1、Chapter9 人机界面 人和机器通过显示装置和控制装置进行信息交流的界面称为人机界面。 一方面要求显示装置与控制装置要符合人的生理、心理特征，这是人机界面设计的前提；另一方面人也要适应机的要求，以保证人机匹配，才能使人机系统安全、高效、经济地运转。 过去往往把由于人机界面设计存在的缺陷而导致伤害事故归咎于作业人员粗心大意，不注意或不遵守操作规程等，而很少考虑“机”的设计是否符合人的要求，这类事故在World War 中表现为飞机的人机界面设计缺陷导致大量的飞行事故上。 人机界面的研究重点在于:显示器的可识别性，控制器的可操作性及可控性，显示器以及控制器的布局合理性人员从事职业的适合性（4方
2、面）。6.1 显示装置 显示装置的形状、大小、颜色、分度、标记、空间布局、显示信号的强度、亮度、所处的环境的背景、照明以及听觉信号的响度、频率、持续时间、信噪比等多种因素都必须适合接受信息的认识过程，从而使操作者对显示装置所显示的信息辨认速度快、可靠性高，误读少，并减轻精神紧张和身体疲劳。 显示装置分为视觉显示装置，听觉显示装置、嗅觉显示装置和触觉显示装置等。每种显示装置各有其特点。 由于人类80%以上的信息是通过视觉获得，故视觉显示装置占有重要的地位，其次是听觉显示装置。一、视觉显示装置的种类、特点与功能 视觉显示装置分为数字式显示和模拟量显示两类。仪表是显示装置中用的最多的一类视觉显示器，
3、所以对仪表而言，可以分为数字式显示仪表以及模拟量显示仪表（或称为刻度指针式仪表或指针式仪表）。1 数字式显示仪表与刻度指针式仪表的优缺点 （1）量化信息以及出差错率方面 前者读数准确，速度快，出错率低，而后者读数困难，出错率高。 （2）从获得的信息质量来看 前者不如后者，前者难以得知变化，而后者可以得知指针与表盘的相对运动（或相对微小的晃动）。 （3）从信息的形象化方面 后者要优于前者所以对于静态准确显示的情况，数字优于指针式，而动态的检查性显示和预测性显示时，指针优于数字式。2 刻度指针式仪表的分类 按照指针与表盘相对运动的形式又可以分为三类：（1）指针运动、刻度盘固定指针运动式仪表（2）指
4、针固定、刻度盘运动指针固定式仪表（3）指针与刻度盘均可动（极少用，出错率高）3 指针或仪表的设计形式分类 可以采用下列三种形式进行指针式仪表的设计：（1）回转式（包括指针动，刻度盘固定；指针固定，刻度盘运动） 指针绕固定点转动，在回转刻度盘周围标有刻度，这类仪表通常为圆形、半圆形、扇形。指针固定，水平弧形或竖直弧形的刻度盘转动亦属此类。（2）平移式 主要指刻度盘为直线型（有水平直线与竖直直线两种）（3）开窗式 实践表明开窗式的仪表出错率最低。 4 视觉显示的功能（1）定量显示的功能 无论是数字仪表还是指针式模拟显示都能准确地显示某一过程量的变化情况。如温度计等。（2）定性显示功能 通常以颜色来
5、表明机器的某种大致状态，变化倾向或描述事物的性质等。如汽车驾驶过程中的水温指示：正常，过热。（3）警告性显示功能（这类显示装置是目前各种危险行业所急需的，如火炸药、化工企业等） 这类显示器除具有非常明显的视觉显示功能外还伴有声觉的显示功能，警告性显示一般分为两级：第一级是危险警报预告已接近临界状态；第二级是非常警告已进入质变阶段。二、显示装置中的报警信号 显示装置中常设有信号灯和报警器等，它们是用来向人们报告某种作业情况或紧急事态的，其主要作用是引起作业人员的注意、或指示操纵者应做的某种操作，反映某个指令、某种状态、某些条件或某类演变正在执行或已执行等。 信号灯是用光信号产生信息，它必须符合以
