产品人机界面设计中的相合性研究
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摘 要：人机界面作为人与产品之间信息交流的一个平台，在人机交互中起着越来越重要的作用。而人机界面中显示与操纵的相合性在很大程度上决定了产品的易用性。论文通过不同的产品案例，分析人机界面设计中的空间相合性、运动相合性，以及提高相合性的常用措施。空间相合性指的是在一个显示面板上，刺激和反应元素在物理布局方面的对应性。运动相合性指的是操作一个控制器所产生的运动效果与人们心理预期的相符程度。研究指出，提高人机界面相合性的常用措施有形状编码、位置编码、颜色编码、符号编码，以及考虑人的生理特征和使用习惯。
关键词：产品 人机界面设计 空间相合性 运动相合性 操纵器编码 生理特征
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（a）-0013-04
Abstract： As a platform for information exchange between people and products， human-machine interface plays a more and more important role in human machine interaction. The compatibility of display and manipulation in human machine interface determines the ease of use to a large extent. Through the case study of HMI design for different products， this paper analyzes the spatial compatibility， the movement compatibility and the common measures to improve compatibility. Spatial compatibility refers to the correspondence of stimulus and response elements in physical layout on a display panel. Motion compatibility refers to the degree of correspondence between the motion effects generated by a controller and people's psychological expectations. It is pointed out that the common measures to improve the compatibility of human-machine interface are： shape coding， position coding， color coding， symbol coding， and taking into account human physiological characteristics and usage habits.
Key Words： Product; Human-machine interface design; Spatial compatibility; Movement compatibility; Manipulator coding; Physiological characteristics
人机界面简称HMI（Human-Machine Interaction），是人与机器之间传递、交换信息的媒介。人机界面可分为广义和狭义两种，广义的人机界面是指人机系統中人和机器交互过程中的一个介质或者层面，即所说的界面。狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面[1]。该文讨论广义的人机界面。
人机界面中的相合性指的是产品的显示器与控制器之间的对应关系与人的心理预期之间的相符程度，由此来判定产品人机界面相合性的优劣。
从广义上讲，任何为人所使用的产品，在使用过程中均存在着人机界面，相合性好的人机界面美观大方、通俗易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、增强兴趣，从而提高使用效率[2];相反，相合性差的人机界面，用户使用起来处处受挫，不仅操作效率降低，有时甚至还会导致不可预估的严重后果。因此，相合性已成为产品人机界面设计中一个不可忽视的重要因素。
1 相合性概述
根据人机界面中显示器与控制器之间的相互作用不同，可将相合性分为几大类，其中最常见的有两大类，即空间相合性和运动相合性。
1.1 空间相合性
空间相合性的概念最早是由Fitts和Seeger[3]于1953年提出的。它指的是在一个显示面板上，刺激和反应元素在物理布局方面的对应性。当刺激和反应关系是直接的和自然的，它被描述为相合的;反之，当其关系是间接的和非自然的，则被描述为不相合的[4]。具体到一个产品界面上，刺激就是控制器的实际操作，反应就是显示器的显示结果。
空间相合性方面的一个经典研究案例是如图1所示的燃气灶上控制开关与灶头之间的布局关系[5]，研究发现，对应控制开关的4种不同布置方式，其反应时间和错误率是截然不同的，而且，不同国家的人对不同布置方式的偏好也不同，例如：美国人倾向于选择第Ⅳ种布局，而中国人则更加倾向于选择第Ⅲ种布局[6]。
空间相合性关系在产品人机界面中广泛存在，例如大到宇航飞机等各种驾驶舱控制室、中至自动化工厂的控制室以及各种重型装备如数控机床的操作面板、小到日常生活中的各种产品的人机界面;再如多个开关与灯（或风扇）之间、电梯操作面板与楼层之间、多头燃气灶（4头、6头、8头）的开关与灶头之间的对应关系，这一切，无不体现出空间相合性的重要性。在如此众多的显示器和操纵器中，如何将其一一对应起来，使用户操作起来简单明了，即体现出空间相合性设计的重要性。图2为产品空间相合性的几个实例。 1.2 运动相合性
运动相合性的研究始于1947年[7]。它指的是操作一个控制器所产生的运动效果与人们心理预期的相符程度[8]。如图3所示[9]，当操纵器为手柄时，将其向右向上拔动（或者当操纵器为旋钮时，将其顺时针旋转），其所对应的显示器指针也对应向右向上运动，这样的操纵-显示关系即为相合的，否则即为不相合的。
