拖拉機(jī)視覺(jué)顯示裝置人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)研究

侯 寧

HOU Ning

（洛陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械工程系，洛陽(yáng) 471003）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視，駕駛員的健康工作環(huán)境也受到人們的關(guān)注。駕駛室是為駕駛員安全和舒適的工作而設(shè)計(jì)的工作環(huán)境，它內(nèi)部的顯示裝置是關(guān)乎駕駛員準(zhǔn)確、安全操作機(jī)器的重要構(gòu)件，應(yīng)從人機(jī)工程學(xué)出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)。人機(jī)工程學(xué)研究的核心是作業(yè)中人、機(jī)器及環(huán)境三者間的協(xié)調(diào)，這就要求拖拉機(jī)顯示裝置的設(shè)計(jì)要綜合考慮駕駛員、車(chē)輛以及外部環(huán)境的各種因素，為駕駛員構(gòu)建一個(gè)安全、健康、舒適和高效的作業(yè)環(huán)境。儀表板是拖拉機(jī)的主要顯示裝置，本文從儀表板功能分析與方案選擇入手，對(duì)儀表、信號(hào)燈、儀表板的布置方面進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與人性化探討。

1 人機(jī)工程學(xué)與顯示裝置設(shè)計(jì)

人機(jī)工程學(xué)是一門(mén)運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和其他學(xué)科的有關(guān)知識(shí)，使機(jī)器與人相適應(yīng)，創(chuàng)造舒適而安全的工作條件，從而提高工效的學(xué)科[1]。顯示裝置設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)是密不可分的，顯示裝置是在產(chǎn)品中，專(zhuān)門(mén)用來(lái)向人表達(dá)機(jī)器和設(shè)備的性能參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作指令以及其他信息的裝置。在人機(jī)系統(tǒng)中，按人接受信息的感覺(jué)通道不同，可將顯示裝置分為視覺(jué)顯示裝置、聽(tīng)覺(jué)顯示裝置和觸覺(jué)顯示裝置，其中以視覺(jué)顯示裝置最為重要[2]。儀表板作為視覺(jué)顯示裝置部分，它的人機(jī)化設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確合理地傳遞機(jī)器或設(shè)備的工作信息，決定駕駛員對(duì)信息的處理速度與質(zhì)量。所以現(xiàn)代拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中駕駛室儀表板的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)是十分重要的。我國(guó)國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)設(shè)計(jì)雖然取得一定的成績(jī)，但是駕駛室儀表板仍然存在樣式老化、千篇一律、缺少創(chuàng)新，人機(jī)性不好等問(wèn)題。雖然儀表的選配是標(biāo)準(zhǔn)件，但是符合人機(jī)的個(gè)性化的設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足人們不斷增長(zhǎng)的高層次精神需求，儀表板設(shè)計(jì)將更加多元化，人性化。

2 拖拉機(jī)視覺(jué)顯示裝置的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 儀表板功能分析與方案選擇

駕駛員是靠?jī)x表的指示來(lái)隨時(shí)掌握車(chē)各部分機(jī)件的工作狀態(tài)，特別是在偏僻野外或山區(qū)行駛的拖拉機(jī)，準(zhǔn)確無(wú)誤的儀表指示是不可缺少的。拖拉機(jī)儀表板包括速度表、累計(jì)里程表、油量表、電瓶表、油壓表、水溫表等。駕駛員通過(guò)它們的顯示來(lái)判斷車(chē)輛運(yùn)行狀況。信號(hào)燈也是儀表板上重要的顯示裝置，它起到警示和提醒的作用[3]。儀表板的設(shè)計(jì)首先要從系統(tǒng)化理念出發(fā)整理儀表板的實(shí)用功能以及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用功能論的設(shè)計(jì)方法對(duì)儀表板的功能進(jìn)行了抽象和分析，這樣可以找到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最好的途徑與方法，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[4]。儀表板的功能可分為顯示功能和控制功能，圖1分析了儀表板的顯示功能，并列舉出實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能的方案。

