指挥系统显控台的硬件人机界面设计研究
张鑫磊
（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）
摘 要： 为了对显控台硬件人机界面进行优化，以人机工程学为理论指导，通过文献检索、标准研究、问卷调查、用户访谈等途径，分析指挥系统显控台的硬件人机界面特征、解放军指战员 （即用户）生理心理特征、生理心理与人机界面关系，得到功能区布局、文字及图形符号、控制元器件选型等人机界面设计原则，指导指挥系统显控台的硬件人机界面优化设计，形成优化设计方案，有效缓解长时间操作的疲劳、减少误操作的可能性。
关键词： 人机工程；显控台；硬件人机界面；设计原则
0 引言
硬件人机界面是指除软件界面（即UI）以外，人机交互过程的所有硬件产品界面，包括显示区域、操作部件、站立或坐姿空间等内容。据统计，在我国某自行火炮武器系统的所有故障和失效记录中，31.9%的故障由人为因素引发，其中引发人为失误主要包括操纵装置布局、疲劳、作业空间等硬件人机界面设计因素[1]。因此，硬件人机界面设计是显控台结构设计的重要内容之一，充分考虑指战员的能力、心理和生理特点，优化电子设备人机交互界面，实现人和武器装备的最佳协调，增强指战员心理愉悦感，缓解其疲劳的程度，减少人为因素失误，提高设备六性设计水平显得尤为重要，本文拟从人机工程学角度出发，开展指挥系统显控台的硬件人机界面设计研究。
1 人机工程学简述
人机工程学，又称为“人因工程学”、“人体工程学”、“人间工学”、“人类工效学”，是将人类生物科学与工程技术相结合的一门综合性学科[2]，主要研究人、机、环境的相互作用关系，如图1所示。
硬件界面设计是人机工程学的重要应用领域之一，国内外开展了大量的应用研究。
2)运行状态控制。上机位软件具有对现场设备的远程控制能力，可进行空压机的启停操作，但为保证工作状态稳定，一般运行自动控制系统，仅在维修作业、调试等环节，对其进行手动控制。另外，在获得操作权限后，还可对设备工作时间、供气压力、冷却循环能力等参数进行远程设置。
图1 人—机—环境系统
Fig.1 Man-machineenvironment system
美国总结二战中血的教训，聘请生理学家和心理学家参与武器装备的设计，提出了设备设计必须考虑人-机-环境的各因素，用最小的付出获得效率最高。
国内方面：樊建诚强调了军事装备造型的重要性，为人机工程学在军事装备研制中应用研究拉开序幕[3]；张翱旻从用户的角度出发，利用人机工程学、认知心理学、色彩学、艺术设计等方面探讨了地面测试设备人机界面设计中显示与控制的两个主要因素[4]；李文志、于扬结合人机工程学原理及人体测量学的相关数据，从活动空间、操作范围和视野三方面，详细地论述了机载显控台的结构设计尺寸以及如何正确处理人、机、环境三要素间的关系，并给出了一种机载显控台的结构设计方案[5]；李余峰采用人机工程学的研究方法，分析LEF测试仪的显示器和控制器的人机特点，在此基础上，提出了包括功能区布局、设计编码、文字图形符号设计、听触觉等设计原则，达到操作舒适、识别简单、精准操作的目的[6]。
2 显控台硬件人机界面设计原则
利用人机工程学原理，结合使用对象生理、心理特征，提出指挥系统显控台硬件人机界面的空间尺寸、面板布局、元器件选型、颜色设置、序号编码等方面的设计原则。
2.1 使用对象的生理、心理特征分析
指挥系统的使用对象明确，最终用户就是解放军战士，从军人的生理特性及心理特征两方面开展使用对象分析。
（1）指战员生理特征分析。我国军人都是通过《应征公民体征检查标准》筛查入伍，在统计分析的基础上，《军事装备和设施的人机工程设计准则》（GJB2873-1997）给出了我国军人生理特征的相关参数，这是开展军用电子设备硬件人机界面设计研究的基础。
参照Chen等[21]的方法，采用透析测定样品的释放情况。取10 mL样品于透析袋(分子截留量8 000～14 000 Da)中，密封好后浸没于200 mL的pH 7.0的PBST缓冲溶液中(吐温-20，0.5% v/v)。游离的丁香酚可透过透析袋进入到缓冲溶液中，而酪蛋白酸钠稳定微乳则被截留在透析袋中。在预定时间内，取出适量透析液，用相同的缓冲溶液稀释至适当浓度，280 nm下测定其吸光度并计算丁香酚释放的量，绘制释放曲线。
对于人机界面的各控制操作元器件需要进行合理的排布，包括布置区域、合理排序、控制间距等设计原则。
无论用怎样的方法，无法完全消除指战员战时的心理压力，因此需要必须运用人机工程学原理，优化人机界面，从设计的角度去尽可能地消除误操作。
（2）指战员心理特征分析。虽然军人通过训练，养成了勇敢、敢于献身的心理素质，但是，战争的破坏性、高死亡率同样也会对指战员产生极大的心理压力。训练时，指战员掌握了 “教练弹”要领，而实弹投掷时却经常失误，其主要原因是心理压力导致的动作变形。
2.2 硬件人机界面空间尺寸设计原则
指战员的工作状态为坐姿时，显控台需要考虑到操作员坐在显控台前通过采用鼠标、键盘、手柄、轨迹球及触摸屏或显示器等方式进行人机交互，同时也要依据人体的尺寸、肢体活动的动作特性以及人的感知操作习惯等因素确定，这主要包括：操作台面高度、容膝空间、视觉特性、维护空间等方面。
该项目操作元器件主要包括USB接口、风机电源开关、电源钥匙开关、供电电源指示灯、调试用电源插座等控制元器件。
图2 坐式显控台尺寸设计原则
Fig.2 Dimension design principles of sitting display and control console
2.3 硬件人机界面器件布局设计原则
如前所述，小学数学教授的，并非高深的数学分支或数学前沿，而是千百年前建立的古老的数学分支，是数学与科学大厦的基石.故其内容与方法的稳定是理所当然的.某些增删或改进或许必要；但数学教育衰败的现实说明，大幅度的变动甚至推倒重来肯定出乱子，不可避免地拖垮了数学教育.
