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2 人机界面与人机工程学
2.1 人机工程学概述 2.1.1 人机工程学定义
人机工程学是研究“人-机-环境”系统中人与机以及人与环境之间相互关系的学科。研究人机工程学的目的是根据人的生理、行为、认知、心理乃至情感等各方面的特性，运用系统工程的观点和方法分析人与产品、人与环境之间的相互作用，合理的设计和安排人的安全与健康，提高人的工作效率与质量，实现人的舒适与愉悦，使人、机、环境的配合达到最佳状态。
2.1.2 人机工程学的研究范畴
人机工程学的根本研究方向是通过揭示和运用人、机、环境之间的相互之间的规律，以达到确保人、机、环境系统总体性能的最优化。人、机、环境的整体属性不等于各部分的简单相加，而是取决于系统内部的协同作用程度。 因此研究范围包括：
（1）系统中人的因素：
①人体形态特征参数：静态尺度和动态尺度；
②人体机械力学功能和机制：在各种姿态及运动状态下，力量、体力、耐力、惯性、重心、运动速度等的规律。
③人的劳动生理特征：体力劳动、脑力劳动、静态劳动与疲劳机制等。 ④人的认知特性人对信息的感知、传递、存储、加工、决策、反应等规律。 ⑤人的心理特征：影响人心理活动的基础（生理与环境基础）、动力系统（需要、动机、价值观理论等）、个性系统（人格与能力）、心理过程（感知、记忆、学习、表象、思维、审美构成的认识，情绪与情感，意志或意动，习惯与定势）等。
（2）人机系统的总体设计；首先是人机功能的合理分配，人与机，都有各自的能力、优势与限度，如机器具有功率大、速度快、精度高、可靠性强和不会疲劳的特点，而人具有适应能力、思维能力和创造能力。各自根据各自的特点取长补短、相互协调、相互配合的人机系统。
（3）研究作业场所设计和改善；作业场所设计包括空间设计、作业器具设计、作业场所总体布置。人机工程研究如何根据人的因素，设计和改善符合人因的作业场所，
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是人的作业姿势正确、作业范围适宜、作业条件合理，达到作业时安全可靠、方便高效、不易疲劳、舒适愉悦的目的。
（4）研究作业环境及其改善；研究在各种环境下人的生理、心理反应，对工作和生活的影响，作业环境包括物理环境、化学环境、生物环境、美学环境、社会环境。
（5）研究作业及其改善；作业是人际关系的主要表现形式，主要研究有研究作业分析、动作经济原则、工作成效的测量与评定等。研究人从事体力作业、技能作业和脑力作业时的生理和心理反应、工作能力及信息处理特点，研究作业时合理的负荷及耗能、工作与休息制度、作业条件、作业程序和方法。作业适宜的人机界面除硬件机器外，还包括软件，如规则、标准、制度、技法、程序、说明书、图纸、网页等，都要与作业者的特性相适应。
2.1.3 设计“以人为本”观念下的人机工程学
以人为本，已成为现代设计的核心思想之一。在功能、性能、质量、经济等针对产品本身的评价因素之外，人们对产品的要求跟多的集中在安全、健康、方便、舒适，乃至审美、情感、价值等针对人而言的因素上。这就要求设计除了应当满足人的需求外，在设计的整个过程中也必须时时考虑到人的因素，使设计出来的产品能够保障人的安全和健康，提高人的工作效率与质量实现人的舒适与愉悦，乃至有利于人类长远发展的利益。而这一思想又必须通过工程手段才能得以落实，因此人机工程学可以说是现代设计的基础学科。
人机工程学为产品与环境的设计提供可依据的人因数据。它为进行人、机、环境系统设计提供依据。人机工程学的特点是在研究人、机、环境3个要素本身特征的基础上，不单着眼于个别要素，而是将使用产品的人和所设计的产品，以及人与产品所共处的环境作为一个系统来研究。在这个系统设计理论中人、机、环境3个要素之间相互联系、相互作用的关系决定这系统总体的性能。
2.2 人机界面设计 2.2.1 人机界面定义
在人与机器的交互（human-machine interaction）过程中，有一个界面充当信息传递的媒介，即人们所说的人机界面（human-machine interface）。人机界面是由连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器
