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显控界面工效学设计与测评关键技术标准及其应用研究

2017-11-16

随着计算机与信息技术的发展,显控界面几乎渗透到了人类工作和生活的所有领域,人机系统功能的增多,显控界面日趋复杂和强大,对显控界面的使用体验要求也越来越高。工效学就是研究如何使产品符合使用者生理心理特性,提升用户体验的综合性交叉学科,针对人机交互系统显控界面工效学设计与测评的基础、公益和共性技术需求,国家科技支撑计划项目“显控界面工效学设计与测评关键技术标准及其应用研究”(项目编号2014BAK01B00)系统研究了显控界面工效学设计与测评的关键技术,提出了信息界面元素呈现与布局、操控装置、显控一体界面控制与显示等工效学设计技术要求,建立了操控动作舒适性的主客观综合测评方法,构建了典型显控界面工效学仿真测试平台,形成了基于中国人体特性的显控界面工效学设计与测评技术标准体系,基本解决了我国显控界面工效学设计和测评标准匮乏的问题。研究成果有效指导了汽车、移动客户端、家用电器、工程机械等产品的显控界面工效学设计,开创了产品显控界面工效学测评认证,社会和经济效益显著,实用性强。

该项目下设6个课题,分别为:信息显示界面工效学设计技术和标准研究、操控装置工效学设计技术和标准研究、显控一体界面工效学设计技术和标准研究、显控界面工效学用户测评技术和标准研究、显控界面工效学仿真测评技术和标准研究和显控界面工效学设计与测评技术应用示范研究。

一、信息显示界面工效学设计技术和标准研究

针对人-机系统中显示界面工效学设计的共性技术需求,实验研究界面设计相关的人体视觉特性以及基本元素技术参数,构建了界面元素呈现工效学设计技术要求;基于信息显示界面工效学设计相关理论,分析研究了动态信息在时间和空间密度上分布的不同特点,提出动态信息设计的技术要求与标准,研制了信息呈现布局设计技术规范;采用以人为中心的设计方法和程序,考虑显示界面对用户操作绩效的影响,提出了人-机交互表单对话、直接操作对话工效学技术要求;总结提炼出图标类显示元素设计的主要原则和标准化步骤,建立了计算机常用图标的构图标准形式,并基于用户的认知特性,提出了图标设计成果的测评方法,扩展了传统图形符号标准化研究的范围,初步建立了图标标准化国家标准体系框架。研究成果可为我国人-机信息显示界面的设计提供参考,为提升我国人-机交互产品的用户体验水平提供技术支持及保障。

二、操控装置工效学设计技术和标准研究

以生产和生活中常用的典型手动、脚动操控装置为研究对象,基于人体尺寸、人体生物力学及关节活动域、人体运动规律、行为习惯等参数和人体肢体操控特征,研究了操控装置的工效学指标和分类方法,建立了操控装置工效学参数列表;开展了典型手动和脚动操控装置的人机几何适配性、操纵力和优化布局的工效学实验研究,获得了原创性的数据,提出了操控装置工效学特征参数阈限测试方法,建立了操控装置人机几何适配性、操作力与优化布局测评方法,给出了基于人体生理特征和使用习惯的操控装置工效学设计参数准则,为我国操控装置的人性化设计提供了方法指导、数据基础和规范依据。

三、显控一体界面工效学设计技术和标准研究

围绕显控一体界面概念、空间、运动、时间和通道相容性设计问题,归纳了人类的习惯定型规律,研究确定了控制-显示相容性设计原则,将控制-显示相容性作为显控一体界面设计工效学重要评价指标,并纳入显控一体界面工效学标准体系;从触控操作力学的角度规范触摸屏的工效学设计,针对视觉、听觉和触觉等方面研究了反馈和容错性问题,获得了视觉反馈时滞、听觉反馈信号域值、触觉反馈信号域值、人的视野范围、指触参数等技术数据与特征,形成反馈设计以及容错性设计规范;将行为绩效数据与脑电波数据结合,从认知神经科学角度测评控制-显示相容性,从中提炼和计算控制-显示相容性的敏感脑电指标。编制了通过信效度检验的应用于家电产品的用户体验评价问卷。研究成果已应用于移动终端、家电、汽车、工程机械、航空等显控一体界面产品设计,为提高产品设计质量、降低人的操作失误、改善用户体验等提供了技术支撑,对提高产品显控一体界面的设计水平具有推动和引领作用。

