基于人因学的装备维修IETM人机界面设计研究

    装备维修交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technical Manual,IETM）是用于武器系统或军用及商用设备诊断和维修的信息数据包，其实质是给装备维修或操作人员提供技术信息的数字化技术手册。很长一段时间以来，由于受传统的“功能为主”观念影响，人们在评价应用软件质量好坏的唯一标准，就是看它是否具有强大的功能，是否能够满足用户的需求，而人机界面的设计则往往不为软件开发人员所重视，装备维修IETM也面临着同样的问题。众所周知，人通过对装备技术信息的学习和理解，才会熟悉和驾驭装备。在这种意义上，技术手册已成为实现人与装备有机结合的纽带。技术手册最初是以纸质为存储介质。信息化时代的到来，不仅使装备的各种技术数据大量增加，而且要求装备的技术信息必须满足快速查找使用、远距离技术支持的要求。因此，以纸张为存储介质的技术手册难以胜任时代重任。随着计算机技术的发展，交互式电子技术手册逐渐显现，其数字存储的方式带来很多便利，其替代纸质技术手册已成为历史的必然。

    然而，计算机虽然可以存储大量的技术信息，但是其屏幕上显示的空间却是有限的。随着信息技术的迅猛发展，装备维修IETM人机界面要求发生了高科技化、自然化、人性化等变化，同时，当利用计算机存储大量技术信息时，尺度有限的屏幕无法显示信息的整体情况，即便是技术信息有重点的显示，屏幕也常常是捉襟见肘。这种问题的存在就需要对界面进行优化显示，弱化矛盾。

1 装备维修IETM人机界面设计基本原则

    人机工程学（Ergonomics）是一门研究人与机器进行交互而达到最佳效能的学科。按照人机学的观点，人和机器各有优点和缺点，机器是人完成某项任务的工具。在机器完成某项任务需要人的介入时，机器的设计必须能够适于用户的使用要求，才能使人和机器同时发挥出各自的优势。航空维修IETM人机界面设计是人机工程学的一部分，即如何让技术的发展围绕人的需求来展开，把人作为产品和环境设计的出发点，使其性能、操作方法、外观、色彩等更好地适应和满足人类的生理和心理的需要，从而使维修人员在工作中更安全、便捷和舒适，工作效率更高。通常的人机界面设计中，开发者往往更多考虑的是界面的有用性设计和高效性设计，而忽略了用户的需求。对于一个人机界面而言，功能和特性是要通过使用者来体现的，如果不将人的因素考虑在内，系统的功能就很难真正体现。如图l所示，装备维修IETM人机界面的研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术等多个领域，本文主要从人机和谐的角度研究装备维修IETM人机界面的设计。

图1 装备维修IETM人机界面设计所涉及的学科

2 对装备维修IETM中用户的理解

    装备维修IETM人机界面设计中最重要的原则就是了解产品的用户，只有这样才能为用户提供一个可用的产品。面向用户的装备维修IETM人机界面设计的最基本思想就是将用户时时刻刻摆在所有过程的首位。在产品寿命周期的最初阶段，产品的策略应当以满足用户的需求为基本动机和最终目的。在其后的产品设计和开发过程中，对用户的研究和理解应当被作为各种决策的依据同时，产品在各个阶段的评估信息也应当来源于用户的反馈。所以用户的概念是整个设计的中心。

    简单地说，用户指使用产品的人。从这个简单的定义不难看出，用户这一概念包括两层含义：

    ①用户是人类的一部分。用户具有人类的共同特性，用户在使用任何产品时都会在各个方面反映出这些特性。人的行为不仅受到视觉和听觉等感知能力、分析和解决问题的能力、记忆力及对于刺激的反应能力等人类本身具有的基本能力的影响，同时，人的行为还时刻受到心理和性格取向，物理和文化环境，教育环境以及以往经历等因素的制约。

    ②用户是产品的使用者。以用户为中心的设计和评估研究的人是与产品使用相关的特殊群体。他们可能是产品的当前使用者，也可能是未来的，甚至是潜在的使用者。这些人在使用产品过程中的行为也会与一些与产品有关的特征紧密相关。例如，对于目标产品知识，期待利用目标产品所完成的功能，使用目标产品所需要的基本技能，未来使用目标产品的时间和频率等。

    因此，研究用户应当从用户的人类一般属性和与产品相关的特殊属性着手。可以看出，以用户为中心的界面设计即应用了生物学、统计学等自然科学的方法，也离不开心理学、社会学等人文科学的帮助。这些理论构成了一个关于人的因素的交叉学科又被称为“人因学”（human factors）。人因学的一般理论和方法可以被用在人和包括人与机器交互的系统中。
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3 基于人因学的装备维修IETM机界面设计