圖1 儀表板顯示功能分析圖

通過(guò)功能分析，根據(jù)所顯示參數(shù)的性質(zhì)的不同，六個(gè)儀表可選用不同的顯示方式，其中速度表、油壓表、水溫表是比較重要的儀表，駕駛員要隨時(shí)準(zhǔn)確的讀取它們的數(shù)值，并掌握它們?cè)谡麄€(gè)工作狀態(tài)中所處的位置，因此選用定量顯示方式，可用儀表盤(pán)進(jìn)行模擬顯示。累計(jì)里程表記錄車(chē)所行駛的總里程數(shù)，需用數(shù)碼直接顯示有關(guān)參數(shù)值，即選用定性顯示的數(shù)字式顯示裝置。油量表和電瓶表需顯示系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)范圍，通常顯示正常、警戒、危險(xiǎn)三種狀況，因此選用屏幕警戒顯示方式，用顏色做為警戒顯示的標(biāo)識(shí)[5]。

2.2 儀表設(shè)計(jì)

1）儀表的形狀與大小。儀表刻度盤(pán)形狀主要有開(kāi)窗式、圓形式、半圓形式、水平直線式和垂直直線式等，它們的認(rèn)讀效果各不相同，選擇時(shí)要符合人的視覺(jué)特征，并適合顯示方式的要求。開(kāi)窗式優(yōu)于其他形式，它的視線集中，動(dòng)眼掃描路線短，認(rèn)讀范圍小誤讀率低。圓形和半圓形儀表優(yōu)于直線式，因?yàn)樗鼈兘o予人眼二維空間的刺激，動(dòng)眼掃描路線比直線短，且符合人們觀察儀表的習(xí)慣。水平直線式優(yōu)于垂直直線式，由于人眼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為水平運(yùn)動(dòng)比垂直運(yùn)動(dòng)速度快且準(zhǔn)確。儀表刻度盤(pán)的大小對(duì)儀表認(rèn)讀速度和精度有很大影響，儀表盤(pán)直徑過(guò)小時(shí)，刻度標(biāo)記、數(shù)碼等細(xì)小密集難于辨認(rèn)，相反過(guò)大的刻度盤(pán)，使人眼的視力中心分散，掃描路線變長(zhǎng)而不易認(rèn)讀。刻度盤(pán)的直徑不僅要考慮刻度數(shù)量，還取決于觀察者的視角和觀察距離，按式（1）計(jì)算即可得到刻度盤(pán)的尺寸。

式中，D為刻度盤(pán)直徑；L為視距；A為視角。實(shí)驗(yàn)表明，儀表的最佳觀察視角為2.5°～5°，最佳視距為710mm[6]。

2）刻度與刻度線。刻度盤(pán)上刻度線間的距離稱(chēng)為刻度，它是人與機(jī)器進(jìn)行信息交換的重要途徑。刻度大小要適宜，過(guò)小過(guò)大都不利于認(rèn)讀。刻度的大小可根據(jù)人眼的最小分辨能力來(lái)確定。人眼直接讀數(shù)時(shí)，刻度的最小尺寸不應(yīng)小于0.6mm～1mm，一般宜在1mm～2.5mm間選取，必要時(shí)也可取為4mm～8mm。刻度的最小值還受所用材料的限制，鋼和鋁的最小刻度為1mm，黃銅、鋅和白銅的最小刻度為0.5mm。刻度線一般分長(zhǎng)、中、短三級(jí)，每一個(gè)刻度線代表一定的測(cè)量數(shù)值。在足夠的照明條件下，刻度線的長(zhǎng)度與觀察距離L成正比，例如L取0.5m～0.9m時(shí)，長(zhǎng)刻度線長(zhǎng)度為10mm，中刻度線長(zhǎng)度為7.1mm，短刻度線長(zhǎng)度為4.3mm。刻度線寬度一般為刻度大小的5%或15%，以10%左右為最優(yōu)[7]。

