第七章 人机界面的安全设计

安全人机工程学主讲郑重E_mail:46896257@安全工程专业基础课程1第7章人机界面的安全设计

内容提要

7.1显示器设计7.2控制器设计7.3显示器与控制器布局

27.1显示器设计第7章人机界面的安全设计7.1.1显示器分类及功能7.1.2视觉显示方式的选择7.1.3刻度盘指针式显示器的设计7.1.4听觉传示装置设计7.1.5信号显示设计37.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能在人机系统中，存在着一个人与机相互作用的“面”所有的人机信息交流都发生在这个面上。人机界面上的装置＊显示器：向人传递信息的装置。＊控制器：供人操纵机械运转的装置。4一、显示器分类7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能按人接受信息的感觉通道的不同显示器可分为：视觉显示器听觉显示器触觉显示器

5视觉显示方式主要有数字显示和模拟显示两类。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能数字式显示仪表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。

特点：简单、准确、便于认读、不易产生视觉疲劳一、显示器分类6视觉显示方式主要有数字显示和模拟显示两类。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能模拟显示仪表（刻度指针式仪表）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。

特点：显示信息直观、形象，使人对模拟值在全量程范围内所处的位置一目了然，并能明显显示出偏差量，特别适合于监控。(a)指针可动，刻度盘不动；(b)刻度盘可动，指针不动

一、显示器分类71、表示机械状态的显示功能，大致可分为以下三种：1）定量显示的功能：这种仪表的用途是准确显示数值。2）定性显示的功能：这种显示是表明机器的某种大致状态、变化倾向或描述事物的性质等。3）警告性显示：当量变积累达到某一临界点时，就会发生质的突变，这时常需设置警告性显示。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能二、显示功能及显示性能的要求82、对显示器性能有以下基本要求：1）用简单明了的方式显示所传达的信息，以减少译码的错误。2）显示精度要适当，保证最少的认读时间。3）显示形式要符合操作人员习惯及操作能力极限，要易于了解，避免换算，减少训练的时间，减少受习惯干扰造成解释不一致的差错。4）根据作业条件运用最有效的显示技术和显示方法，要使显示变化速度与操作者的反应能力相适应，不要让显示速度超过人的反应速度。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能二、显示功能及显示性能的要求91、准确性原则

2、简单性原则3、一致性原则4、排列性原则7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.1显示器分类及功能三、显示器的设计原则107.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.2视觉显示方式的选择一、定量显示方式选择1．数字式显示

作为定量显示，在静态显示的条件下数字显示产生的误读率较低，而且认读需占用的时间也较短。

图

格雷瑟的实验仪表

112．指针式模拟显示

显示的作用不仅是用来提供准确的定量信息，许多情况下还要表示机器稳定状态，给出供检查用的信息等。

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.2视觉显示方式的选择一、定量显示方式选择122．指针式模拟显示

五种指针显示方式的比较

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.2视觉显示方式的选择一、定量显示方式选择图

五种刻度的误读率比较

13

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.2视觉显示方式的选择3、模拟显示与数字显示的功能比较指针运动式指针固定式数字式读数用尚可尚可好检查用好差差追踪用好尚可差调节用好尚可好一、定量显示方式选择14当显示器不是为了记录准确的读数，而是为了对机器的运行状态作出定性显示时，选用模拟式仪表更为有利。1．视觉编码2．颜色编码3．形象化显示

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.2视觉显示方式的选择二、定性显示方式选择15

1．表排列时显示形式的选择

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计一、指针式显示形式的选择图

水平排列图

竖直排列16

2．采用一表双显示

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计一、指针式显示形式的选择图一表双显图双显仪表的指针设计

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3．带式仪表

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计一、指针式显示形式的选择图

带式仪表结构18

4．对称双指针仪表

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计一、指针式显示形式的选择图

对称双指针仪表19

5．直角坐标式仪表

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计一、指针式显示形式的选择图直角坐标式仪表20

1．尺寸确定

刻度标记的数量刻度盘的最小允许直径观察距离50cm时观察距离90cm时3825.425.45025.432.57025.445.510036.464.315054.498.020072.8129.6300109.0196.07.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计二、刻度盘及指针设计刻度盘直径mm观察时间s平均反应时间s读错率%250.820.766440.720.724700.755.7312表观察距离、刻度数量和刻度盘直径的关系

表认读速度和读错率与刻度盘直径大小的关系

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2．刻度线设计

观察距离m长度mm长刻度线中刻度线短刻度线0.5以内5.54.12.30.5～0.910.07.14.30.9～1.820.014.08.61.8～3.640.028.017.03.6～6.067.048.029.07.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计二、刻度盘及指针设计刻度大小长度刻度线0.15～0.3>0.3～0.5>0.5～0.8>0.8～1.2>1.2～2>2～3>3～5>5～8L1（短）1.01.21.51.82.02.53.04.0L2（中）1.41.72.22.63.04.54.56.0L3（长）1.82.22.83.34.06.06.08.0表

