安全人机工程学-人机界面设计

6.1人机界面概述6.2信息显示装置的类型及设计原则6.3视觉显示装置设计6.4听觉显示设计6.5控制装置的类型及设计原则6.6控制装置设计6.7控制器和显示器的相合性6.8显示器和控制器的布置人机界面设计

6.1人机界面概述

6.1.1人机界面的定义

人机界面(Human-MachineInterface)是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。好的人机界面美观、易懂，操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快，能增强兴趣，从而提高使用效率。图6-1人机系统模型6.1.2

人机界面三要素

在人机界面上，向人表达机械运转状态的仪表或器件叫

显示器(Display)；供人操纵机械运转的装置或器件叫控制器(Controller)。对机械来说，控制器执行的功能是输入，显示器执行的功能是输出。对人来说，通过感受器接收机械的输出效应(例如显示器所显示的数值)是输入；通过运动器操纵控制器，执行人的意图和指令则是输出。如果把感受器、中枢神经系统和运动器作为人的三个要素，而把机械的显示器、机体

和控制器作为机械的三个要素，并将各要素之间的联系用图

表示出来，就叫做三要素基本模型。三要素基本模型如图6-2所示。图6-2三要素基本模型图6-3司机—汽车三要素基本模型

6.2信息显示装置的类型及设计原则

6.2.1信息显示装置的类型

在人机系统中，信息显示装置的功能就是以可知的数值、可见的变化趋势或图形、可听的声波以及各种人体可感知的刺激信号等方式向人传递系统中的各种信息。信息显示装置的类型如图6-4所示。图6-4信息显示的类型

1.按信息接收的通道分类

人的感觉通道很多，有视觉、听觉、触觉、痛觉、热感、振感等。所有这些感觉通道均可用于接收信息。

2.按显示形式分类

(1)模拟显示：模拟式显示仪表靠刻度盘和指针来显示数值，它通常可分为指针运动而表盘不动和表盘运动而指针不动两大类。

(2)数字显示：数字式显示仪表用数码管或液晶显示数值。

(3)屏幕显示：屏幕式显示装置可在有限面积的显示屏上显示大量不同类型的信息，其优点是可以同时显示状态信息和预报信息(如系统故障信息的预报)，因而采用屏幕显示装置可大大减少仪表板上显示仪表的数量。

3.按显示参数分类

(1)显示系统的工作条件参数：

(2)显示系统输入参数：

(3)显示系统的工作状态参数：

①定量显示：

②定性显示：

③警戒显示：

(4)显示系统的输出参数：6.2.2

信息显示装置设计原则

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。因此要求显示装置的设计，尤其供数量认读的显示装置的设计应尽量使读数准确。读数的准确性可通过对类型、大小、形状、颜色匹配、刻度、标记等的设计解决。

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。

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。例如，显示器上的数值增加，就表示机器作用力增加或设备压力增大；显示器的指针旋转方向应与机器控制器的旋转方向一致。

各个国家、地区或行业部门使用的信息编码应尽可能做到统一和标准化。

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。

(2)当显示器很多时，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。

6.3视觉显示装置设计

6.3.1模拟式与数字式仪表的显示设计

仪表显示是较为常用的一种信息显示装置，种类较多。它按照认读特征，可分为数字显示器和模拟显示器；按照结构的不同，可分为指针移动式仪表、指针活动式仪表和数字式仪表，其中指针移动式仪表和指针活动式仪表属于模拟显示器，数字式仪表属于数字显示器；按照功能的不同，可分为读数用仪表、检查用仪表、追踪用仪表和调节用仪表等。