运动相合性关系在产品人机界面中也是广泛存在的，例如：电风扇开关与风速的对应关系、汽车车窗开关按钮（或手柄）与窗户玻璃的升降关系，以及游戏机遥控器与游戏场景的运动关系等（见图4）。在以上相联系的显示器与控制器中，控制器的操作结果如何在显示器中得以体现，它是否符合用户的心理预期，则是运动相合性的研究要点。
在日常的生产和生活中，存在大量空间和运动不相合的人机界面，如图2（a）所示的某设备操作面板，其操纵器与显示器之间明显不存在明确的对应关系，实际操作中难免会出现操作反应时间变长、错误增多，严重时甚至会导致生产事故的情况。又如图4（a）所示的电风扇操作旋钮，顺时针旋转该旋钮，其风速是变小的，这并不符合人们的心理预期，显然会给人们的操作带来诸多困扰。由此可知，产品人机界面中的相合性对于人机系统的操作效率和失误率的影响是十分巨大的，因此提高人机界面相合性就显得尤为重要。
2 提高人机界面设计的相合性
2.1 对操纵器进行编码
操纵器是将人的信息输送给机器，用以调整、改变机器状态的装置。在使用多种操纵器的复杂操作场合，对操纵器进行适当的编码，是提高系统效率和减少失误率的一种行之有效的方法[9]。
常用的编码方法有形状编码、位置编码、颜色编码和符号编码。
2.1.1 形状编码
形状编码，即让具有不同功能的操纵器具有各自的形状特征，且其形状与功能之间要有某种逻辑上的联系，从而便于操作者的视觉和触觉辨认。如图5（a）所示的某遥控器，其上按钮众多，为区分起见，对其不同功能的按钮设置了不同的形状。
2.1.2 位置编码
位置编码，即利用安装位置的不同来区分操纵器。如果设计合理，则操作者可在不必注视操作对象的情况下即可进行操作。如汽车的油门和刹车、计算机键盘上的各种按键，均是按照位置进行编码的，如图5（b）所示。
2.1.3 颜色编码
颜色编码，指的是利用色彩不同来区分操纵器。由于颜色编码依赖于视觉，因此其对采光和操作者的视觉能力有一定要求，且色彩种类也不宜过多。如果颜色编码与其它编码方式组合使用，则效果更佳。如图5（c）所示为某数控机床操作面板的局部，该面板即采用了颜色编码与形状编码相结合的方式。
2.1.4 符号编码
符号编码指的是利用操纵器上标注的文字符号来区分操纵器。通常，当操纵器数量很多，其他编码方式又难以区分时，可在操纵器上标上适当的符号或文字以增加分辨效果。如计算机键盘上的按键，每个按键上面均有相应的符号标识。又如图5（d）所示的电风扇控制旋鈕，标识了相应的文字和符号之后，一目了然，不易出错。
2.2 考虑人的生理特征和使用习惯
根据上述运动相合性原理，当顺时针操作旋钮时，其对应的显示器数值应随之相应增加，这一原理可应用在大多数的人机界面设计中。但也有例外，如图6所示的燃气灶旋钮，当逆时针操作该旋钮时，火力随之增大，逆时针旋转到90°时，火力达到最大;90°之后，火力又随着旋钮度数的增大而减小。
究其原因，如此设计主要还是考虑到了人的生理特征和使用习惯。由于人群中约90%的人是右利手，即惯用右手者，因此大多数用户操作燃气灶旋钮时使用右手，而用右手逆时针操作旋钮时，手是向挠侧偏[9]的，而挠侧偏更符合人的生理特征和使用习惯。因此，在人机界面的显示与操纵的相合性设计中，考虑人的生理特征和使用习惯也是一个十分重要的原则。
3 结语
人机界面作为人与产品之间的一个桥梁，在人机交互中起着越来越重要的作用。而人机界面中显示与操纵的相合性在很大程度上反映了产品的人性化程度，决定了产品的易用性。相合性好的人机界面，用户在操作过程中可得到与心理预期相符的反馈，因此将直接提高操作准确率，降低错误率。反之亦然。空间相合性和运动相合性在产品人机界面中广泛存在，设计不好的实例比比皆是，从而给用户操作带来很大困惑。因此，在人机界面设计中，遵循一些原则和措施是十分必要和重要的，只有如此，才会设计出良好的产品人机界面，从而带来更佳的用户体验。
参考文献
[1] 梁艳霞.人机界面中刺激-反应空间相合性研究综述[J].江苏师范大学学报：自然科学版，2014，32（1）：74-78.
[2] 李余峰，薛艳敏，张晓辉.基于人机工程学的电子设备人机界面设计[J].包装工程，2011，32（6）：63-66.
[3] Fitts，PauLM.，Seeger，Charles M.S-R Spatial characteristics of stimulus and response codes[J].Journal of Experimental Psychology，1953（46）：199-210.
[4] Robert W.Proctor，KimPhuong L.Vu.-P.L.Vu.Stimulus-Response Compatibility Principles[M].Taylor & Francis Group，2006.
[5] Chapanis，A，Lindenbaum，LE.A reaction time study of four control-display linkages[J].Human Factors，1959，1（4）：1-7.
[6] Swei-Pi Wu. Further studies on the spatial compatibility of four control-display linkages[J].International Journal of Industrial Ergonomics，1997（19）：353-360.
[7] Warrick， MJ.Direction of movement in the use of control knobs to position visual indicators.USAF AMC Rep.No.694-4C[Z].1947.
[8] WH Chan， AHS Chan. Movement compatibility for rotary control and circular display-computer simulated test and real hardware test[J].Applied Ergonomics，2003（34）：61-71.
[9] 丁玉兰.人机工程学[M].4版.北京：北京理工大学出版社，2011.
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