刻度线的长度表

刻度线长度选择表

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3．指针1）形状——指针形状要单纯、明确，不应有装饰。

7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计二、刻度盘及指针设计图

指针的基本形状图

各种箭头形状的比较237.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.3刻度盘指针式显示器的设计二、刻度盘及指针设计

3．指针1）形状2）宽度3）长度4）颜色5）零点位置6）配色级次12345678910清晰程度底色

被衬色

模糊程度底色

被衬色

表配色的级次24用来显示听觉信息的装置称为音响和报警装置，其用途极广。

1.音响和报警装置的类型及特点1）峰鸣器是音响装置中声压级最低、频率也较低的装置。2）电铃。其用途不同，其声压级和频率也有较大差别。3）角笛和气笛。角笛的声音有吼声和尖叫声（高声强、高频）两种。常用作高噪声环境中的报警装置。气笛声频率高，声强也高，较适合于紧急状态的音响报警装置。4）警报器。警报器的声音强度大，可传播很远，频率由低到高，发出的声调富有上升和下降的变化，可以抵抗其它噪声的干扰，特别能引起人们的注意，并强调性地使人们接受。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.4听觉传示装置设计一、音响及报警装置25用来显示听觉信息的装置称为音响和报警装置，其用途极广。

1.音响和报警装置的类型及特点7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.4听觉传示装置设计一、音响及报警装置使用范围装置类型平均声压级dB可听到的主要频率/HZ应用举例距离装置2.5m处距离装置1m处用于较大区域（或高噪声场所）4英寸铃65～6775～831000用于工厂、学校、机关上下班的信号；以及报警的信号6英寸铃74～8384～9460010英寸铃85～9095～100300角笛95～100100～1105000主要用于报警汽笛100～110110～1217000用于较大区域（或低噪声场所）低音蜂鸣器50～6070200用作指示性信号高音蜂鸣器60～7070～80400～1000可作报警用1英寸铃60701100用于提请人注意的场合，如电话、门铃：也可用于小范围内的报警信号用作报时。2英寸铃627210003英寸铃6373650钟6978500～1000表

一般音响显示和报警装置的强度和频率参数262.音响和报警装置的设计原则1）音响信号必须保证使位于信号接收范围内的人员能够识别并按照规定的方式作出反应。2）音响信号必须易于识别，特别是在有噪声干扰的情况下，音响信号必须能够明显地听到并可与其它噪声和信号区别。3）为引起人注意，可采用时间上均匀变化的脉冲重复频率低于0.2Hz和不高于5Hz，其脉冲持续时间和脉冲重复频率不能与随时间周期性起伏的干扰声的脉冲持续时间和脉冲重复频率重合。4）报警装置最好采用变频的方法，使音调有上升和下降的变化。5）显示重要信号的音响装置和报警装置，最好与光信号同时作用，组成“视听”双重报警信号，以防信号脱漏。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.4听觉传示装置设计一、音响及报警装置27人与机器之间也可用语言来传递信息。传递和显示语言信号的装置称为语言传示装置。在设计语言传示装置时，应注意以下问题。1．语言的清晰度所谓语言的清晰度，是指人耳通过语言传达能听清的语言的百分数。

2.语言的强度语言传示装置输出的语音，其强度直接影响语言清晰度。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.4听觉传示装置设计二、语言传示装置28人与机器之间也可用语言来传递信息。传递和显示语言信号的装置称为语言传示装置。在设计语言传示装置时，应注意以下问题。1．语言的清晰度2.语言的强度7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.4听觉传示装置设计二、语言传示装置29人与机器之间也可用语言来传递信息。传递和显示语言信号的装置称为语言传示装置。在设计语言传示装置时，应注意以下问题。1．语言的清晰度2.语言的强度3.噪声对语言传示的影响7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.4听觉传示装置设计二、语言传示装置30视觉信号是指由信号灯产生的视觉信息。其特点是面积小、视距远、引人注目且简单明了，但信息量有限，当信号太多时，会形成杂乱和干扰。，以防信号脱漏。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.5信号显示设计

一、信号显示特征31信号灯的设计应使观察者在一定视距下看得清楚。为此，在一定视距下，能引起人注意的信号灯，其亮度至少两倍于背景的亮度，同时背景以灰暗无光为好。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.5信号显示设计

二、信号灯的视距和亮度大气状态透明系数能见距离km空气绝对纯净0.99200透明度非常好0.97150很透明0.96100透明度良好0.9250透明度中等0.8120空气稍许混浊0.6610空气混浊（霾）0.364空气很混浊（浓霾）0.122薄雾0.0151中雾2×10-4

～8×10-100.5～0.2浓雾10-19

～10-340.1～0.05极浓雾＜10-34几十～几米327.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.5信号显示设计

三、信号灯的颜色33闪光信号较之固定光信号更能引起人注意，闪光信号的作用是：1）引起观察者的进一步注意；2）指示操作者立即采取行动；3）反映不符指令要求的信息；4）用闪光的快慢指示机器或部件运动速度的快慢；5）用以指示警觉或危险信号。7.1显示器设计第7章人机界面设计7.1.5信号显示设计