1.仪表盘型式设计

常见的仪表盘有垂直直线形、水平直线形、半圆形、圆形、开窗形，不同的仪表形式与误读率之间的关系也不同，如图6-5。图6-5各种型式的仪表与误读率的关系

2.仪表盘尺寸设计

仪表盘的大小尺寸也会影响误读率，一般主要取决于刻度标记的数量和视距。刻度数量越多，视距越大，表盘尺寸也越大。但是，无限制地增大表盘尺寸，会导致视线扫描路线和表盘占用面积增大。因此，在设计仪表表盘尺寸的时候，必须要确定表盘尺寸、刻度标记数量和视距之间的恰当比例。以圆形仪表盘为例，假设表盘的最佳直径为D，视距为L，刻度标记数量为I，三者的恰当比例关系如图6-6所示。图6-6圆形仪表盘的最佳尺寸

3.刻度的设计

1)刻度线设计

刻度线的类型与刻度线的粗细、长短和方向有关。研究表明，刻度线的宽度与刻度有关，一般取刻度的5%～15%，且当刻度线宽度为刻度的10%时误读率最小，普通刻度线的宽度通常为0.1mm±0.02mm。刻度线的长度与认读准确性有着密切的联系，刻度线分为长刻度线、中刻度线和短刻度线三种，各刻度线和视距之间的比例关系如表6-3所示。

2)刻度间距设计

刻度线之间的距离称为刻度间距。如果视距为L，那么小刻度的最小间距为L/600，大刻度的最小间距为L/50。根据认读效率与刻度大小之间的关系，最好将刻度间距与人眼形成的视角保持在10′左右。当视距为750mm时，刻度间距宜为1～2.5mm。

3)设计刻度的标记及标数设计

设计刻度的标记及标数除了要遵循上述表盘设计原则以外，还应符合下述的要求。当表盘上的刻度比较多时，宜将刻度分为大刻度标记、中刻度标记和小刻度表记。

4.字符设计(增加数字和字母的形状设计)

仪表刻度盘上的数字、字母、汉字或者特定的符号统称为字符。数字能够显示精确的运行参数，字母和汉字是被指示对象的国际通用英文缩写或习惯性的简称，符号是对被代表内容高度概括和抽象而成的图形，它们都能对刻度的功能起到一定的完善作用。除了上述标准以外，还应注意设计字体的高度。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)

计算：

H = 3600Lθ(6-1)

5.指针设计

1)针的形状和长度

指针的形状要简单、明了，不应有装饰。最好选取头部尖、尾部平、中间等宽或狭长三角，如图6-7所示。图6-7各种箭头形状的指针

2)指针的宽度

一般要求指针针尖宽度应与最短刻度线等宽，否则指针在刻度线上摆动时易引起读数误差。指针最好与刻度盘面保持一定距离，但要尽量靠近仪表盘面。对于精度要求很高的仪表，在设计时应考虑将指针和刻度盘面装配在同一平面内。

6.仪表的色彩设计

指针的颜色与刻度盘的颜色应有较鲜明的对比。指针、刻度和表盘的配色关系要符合人的色觉原理。6.3.2信号灯设计

1.信号灯的视距设计

信号灯要有一定的视距而且清晰、醒目。以驾驶舱的信号灯为例，必须要保证能够被清楚识别，不能引起眩目，影响驾驶者的注意力。

2.信号灯的形状和标记设计

当信号灯的颜色不同时，其代表的意义也不尽相同。当信号比较多时，单纯依靠颜色就无法准确、清晰地传递所要表达的信息，此时就需要在形状、标记形式上进一步加以区别。

所选用的形状与其表示的意义之间都有一定的逻辑意义，如“→”表示指向，“×”表示禁止，“！”表示警告，慢闪光表示慢速等。

3.信号灯的颜色

信号灯常用的颜色码有10种，按照不易混淆的顺序排列为黄、紫、橙、浅蓝、红、浅黄、绿、紫红、蓝、黄粉。在采用单个信号灯时，优选蓝、绿色最为清晰。常见的几种信号灯的颜色及其代表意义如表6-5所示。

4.信号灯的位置设计

重要信号灯应与重要仪表同时放置在最佳视区内，即视野中心3°范围之内，普通信号灯在20°范围内，重要度更小的放置在60°～80°范围内，但必须确保无需转头就能观察到。当信号灯显示与操纵或其他显示相关时，最好与对应器件成组排列，而且信号灯的指示方位与操作或方向一致。6.3.3显示屏设计

