基于工效學(xué)對組態(tài)式監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面布局研究

王亦萌　王堅

摘要：隨著信息化程度在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的普及，組態(tài)式軟件在工業(yè)化數(shù)據(jù)監(jiān)控中的應(yīng)用越來越廣泛。組態(tài)式軟件通常用于大型工程項目中對于設(shè)備、環(huán)境的監(jiān)控，其特性決定系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)信息、圖像信息給工作人員造成較大的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。本文以艙室溫度差異化調(diào)節(jié)試驗平臺系統(tǒng)顯控界面為例，考慮系統(tǒng)中同時涉及模擬顯示、數(shù)字顯示等大量復(fù)雜信息，作業(yè)人員在操作的過程中使用視覺信息搜索來采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其視覺認(rèn)知到的信息轉(zhuǎn)換成儲存模式中的短時記憶儲存為主要的人機交互方式。因此，本文從眼動規(guī)律、菲茨定律數(shù)學(xué)模型以及其他工效學(xué)相關(guān)理論做為理論依據(jù)，以功能層級劃分為主要形式依據(jù)，重點解決傳統(tǒng)組態(tài)式系統(tǒng)界面中復(fù)雜、繁瑣的問題。

關(guān)鍵詞：工效學(xué)；監(jiān)控系統(tǒng)；人機界面

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（201 6129-0243-02

組態(tài)軟件是一種通過將傳感器采集到的模擬或者數(shù)字信號的方式輸入PLC進行處理后生成監(jiān)控人員所需要的信息及數(shù)據(jù)，安裝于windows等操作系統(tǒng)的開發(fā)程序，常用于空間監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、電力等大型工程環(huán)境。目前多數(shù)的組態(tài)軟件因為監(jiān)控點數(shù)多、需帶有大量統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)庫，所以使得了其每個界面中都需要容載大量的數(shù)據(jù)信息、圖像信息、圖表信息，人機界面上大量的信息堆疊會形成視覺上的雜亂感，無論是視覺搜索還是光標(biāo)對按鈕的選取都很大程度的給作業(yè)人員增加信息干擾。隨著對視覺規(guī)律理論在IT行業(yè)中應(yīng)用被證實其科學(xué)有效性，以及人們對用戶體驗的重視，眼動追蹤技術(shù)也隨之發(fā)展并廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的商業(yè)行為。但是工效學(xué)中的信息搜索與信息選取理論在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的較少，通過對人眼習(xí)慣性運功軌跡、視覺辨識的研究，對艙室溫度差異化調(diào)節(jié)試驗平臺系統(tǒng)顯控界面進行分析設(shè)計，重點在于用減少作業(yè)人員的時間壓力和認(rèn)知壓力，提高作業(yè)人員與界面交互的友好性。

1艙室溫度差異化調(diào)節(jié)系統(tǒng)平臺研究

1.1l功能層級劃分

艙室溫度差異化調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于監(jiān)測24個艙室室內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)機進出風(fēng)量、以及其他空調(diào)機組數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)平臺。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（見圖1）中的主要功能模塊有變風(fēng)量空調(diào)、定風(fēng)量空調(diào)、新風(fēng)機組、冷熱源模塊、風(fēng)機盤管、定壓裝置、輔助監(jiān)測、報警查看，在層級劃分中，將以上8個模塊作為第一層級。在第一層級的監(jiān)控對象中，每個監(jiān)控設(shè)備的對象分別有其相應(yīng)的顯控狀態(tài)包括：結(jié)構(gòu)視圖（模擬顯示）、布風(fēng)器（數(shù)字顯示）、系統(tǒng)趨勢（圖表顯示）、末端趨勢（圖表顯示）、報表查詢（表格顯示）等，將其列為第二層級。以變風(fēng)量空調(diào)模塊為例，所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)視圖子模塊為模擬顯示方式，對于相應(yīng)的設(shè)備進行抽象形態(tài)提取，24個艙室用標(biāo)有序列號線性框表示。布風(fēng)器子模塊中每個艙室所需要采集的包括：房間溫度、房間設(shè)定溫度、末端實際風(fēng)量、末端需求風(fēng)量4個參數(shù)。因為布風(fēng)器模塊為單純數(shù)字顯控模式，24個艙室參數(shù)以每個艙室為單位以帶有序號線框劃分列與同一張界面上，而不需要再以艙室為單位劃分第三個層級。曲線趨勢子模塊中，要根據(jù)時間的變化來監(jiān)控每個艙室末端的參數(shù)值的變化，因此以每個艙室為單位劃分成為第三個層級，每個層級以折線統(tǒng)計圖的形式顯示。報表查詢子模塊為無限下拉的表格形式。

1.2菜單層級劃分

第一層級8個主功能模塊名稱為第一層級菜單，第二層級的監(jiān)控顯示狀態(tài)名稱為第二層級菜單，曲線趨勢中24個艙室的序號為第三層級菜單。在第一層級中添加EXIT按鈕，無論位于哪一層級的界面中，點擊EXIT按鈕都可以返回上一層界面。

2艙室溫度差異化調(diào)節(jié)系統(tǒng)平臺界面布局

2.1主界面功能模塊內(nèi)容

根據(jù)上述的在系統(tǒng)中劃分的三個菜單層級的布局設(shè)計中，將主界面的劃分成以下模塊：系統(tǒng)標(biāo)題欄、一級菜單欄、二級菜單欄、主要功能模塊區(qū)域、返回上一步按鈕（如圖2所示）。三級菜單作為按鈕置于系統(tǒng)趨勢、末端趨勢等曲線統(tǒng)計圖界面。

