基于工效学对组态式监控系统的人机界面布局研究

王亦萌　王坚

摘要：随着信息化程度在工业環境中应用的普及，组态式软件在工业化数据监控中的应用越来越广泛。组态式软件通常用于大型工程项目中对于设备、环境的监控，其特性决定系统中有大量的数据信息、图像信息给工作人员造成较大的认知负担。本文以舱室温度差异化调节试验平台系统显控界面为例，考虑系统中同时涉及模拟显示、数字显示等大量复杂信息，作业人员在操作的过程中使用视觉信息搜索来采集相关数据，并将其视觉认知到的信息转换成储存模式中的短时记忆储存为主要的人机交互方式。因此，本文从眼动规律、菲茨定律数学模型以及其他工效学相关理论做为理论依据，以功能层级划分为主要形式依据，重点解决传统组态式系统界面中复杂、繁琐的问题。

关键词：工效学；监控系统；人机界面

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（201 6129-0243-02

组态软件是一种通过将传感器采集到的模拟或者数字信号的方式输入PLC进行处理后生成监控人员所需要的信息及数据，安装于windows等操作系统的开发程序，常用于空间监控、设备监控、电力等大型工程环境。目前多数的组态软件因为监控点数多、需带有大量统计分析的数据库，所以使得了其每个界面中都需要容载大量的数据信息、图像信息、图表信息，人机界面上大量的信息堆叠会形成视觉上的杂乱感，无论是视觉搜索还是光标对按钮的选取都很大程度的给作业人员增加信息干扰。随着对视觉规律理论在IT行业中应用被证实其科学有效性，以及人们对用户体验的重视，眼动追踪技术也随之发展并广泛应用于互联网行业的商业行为。但是工效学中的信息搜索与信息选取理论在工业领域应用的较少，通过对人眼习惯性运功轨迹、视觉辨识的研究，对舱室温度差异化调节试验平台系统显控界面进行分析设计，重点在于用减少作业人员的时间压力和认知压力，提高作业人员与界面交互的友好性。

1舱室温度差异化调节系统平台研究

1.1l功能层级划分

舱室温度差异化调节系统是用于监测24个舱室室内温度、湿度、风机进出风量、以及其他空调机组数据信息的系统平台。结构系统（见图1）中的主要功能模块有变风量空调、定风量空调、新风机组、冷热源模块、风机盘管、定压装置、辅助监测、报警查看，在层级划分中，将以上8个模块作为第一层级。在第一层级的监控对象中，每个监控设备的对象分别有其相应的显控状态包括：结构视图（模拟显示）、布风器（数字显示）、系统趋势（图表显示）、末端趋势（图表显示）、报表查询（表格显示）等，将其列为第二层级。以变风量空调模块为例，所对应的结构视图子模块为模拟显示方式，对于相应的设备进行抽象形态提取，24个舱室用标有序列号线性框表示。布风器子模块中每个舱室所需要采集的包括：房间温度、房间设定温度、末端实际风量、末端需求风量4个参数。因为布风器模块为单纯数字显控模式，24个舱室参数以每个舱室为单位以带有序号线框划分列与同一张界面上，而不需要再以舱室为单位划分第三个层级。曲线趋势子模块中，要根据时间的变化来监控每个舱室末端的参数值的变化，因此以每个舱室为单位划分成为第三个层级，每个层级以折线统计图的形式显示。报表查询子模块为无限下拉的表格形式。

1.2菜单层级划分

第一层级8个主功能模块名称为第一层级菜单，第二层级的监控显示状态名称为第二层级菜单，曲线趋势中24个舱室的序号为第三层级菜单。在第一层级中添加EXIT按钮，无论位于哪一层级的界面中，点击EXIT按钮都可以返回上一层界面。

2舱室温度差异化调节系统平台界面布局

2.1主界面功能模块内容

根据上述的在系统中划分的三个菜单层级的布局设计中，将主界面的划分成以下模块：系统标题栏、一级菜单栏、二级菜单栏、主要功能模块区域、返回上一步按钮（如图2所示）。三级菜单作为按钮置于系统趋势、末端趋势等曲线统计图界面。