四、闪光信号五、信号灯形象和复和显示347.2控制器设计第7章人机界面的安全设计7.2.1控制器设计7.2.2控制器设计的人机因素7.3.3典型控制器设计351．按操纵方式划分1）手动控制器。2）脚动控制器。2．按控制器的功能划分1）开关控制器。2）转换控制器。3）调整控制器。4）制动控制器。3．其他控制器其他控制器主要有光控制器和声控制器，7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.1控制器设计一、控制器的类型

361．按功能选择7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.1控制器设计二、控制器的选择表

各种控制装置的使用功能控制装置名称使用功能启动不连续调节定量调节连续控制输入数据按钮O

钮子开关OO

旋钮选择开关

O

旋钮

OOO

踏钮O

踏板

OO曲柄

OO手轮

OO操纵杆

OO键盘

O371．按功能选择7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.1控制器设计二、控制器的选择表各种控制装置的使用情况比较使用情况按钮旋钮跨钮旋转旋纽开关纽子开关手摇把操纵杆子轮踏板需要的空间小小-中较小中小中-大中-大大大编码好好差好较好较好好较好差视觉辨别位置可好差好好可好较好差触觉辨别位置差可可好好可较好较好较好一排类似控制装置的检查差好差好好差好差差一排控制装置的操作好差差差好差好差差合并控制好好差较好好差好好差382．按工作要求选择控制器的工作要求主要包括：工作精度、工作性质及操纵力大小等内容。7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.1控制器设计二、控制器的选择39表不同工作情况下选择控制装置的建议工作情况建议使用的控制器操纵力较小情况2个分开的装置按钮、踏钮、拨动开关、摇动开关4个分开的装置按钮、拨动开关、旋钮、选择开关4－24个分开的装置同心成层旋钮、键盘、拨动开关、旋转选择开关25个以上分开的装置键盘小区域的连续装置旋钮较大区域的连续装置曲柄操纵力较大情况2个分开的装置扳手、杠杆、大按钮、踏钮3－24个分开的装置扳手、杠杆小区域连续性装置手轮、踏板、杠杆大区域连续性装置大曲柄40表

用于追踪的控制装置选择追踪信号的运动形式适宜的控制器类型方案比较圆形圆形转动最好直线圆形转动好直线直线移动中等圆形直线移动一般413．控制器的选择原则一般原则：1）快速而精确度高的操作一般采用手控或指控装置，用力的操作则采用手臂及下肢控制；2）手控制器应安排在肘和肩高度之间且容易接触到的位置，并且易于看见；3）紧急制动的控制器要尽量与其他控制器有明显区分，避免混淆；4）控制器的类型及方式应尽可能适合人的操作特性，避免操作失误。7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.1控制器设计二、控制器的选择42人在操纵控制器时，控制器的状态要及时地通过人的手、脚、眼或其他器官反馈给操作者，以保证操作的可靠性及有效度。控制器反馈的方式除已介绍过的仪表显示之外，还常用以下几种形式。1）光显示。2）振动变化。可以反映在控制器上，也可反映在体觉上。3）音响显示。在控制器上设置到位音响装置4）操纵阻力。7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.2控制器设计的人机因素一、控制器信息的反馈43表

摩擦、弹性、粘滞性等控制器的阻力特性阻力类型举例特性优点缺点用途摩擦力开关、闸刀开始时阻力较大，开关滑动时阻力即下降因阻力大，可减少意外动作控制准确度低宜作不连续控制弹力弹簧作用等阻力随控制器移动距离加长而增大1．控制准度确高2．控制器能自动归回空位控制器移动到中间位置要定位时，需设定位装置可作连续控制粘滞力活塞作用等阻力与控制器移动速度相对应1．控制准确度高2．运动速度均匀3．稳定性好造价高宜作连续控制惯性力起重机的摇把等阻力由多级结构的惯性产生，一般较大1．允许平滑移动2．因需较大作用力，故减少了意外移动的可能操作疲劳；移动准确性差可用于不精确控制44表

不同控制器所要求的最小阻力控制器类型所需最小阻力手动按钮2.8扳动开关2.8旋转选择开关3.3旋纽0～1.7摇柄9～22手轮22手柄9脚动按钮5.6(如果脚停留在控制器上)17.8(如果脚不停留在控制器上)脚踏板44.5(如果脚停留在控制器上)17.8(如果脚不停留在控制器上)45图

操纵阻力的变化

467.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.2控制器设计的人机因素二、控制运动方向与系统的关系图

操纵控制与系统反应的对应方向477.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.2控制器设计的人机因素二、控制运动方向与系统的关系表

操作准确性与控制器操纵方向及系统反应方向的关系系统反应方向控制器操作方向操作错误数占实验总数的百分数单手操作双手操作从下往上向上5.07.0向前（离开自己）7.58.8向侧面（向左和向右）11.715.3向后（向自己）11.318.5向下13.319.848

对控制器进行编码有两个目的：一是为了说明控制器的位置或状态，以便确认操作的准确性；二是使不同的控制器各具特点，便于记忆、寻找和感受信息，保证操作的正确性。控制器的编码形式：1．形状编码2．大小编码3．位置编码4．色彩编码5．符号编码7.2控制器设计第7章人机界面设计7.2.2控制