6、下要求：（1）亮度 至少两倍于背景的亮度，通常的背景以灰暗为宜。（2）颜色 符合安全色的要求（3）闪光信号 闪烁频率为0.671.67Hz频率太高，导致心理紧张；太低，引不起足够重视。其亮与灭的时间在1:1至1:4之间。明度对比较差时，或情况较紧急时可以采用较高的闪烁频率。（4）信号形象化“ ”代表方向；“！”表示警戒或危险等。（5）信号灯的安置 安置于显眼的地方，特别重要的信号灯安置于最佳视区内。三、显示装置的人机工程学设计1.刻度盘的设计（1）形式选择 开窗式的刻度盘由于显示的刻度较少，认读范围小，视线集中，因而认读迅速准确。 眼睛水平方向的运动比垂直方向快，水平方向判读的正确性高，因此，
7、如选择平移式仪表，应采用水平直线型的显示器。（2）刻度盘的大小设计 刻度盘的大小与刻度标记数量和人的观察距离有关。扩大刻度盘尺寸有利于提高清晰度和判读的准确性，但占空间；减小尺寸会降低认读速度。实验表明，直径为3070mm的刻度盘，在认读准确度方面区别不大，只是认读速度不同。 在视距为75cm的情况下，圆形刻度盘的最优直径为44mm。2.刻度与刻度方向（1）刻度 刻度盘上刻度线之间的距离称为刻度。刻度大小可根据人眼的最小分辨能力来确定。通常在人眼直视的情况下，刻度的最小值不小于0.61mm，一般在12.5mm之间选取，必要时可以选取48mm（2）刻度线 分为三级，长刻度线、中刻度线以及短刻度线
8、，刻度线宽度一般可取刻度大小的515%，当取10%时，读数误差最小。（3）刻度方向 刻度盘上刻度值的递增顺序叫“刻度方向”，一般从左到右，从下到上，或顺时针方向递增。（4）刻度值 仪表的刻度必须标上相应的数字，才能使人更好的认读，一般来说，最小的刻度不标数，最大的刻度必须标数。数字的标准应取整数，避免采用小数或分数，避免换算。 通常每一刻表示为1，2，5个单位值。3. 指针设计 包括指针的形状、宽度、长度、颜色以及零点位置（1）形状 一般有7种形状。（2）宽度 指针针尖部的宽度与最细刻度线等宽，要尽量贴近盘面而不接触盘面。（3）长度 一般使指针的端点距刻度线1.6mm为宜。（4）颜色指针的颜色
9、与刻度盘的颜色应有较鲜明的对比，但指针与刻度线的颜色和字符的颜色相同，指针应全部着色。（5）零点位置 指针的零点位置大都在相当于时钟12点或9点的位置上，与采用仪表组时，它们的指针方向应该一致。4. 指针、刻度和刻度盘的颜色（1）指针、刻度线、数字同色；（2）指针色与刻度盘的配色关系要符合人的色觉原理；（3）指针、刻度线的颜色应与仪表边缘的颜色不同，一般地仪表边缘宜用浅色，其深度应介于指针颜色与刻度盘底色之间；（4）仪表与仪表之间的配色要协调，明快，给人以舒适感。5.文字符号（1）字符、文字的形状 要求简单醒目，多用直线与尖角，以加强字体本身特有的笔划，突出“形”的特征。（2）字符的大小 字符
10、高度H与观察距离L、最小视角 有关。最小视角 可以由实验确定，一般为1030 mmHmLLHmmLmmHLH5,0 .1200:,;3600则字符高度如观察距离上式可以简化为在工程设计中式中单位四、仪表板的布置1. 仪表板的总体布局 为了保证工作效率和减少疲劳，布置仪表时，应当考虑让操作者不必运动头部和眼睛，更不要移动座位，即可一眼看清全部仪表。为此，根据仪表板的数量和控制室的容量，可选择下列几种布置方式。（1）直线形布置 结构简单、安装方便、但有眩光耀眼现象，不易消除。（2）弧形布置 结构比较复杂，安装有一定难度，但视觉条件好，无严重眩光现象，多用于10个以上仪表的布置（3）弯折式布置 这种
