《人机工程学》第7章-人机界面设计

第7章人机界面设计第7章人机界面设计7.1信息显示器的类型及其特点7.2视觉显示器设计7.3信号灯和报警信号设计7.4控制器的类型及其适用范围7.5控制器设计的主要问题7.6控制器设计7.7显示器与控制器的布置与配合7.8控制台设计第7章人机界面设计7.1信息显示器的类型及其特点三要素基本模型如图7-1所示。人--机--环境图7-1三要素基本模型第7章人机界面设计图7-2是司机—汽车的三要素基本模型实例。该模型表示人和机械整个系统的组成及其之间的相互关系，只要把图正确绘出，就可直观地得知人体的哪一部分与机械的哪一部分有联系，和有何等程度的联系。第7章人机界面设计图7-2司机—汽车三要素基本模型第7章人机界面设计7.1.1信息显示的方式及特征按人接受信息的感觉通道的不同，可将显示方式分为视觉显示、听觉显示和触觉显示等。其中以视觉显示应用最为广泛。由于人对突然发生的声音具有特殊的反应能力，所以听觉显示器作为紧急情况下的报警装置，比视觉显示器具有更大的优越性。触觉显示是利用人的皮肤受到触压刺激后产生感觉而向人传递信息的一种方式。上述三种显示方式所传递的信息特征，如表7-1所示。第7章人机界面设计表7–1第7章人机界面设计7.1.2仪表显示器的种类仪表是信息显示器中应用极为广泛的一种视觉显示器。一般可按其显示形式和显示功能分类。1.按显示形式分类按显示形式可分为数字式显示器和模拟式显示器两大类。1)数字式显示器。是直接用数码来显示信息的仪表，如各种数码显示屏、机械的和电子的数字记数器等。第7章人机界面设计2)模拟式显示器。是用标定在刻度盘上的指针来显示信息的，如最常见的手表、电流表、电压表等。模拟式显示器式样繁多。按刻度盘的形式可分为八种，如表7-2所示。按指针与刻度盘的相对运动形式可分为两种，如图7-3所示。通常指针可动，刻度盘不动的形式应用较广。第7章人机界面设计表7-2显示器按刻度盘的形式分类第7章人机界面设计第7章人机界面设计图7-3(a)指针可动，刻度盘不动；(b)刻度盘可动，指针不动第7章人机界面设计2.按显示功能分类按仪表的显示功能可分为读数用仪表、检查用仪表、警戒用仪表、追踪用仪表和调节用仪表。1)读数用仪表。用具体数值显示机器的有关参数和状态，如汽车上的时速表、飞机上的高度表等。2)检查用仪表。用以显示系统状态参数偏离正常值的情况，一般无需读出其确切数值。这类仪表宜采用指针运动刻度盘不动的显示器为好。3)警戒用仪表。用以显示机器是处于正常区、警戒区还是危险区。第7章人机界面设计在显示器上可用不同颜色或不同图形符号将警戒区、危险区与正常区明显区别开来。如用绿、黄、红三种不同的颜色分别表示正常区、警戒区、危险区。为避免照明条件对分辨颜色的影响，分区标志可采用图形符号，如图7-４所示。第7章人机界面设计表7-3模拟式与数字式显示仪表的特点第7章人机界面设计第7章人机界面设计图7-４警戒用仪表的形式第7章人机界面设计4)追踪用仪表。追踪操纵是动态控制系统中最常见的操纵方式之一，它根据显示器所提供的信息，进行追踪操纵，以便使机器按照所要求的动态过程工作。5)调节用仪表。只用以显示操纵器调节的值，而不显示机器系统运行的动态过程。第7章人机界面设计7.1.3显示装置的选择原则显示装置的功能是让操作人员观察、接受、理解、处理和反馈来自生产过程的信息，对生产过程进行监控，进而操纵生产过程以求达到预定的目的。1.数量识读仪表的选择数量识读的主要目的是获取准确的数据。第7章人机界面设计2.状态识读仪表的选择状态识读仪表只需向操作者显示被测对象的参数变化趋势的信息：指示该参量在哪一范围是正常状态，哪一范围是不正常状态；被测对象的参数是增加了还是减少了，偏离给定值的哪一侧，而不需要显示精确的数值等等。因此，状态识读通常选用指针式仪表。第7章人机界面设计7.2视觉显示器设计7.2.1显示装置设计的基本原则1.准确性原则设计显示装置的目的是为了使人能准确地获得机器的信息，正确地控制机器设备，避免事故。