安全人機工程學(xué)-人機界面設(shè)計

6.1人機界面概述6.2信息顯示裝置的類型及設(shè)計原則6.3視覺顯示裝置設(shè)計6.4聽覺顯示設(shè)計6.5控制裝置的類型及設(shè)計原則6.6控制裝置設(shè)計6.7控制器和顯示器的相合性6.8顯示器和控制器的布置人機界面設(shè)計

6.1人機界面概述

6.1.1人機界面的定義

人機界面(Human-MachineInterface)是人與機器進(jìn)行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機界面美觀、易懂，操作簡單且具有引導(dǎo)功能，使用戶感覺愉快，能增強興趣，從而提高使用效率。圖6-1人機系統(tǒng)模型6.1.2

人機界面三要素

在人機界面上，向人表達(dá)機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)的儀表或器件叫

顯示器(Display)；供人操縱機械運轉(zhuǎn)的裝置或器件叫控制器(Controller)。對機械來說，控制器執(zhí)行的功能是輸入，顯示器執(zhí)行的功能是輸出。對人來說，通過感受器接收機械的輸出效應(yīng)(例如顯示器所顯示的數(shù)值)是輸入；通過運動器操縱控制器，執(zhí)行人的意圖和指令則是輸出。如果把感受器、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和運動器作為人的三個要素，而把機械的顯示器、機體

和控制器作為機械的三個要素，并將各要素之間的聯(lián)系用圖

表示出來，就叫做三要素基本模型。三要素基本模型如圖6-2所示。圖6-2三要素基本模型圖6-3司機—汽車三要素基本模型

6.2信息顯示裝置的類型及設(shè)計原則

6.2.1信息顯示裝置的類型

在人機系統(tǒng)中，信息顯示裝置的功能就是以可知的數(shù)值、可見的變化趨勢或圖形、可聽的聲波以及各種人體可感知的刺激信號等方式向人傳遞系統(tǒng)中的各種信息。信息顯示裝置的類型如圖6-4所示。圖6-4信息顯示的類型

1.按信息接收的通道分類

人的感覺通道很多，有視覺、聽覺、觸覺、痛覺、熱感、振感等。所有這些感覺通道均可用于接收信息。

2.按顯示形式分類

(1)模擬顯示：模擬式顯示儀表靠刻度盤和指針來顯示數(shù)值，它通?？煞譃橹羔樳\動而表盤不動和表盤運動而指針不動兩大類。

(2)數(shù)字顯示：數(shù)字式顯示儀表用數(shù)碼管或液晶顯示數(shù)值。

(3)屏幕顯示：屏幕式顯示裝置可在有限面積的顯示屏上顯示大量不同類型的信息，其優(yōu)點是可以同時顯示狀態(tài)信息和預(yù)報信息(如系統(tǒng)故障信息的預(yù)報)，因而采用屏幕顯示裝置可大大減少儀表板上顯示儀表的數(shù)量。

3.按顯示參數(shù)分類

(1)顯示系統(tǒng)的工作條件參數(shù)：

(2)顯示系統(tǒng)輸入?yún)?shù)：

(3)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)：

①定量顯示：

②定性顯示：

③警戒顯示：

(4)顯示系統(tǒng)的輸出參數(shù)：6.2.2

信息顯示裝置設(shè)計原則

1.準(zhǔn)確性原則

設(shè)計顯示裝置的目的是為了使人能準(zhǔn)確地獲得機器的信息，正確地控制機器設(shè)備，避免事故。因此要求顯示裝置的設(shè)計，尤其供數(shù)量認(rèn)讀的顯示裝置的設(shè)計應(yīng)盡量使讀數(shù)準(zhǔn)確。讀數(shù)的準(zhǔn)確性可通過對類型、大小、形狀、顏色匹配、刻度、標(biāo)記等的設(shè)計解決。

2.簡單性原則

為了讀數(shù)迅速、準(zhǔn)確，顯示裝置應(yīng)盡量用簡單明了的方式顯示所傳達(dá)的信息：應(yīng)使傳遞信息的形式盡量能直接表達(dá)信息的內(nèi)容，以減少譯碼的錯誤；不使用不利于識讀的裝飾；盡量符合使用目的，如供狀態(tài)識讀的儀表，就是越簡單越清晰越好。