11、形式的结构、安装都比较简单，视觉条件也较好。在认读显示板上的仪表时，在正常的光照条件下，视距的最佳距离为5070cm，常用显示器的观察视角1530度，高度与人眼水平。2. 仪表板面上仪表的布置 （1）显示板面的尺度 显示器板面的水平方向（x方向）和垂直方向（y方向）的尺度应适合人的视角范围。 为了在水平方向上能使视线迅速有效地扫视，显示器的宽度应在人的视角（左右视角）3040度范围内，当头部转动时，水平视角范围不应超过90度。 在垂直方向上，最佳的视角范围为视平线以下030度范围内，允许布置的界限是从视平线起。向上30度，向下45度。（2）显示器板面的最佳认读范围 实验表明，眼睛离仪表80cm
12、的情况下，眼球不动，水平视野的20度范围（即上下左右）为最佳认读范围，即认读时间最短。（3）多仪表的布置 在仪表较多的情况下，为了便于区别，突出重点，应分成若干个功能组，每个功能组之间用线条或颜色加以区分，使板面的仪表布置简洁、明快、美观。切忌不分功能类别无规律地布置。五、听觉显示装置 听觉显示装置分为两大类：音响及报警装置、语言传示装置，这里仅介绍音响及报警装置。1.蜂鸣器 相对而言，这里音响装置中声压级最低、频率也较低的装置。发出的声音柔和，不会使人紧张或惊恐，适用于较宁静的场合。常与信号灯一起使用，起到提醒注意、指示操作的作用。2.铃 比蜂鸣器有较高的声压级和频率，如电话铃等，可以在较高
13、强度噪声的环境中使用。3.角笛和汽笛 角笛可发出低频率的吼声和高声强、高频率的尖叫声，声压级在90100dB ，用于噪声环境。 汽笛的频率及声强均高，较适合于事态紧急的音响报警。4. 警报器 声音强度大，传播距离远，特别能引起人们的注意，并强制性地接受。主要用于危急事态的报警，如防空和报火警等。5. 音响、报警显示装置的设计与选择原则（1）频率的选择应尽量避免噪声掩蔽效应的影响；（2）引起人们注意的音响显示装置，最好使用断续声音信号且变频，如非持续的上升调、下降调。如能与信号灯组合使用，效果尤佳。（3）如要求信号能传播较远距离可以加大声波强度，使用较低频率。9.2 控制装置一、控制装置的类型与
14、选择 1.控制装置的类型（1）按操纵力的来源分： 手动控制装置/手控装置 脚动控制装置/脚控装置 其它，如利用声控、光控等敏感元件的换能装置来启动或关闭机件（2）按控制器的功能分类 开关控制器 转换控制器 紧急停车控制器或急停控制器 调整控制装置2. 控制装置的选择 控制装置的选择主要以功能和操作要求为依据。正确的选择控制装置的类型对于安全生产、提高工作效率极为重要。 选择的原则如下：（1）快速而精细的操作主要采用手控制装置，用力的操作则用手臂或下肢控制（2）手控装置应安排在肘、肩高度之间而容易接触到的距离处，并易于看到。（3）指控装置之间的间距可为15mm，手控装置之间的间距则为50mm（4
15、）手掀按钮、钮子开关或旋钮适用于费力小，移动幅度不大及高精度的阶梯或连续式调节（5）长臂杠杆、曲柄、手轮及蹬板则适用于费力，移动幅度大和低精度的操作。二、控制装置的人机工程学设计1. 操作误差的种类 据统计，操作差错主要有如下四种情况：（1）转换差错 操作者本应操纵甲控制装置却操纵了乙装置，形成转换差错，原因有： 不同功能的控制装置位置安排不当； 控制装置的功能辩识标志不明显； 操作者注意力不集中或高度紧张引起动作失误。（2）调节错误 调节控制开关时，弄错开关位置，以致机器发生运行错误。例如使用自动走刀的机床，进刀深度大时，走刀速度（大、小？），若错误地把操作手柄放在（高速、低速）位置上，则会