第7章人机界面设计2.简单性原则为了读数迅速、准确，显示装置应尽量用简单明了的方式显示所传达的信息：应使传递信息的形式尽量能直接表达信息的内容，以减少译码的错误；不使用不利于识读的装饰；尽量符合使用目的，如供状态识读的仪表，就是越简单越清晰越好。第7章人机界面设计3.一致性原则应使显示器的指针运动方向与机器本身或其控制器的运动方向一致。4.排列性原则关于显示器的装配位置或几种显示器的位置排列也需认真考虑，其位置排列应是：1)最常用的和最主要的显示器尽可能安排在视野中心3°范围之内，因为在这一视野范围内，人的视觉效率最优，也最能引起人的注意。第7章人机界面设计2)显示器很多时，应当按照它们的功能分区排列，区与区之间应有明显的区分。3)显示器应尽量靠近，以缩小视野范围。4)显示器的排列应当适合人的视觉特征。第7章人机界面设计7.2.2模拟式显示器的设计1.刻度盘的设计刻度盘设计的内容包括刻度盘的形状和大小。1)刻度盘的形状。刻度盘的形状主要取决于仪表的功能和人的视觉运动规律。以数量识读仪表为例，其指示值必须能使识读者精确、迅速地识读。实验研究表明，不同形式刻度盘的识读率亦不同(见表7-４)。第7章人机界面设计表7-４5种显示器读数准确度的比较(圆型仪表为100％)第7章人机界面设计2)刻度盘的大小。刻度盘的大小取决于盘上标记的数量和观察距离。以圆形刻度盘为例，当盘上标记数量多时，为了提高清晰度，需相应增大刻度盘。但是，这必将增加眼睛的扫描路线和仪表占用面积。而缩小刻度盘又会使标记密集不清晰。刻度盘的最佳直径与监控者的视角有关。实验证明，最佳视角为2.5°～5°。因此，由最佳直径和最佳视角便可确定最佳视距，或已知视距和最佳视角便可推算出仪表刻度盘的最佳直径。实验结果表明，圆形刻度盘的最优直径是44mm(见表7-5）。关于圆形刻度盘的直径、观察距离和标记数量的推荐值参见表7-6。第7章人机界面设计表7-5认读速度和准确度与直径大小的关系(视距750mm，圆形刻度盘)第7章人机界面设计第7章人机界面设计2.刻度与刻度线的设计识读速度、识读准确性还与刻度的大小、刻度线的类型、刻度线的宽度和刻度线的长短有关。1)刻度的大小。刻度盘上最小刻度线间的距离称为刻度。2)刻度线的类型。常见的刻度线类型有单刻度线、双刻度线和递增式刻度线(7-5）。递增式刻度线的形象特征可以减少识读误差。第7章人机界面设计图7-5刻度线(a)单刻度线；(b)双刻度线；(c)递增式刻度线第7章人机界面设计3)刻度线的宽度。刻度线的宽度取决于刻度的大小，当刻度线宽度为刻度的10％左右时，读数的误差最小(见图7-6）。第7章人机界面设计图7-6第7章人机界面设计4)刻度线长度。刻度线长度选择得是否合适，对识读准确性关系甚大。刻度线长度受照明条件和视距的限制。当视距为L时，刻度线最小长度为长刻度线长度＝Ｌ／90中刻度线长度＝Ｌ／125短刻度线长度＝Ｌ／200刻度线间距＝Ｌ／600刻度线长度还受刻度大小的影响，不同刻度范围的刻度线长度可参考表7-７选取。第7章人机界面设计表7-７刻度线长度选择表第7章人机界面设计5)刻度方向。刻度盘上刻度值的递增顺序称为刻度方向。6)数字累进法。一个刻度所代表的被测值称为单位值。第7章人机界面设计表7-８数字累进法第7章人机界面设计7)刻度设计注意事项。①不要以点代替刻度线；②刻度线的基线用细实线为好，图7-7(a)中采用的粗线不利于识读；③刻度线不可很长而且排得很挤，如图7-7(b)所示；④不要设计成间距不均匀的刻度，如图7-7(c)所示。第7章人机界面设计图7-7不合理的刻度设计(a)基线太粗；(b)刻度线太长，排列太挤；(c)刻度间距不均匀第7章人机界面设计3.字符设计仪表刻度盘上印刻的数字、字母、汉字和一些专用的符号，统称为字符。由于刻度的功能通过字符加以完备，字符的形状、大小和立位又直接影响着识读效率，因此字符的设计应力求能清晰地显示信息，给人以深刻的印象。