3.一致性原則

應(yīng)使顯示器的指針運動方向與機器本身或其控制器的運動方向一致。例如，顯示器上的數(shù)值增加，就表示機器作用力增加或設(shè)備壓力增大；顯示器的指針旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與機器控制器的旋轉(zhuǎn)方向一致。

各個國家、地區(qū)或行業(yè)部門使用的信息編碼應(yīng)盡可能做到統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化。

4.排列性原則

關(guān)于顯示器的裝配位置或幾種顯示器的位置排列也需認(rèn)真考慮，其位置排列應(yīng)是：

(1)最常用和最主要的顯示器盡可能安排在視野中心3°范圍之內(nèi)，因為在這一視野范圍內(nèi)，人的視覺效率最優(yōu)，也最能引起人的注意。

(2)當(dāng)顯示器很多時，應(yīng)當(dāng)按照它們的功能分區(qū)排列，區(qū)與區(qū)之間應(yīng)有明顯的區(qū)分。

(3)顯示器應(yīng)盡量靠近，以縮小視野范圍。

(4)顯示器的排列應(yīng)當(dāng)適合人的視覺特征。

6.3視覺顯示裝置設(shè)計

6.3.1模擬式與數(shù)字式儀表的顯示設(shè)計

儀表顯示是較為常用的一種信息顯示裝置，種類較多。它按照認(rèn)讀特征，可分為數(shù)字顯示器和模擬顯示器；按照結(jié)構(gòu)的不同，可分為指針移動式儀表、指針活動式儀表和數(shù)字式儀表，其中指針移動式儀表和指針活動式儀表屬于模擬顯示器，數(shù)字式儀表屬于數(shù)字顯示器；按照功能的不同，可分為讀數(shù)用儀表、檢查用儀表、追蹤用儀表和調(diào)節(jié)用儀表等。

1.儀表盤型式設(shè)計

常見的儀表盤有垂直直線形、水平直線形、半圓形、圓形、開窗形，不同的儀表形式與誤讀率之間的關(guān)系也不同，如圖6-5。圖6-5各種型式的儀表與誤讀率的關(guān)系

2.儀表盤尺寸設(shè)計

儀表盤的大小尺寸也會影響誤讀率，一般主要取決于刻度標(biāo)記的數(shù)量和視距。刻度數(shù)量越多，視距越大，表盤尺寸也越大。但是，無限制地增大表盤尺寸，會導(dǎo)致視線掃描路線和表盤占用面積增大。因此，在設(shè)計儀表表盤尺寸的時候，必須要確定表盤尺寸、刻度標(biāo)記數(shù)量和視距之間的恰當(dāng)比例。以圓形儀表盤為例，假設(shè)表盤的最佳直徑為D，視距為L，刻度標(biāo)記數(shù)量為I，三者的恰當(dāng)比例關(guān)系如圖6-6所示。圖6-6圓形儀表盤的最佳尺寸

3.刻度的設(shè)計

1)刻度線設(shè)計

刻度線的類型與刻度線的粗細(xì)、長短和方向有關(guān)。研究表明，刻度線的寬度與刻度有關(guān)，一般取刻度的5%～15%，且當(dāng)刻度線寬度為刻度的10%時誤讀率最小，普通刻度線的寬度通常為0.1mm±0.02mm?？潭染€的長度與認(rèn)讀準(zhǔn)確性有著密切的聯(lián)系，刻度線分為長刻度線、中刻度線和短刻度線三種，各刻度線和視距之間的比例關(guān)系如表6-3所示。

2)刻度間距設(shè)計

刻度線之間的距離稱為刻度間距。如果視距為L，那么小刻度的最小間距為L/600，大刻度的最小間距為L/50。根據(jù)認(rèn)讀效率與刻度大小之間的關(guān)系，最好將刻度間距與人眼形成的視角保持在10′左右。當(dāng)視距為750mm時，刻度間距宜為1～2.5mm。

3)設(shè)計刻度的標(biāo)記及標(biāo)數(shù)設(shè)計

設(shè)計刻度的標(biāo)記及標(biāo)數(shù)除了要遵循上述表盤設(shè)計原則以外，還應(yīng)符合下述的要求。當(dāng)表盤上的刻度比較多時，宜將刻度分為大刻度標(biāo)記、中刻度標(biāo)記和小刻度表記。

4.字符設(shè)計(增加數(shù)字和字母的形狀設(shè)計)

