產品人機界面設計中的相合性研究

喻舒雅 梁艷霞 譚翀楠 許衛麗 龔春蘭 朱晨星

摘? 要：人機界面作為人與產品之間信息交流的一個平臺，在人機交互中起著越來越重要的作用。而人機界面中顯示與操縱的相合性在很大程度上決定了產品的易用性。論文通過不同的產品案例，分析人機界面設計中的空間相合性、運動相合性，以及提高相合性的常用措施。空間相合性指的是在一個顯示面板上，刺激和反應元素在物理布局方面的對應性。運動相合性指的是操作一個控制器所產生的運動效果與人們心理預期的相符程度。研究指出，提高人機界面相合性的常用措施有形狀編碼、位置編碼、顏色編碼、符號編碼，以及考慮人的生理特征和使用習慣。

關鍵詞：產品? 人機界面設計? 空間相合性? 運動相合性? 操縱器編碼? 生理特征

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

人機界面簡稱HMI（Human-Machine Interaction），是人與機器之間傳遞、交換信息的媒介。人機界面可分為廣義和狹義兩種，廣義的人機界面是指人機系統中人和機器交互過程中的一個介質或者層面，即所說的界面。狹義的人機界面是指計算機系統中的人機界面[1]。該文討論廣義的人機界面。

人機界面中的相合性指的是產品的顯示器與控制器之間的對應關系與人的心理預期之間的相符程度，由此來判定產品人機界面相合性的優劣。

從廣義上講，任何為人所使用的產品，在使用過程中均存在著人機界面，相合性好的人機界面美觀大方、通俗易懂、操作簡單且具有引導功能，使用戶感覺愉快、增強興趣，從而提高使用效率[2];相反，相合性差的人機界面，用戶使用起來處處受挫，不僅操作效率降低，有時甚至還會導致不可預估的嚴重后果。因此，相合性已成為產品人機界面設計中一個不可忽視的重要因素。

1? 相合性概述

根據人機界面中顯示器與控制器之間的相互作用不同，可將相合性分為幾大類，其中最常見的有兩大類，即空間相合性和運動相合性。

1.1 空間相合性

空間相合性的概念最早是由Fitts和Seeger[3]于1953年提出的。它指的是在一個顯示面板上，刺激和反應元素在物理布局方面的對應性。當刺激和反應關系是直接的和自然的，它被描述為相合的;反之，當其關系是間接的和非自然的，則被描述為不相合的[4]。具體到一個產品界面上，刺激就是控制器的實際操作，反應就是顯示器的顯示結果。

空間相合性方面的一個經典研究案例是如圖1所示的燃氣灶上控制開關與灶頭之間的布局關系[5]，研究發現，對應控制開關的4種不同布置方式，其反應時間和錯誤率是截然不同的，而且，不同國家的人對不同布置方式的偏好也不同，例如：美國人傾向于選擇第Ⅳ種布局，而中國人則更加傾向于選擇第Ⅲ種布局[6]。

空間相合性關系在產品人機界面中廣泛存在，例如大到宇航飛機等各種駕駛艙控制室、中至自動化工廠的控制室以及各種重型裝備如數控機床的操作面板、小到日常生活中的各種產品的人機界面;再如多個開關與燈（或風扇）之間、電梯操作面板與樓層之間、多頭燃氣灶（4頭、6頭、8頭）的開關與灶頭之間的對應關系，這一切，無不體現出空間相合性的重要性。在如此眾多的顯示器和操縱器中，如何將其一一對應起來，使用戶操作起來簡單明了，即體現出空間相合性設計的重要性。圖2為產品空間相合性的幾個實例。

1.2 運動相合性

運動相合性的研究始于1947年[7]。它指的是操作一個控制器所產生的運動效果與人們心理預期的相符程度[8]。如圖3所示[9]，當操縱器為手柄時，將其向右向上拔動（或者當操縱器為旋鈕時，將其順時針旋轉），其所對應的顯示器指針也對應向右向上運動，這樣的操縱-顯示關系即為相合的，否則即為不相合的。

運動相合性關系在產品人機界面中也是廣泛存在的，例如：電風扇開關與風速的對應關系、汽車車窗開關按鈕（或手柄）與窗戶玻璃的升降關系，以及游戲機遙控器與游戲場景的運動關系等（見圖4）。在以上相聯系的顯示器與控制器中，控制器的操作結果如何在顯示器中得以體現，它是否符合用戶的心理預期，則是運動相合性的研究要點。