    作为一个电子显示系统，人要通过装备维修IETM人机界面与之进行交互，以满足查找、搜索相关技术或获取帮助的要求，这个交互的过程可由图2概括。

图2 装备维修IETM人机界面于人交互的信息流程和工作方式

    基于这个模型，可知人是通过交互界面与计算机处理系统进行耦合的。如果耦合度较高，则人机一体化的程度就高，装备维修IETM人机界面的使用效率和效果就好。所以，在设计装备维修IETM人机界面时，设计的人机交互界面不仅要满足计算机精确、快速的特性，还要符合人的生理特性和认知规律。通过查找相关资料和实际IETM界面有影响是人的感知、认知和反应等问题。

    （1）人的感观搜索

    在人的感知问题上，人会扫描环境的特定特点，去积极地寻找出现的目标。在搜索目标时遇到干扰（把人的注意从目标刺激转移过去的非目标刺激）就常产生错误警报。不仅干扰的数量影响着目标寻找任务的难度，而且当干扰与目标没有区别性特征时（如颜色、大小，与相似项目的近似程度，与不同项目的差距，或方向垂直、水平倾斜），我们只能进行联合搜索，或搜索的速度减缓。

    人的因素是无法或者在短期内改变的。在装备维修IETM人机界面设计时，尽量使装备维修IETM人机界面各项内容在计算机界面上表达的方式与的感观特性相吻合。在纸质手册转变成IETM时，其包含的技术信息内容的储存和显示方式都发生了根本性的变化。界面显示的方式必须与人的认识方式和操作行为相吻合，使界面具备很强的亲合力，才能使装备维修或操作人员很乐意、高效地使用交互式电子技术手册。根据人的认知特性，应遵循的原则如下。

    界面中能够显示的格式可以是文本、矢量图、图像、音频、视频。对于单一表现格式，根据人的感观搜索特点和参照人机工程学的研究成果，确立以下原则。

    位置选择的原则：在一个平面上，上半部让人轻松和自在，下半部则让人稳定和压抑。同样，平面的左半部让人轻松和自在，右半部让人稳定和压抑。所以平面的视觉影响力上方强于下方，左侧强于右侧。这样平面的上部和中上部被称为“最佳视域”，也是最优选的地方。所以，最重要的技术信息要放在左上角，然后按人的阅读习惯，从左至右，从上到下进行排列。

    大小选择的原则：一般地，界面中出现的文字的大小可由Peter和Adams建议的公式确定：

    H＝0.0022D＋25.4×（K1＋K2）

    式中，H为目标的高度（mm）；D为人眼与目标的距离（mm）；K1为与内容重要性相关的系统，一般情况取0，重要的情况取0.075；K2为与照明条件相关的系数，根据照明条件为很好、好和一般分别取0.06、0.16和0.26。

    文字的宽度与高度成一定的比例，其宽度可按表1进行计算。

表1 文字宽度的确定

    颜色刺激选择的原则：首先是色彩的选择。IETM的界面主要是以实用为主。而且使用时，常常要有时间的限制，操作人员要迅速的找到相关的信息。因此，其色彩需要自然。在一般情况下，色彩的选择以浅颜色为背景，配上深颜色的字或深色的图标。对于要重点强调的内容，要采用少量的明亮色彩。这些彩色亮点就会产生强烈的视觉冲击，但不能用得太多。多了就会形成一种均匀的噪声，而达不到强调的效果。再者是色调的选择。战时会让人心理负荷加重。在这种情况下，使用色调阴暗的IETM可能引起更大的心理障碍，造成出错。因此，IETM界面的色调应与使用人员的心情相一致，要表现出精细、庄重的情况来。颜色选择的艺术性成份含量很高。

    综合表述的原则：有时候，一种显示格式难以充分表达其含意。常常需要几种格式同时运用。比如，文字难以表达的东西，一个图标就可以充分的表达；图标也有缺点，比如图标就难以表达动作方面的知识。音频会带来不同的意思，容易造成误解；视频的反应时间长，不容易描述，并且采集困难。为增强学习效果，提高界面可用性。可以同时采用多种格式表达同一囊括，比如对图标增加文字热键、声音等，对操作步骤采用视频演示的办法。使用户更加准确的理解IETM所提供内容的含意。

    （2）人脑对知识的表征

    在人认知问题上，认知心理学家Allan Collins和Ross Quillian认为：知识是按照一个层次的语义网络来进行表征的，该网络是一张由各要素互相链接而成的网。根据这种说法，有组织的知识是以一种层次树状图的形式存在的。即人脑中知识存储有两个特点：一是用多又树状结构保存概念。二是任何一个知识都可能与许多其他知识相联系，像一个网。