2.2菲茨定律数学模型的应用

菲茨定律（fitt‘s law，用于估算用户移动光标点击链接或控件按钮所需的时间的数学模型。）的数学模型：T=a+b log2（D/W+1）分析，T代表光标从起始位置到目的位置所用的时间，D代表起点到目标位置的距离，W代表目标的大小。a、b为经验参数根据具体环境改变而改变。

根据公式可以得出，光标从起始到目的所需用的时间和它们之间的距离成正比，光标到达目的所用的时间和目标大小成反比。选取较目标物比较小会限制光标的移动速度，因为当光标快要到达目标物的时候使用者便会提前减缓速度以防止移动过快超出目标范围，因此光标的移动速度和目标物的大小成反比。我们常见到将某个系统将多个子模块的简要信息平铺在一张总览图上面，点击便可进入查看子模块详情，次类的进人次层级的方式比点击以子模块名称命名的按钮效率更高，缺点是返回上一层级需要逐步操作，无法直接点击其他层级按钮。其次，在很少数的情况下有条件将按钮放到足够大。

根据菲茨定律理论中所提到的：目的地明确的移动可以细分为两个部分，首先一个大幅度的移动将光标移向与目标大致相同的方向和区域；紧接着是一系列精细的小幅度微调来将光标精确定位在目标中心，后者的人机活动负担高于前者。因此，在屏幕的边和角的位置比较适合放置菜单栏和按钮，因为边角在鼠标的移动过程中所呈现的物理空间是无限高或无限宽，你不可能用鼠标超过它们。人手无论有多大幅度的滑动，鼠标最终会停在屏幕的边缘，并定位到按钮或菜单的上面。将菜单置于界面的边缘位置，可以使得作业人员在操作鼠标时尽可能地减少甚至省略对于光标的小幅度微调以减轻认知负荷，因此将一、二级菜单分别放置于界面的边缘。

2.3眼动追踪的应用

显示屏已经确定了为16：9的宽屏显示器，横向长度远大于纵向。根据计算机显示按钮的一半字符大小来计算，一级菜单数量为8，二级菜单中的数量最多为5、最少为3，横向尺寸无法容纳一级菜单的字符，因此将一级菜单置于纵列，二级菜单置于横列。在通常情况下作业人员对系统的浏览顺序应该为：系统标题栏<一级菜单栏<二级菜单栏<功能模块<返回。如图所示，下面对于布局提出几种方案，从a点到e点的带有箭头指向的线段为作业人员的正常浏览轨迹。

在工效学中有关于视觉运动规律的理论依据有提到：1、眼睛沿着水平方向比沿着垂直方向运动更快，且不容易疲劳，通常在视物的过程中先看到水平方向的物体，再看垂直方向。眼睛对水平方向的尺寸比垂直方向要估计得准。2、对于矩形物件视线的变化习惯于从左-右、上-下，对于圆形物件习惯用顺时针的方式进行浏览。

第二层级菜单位于第一层级菜单的右下方向最符合人的搜索习惯。如图2所示，a点到b点的轨迹为一般情况下的视觉搜索轨迹，浏览顺序为上一下，左上一右下，下一上，左上一右下，基本符合一般人眼运动规律的。而图3中从点b到点c的轨迹，图4中点d到点e的轨迹都适合人们习惯性的视觉运动规律相反的，所以图2中的界面布局方案在减轻操作人员的认知负担时更为合理。

3结论

本文将工效学中的视觉运动规律理论，菲茨定律数学模型应用到工业化组态式软件系统中。首先对软件系统的模块层级进行分析整理，确定系统的层级划分。首先确定了将一、二两个层级的单行菜单置于界面边缘位置，然后提出几种界面布局的设计方案，再根据视觉运动规律使用排除法将不合理的方案排除，得出最终的合理方案。根据用眼动规律来分析证明以上的对于主界面的功能菜单布局规划，用于减少工作人员的操作动作，降低认知负荷是行之有效的。