16、损坏刀具或机床。（3）逆转错误 操作方向与实际需要的方向相反，就是逆转错误，原因为： 控制器的转动方向不适合人的操作习惯 控制器本身缺乏醒目的导向标志（4）无意的操作错误 例如，在使用控制器时忘记复位，操作时间不准确、操作不小心等均为无意的操作错误。原因为： 控制器本身缺乏复位装置或某种报警信号系统 旋钮阻力不够，手感不强，操作时无法感觉出操纵量的大小而容易导致误移动。 控制器的配置不当或操纵力超过了人的操作能力，使人无法触及或操作困难等2. 控制器设计的一般要求：（1）控制器的设计要适应人体特征的要求 如操纵力、操纵速度、安装位置、排列布置等都要按操作人员的中、下限能力进行设计，使控制器能适
17、合大多数人使用。（2）容易辨识 控制器之间应有明显的编码标志，无论在明处或暗处，都能容易地被人体感觉器官所识别。（3）造型设计 要求造型设计时，尺寸大小适当，形状美观，式样新颖且结构简单。（4）利用人体重力 要尽量地利用人体身体的重力或利用自然的控制动作来进行控制。3. 控制装置的工效因素（1）控制显示比B 指控制装置的控制量c与显示器（指示器）的显示量D之间的比值。B=C/D 例如，操纵杆移动20mm，显示器上的目标位移5mm，则B=20/5=4。又如旋钮调节时，当旋钮转动1个单位，指示器指针移动5个单位，则B=1/5=0.2。 所以B值越大，说明控制器改变量大而显示器的改变量小；B越小，则
18、说明控制器很小的改变量即产生显示器较大的改变量。 一般说来，控制显示比小的调节控制器，适用于粗调或要求快速调到预定位置的场合，B大的调节控制器，适用于精调，容易控制。 为了使控制运动的总时间最短，可以选择B值在1.182.42之间。（2）控制器的运动方向应与群体心理一致。（3）操纵部件的外形应符合人手的解剖学特征（4）控制器操纵装置的移动范围不能超过操作者的可能活动范围（5）脚踏式控制器的设计应考虑踩动的频率、蹬板的位移程度。装置的阻力对男女操作者应不一致，女性使用者的阻力应比男性小1/41/2。4. 控制器的编码 为了减少由于混淆不同控制器带来的误操作，使人们获得信息后能迅速、准确地操纵控制
19、器，完成信息的传递任务，每一个控制器都有自已的特征和代号，这就是控制器的编码。（1）形状编码最常用 不同用途的控制器，设计成多种多样的形状，以形状区分。实践证明，这是一种最容易为人的视觉和触觉所辨识的编码方式，效果较好。形状编码一般要注意： 各种形状要尽量反映出其功能要求； 操作人员戴上手套后也能同样分辨。（2）大小编码 只有当小号旋钮的尺寸为大号旋钮的5/6或更小时，才能有识别的可能，所以大小编码不如形状编码容易识别，故一般大小编码多与形状编码组合使用。（3）位置编码 利用安装位置的不同来区分控制器，称为位置编码器，此种编码操作者较易识别，且可以不注视操作对象就能正确操作。（4）操作方法编码
20、 根据特定控制器的不同操作方法进行编码。为了有效地使用这种编码，应当使控制器在动作方向、变化量、阻力等方面有明显的区别。这种编码多与其它编码组合使用。（5）色彩编码 只能靠视觉辨认，故要求有较好的照明条件才不致被误认。多与其他编码组合使用。（6）符号编码 以文字或符号来区分控制器。此种编码一目了然，操作者不需特殊训练，但文字写的好坏对工作效率有决定性影响。这些符号要力求简单明了。三、手动控制器的设计 手动控制器的设计应符合手的生理特点、运动规律及活动范围。重要的和常用的显示器和控制器应布置在最佳区域内。 控制器的阻力通常有四种：弹性力、摩擦力、粘性力和惯性力。适当的阻力可以产生下列几种效果：