3）刻度標(biāo)注與指針設(shè)計(jì)。儀表的刻度需標(biāo)上相應(yīng)的字符供人認(rèn)讀，刻度盤(pán)上刻度值的遞增順序稱(chēng)為刻讀方向，一般是從左到右、自上而下或順時(shí)針?lè)较颉x表刻度標(biāo)注一般為數(shù)字、漢字、拉丁字母及各種專(zhuān)用符號(hào)。字符形狀的要求簡(jiǎn)單醒目，宜多采用直線和尖角，加強(qiáng)各字體本身特有的筆劃，突出字形的特征，使觀察者能準(zhǔn)確迅速地認(rèn)讀[8]。刻度標(biāo)注的大小與視距有關(guān)，同時(shí)受到環(huán)境光線的影響。指針形狀的設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單明確，沒(méi)有裝飾，以尾部平、頭部尖、中間等寬或狹長(zhǎng)三角形的形狀為好。指針針尖寬度應(yīng)與最短刻度線等寬，針尖寬度過(guò)小使指針在刻度線范圍內(nèi)的移動(dòng)時(shí)不易看清。針尖寬度過(guò)大使指針在兩刻度線之間時(shí)，估讀精度降低。指針長(zhǎng)度要合適，針尖不要覆蓋刻度線，一般離開(kāi)刻度線1.6mm左右[9]。

4）儀表色彩設(shè)計(jì)。儀表的色彩設(shè)計(jì)主要指刻度盤(pán)面、刻度線、刻度標(biāo)注以及指針的顏色配置，它對(duì)儀表的認(rèn)讀有很大的影響，是儀表人機(jī)化設(shè)計(jì)的重要方面，儀表的色彩設(shè)計(jì)要綜合考慮色彩配置知識(shí)與環(huán)境因素的影響。在實(shí)際使用中，黑與白的明度對(duì)比最高，符合人們的視覺(jué)習(xí)慣，因此，儀表盤(pán)面常用黑色，主要指針為白色或黃色等，次要指針用其他對(duì)比顏色，而刻度線、刻度標(biāo)注和主要指針同色。在光線較差的條件下，應(yīng)采用白色盤(pán)面黑色刻度線或配以燈光，加強(qiáng)認(rèn)讀效果[2]。

2.3 信號(hào)燈設(shè)計(jì)

信號(hào)燈產(chǎn)生光信號(hào)，是重要的視覺(jué)顯示裝置。信號(hào)燈的設(shè)計(jì)必須適合于它的使用目的和使用條件，保證信息傳遞的速度和質(zhì)量。一般情況下，信號(hào)燈只是用來(lái)指示一種狀態(tài)或要求，如車(chē)輛轉(zhuǎn)向信號(hào)燈用來(lái)指示轉(zhuǎn)彎方向。某些情況下，信號(hào)燈也可用來(lái)傳遞信息，如用燈光信號(hào)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。儀表板信號(hào)燈通常用顏色來(lái)表現(xiàn)功能，作為警戒、禁止、停頓或指示不安全情況的信號(hào)燈應(yīng)使用紅色，如剎車(chē)燈。提醒注意的信號(hào)燈宜使用黃色，如工作燈。表示正常運(yùn)行的信號(hào)燈應(yīng)使用綠色，如轉(zhuǎn)向燈。其它信號(hào)燈則用白色或別的顏色。在儀表板上，信號(hào)燈必須清晰醒目并保證一定的視距，避免信號(hào)燈太多，形成雜亂和干擾。信號(hào)燈的亮度要能吸引操作者的注意，其亮度至少是背景亮度的兩倍，而背景最好灰暗無(wú)光，清晰的同時(shí)不能太亮而造成眩目，或影響駕駛員在夜間觀察車(chē)外情況[10]。