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信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
图1
图2
设计人机界面进行分工时，要充分发挥人机的各自特点，可采用最大最小原则，即人承担的工作量应最大，最大限度利用机器的同时，充分发挥人的因素。人机结合并注
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意人的主导地位，将有效地保证系统的可靠性和寿命。
2.2.2 人机界面的用户研究
（1）用户分类 ① 新手用户， ② 平均用户 ③ 专家用户 ④ 偶然用户
（2）影响用户行为特征的因素
在人机界面分析研究中，人作为人机交互系统的一方起着重要作用，因此界面的设计必须对人的认知行为特征有基本的认知和度量，才能保证人和机器能很好的协同工作。在人机交互界面设计中所要考虑的人的因素主要包括：
① 人机匹配性，用户是人，计算机系统作为人完成任务的工具，应该使计算机和人机系统很好的匹配工作。
② 人的固有技能，作为计算机用户的人具有许多固有的技能，例如身体和动作的技能、语言和通信的技能、思维能力、学习和求解问题的能力等。
③ 人的固有弱点，人具有健忘、易出错、注意力不集中、情绪不稳定等固有弱点。 ④ 用户的经验和受教育程度，使用计算机的用户的受教育程度决定了他对计算机系统的知识经验及对计算机应用领域的知识水平。
⑤ 用户系统的期望和态度，首先从用户使用系统的原因来看，计算机系统可作为用户完成其任务的不可缺少的组成部分，也可作为可选部分；其次从用户对系统的期望和态度来看，有3种情况，即中性的、积极地和消极的；最后，从用户使用计算机的目的来看，绝大多数用户使用计算机是为了帮助他们更好地解决应用领域的实际问题。
（3）用户使用需求分析 ① 作为用户对计算机系统的要求 ② 用户技能方面的使用要求 ③ 用户习性方面的要求
④ 对用户经验、知识方面的使用要求 ⑤ 用户对系统的期望方面的要求
2.2.3 界面开发的设计原则
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（1）应用程序和人机界面分离的原则
应用程序和人机界面分离的思想类似于数据库管理中数据和应用程序的分离，在那里数据的存储组织、查询、管理由专门部件即数据库管理系统完成。在人机界面设计中也同样把人机界面功能，包括界面的布局、显示、用户操作等专门由用户界面管理系统完成，应用程序不再管理人机交互功能，也不和人机界面编码混杂在一起。
（2）简单原则
交互界面应美观、精炼，不应该包括不相关或不常用的信息。合理的利用空间，利用颜色、显示效果来实现内容与形式的统一，界面设计中最基本的功能应该让人可以立刻看到，还要减少用户的记忆要求，简化用户的工作。
（3）一致性原则
在程序系统中，应该要求其概念模式、语义、命令语言语法及显示格式等的一致性。人机界面的一致性主要体现在输入、输出方面的一致性，具体是指应用程序的不同部分，甚至不同程序之间，具有相似的界面外观、布局和相似的人机交互方式以及相似的信息显示格式等。
（4）快速的系统响应和低的系统成本
在使用较多硬件设备并与其他软件系统连接时，会带来较大的系统开销，人机界面在此情况下应具有较快的响应速度和较小的系统开销。
（5）安全性原则
系统应该让用户尽量避免发生错误，交互界面应该提供视觉指引、提示、选择列表和其他的辅助，无论是自动的还是被人要求的。例如被设计在很多系统的拼写检查功能。用户在工作的时候，可能拼写错误的单词会被标示出来，系统允许用户随时换一个单词，或者当他们工作结束后，可以再回头检查处理这些错误。
（6）满足
创造一个有进展和有成就感的良好感觉，让用户能不断的取得进展并有成就感。对用户的操作尽量做到立即响应，人和延迟可能会干扰用户的工作和使用效率，降低了用户对系统使用的信心。及时的响应可以让用户知道结果是否正确，并且能随时改变操作。
（7）直观
让对象和操作能够直观可见，要尽可能是交互界面表现的和真实世界一样。模拟真实世界和自然直接的交互方式会让交互界面更加直观。利用用户在计算机领域外的经验的能够直观地使用图标和系统窗口。另外对系统的控制应该清晰可见，此外各种功能也
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