16)

(17)

其中:di(i=0,1,…,n)表示控制頂點(diǎn),ωi表示權(quán)因子,Ri,k(u)為k次有理基函數(shù),Ni,k(u)是由節(jié)點(diǎn)矢量U=[u0,u1,…,un+k+1]按德布爾—考克斯遞推公式?jīng)Q定的k次規(guī)范B樣條基函數(shù),其公式為:

(18)

使用Rhinoceros繪制樣條線,默認(rèn)設(shè)置曲線階數(shù)k=3,權(quán)因子ωi均為1,非有理準(zhǔn)均勻B樣條,則有:

Ri,k(u)=Ni,k(u)。

(19)

進(jìn)而推出Rhinoceros中NURBS曲線公式為:

(20)

將k=3代入式(18)中求得3次B樣條基函數(shù),將基函數(shù)代入式(20)中并改成矩陣形式,可得:

(21)

由式(21)可知,由節(jié)點(diǎn)矢量決定的均勻B樣條基在定義域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)間上都具有相同圖形,則曲線形狀由控制頂點(diǎn)坐標(biāo)唯一決定。

將經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)處理后的公務(wù)機(jī)駕駛艙圖片導(dǎo)入Rhinoceros中,用NURBS繪制擬合駕駛艙內(nèi)飾布局輪廓線。因?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu),只擬合右半部分輪廓線,一方面減少非必要的工作量,另一方面可使控制頂點(diǎn)坐標(biāo)取值均為正數(shù),便于數(shù)據(jù)分析。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)是塑造線條細(xì)節(jié)的決定性要素,其余點(diǎn)均受轉(zhuǎn)折點(diǎn)影響需要保持造型的整體和諧性,因而促使初始形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)折的控制頂點(diǎn)始末位置尤為重要。為進(jìn)一步研究造型線細(xì)節(jié)特征對(duì)感性評(píng)價(jià)的影響,建立圖8所示坐標(biāo)系,將L1、L2、L3均置于第一象限,提取d1～d7七個(gè)控制頂點(diǎn)。以L2左端控制頂點(diǎn)為對(duì)齊點(diǎn),以L2橫向?qū)挾燃磀5橫坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一各樣本設(shè)計(jì)特征的邊界尺度。定義d1～d7七個(gè)控制頂點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)V1～V14共14個(gè)設(shè)計(jì)特征變量。其中各案例中V1和V9的值分別都相等,存在共線性,予以剔除。

圖8 基于NURBS的設(shè)計(jì)特征定義

采用多元線性回歸(multiple linear regression)[39]分析建立飛行員感性評(píng)價(jià)結(jié)果Z1～Z3(因變量)與公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局形態(tài)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)特征V2～V8、V10～V14(自變量)之間的映射模型。各自變量在95%置信區(qū)間內(nèi)的回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)反映了對(duì)因變量的貢獻(xiàn)大小。各維度設(shè)計(jì)特征變量對(duì)感性評(píng)價(jià)的影響如圖9所示,各感性意象評(píng)價(jià)維度的評(píng)價(jià)對(duì)每項(xiàng)基于NURBS的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)特征變量的響應(yīng)結(jié)果具有差異。

圖9 感性評(píng)價(jià)多元線性回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)

以實(shí)體層維度為例,設(shè)計(jì)特征貢獻(xiàn)值較大的是V3、V7、V12、V14,表明這4項(xiàng)變量對(duì)感性評(píng)價(jià)的影響最為顯著。其中,實(shí)體層感性評(píng)價(jià)與V3、V7、V14呈正相關(guān),解釋為:“L1形態(tài)轉(zhuǎn)折在x方向上出現(xiàn)的位置”靠右、“L2形態(tài)轉(zhuǎn)折在x方向上出現(xiàn)的位置”靠右、“L3形態(tài)轉(zhuǎn)折在y方向上出現(xiàn)的位置”靠上,即L1、L2形態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在初始形態(tài)線方向上出現(xiàn)的晚,L3形態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在初始形態(tài)線方向上出現(xiàn)的早,一定程度上會(huì)提升實(shí)體層的感性評(píng)價(jià)。究其原因,形態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)較晚,使得初始線條保持了良好的流暢感,塑造了視覺(jué)上的連貫性,進(jìn)而提高了實(shí)體層維度的感性評(píng)價(jià)。V12與實(shí)體層感性評(píng)價(jià)呈現(xiàn)出負(fù)向相關(guān)性,即“L3拐點(diǎn)在y方向上出現(xiàn)的位置”靠上,反映了T形區(qū)上半部分的縱向?qū)挾日?減少了體量的厚重感。

4.3 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)知識(shí)

綜合整體層和細(xì)節(jié)層的分析,對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行條理性、系統(tǒng)性地總結(jié),形成公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)知識(shí),以藍(lán)圖形式直觀表達(dá)。以實(shí)體層為例,圖10上半部分參照各設(shè)計(jì)特征要素貢獻(xiàn)率,表達(dá)各要素的感性設(shè)計(jì)優(yōu)化效果。整體層設(shè)計(jì)特征要素以條形圖形式表達(dá),細(xì)節(jié)層設(shè)計(jì)特征要素以線條表達(dá),并最終形成各維度設(shè)計(jì)優(yōu)解示例。圖10下半部分以文字形式表達(dá)出各設(shè)計(jì)特征要素優(yōu)化的實(shí)際物理意義。

圖10 公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)實(shí)體層優(yōu)化設(shè)計(jì)知識(shí)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)感性評(píng)價(jià)的研究思路,關(guān)注飛行員的潛意識(shí),挖掘飛行員的感性需求以?xún)?yōu)化駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)。綜合感性意象耦合的主觀評(píng)價(jià)和客觀生理測(cè)量?jī)蓚€(gè)維度的信息,基于“主觀評(píng)價(jià)—眼動(dòng)—面部表情”3個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)從“實(shí)體層—秩序?qū)印諊鷮印?個(gè)感性意象評(píng)價(jià)維度構(gòu)建公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)感性評(píng)價(jià)模型,多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合提升了感性評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。通過(guò)建立駕駛艙內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)特征與感性評(píng)價(jià)的映射機(jī)理,分別從整體層和細(xì)節(jié)層兩個(gè)層次進(jìn)行剖析,形成條理化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)知識(shí),指導(dǎo)公務(wù)機(jī)駕駛艙內(nèi)飾布局的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)為飛行員營(yíng)造身心愉悅的駕駛環(huán)境、保障公務(wù)航空的安全具有重要意義,同時(shí)從設(shè)計(jì)視角為適航標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充提供了新的理論參考。團(tuán)隊(duì)下一步將面向動(dòng)態(tài)復(fù)雜飛行環(huán)境,遵循整體—局部拓?fù)湔J(rèn)知特性,開(kāi)展飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)特征參數(shù)化解構(gòu)方法和工具相關(guān)研究,為我國(guó)航空制造業(yè)正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論和使能技術(shù)支撐。