农村基层的统计工作必须要有严格的工作流程，按照相关规定编制统计报表，按照国家统计局和农业局规定，对农村统计报表内容进行规范，真正做到规范化操作，才能切实保障农村统计调查数据的真实性和准确性。
（1）控制元器件的布置区域。重要的、使用频率高的控制元器件，应布置于手活动最方便、反应最灵敏、用力最适宜、视觉最有利的空间区域；控制元器件应尽量布置于视野内的空间，不需要视觉配合的控制器可以布置在人的触觉功能辨认的地方。
选定滚转角az的模糊论域AZ={-2,-1,0,1,2}；模糊集为{NB,NS,Z,PS,PB}，分别对应“负大”、“负小”、“零”、“正小”、“正大”；隶属度函数种类选择为“trimf”，如示意图6所示。wz、anglelh1、anglerh1、anglelh2以及anglerh2的隶属度函数图像均与图6类似，后文仅给出隶属度函数对应的参数。
（2）控制元器件的排列符合人的习惯。和分区布置一样，分区内各控制元器件的布置也应按人的习惯、操作顺序、逻辑关系进行安排。控制元器件沿竖直方向排列时，操作顺序应从上而下；控制元器件按横向水平排列时，操作顺序应从左至右。
那么，什么是“危机意识”呢？ 在此，就必须与徐复观先生所提出的“忧患意识”进行对比分析。 所谓“忧患意识”，首先，它不是来源于对人所无法解决的末日的恐怖与对神的拯救的祈求，而是通过现实的人的行为去寻求解决当前困境或即将发生的困境的思路，以一种预见或假设的方式为其规划自己尚未实行的实际行为以求得对困境的解决。 正因为有着现实存在的社会忧患，身为当事者的人才会对此进行一种反应，并在不断的预设中发现自身行为对结果所产生的影响。 从而产生出对自身行为及行为所能够引发的结果的重视，即责任感。[5]85-89
表1 典型元器件之间最小间距
Tab.1 Minimum spacing of typical components
3 硬件人机界面的设计应用
某指挥系统显控台是安装在某测量船上，用于监控测量作业情况的设备。利用上述设计原则开展显控台硬件人机界面的空间尺寸、元器件布局等设计工作。
3.1 显控台硬件人机界面的尺寸设计
坐姿操作显控台硬件人机界面空间尺寸设计原则主要包括工作台台面高度、工作台面底下的容膝、脚的空间及显示器布置等内容。某指挥系统显控台界面尺寸设计主要包括显示安装位置、操作平台高度设计、功能区划分等，具体尺寸分布情况如图3所示。
图3 某指挥系统显控台界面尺寸
Fig.3 Interface dimensions of a display and control console for command system
3.2 显控台硬件人机界面的元器件布局设计
坐姿操作显控台硬件人机界面空间尺寸设计原则主要包括：①工作台台面高度在740～790mm，工作台面尺寸应尽可能大于760mm（宽度）×400mm（深度）；②在工作台面底下应设容膝、脚的空间，其尺寸不小于640mm（高度）X510mm（宽度）×460mm（深度）；③显示器布置：显示器最好能够旋转角度，如果无法实现，一般情况下，显示器在垂直操作平台且应布置于坐位平面上方150～1170mm范围内，安装深度方向不大于530mm，当有主副显示器时，将主显示器垂直操作平面，副显示器倾斜一定角度。尺寸原则如图2所示。
根据结构尺寸情况，可将用户操作面板区布置成以下三种样式，具体见图4。
面板上控制器的布置，本应使操作人员两手的工作量适当平衡，但由于人体机能的不对称现象，一般右手比左手灵活，即右手是优势手（少数人是左手为优势手）。因而，在面板操纵器布局中，在考虑最佳区域时，人的操作习惯与视觉习惯相反，对于小型面板，最优操作区是在右下方，因此重要元器件应尽可能布置在右下方或中下方。
（3）控制元器件之间应用合理的间距，其间距要求见表1所示。以方便操作及减少误操作的概率。控制元器件之间要保持足够的距离，避免操作时误触。
图4 用户操作面板区布置样式
Fig.4 Layout style of user operation panel area
图4（a）中布局将元器件按大小进行了分区，风机电源开关、电源指示灯大小相当，将他们布置在一条平行线上，将稍大的电源开关放置在下侧，同时将体积大的两个元器件放在另外一列，且调试用电源插座布置在下侧，整体布局平衡，满足操作人员的生理特征及习惯需求。
图4（b）中布局和图4（a）基本一致，区别主要将左右两列位置进行对调，这样使体积大的元器件布置在右下角的位置，符合人们心理接受预期。但这样布置使得操作不符合人的生理特征。
图4（c）中布局和图 4（a）基本一致，区别主要将 USB接口、调试用电源插座的上下位置对调，经常用的USB接口靠近下侧，方便USB模块的插拔，但如果这样布局，在实际使用中，因上部调试用电源线线径较大，会影响下部USB模块的插拔。