第7章人机界面设计图7-83与8混淆的情况第7章人机界面设计1)字符的形体。进行字符形体设计时，为了使字符形体简明醒目，必须加强各字符的特有笔划，突出“形”的特征，避免字体的相似性。如图7-８所示“3”字的设计，图(a)的3易与8混淆；图(b)的3不易与8混淆。表7-9中的仪表体突出了字体的特征，误读率明显下降。图7-9中的数码管7段字体由于字体相似，当需要快速识读时很易误读。第7章人机界面设计表7-9字体的特征第7章人机界面设计图7-9铅字体与数码管7段字体第7章人机界面设计2)字符的大小。在刻度大小已定的条件下，为了便于识读，字符应尽量大一些。字符的高度通常取为L／200，也可按下面近似公式计算：3600LH(7-1)式中：Ｈ——字符高度(mm)；Ｌ——视距(mm)；α——最小视角(′)。视角α一般由实验决定，α常取10′～30′。第7章人机界面设计对于安装在仪表盘上的仪表，视距为710mm时，其字符高度可参考表7-10。若视距不等于710mm时，需将表列数值乘以变化比率γ加以修正。710/L（7-2）第7章人机界面设计表7-10仪表盘上仪表的字符高度第7章人机界面设计笔划宽与字高之比还受照明条件的影响，笔划宽与字高比值的推荐值如表7-11所示。第7章人机界面设计表7-11字符笔划宽与字高的比第7章人机界面设计3)标度数字的原则。刻度盘上标度数字应遵守下述原则：指针运动盘面固定的仪表标度的数字应直排(正立位)；盘面运动指针固定的仪表标度的数字应辐射定向安排；最小刻度可不标度数字，最大刻度必须标度数字；指针在仪表面内侧时，如果仪表盘面空间足够大，则数字应在刻度的外侧，以避免被指针挡住；第7章人机界面设计指针在仪表外侧时，数字应标在刻度的内侧；开窗式仪表的窗口应能显示出被指示的数字及上下相邻的两个数字，标数应顺时针辐射定向安排。数字标度的优劣比较见图7-10。为了不干扰对显示信息的识读，刻度盘上除了刻度线和必要的字符外，一般不加任何附加装饰。一些说明仪表使用环境、精度的字符应安排在不显眼的地方。第7章人机界面设计图7-10刻度标数优劣比较(a)刻度标数正确；(b)刻度标数不良第7章人机界面设计图7-10刻度标数优劣比较(a)刻度标数正确；(b)刻度标数不良第7章人机界面设计4.指针设计指针是仪表不可缺少的组成部分。其功能是用于指示所要显示的信息。为了使监控人员能准确而迅速地获得信息，指针的大小、宽窄、长短和色彩配置等必须符合监控人员的生理与心理特征。第7章人机界面设计5.仪表的色彩匹配为了精确地判读，指针、刻度线和字符的颜色与刻度盘的颜色应有鲜明的对比，即选择最清晰的配色，避免模糊的配色。A·帕帕洛阿佐斯(A·Papaloizos)对仪表的颜色与误读率的关系进行了研究，结果如表7-12所示。第7章人机界面设计表7–12仪表颜色与误读率第7章人机界面设计7.3信号灯和报警信号设计7.3.1信号灯设计信号灯的设计必须符合它的使用目的和使用条件。1.亮度确定信号灯的亮度应根据使用场合的背景照明强度和信号灯的颜色。由于强光信号比弱光信号刺激性大，容易引起注意，所以信号灯的亮度至少高于背景亮度的两倍。第7章人机界面设计2.颜色人们常常对不同的颜色赋予不同的意义。例如人们常把刺激强烈的红色与危险、故障、停止联系在一起，而把舒适宁静的绿色与安全、正常、通行联系在一起。信号灯的颜色设计必须与人们所形成的这些概念相一致。7-13为我国目前用于电工成套装置中的指示信号灯的颜色。第7章人机界面设计表7-13指示灯的颜色及其含义第7章人机界面设计3.闪光信号闪光信号比稳光信号更引人注意，因此警告信号灯宜用闪光信号。闪光信号通常用于引起操作者特别注意，指示紧急情况，需要操作者立即采取行动。有时也用以表示速度快慢。4.信号形状当信号较多时，信号灯采用多维度同时编码，更能达到相互区别的目的，即不仅用颜色编码，而且还用形状编码。第7章人机界面设计5.信号灯的位置最重要的信号灯和警告灯应安置在视野中央3°的范围内