儀表刻度盤上的數(shù)字、字母、漢字或者特定的符號統(tǒng)稱為字符。數(shù)字能夠顯示精確的運行參數(shù)，字母和漢字是被指示對象的國際通用英文縮寫或習(xí)慣性的簡稱，符號是對被代表內(nèi)容高度概括和抽象而成的圖形，它們都能對刻度的功能起到一定的完善作用。除了上述標(biāo)準(zhǔn)以外，還應(yīng)注意設(shè)計字體的高度。刻度大小一定，字符的高度尺寸越大越好。字符高度一般按公式(6-1)

計算：

H?=?3600Lθ(6-1)

5.指針設(shè)計

1)針的形狀和長度

指針的形狀要簡單、明了，不應(yīng)有裝飾。最好選取頭部尖、尾部平、中間等寬或狹長三角，如圖6-7所示。圖6-7各種箭頭形狀的指針

2)指針的寬度

一般要求指針針尖寬度應(yīng)與最短刻度線等寬，否則指針在刻度線上擺動時易引起讀數(shù)誤差。指針最好與刻度盤面保持一定距離，但要盡量靠近儀表盤面。對于精度要求很高的儀表，在設(shè)計時應(yīng)考慮將指針和刻度盤面裝配在同一平面內(nèi)。

6.儀表的色彩設(shè)計

指針的顏色與刻度盤的顏色應(yīng)有較鮮明的對比。指針、刻度和表盤的配色關(guān)系要符合人的色覺原理。6.3.2信號燈設(shè)計

1.信號燈的視距設(shè)計

信號燈要有一定的視距而且清晰、醒目。以駕駛艙的信號燈為例，必須要保證能夠被清楚識別，不能引起眩目，影響駕駛者的注意力。

2.信號燈的形狀和標(biāo)記設(shè)計

當(dāng)信號燈的顏色不同時，其代表的意義也不盡相同。當(dāng)信號比較多時，單純依靠顏色就無法準(zhǔn)確、清晰地傳遞所要表達(dá)的信息，此時就需要在形狀、標(biāo)記形式上進(jìn)一步加以區(qū)別。

所選用的形狀與其表示的意義之間都有一定的邏輯意義，如“→”表示指向，“×”表示禁止，“！”表示警告，慢閃光表示慢速等。

3.信號燈的顏色

信號燈常用的顏色碼有10種，按照不易混淆的順序排列為黃、紫、橙、淺藍(lán)、紅、淺黃、綠、紫紅、藍(lán)、黃粉。在采用單個信號燈時，優(yōu)選藍(lán)、綠色最為清晰。常見的幾種信號燈的顏色及其代表意義如表6-5所示。

4.信號燈的位置設(shè)計

重要信號燈應(yīng)與重要儀表同時放置在最佳視區(qū)內(nèi)，即視野中心3°范圍之內(nèi)，普通信號燈在20°范圍內(nèi)，重要度更小的放置在60°～80°范圍內(nèi)，但必須確保無需轉(zhuǎn)頭就能觀察到。當(dāng)信號燈顯示與操縱或其他顯示相關(guān)時，最好與對應(yīng)器件成組排列，而且信號燈的指示方位與操作或方向一致。6.3.3顯示屏設(shè)計

1.屏面設(shè)計

顯示屏屏面的大小與目標(biāo)物的大小和視距有關(guān)。

2.目標(biāo)亮度

在一定的亮度范圍內(nèi)，亮度越高，操作者越容易分辨顯示屏中的目標(biāo)。

3.亮度對比度

為了迅速準(zhǔn)確讀取顯示屏中的信息，還必須注重目標(biāo)在顯示屏上的視見度，用亮度對比度來衡量。

6.4聽覺顯示設(shè)計

6.4.1聽覺信息顯示器設(shè)計

1.聽覺信息顯示器的設(shè)計原則

聽覺信息顯示器的傳遞效率與其特性是否與人的聽覺通道特性相宜有密切關(guān)聯(lián)，為了確保兩者能夠互相匹配，設(shè)計聽覺信息顯示器時必須遵循下述原則：