    如前所述，装备维修IETM人机界面信息的显示是有限的，大量的知识“隐藏”在计算机的内部。当人搜索到界面的信息后，会按自己已有的逻辑认识找下一步信息。计算机对知识的表达也类似于人脑，它使用网层文字来表达，网层之间的逻辑关系用链接来表达。用户界面设计就要使得人脑的逻辑关系与计算机中链接的相一致，当操作人员在显示界面中找下一层信息时，若与其头脑中的陈述性记忆预期相一致时，则容易被其理解。如果不一致，则需要学习与记忆，即增加了使用IETM的时间。

    在创建链接时，要坚持下面的几个原则：

    ①同一个系统内建立链接的标准要一致。保证操作人员能够根据标准清楚的掌握链接的路径，防止操作人员按链接寻找信息时发生“迷路”。

    ②装备维修IETM人机界面中的每一个链接要含意准确。建立准确链接的基础是对所要表达信息的定义、程序等内容进行统一，防止形成的链接节点在其内容上语义不同，最后与用户的预期不符。

    ③装备维修IETM人机界面中的链接要完备。同样要对信息的定义、程序等内容进行分析，尽量发现语义相近的内容之间的链接，同时，还应适当控制链接的数量，以减轻用户的认知负荷。

    （3）人的操作行为

    行为主义心理学家斯金纳认为人的行为反应是后天习得的。它所依赖的是事后的强化刺激，所以操作性条件特别重要。如果人受到的强化刺激相同，则人的操作行为反应强度越强。装备维修IETM的目的就是提高装备维修人员的技术能力要快速的获取技术信息，就要快速的操作IETM，提高使用速度的方法是强化各种动作的操作。通过长时间、或强化的训练，用户很可能对IETM的操作从有意识变成无意识。这样就能够实现快速的操作和使用装备维修IETM，实现的条件就是要不断的进行相同的刺激。主要表现在以下两个方面：

    ①界面操作的一致性。一致性好的界面可以让用户前面的操作经验延伸到新的操作任务中，在更好的完成操作任务的同时，也达到了降低用户记忆负担的目的。界面操作的一致性通常表现在以下几个方面：一是风格的一致性，例如色彩搭配、系统术语、图标与符号等；二是控件的一致性，将控件根据操作习惯和交互需要进行分类组合；三是操作的一致性，对于那些常用或重要功能，要保持操作方式的一致性，同时还要注意要符合用户的使用习惯。这些一致性使用户能把现有的知识传递到新任务中去，可以更快地学习到新的知识。

    ②防止失效问题的设计。一是在进行每一项动作操作前，特别是容易造成意外或失控的情况下，给予清晰的提示。根据后果的不同，可将提示分为：说明、注意和警告三个等级，提示用户可能产生的后果。二是用户按IETM提供的信息进行操作时，可能要暂时离开屏幕，进行实物操作，再回来操作时，用户容易忘记断点位置。解决这类问题的主要方法是提供断点记忆帮助。
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4 装备维修IETM人机界面实例演示

    如图3所示的页面，它的总体框架可分为功能区、工作区和状态区。功能区分为：标题栏、菜单栏、导航条；工作区分为：导航树、状态栏；状态区分为：状态栏。这种总体框架是仿微软的视窗结构。根据上面所述的人的操作行为，只要是操作过计算机的人一般都对它的总体结构就很熟悉，使用IETM就会很快上手。

图3 装备维修IETM人机界面设计实例

    根据感观的特性，将当前的款项采用深度颜色，以突出当前的项目。同时对于工作区内的字体与各个框架内的字体不一致，框架内字体采用黑体，而工作区内的字体采用宋体，以区分二者。字体应以白底黑字为主调，对于特殊的字体按相关的标准进行采用。

    采用树结构和地址来指示界面主体到达的位置，给使用者以清晰位置指示。对于更深层次链接的显示采用不同的颜色，同时记录链接所到达的位置。

5 结 论

    本文以“人因学”为理论支撑探讨了装备维修IETM人机界面的设计，研究可以使装备维修IETM人机界面的设计更加充分考虑了“人的因素”，使人机系统中的人与机更加配合与协同，更多的让机器代替人的工作，尽可能减轻用户的记忆和操作负担，用户可以安全、舒适、高效的进行操作和使用，为实现装备维修IETM界面“人机合一”提供了思路。本文在这些方面进行了有益的探索，并且也为其他装备IETM界面设计提供了思路。