1.屏面设计

显示屏屏面的大小与目标物的大小和视距有关。

2.目标亮度

在一定的亮度范围内，亮度越高，操作者越容易分辨显示屏中的目标。

3.亮度对比度

为了迅速准确读取显示屏中的信息，还必须注重目标在显示屏上的视见度，用亮度对比度来衡量。

6.4听觉显示设计

6.4.1听觉信息显示器设计

1.听觉信息显示器的设计原则

听觉信息显示器的传递效率与其特性是否与人的听觉通道特性相宜有密切关联，为了确保两者能够互相匹配，设计听觉信息显示器时必须遵循下述原则：

(1)听觉刺激代表的含义应与人们习惯性的认知相一致，例如响度越高代表情况越紧急。

(2)信号的强度不能低于作业环境中的噪声，防止声音掩蔽影响正常作业信息的辨别。

(3)声音信号不同时应在不同的时间传递，时间间隔应大于1s。如果必须同时传递，可以合理安排声源位置加以区分或者自定义优先注意的相关指示。

(4)如果在多个场所使用听觉信号，尽量做好标准化规定。

(5)尽量避免使用稳定的信号，宜选择间歇式或者变化式的声音，这样可降低对信号的适应程度。

(6)对于远距离传播或者需要绕过障碍物的信号，宜选用大功率的低频信号。

2.各种听觉信息显示器的特点

(1)蜂鸣器。

(2)铃。

(3)角笛。

(4)汽笛。

(5)报警器。6.4.2言语信息显示器设计

1.言语的清晰度

言语的清晰度指的是人对经由耳部传达的言语信息(语句、词组、单字等)辨认正确的百分率。例如听清的词组是传达的词组总数的30%，那么该显示器的言语清晰度就是30%，它是评价言语信息显示器的一个重要因素。言语清晰度与人的主观感受有一一对应的关系，如表6-6所示。

2.言语的强度

言语信息显示器传达出输出的言语的强度对清晰度有着重要的影响作用。当言语的强度达到刺激阈限值以上之后，清晰度呈递增趋势，最后全部的言语都被听清；达到一定水平后，强度再增加时清晰度几乎保持不变，直至强度达到人耳听觉的痛阈值为止，如图6-8所示。图6-8言语强度与清晰度的关系

3.噪声对言语信息的影响

周围环境中的噪声会在很大程度上影响言语信息显示器的清晰度，因此为了保证讲话者与受话者能充分地进行语言通信，需要按照不同情形下的噪声规定极限通信距离。在此距离内，在一定的言语干涉声或噪声干扰声级下可期望达到充分的言语通道，即满足清晰度大于75%。言语通信与噪声干扰之间的关系如表6-7所示。

6.5控制装置的类型及设计原则

控制器是将人的信息传递给机器，用以调整、改善机器运行状态的装置，其本质是将人的输出信号转换为机器的输入信号的装置。与此同时，人也能感受到控制器的反馈信息。控制器的设计是否合理，密切关系着作业人员的工作效率、可靠性和作业疲劳程度等。生产活动中有很多事故都是因为设计控制器时未考虑到人的因素而引起的，因此，为了避免事故的发生，在设计控制器的过程中必须要考虑作业者的生理、心理、生物力学等特征。6.5.1控制器的类型

根据操作部位的不同，控制器可以分为：

(1)手动控制器。如曲柄、开关、按钮、旋钮、手闸及手轮等。

(2)脚动控制器。如脚踏板、脚踏钮等。

(3)其他控制器。如声控、光控等。

部分常见的控制器如图6-9所示。6.5.2控制器的设计原则

1.控制器的设计要求

(1)尺寸、形状要适应人体结构尺寸要求。快速而准确的操作宜选用手动控制器，用力需要过大时宜选用脚动控制器。适宜的操纵力不应该超出人的用力限度，并将操纵器控制在人施力适宜、方便的范围内。表6-8所示为一些控制器的允许的最大用力。