(1)聽覺刺激代表的含義應(yīng)與人們習(xí)慣性的認(rèn)知相一致，例如響度越高代表情況越緊急。

(2)信號的強度不能低于作業(yè)環(huán)境中的噪聲，防止聲音掩蔽影響正常作業(yè)信息的辨別。

(3)聲音信號不同時應(yīng)在不同的時間傳遞，時間間隔應(yīng)大于1s。如果必須同時傳遞，可以合理安排聲源位置加以區(qū)分或者自定義優(yōu)先注意的相關(guān)指示。

(4)如果在多個場所使用聽覺信號，盡量做好標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。

(5)盡量避免使用穩(wěn)定的信號，宜選擇間歇式或者變化式的聲音，這樣可降低對信號的適應(yīng)程度。

(6)對于遠(yuǎn)距離傳播或者需要繞過障礙物的信號，宜選用大功率的低頻信號。

2.各種聽覺信息顯示器的特點

(1)蜂鳴器。

(2)鈴。

(3)角笛。

(4)汽笛。

(5)報警器。6.4.2言語信息顯示器設(shè)計

1.言語的清晰度

言語的清晰度指的是人對經(jīng)由耳部傳達(dá)的言語信息(語句、詞組、單字等)辨認(rèn)正確的百分率。例如聽清的詞組是傳達(dá)的詞組總數(shù)的30%，那么該顯示器的言語清晰度就是30%，它是評價言語信息顯示器的一個重要因素。言語清晰度與人的主觀感受有一一對應(yīng)的關(guān)系，如表6-6所示。

2.言語的強度

言語信息顯示器傳達(dá)出輸出的言語的強度對清晰度有著重要的影響作用。當(dāng)言語的強度達(dá)到刺激閾限值以上之后，清晰度呈遞增趨勢，最后全部的言語都被聽清；達(dá)到一定水平后，強度再增加時清晰度幾乎保持不變，直至強度達(dá)到人耳聽覺的痛閾值為止，如圖6-8所示。圖6-8言語強度與清晰度的關(guān)系

3.噪聲對言語信息的影響

周圍環(huán)境中的噪聲會在很大程度上影響言語信息顯示器的清晰度，因此為了保證講話者與受話者能充分地進(jìn)行語言通信，需要按照不同情形下的噪聲規(guī)定極限通信距離。在此距離內(nèi)，在一定的言語干涉聲或噪聲干擾聲級下可期望達(dá)到充分的言語通道，即滿足清晰度大于75%。言語通信與噪聲干擾之間的關(guān)系如表6-7所示。

6.5控制裝置的類型及設(shè)計原則

控制器是將人的信息傳遞給機器，用以調(diào)整、改善機器運行狀態(tài)的裝置，其本質(zhì)是將人的輸出信號轉(zhuǎn)換為機器的輸入信號的裝置。與此同時，人也能感受到控制器的反饋信息?？刂破鞯脑O(shè)計是否合理，密切關(guān)系著作業(yè)人員的工作效率、可靠性和作業(yè)疲勞程度等。生產(chǎn)活動中有很多事故都是因為設(shè)計控制器時未考慮到人的因素而引起的，因此，為了避免事故的發(fā)生，在設(shè)計控制器的過程中必須要考慮作業(yè)者的生理、心理、生物力學(xué)等特征。6.5.1控制器的類型

根據(jù)操作部位的不同，控制器可以分為：

(1)手動控制器。如曲柄、開關(guān)、按鈕、旋鈕、手閘及手輪等。

(2)腳動控制器。如腳踏板、腳踏鈕等。

(3)其他控制器。如聲控、光控等。

部分常見的控制器如圖6-9所示。6.5.2控制器的設(shè)計原則

1.控制器的設(shè)計要求

(1)尺寸、形狀要適應(yīng)人體結(jié)構(gòu)尺寸要求?？焖俣鴾?zhǔn)確的操作宜選用手動控制器，用力需要過大時宜選用腳動控制器。適宜的操縱力不應(yīng)該超出人的用力限度，并將操縱器控制在人施力適宜、方便的范圍內(nèi)。表6-8所示為一些控制器的允許的最大用力。

(2)與人的施力和運動輸出特性相適應(yīng)。例如控制器向上扳或順時針旋轉(zhuǎn)的控制方向應(yīng)預(yù)示著上升或增強。

(3)當(dāng)有多個控制器時，應(yīng)易于辨認(rèn)和記憶。控制器應(yīng)從大小、顏色、空間位置上加以區(qū)別，最好與控制功能之間有一定的邏輯聯(lián)系。