在日常的生產和生活中，存在大量空間和運動不相合的人機界面，如圖2（a）所示的某設備操作面板，其操縱器與顯示器之間明顯不存在明確的對應關系，實際操作中難免會出現操作反應時間變長、錯誤增多，嚴重時甚至會導致生產事故的情況。又如圖4（a）所示的電風扇操作旋鈕，順時針旋轉該旋鈕，其風速是變小的，這并不符合人們的心理預期，顯然會給人們的操作帶來諸多困擾。由此可知，產品人機界面中的相合性對于人機系統的操作效率和失誤率的影響是十分巨大的，因此提高人機界面相合性就顯得尤為重要。

2? 提高人機界面設計的相合性

2.1 對操縱器進行編碼

操縱器是將人的信息輸送給機器，用以調整、改變機器狀態的裝置。在使用多種操縱器的復雜操作場合，對操縱器進行適當的編碼，是提高系統效率和減少失誤率的一種行之有效的方法[9]。

常用的編碼方法有形狀編碼、位置編碼、顏色編碼和符號編碼。

2.1.1 形狀編碼

形狀編碼，即讓具有不同功能的操縱器具有各自的形狀特征，且其形狀與功能之間要有某種邏輯上的聯系，從而便于操作者的視覺和觸覺辨認。如圖5（a）所示的某遙控器，其上按鈕眾多，為區分起見，對其不同功能的按鈕設置了不同的形狀。

2.1.2 位置編碼

位置編碼，即利用安裝位置的不同來區分操縱器。如果設計合理，則操作者可在不必注視操作對象的情況下即可進行操作。如汽車的油門和剎車、計算機鍵盤上的各種按鍵，均是按照位置進行編碼的，如圖5（b）所示。

2.1.3 顏色編碼

顏色編碼，指的是利用色彩不同來區分操縱器。由于顏色編碼依賴于視覺，因此其對采光和操作者的視覺能力有一定要求，且色彩種類也不宜過多。如果顏色編碼與其它編碼方式組合使用，則效果更佳。如圖5（c）所示為某數控機床操作面板的局部，該面板即采用了顏色編碼與形狀編碼相結合的方式。

2.1.4 符號編碼

符號編碼指的是利用操縱器上標注的文字符號來區分操縱器。通常，當操縱器數量很多，其他編碼方式又難以區分時，可在操縱器上標上適當的符號或文字以增加分辨效果。如計算機鍵盤上的按鍵，每個按鍵上面均有相應的符號標識。又如圖5（d）所示的電風扇控制旋鈕，標識了相應的文字和符號之后，一目了然，不易出錯。

2.2 考慮人的生理特征和使用習慣

根據上述運動相合性原理，當順時針操作旋鈕時，其對應的顯示器數值應隨之相應增加，這一原理可應用在大多數的人機界面設計中。但也有例外，如圖6所示的燃氣灶旋鈕，當逆時針操作該旋鈕時，火力隨之增大，逆時針旋轉到90°時，火力達到最大;90°之后，火力又隨著旋鈕度數的增大而減小。

究其原因，如此設計主要還是考慮到了人的生理特征和使用習慣。由于人群中約90%的人是右利手，即慣用右手者，因此大多數用戶操作燃氣灶旋鈕時使用右手，而用右手逆時針操作旋鈕時，手是向撓側偏[9]的，而撓側偏更符合人的生理特征和使用習慣。因此，在人機界面的顯示與操縱的相合性設計中，考慮人的生理特征和使用習慣也是一個十分重要的原則。

3? 結語

人機界面作為人與產品之間的一個橋梁，在人機交互中起著越來越重要的作用。而人機界面中顯示與操縱的相合性在很大程度上反映了產品的人性化程度，決定了產品的易用性。相合性好的人機界面，用戶在操作過程中可得到與心理預期相符的反饋，因此將直接提高操作準確率，降低錯誤率。反之亦然。空間相合性和運動相合性在產品人機界面中廣泛存在，設計不好的實例比比皆是，從而給用戶操作帶來很大困惑。因此，在人機界面設計中，遵循一些原則和措施是十分必要和重要的，只有如此，才會設計出良好的產品人機界面，從而帶來更佳的用戶體驗。

參考文獻

[1] 梁艷霞.人機界面中刺激-反應空間相合性研究綜述[J].江蘇師范大學學報：自然科學版，2014，32（1）：74-78.

[2] 李余峰，薛艷敏，張曉輝.基于人機工程學的電子設備人機界面設計[J].包裝工程，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] 丁玉蘭.人機工程學[M].4版.北京：北京理工大學出版社，2011.