2.2菲茨定律數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

菲茨定律（fitt‘s law，用于估算用戶移動光標(biāo)點擊鏈接或控件按鈕所需的時間的數(shù)學(xué)模型。）的數(shù)學(xué)模型：T=a+b log2（D/W+1）分析，T代表光標(biāo)從起始位置到目的位置所用的時間，D代表起點到目標(biāo)位置的距離，W代表目標(biāo)的大小。a、b為經(jīng)驗參數(shù)根據(jù)具體環(huán)境改變而改變。

根據(jù)公式可以得出，光標(biāo)從起始到目的所需用的時間和它們之間的距離成正比，光標(biāo)到達(dá)目的所用的時間和目標(biāo)大小成反比。選取較目標(biāo)物比較小會限制光標(biāo)的移動速度，因為當(dāng)光標(biāo)快要到達(dá)目標(biāo)物的時候使用者便會提前減緩速度以防止移動過快超出目標(biāo)范圍，因此光標(biāo)的移動速度和目標(biāo)物的大小成反比。我們常見到將某個系統(tǒng)將多個子模塊的簡要信息平鋪在一張總覽圖上面，點擊便可進入查看子模塊詳情，次類的進人次層級的方式比點擊以子模塊名稱命名的按鈕效率更高，缺點是返回上一層級需要逐步操作，無法直接點擊其他層級按鈕。其次，在很少數(shù)的情況下有條件將按鈕放到足夠大。

根據(jù)菲茨定律理論中所提到的：目的地明確的移動可以細(xì)分為兩個部分，首先一個大幅度的移動將光標(biāo)移向與目標(biāo)大致相同的方向和區(qū)域；緊接著是一系列精細(xì)的小幅度微調(diào)來將光標(biāo)精確定位在目標(biāo)中心，后者的人機活動負(fù)擔(dān)高于前者。因此，在屏幕的邊和角的位置比較適合放置菜單欄和按鈕，因為邊角在鼠標(biāo)的移動過程中所呈現(xiàn)的物理空間是無限高或無限寬，你不可能用鼠標(biāo)超過它們。人手無論有多大幅度的滑動，鼠標(biāo)最終會停在屏幕的邊緣，并定位到按鈕或菜單的上面。將菜單置于界面的邊緣位置，可以使得作業(yè)人員在操作鼠標(biāo)時盡可能地減少甚至省略對于光標(biāo)的小幅度微調(diào)以減輕認(rèn)知負(fù)荷，因此將一、二級菜單分別放置于界面的邊緣。

2.3眼動追蹤的應(yīng)用

顯示屏已經(jīng)確定了為16：9的寬屏顯示器，橫向長度遠(yuǎn)大于縱向。根據(jù)計算機顯示按鈕的一半字符大小來計算，一級菜單數(shù)量為8，二級菜單中的數(shù)量最多為5、最少為3，橫向尺寸無法容納一級菜單的字符，因此將一級菜單置于縱列，二級菜單置于橫列。在通常情況下作業(yè)人員對系統(tǒng)的瀏覽順序應(yīng)該為：系統(tǒng)標(biāo)題欄<一級菜單欄<二級菜單欄<功能模塊<返回。如圖所示，下面對于布局提出幾種方案，從a點到e點的帶有箭頭指向的線段為作業(yè)人員的正常瀏覽軌跡。

在工效學(xué)中有關(guān)于視覺運動規(guī)律的理論依據(jù)有提到：1、眼睛沿著水平方向比沿著垂直方向運動更快，且不容易疲勞，通常在視物的過程中先看到水平方向的物體，再看垂直方向。眼睛對水平方向的尺寸比垂直方向要估計得準(zhǔn)。2、對于矩形物件視線的變化習(xí)慣于從左-右、上-下，對于圓形物件習(xí)慣用順時針的方式進行瀏覽。

第二層級菜單位于第一層級菜單的右下方向最符合人的搜索習(xí)慣。如圖2所示，a點到b點的軌跡為一般情況下的視覺搜索軌跡，瀏覽順序為上一下，左上一右下，下一上，左上一右下，基本符合一般人眼運動規(guī)律的。而圖3中從點b到點c的軌跡，圖4中點d到點e的軌跡都適合人們習(xí)慣性的視覺運動規(guī)律相反的，所以圖2中的界面布局方案在減輕操作人員的認(rèn)知負(fù)擔(dān)時更為合理。

3結(jié)論

本文將工效學(xué)中的視覺運動規(guī)律理論，菲茨定律數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到工業(yè)化組態(tài)式軟件系統(tǒng)中。首先對軟件系統(tǒng)的模塊層級進行分析整理，確定系統(tǒng)的層級劃分。首先確定了將一、二兩個層級的單行菜單置于界面邊緣位置，然后提出幾種界面布局的設(shè)計方案，再根據(jù)視覺運動規(guī)律使用排除法將不合理的方案排除，得出最終的合理方案。根據(jù)用眼動規(guī)律來分析證明以上的對于主界面的功能菜單布局規(guī)劃，用于減少工作人員的操作動作，降低認(rèn)知負(fù)荷是行之有效的。