21、产生控制感 便于达到操作的精度和速度 防止因不慎触及控制器而发生位移 降低控制器对振动和过载力的敏感性常用的手动控制器有下面几种1. 旋钮 一般有四种形状：圆形、多边形、指针形，转盘形。2. 按钮 按钮设计时的操纵力阻力一般不小于2.8N,不大于20N。圆柱形的按钮直径为818mm，方形的尺寸为1020mm，其最大尺寸为1313mm,按键的升降幅度以36mm为佳。 3. 扳动开关（切换开关）4. 拉杆（操纵杆） 用于机械操作的杠杆，至少具有前后进退四种功能，其操纵角度以3060度为佳，操纵杆的操纵力最小为30N，经常操作的操纵杆的操纵力 60N，如汽车档位操纵杆的操纵力在3050N。5. 转轮
22、 转轮的功能相当于旋钮或曲柄，但操纵力比此两者大，适用于需要控制力较大的操纵装置，转轮的直径一般为1552cm，握把的直径在2050mm之间6.曲柄 曲柄是机械设备中较常用的手操纵控制器，具有快速回转和连续调节的特点，适用于操纵力较大的场合。四、脚动控制器的设计 1.脚动控制器的应用场合 需连续反复操作 手控工作量过大，需要脚控配合 操纵力 15kg2.脚踏板的设计（1）脚踏板应尽量置于正前方（2）脚踏板的高度要有利于最大脚蹬力的作用。（3）最小面积 2.57.5Cm2（4）阻力应介于1.89kg3.脚踏钮的设计 脚踏钮用的较少，位移量为12.550mm。阻力要求19kg。五、显示控制系统的人
23、机界面设计1. 控制器排列布局的原则常用的、重要的控制器，应布置在手（足）活动最方便的、反应最灵敏、用力最适宜的区域。控制器的排列要符合人的操作习惯、操作顺序和逻辑关系。当垂直方向排列时，操作顺序应自上而下；当水平方向排列时应自左向右。联系较多的控制器，尽量靠近排列。当控制器数量较多时，可按功能分区。控制器的空间位置，一般应布置在视线内的地方，不需视线的控制器应布置在能有效利用人手功能的地方。紧急停车的控制器与其他控制器分开，但要布置在明显而方便操作的地方。仪器、仪表装置和控制器在空间位置应与人的生理特点相适应。2.显示控制的配合（1）应考虑人的三方面的因素 人的机体生理特性决定了人对简单的操
24、作较适应，而不习惯复杂的操作。 人的信息加工能力有限，不可能同时完成几种类型的逻辑运算 人的习惯，也称为人的习惯定型。年龄越大，习惯定型表现的愈明显。 例如指针顺时针运动表示数值增大，反之表示数值减小，这是人的习惯，如果把这种关系反过来，则极容易出现差错。（2）显示-控制的编码 显示-控制的编码和排列应尽量一致，以减少操作者信息加工的复杂性，从而提高工效。 当控制器上有很多信号灯与控制钮时，最好将灯与钮设计成一体，灯光的反应直接产生在钮上，人员无须信息加工即可采取操作措施。若灯和钮必须分开，则两者应相邻布置，通常是灯在钮的上方。（3）显示器与控制器的运动方向 当有多个仪表和多个控制钮时，其运动