(4)盡量利用控制器的結(jié)構(gòu)特點或操作者體位的重力進(jìn)行控制。重復(fù)性和連續(xù)性的控制動作應(yīng)分布在各個器官，防止產(chǎn)生單調(diào)感和作業(yè)疲勞。

(5)盡量設(shè)計多功能控制器。

2.操縱阻力的設(shè)計

控制信息的反饋方式有儀表顯示、音響顯示、振動變化及操縱阻力。其中，操縱阻力是為了提高操作的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性和速度以及向操作者提供反饋信息，以判斷操縱是否被執(zhí)行同時防止控制器被意外碰撞而引起的偶發(fā)啟動。因此，它是設(shè)計控制器的重要考慮因素。操縱阻力主要有靜摩擦力、彈性力、黏滯力和慣性力，其特點如表6-9所示。

3.控制器的編碼設(shè)計

(1)形狀編碼。

(2)大小編碼。

(3)位置編碼。

(4)顏色編碼。

(5)標(biāo)志編碼。

6.6控制裝置設(shè)計

6.6.1手動控制器設(shè)計

如果控制器的設(shè)計不合理，那么頻繁的操作會使操作者產(chǎn)生不適甚至疼痛感，影響勞動情緒及工作效率。因此，設(shè)計時需要考慮人體測量學(xué)、生物力學(xué)及風(fēng)俗習(xí)慣等因素。由于手在操作過程中的準(zhǔn)確性和靈活性，設(shè)計控制器時總是優(yōu)先考慮手控形式。適用于手操作的控制器包括旋鈕、按鈕、手輪和曲柄、控制桿等。6.6.2腳動控制器設(shè)計

如果是需要連續(xù)操作，而且用手不方便，或者操縱力超過50～150N，或者手部的控制負(fù)荷過大時，可以采用腳動控制器。腳動控制器通常是在坐姿姿態(tài)且背部有支承時操作的，多用右腳，操縱力較大時用腳掌，快速操作時用腳尖。除了腳動開關(guān)，腳踏板和腳踏按鈕是最常用的兩種腳動控制器，如圖

6-10、圖6-11所示。圖6-10各種形式的腳踏板(a)擺動式；(b)雙曲柄式；(c)單曲柄式；(d)直動式

圖6-11腳踏按鈕

1.腳踏板

腳踏板多采用矩形或橢圓形平面板，設(shè)計時應(yīng)以腳的使用部位、使用條件和用力大小為依據(jù)，如表6-10所示。圖6-12不同結(jié)構(gòu)形式的腳踏板(a)x=187；(b)x=178；(c)x=176；(d)x=140；(e)x=171

2.腳踏按鈕

腳踏鈕與按鈕的型式相似，特定情形下還可以替代手動按鈕。它多采用圓形或矩形，可用腳尖或腳掌操縱。踏壓表面應(yīng)設(shè)計成齒紋狀，以避免腳在用力時滑脫，它還要能夠提供操縱的反饋信息。

6.7控制器和顯示器的相合性

6.7.1空間關(guān)系的相合性

著名的恰帕尼斯試驗中以煤氣爐的4個灶眼作為顯示器，研究了4種旋鈕和4種儀表的位置對應(yīng)關(guān)系，總共進(jìn)行了1200次操作試驗。結(jié)果表明，出現(xiàn)操作差錯的次數(shù)分別為0、76、116、129。圖6-13恰帕尼斯試驗中灶眼和開關(guān)的排列6.7.2運動關(guān)系的相合性

顯示器指針或光點的運動方向與操縱器的運動方向應(yīng)當(dāng)互相一致?？刂破鞯倪\動方向與顯示器或執(zhí)行系統(tǒng)的運動方向在邏輯上一致，符合人的習(xí)慣定勢，即控制與顯示的運動相合性好。6.7.3控制/顯示比

控制/顯示比(簡稱C/D比)是指控制器的位移量與對應(yīng)的顯示器的位移量之比。位移量可用直線距離或角度、旋轉(zhuǎn)次數(shù)等來表征。圖6-14控制/顯示比與靈敏度的關(guān)系

6.8顯示器和控制器的布置

6.8.1顯示器和控制器的布置原則

一臺復(fù)雜的機器，往往在很小的操作空間集中了多個顯示器和控制器。為了便于操作者迅速、準(zhǔn)確地認(rèn)讀和操作，