2.4 儀表板的布置

儀表板的科學(xué)合理布置對(duì)駕駛員快速準(zhǔn)確認(rèn)讀數(shù)據(jù)有很大影響，拖拉機(jī)儀表板布置要遵循人的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。板面上的儀表排列順序最好與它們的認(rèn)讀順序相一致，儀表的排列順序還應(yīng)當(dāng)考慮到它們彼此間的邏輯關(guān)系，相互聯(lián)系多的儀表應(yīng)當(dāng)靠近布置。當(dāng)儀表很多時(shí)，應(yīng)按照它們的功能分區(qū)排列，各區(qū)之間可用明顯的分界線或圖案背景色加以區(qū)分。重要的儀表區(qū)，在儀表板上要有引人注目的背景，有助于認(rèn)讀。信號(hào)燈系統(tǒng)應(yīng)同其它顯示裝置形成一個(gè)整體，避免相互重復(fù)和干擾，強(qiáng)信號(hào)燈須離開(kāi)照明較弱的儀表遠(yuǎn)一些，如果必須相互靠近，信號(hào)燈就不能太強(qiáng)，以免引起誤讀。信號(hào)燈過(guò)多會(huì)沖淡操作者對(duì)重要信號(hào)的警覺(jué)，在此情況下，應(yīng)設(shè)法采用別的顯示方式來(lái)替代次要的信號(hào)燈。所有信號(hào)燈都要求安排在操作者不用轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和轉(zhuǎn)身就能看見(jiàn)的視野范圍內(nèi)。儀表板上的顯示裝置包括儀表、信號(hào)燈等要布置在人眼良好的視野范圍內(nèi)，重要顯示裝置布置在視野中心3°范圍內(nèi)，這是人的最優(yōu)視區(qū)，一般性顯示裝置允許安排在20°～40 °視野范圍內(nèi)，次要顯示裝置允許放置在40 °～60 °視野范圍內(nèi)[11]。

3 拖拉顯示裝置的人性化設(shè)計(jì)發(fā)展

拖拉機(jī)是一種在野外作業(yè)的重型機(jī)械，嚴(yán)寒酷暑、雨雪風(fēng)沙等環(huán)境因素，噪音、振動(dòng)、眩光等干擾因素都嚴(yán)重地影響駕駛員的正常工作，而且操作和顯示裝置相對(duì)復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)使駕駛員極易產(chǎn)生緊張和疲勞。在“以人為本”的現(xiàn)代社會(huì)里，拖拉機(jī)駕駛員的工作環(huán)境和身心健康受到了極大的關(guān)注和重視，所以，拖拉機(jī)顯示裝置的設(shè)計(jì)不僅要求造型美觀、結(jié)實(shí)耐用，還要求尺寸科學(xué)、布局合理，符合人機(jī)，使駕駛員在駕駛過(guò)程中得到生理和心理上的舒適感，減輕這項(xiàng)枯燥工作帶來(lái)的疲勞感。

人性化設(shè)計(jì)是以人為設(shè)計(jì)中心，對(duì)工業(yè)機(jī)械或產(chǎn)品從使用、操作、安全、可靠、環(huán)境、心理感受等方面進(jìn)行整體的考慮和構(gòu)思，并對(duì)人的生理、心理因素作出科學(xué)的定性與定量分析和研究，從而提出人與產(chǎn)品、機(jī)器協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。人性化設(shè)計(jì)是以人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展為前提和基礎(chǔ)的。人機(jī)工程學(xué)是一門(mén)多學(xué)科的交叉學(xué)科，研究的核心問(wèn)題是不同的作業(yè)中人、機(jī)器及環(huán)境三者間的協(xié)調(diào)[12]。所以，拖拉機(jī)顯示裝置的研究方法和評(píng)價(jià)手段涉及心理學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、人體測(cè)量學(xué)、美學(xué)和工程技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)各學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)化應(yīng)用來(lái)指導(dǎo)駕駛員工作環(huán)境的設(shè)計(jì)和改造，使得作業(yè)在效率、安全、健康、舒適等幾個(gè)方面的特性得以提高，從而滿(mǎn)足人的生理和心理雙重需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)是關(guān)乎我國(guó)國(guó)計(jì)民生的支柱產(chǎn)業(yè)，農(nóng)用機(jī)械在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此我們應(yīng)該對(duì)農(nóng)用機(jī)械的設(shè)計(jì)給予充分的重視，提高農(nóng)用機(jī)械操作的效率和使用的宜人性從而來(lái)推動(dòng)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[13]。同時(shí)，真正符合操作者的生理和心理訴求的拖拉機(jī)設(shè)計(jì)能夠使產(chǎn)品增值，也能更好的保障拖拉機(jī)駕駛員的健康和生命安全，所以對(duì)拖拉機(jī)的人機(jī)研究與人性化設(shè)計(jì)不僅會(huì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，還會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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