(2)与人的施力和运动输出特性相适应。例如控制器向上扳或顺时针旋转的控制方向应预示着上升或增强。

(3)当有多个控制器时，应易于辨认和记忆。控制器应从大小、颜色、空间位置上加以区别，最好与控制功能之间有一定的逻辑联系。

(4)尽量利用控制器的结构特点或操作者体位的重力进行控制。重复性和连续性的控制动作应分布在各个器官，防止产生单调感和作业疲劳。

(5)尽量设计多功能控制器。

2.操纵阻力的设计

控制信息的反馈方式有仪表显示、音响显示、振动变化及操纵阻力。其中，操纵阻力是为了提高操作的准确性、平稳性和速度以及向操作者提供反馈信息，以判断操纵是否被执行同时防止控制器被意外碰撞而引起的偶发启动。因此，它是设计控制器的重要考虑因素。操纵阻力主要有静摩擦力、弹性力、黏滞力和惯性力，其特点如表6-9所示。

3.控制器的编码设计

(1)形状编码。

(2)大小编码。

(3)位置编码。

(4)颜色编码。

(5)标志编码。

6.6控制装置设计

6.6.1手动控制器设计

如果控制器的设计不合理，那么频繁的操作会使操作者产生不适甚至疼痛感，影响劳动情绪及工作效率。因此，设计时需要考虑人体测量学、生物力学及风俗习惯等因素。由于手在操作过程中的准确性和灵活性，设计控制器时总是优先考虑手控形式。适用于手操作的控制器包括旋钮、按钮、手轮和曲柄、控制杆等。6.6.2脚动控制器设计

如果是需要连续操作，而且用手不方便，或者操纵力超过50～150N，或者手部的控制负荷过大时，可以采用脚动控制器。脚动控制器通常是在坐姿姿态且背部有支承时操作的，多用右脚，操纵力较大时用脚掌，快速操作时用脚尖。除了脚动开关，脚踏板和脚踏按钮是最常用的两种脚动控制器，如图

6-10、图6-11所示。图6-10各种形式的脚踏板(a)摆动式；(b)双曲柄式；(c)单曲柄式；(d)直动式

图6-11脚踏按钮

1.脚踏板

脚踏板多采用矩形或椭圆形平面板，设计时应以脚的使用部位、使用条件和用力大小为依据，如表6-10所示。图6-12不同结构形式的脚踏板(a)x=187；(b)x=178；(c)x=176；(d)x=140；(e)x=171

2.脚踏按钮

脚踏钮与按钮的型式相似，特定情形下还可以替代手动按钮。它多采用圆形或矩形，可用脚尖或脚掌操纵。踏压表面应设计成齿纹状，以避免脚在用力时滑脱，它还要能够提供操纵的反馈信息。

6.7控制器和显示器的相合性

6.7.1空间关系的相合性

著名的恰帕尼斯试验中以煤气炉的4个灶眼作为显示器，研究了4种旋钮和4种仪表的位置对应关系，总共进行了1200次操作试验。结果表明，出现操作差错的次数分别为0、76、116、129。图6-13恰帕尼斯试验中灶眼和开关的排列6.7.2运动关系的相合性

显示器指针或光点的运动方向与操纵器的运动方向应当互相一致。控制器的运动方向与显示器或执行系统的运动方向在逻辑上一致，符合人的习惯定势，即控制与显示的运动相合性好。6.7.3控制/显示比

控制/显示比(简称C/D比)是指控制器的位移量与对应的显示器的位移量之比。位移量可用直线距离或角度、旋转次数等来表征。图6-14控制/显示比与灵敏度的关系

6.8显示器和控制器的布置

6.8.1显示器和控制器的布置原则

一台复杂的机器，往往在很小的操作空间集中了多个显示器和控制器。为了便于操作者迅速、准确地认读和操作，