目前，大多数党员干部理想信念是坚定的，政治上是可靠的，但也有少数人对共产主义心存怀疑。他们不信马列信“鬼神”，不信马列信“迷信”，不信组织信“大师”。习近平总书记尖锐地指出，在一些党员、干部包括高级干部中，理想信念不坚定，对党不忠诚，他们出了问题首先是因为理想信念垮掉了。“理想信念动摇是最危险的动摇，理想信念滑坡是最危险的滑坡。”⑧党员干部一旦理想信念产生动摇，精神支柱迟早会坍塌。因此，在思想建党的过程中，首要任务就是解决广大党员干部的理想信念问题。抓住这一问题，就等于拧住了“总开关”，牵住了“牛鼻子”。
综合上述分析，该项目显控台操作面板区布局方案中，图4（a）所体现的样式最佳。
3.3 显控台硬件人机界面总体设计效果
根据上述设计，形成图5的总体设计效果图。
图5 指挥系统显控台总设计效果图
Fig.5 Overall design rendering of display and control console for command system
4 结束语
本文利用了人机工程学的基础理论，分析了使用对象的生理、心理特征，系统地提出了显控台硬件人机界面空间尺寸设计原则及布局设计原则，完成了某测量作业指挥系统显控台的硬件人机界面设计。后续研究主要包括对硬件界面设计原则进一步补充及完善、对用于人机工程学研究的军用生理参数及时更新等。
参考文献：
[1]邓志江，张相炎.自行火炮人机系统中人的可靠性分析[C].江苏省系统工程学会第十届学术年会，2007.
[2]丁玉兰.人机工程学[M]．北京：北京理工大学出版社，1995
[3]樊建诚.军事工业造型设计—一个不可忽视的领域[J].解放军理工大学学报（自然科学版），1987，3.
[4]李文志，于扬.基于人机工程学的机载显控台结构设计[M].电子机械工程，2010.
[5]张翱旻.人机界面设计研究—在地面测试设备（军品）中的应用[D].上海交通大学，2006.
[6]李余峰.基于人机工程学的电子设备界面设计 [D].西安理工大学，2011.
A Study on Hardware Interface Design of Display and Control Console for Command System
ZHANG Xin-Lei
（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang Jiangsu 222006，China）
Abstract： In this theory，hardware interface design principles to optimize hardware interface of display and control console for command system，including the function area layout，text and graphic symbols and control components selection are concluded based on the theory of ergonomics，through literature retrieval，standard research，questionnaire survey，interviews，analysis of hardware interface features，PLA（user） physical，psychological characteristics，the relationship between physiological or psychological and human-computer interface.These principles provide guide to optimize design of hardware interface and the optimized design is proved to be reasonable and effective to ease the fatigue after the long time operation and to decrease the possibility of mis-operation.
Key words： ergonomics；display and control console；hardware interface；design principles
中图分类号： TP399
文献标识码： A
doi： 10.3969/j.issn.1002-6673.2019.02.007
文章编号： 1002-6673（2019）02-019-03
修稿日期： 2019-02-19
作者简介： 张鑫磊（1982-），男，山东济宁人，工程师。从事加固计算机结构研究及设计工作。
标签：人机工程论文; 显控台论文; 硬件人机界面论文; 设计原则论文; 江苏自动化研究所论文;