25、方向应遵循一致性原则。 如计算机操作过程中鼠标的运动方向与显示器上箭头运动方向一致。这也是人习惯定型的要求。9.3 职业适应性及其测试一、简述 1 安全人机工程学的基本观点以人为本表现在：设计、制造性能优良的机器和创造良好的工作环境，使之符合人的生理和心理特征，以便安全、高效、健康、舒适地工作。2 人机系统相互适应的辨证关系强调人机系统中机适合人并非就不考虑人对机的适应。盲目地追求机器和环境满足人的身心特点和要求，有时在技术上不可能实现，或者即使可以实现，但在经济上可能得不偿失，为此不得不对人提出特定的要求，甚至在某些特殊的场合，还要求人付出代价来适应机器的苛刻要求或环境因素的影响。为此，为了
26、优化人机系统，并使之达到最佳配合，在人机系统中除强调机器、环境应尽可能符合人的生理特征之外，还需要考虑如何通过选拔培训使人适应机器和环境的问题。以及人-机相互适应的问题。职业适合性是指人们从事某种职业应具备的条件以及经过培训可获得的某种潜在性能，亦即人是否适合某种职业。它着重研究职业对作业人员生理和心理方面的具体要求，以便于选择合适的人为人机系统优化并达到最佳配合创造条件。 例如，对于飞行员来说除了必须有良好的视觉、听觉等一系列的生理特点外，在心理方面还必须具有良好的分析、判断、记忆能力，有顽强的意志品质、良好的反应灵活性、思维敏捷性、动作协调性，同时情绪稳定等。 可见，职业适合性与职业安全密
27、切相关。严格地说，任何职业都存在着职业适合性问题，不同的职业其职业适合性不同，特殊工种对职业适合性的要求比较严格。二、职业适合性1. 两个术语（1）工作定向分析 工作定向分析是确定职业的工作性质，其中包括职业的工作条件、工作空间、物理环境、应用设备、工具、操作特点、训练时间、判断难度、安全条件、体力消耗、作业姿势等方面的特性。可以用观察法、调查法、关键事件法等进行研究。（2）人员定向分析 在工作定向分析的基础上，进一步确定担任该职务的人员应具备的基本条件，即对在职者的生理特征进行具体的定性和定量分析。人员定向分析的主要内容有： 生理方面：分析其健康状况、身体条件、听、视等，包括生理缺陷。 心理
28、方面：分析其智力、个性倾向、人格特征、心理运动能力等方面。 任职者个性特征分析：包括责任心、知识水平、技术水平、创造性、灵活性、体力消耗、训练条件和基本经历等八个方面。三、职业适合性的确定性2. 职业适合性的确定 职业适合性的确定即把具有什么特性人适合从事什么性质的工作这一关系给确定下来（犹如人处对象） 。 具体地说，它是指分析与了解各项工作的任务、责任、性质等特征，并确定该职业对任职者具体要求的研究过程。其内容包括工作定向分析和人员定向分析。 在进行职业适合性分析时，要在人机工程学基本原理的基础上，合理、客观地提出职业适合性的具体要求，避免不考虑人的生理及心理极限而导致过于理想化的要求。 职
29、业适合性测试是在职业适合性分析的基础上，对人体进行测试，看其是否符合某种职业的要求，而确定是否适合于从事该职业的选拔过程。它主要包括生理功能和心理功能两方面的测试，无疑这项工作是很有意义的。 生理功能方面的测试相对成熟，项目也基本固定，如身高、肩宽、视、听力、嗅觉、心率等，包括生理缺陷。心理功能方面测试项目繁多，如智力、情绪稳定性、气质、性格、兴趣等，仅个性测试就有几十种之多，较著名的有：明尼苏达多项个性调查表（MMPI）加利福尼亚多项个性记录表（CPI）、卡特尔个性调查表（16PF）、艾森克人格问卷（EPQ）等。需要予以说明的是，尽管目前国外心理测试公司有许多成型的测试器械和量表，但其标准并不完全符合我国国情，不能生搬硬套，要经过修订方可使用。 四、职业适合性测试讨论 职业适合性是否存在?职业适合性测试是否必要? 分成四组:正方、反方各2组，准备，正方陈述，反方陈述，辩论阶段，总结阶段。