四、显控界面工效学用户测评技术和标准研究

深入研究了显控界面使用过程中的人因问题,有针对性地解决了用户测评方法在实际应用中存在的一系列问题,提出了显控界面工效学用户测评的基本原则和一般性方法,研制了显控界面工效学用户测评顶层标准;提出了操控动作舒适性的主客观综合测评方法,建立了操作舒适性测评标准量表,可实现简便、快捷、有效的显控界面操控舒适评价;基于眼动认知的心理过程特点和显控界面测评需求,给出了不同眼动测评方法在显控界面测评中的应用规范和选择准则;基于各类抽样方法的模拟计算比对,给出了适用于不同条件下用户测评工作的MPPS抽样设计方法和配额抽样设计方法,同时给出了基于Bootstrap方法和分位点估计精度要求的参试用户最小样本量确定方法及部分参考值;给出了工效学用户测评结果质量控制与分析的程序和准则,解决了不同实验室协同测试过程中,数据质量控制技术和数据质量验收标准缺失的问题,已在家电、汽车等产品操控装置的用户测评中获得示范应用,提升了相关产品的交互设计水平和用户体验水平,对产品使用质量的提升发挥了重要作用。

五、显控界面工效学仿真测评技术和标准研究

依据中国成年人人体尺寸数据,研究建立了基于5项关键人体尺寸项目(身高、体重、胸围、腰围、臀围)的中国人体参数化模型。研究建立了立姿活动空间、坐姿活动空间、单腿跪姿下上肢相应的最大活动空间、仰卧时上肢及下肢的最大活动空间等人体活动范围模型,为建立不同性别、不同体位的上肢和下肢关节活动范围提供基础数据。研究建立了针对中国人的M1型汽车的眼椭圆和头廓包络线模型;研制了针对中国人体特性的典型显控界面工效学仿真测试平台,建立了手部肌力计算模型、上肢驾驶姿态模型和工作姿态模型、上肢反向运动学与动力学模型,提出了基于中国人体几何、功能和力学特性的典型显控界面工效学仿真综合评价方法。研制的动静力学仿真模型、驾驶员功能参数等已在航天员上肢活动仿真测评和汽车显控界面设计中进行了示范应用。

六、显控界面工效学设计与测评技术应用示范研究

研究构建了汽车显控界面工效学设计与测评指标体系,提出了汽车显控界面工效学测评方法和评分评级标准;针对移动客户端界面设计中的典型或通用设计参数进行心理物理学实验研究,建立了移动客户端显控界面设计规范和参数标准。基于中国人体特征和家电使用习惯建立了家电产品显控界面的工效学指标体系和评测规范;研究提出了挖掘机和装载机方向盘、手操纵装置、脚操纵装置、视野等相关的工效学测评和设计方案。基于显控界面工效学设计与测评关键技术研究成果及系列标准,针对汽车、移动客户端、家用电器和工程机械等4个行业的60多款典型产品显控界面进行了工效学测评与试点应用,对显控界面工效学设计和测评技术规范及标准进行了持续改进,进一步完善了显控界面工效学设计和测评技术标准体系,形成了切实可行的系列工效学设计与测评技术规范,提升了产品的使用质量和人性化水平。

项目负责人简介

赵朝义,研究员,中国标准化研究院人类工效学领域负责人,国家质检总局人因与工效学重点实验室副主任。1999年毕业于北京航空航天大学,获人机与环境工程专业博士学位,2000—2002年在同济大学做博士后研究工作,2002年至今,在中国标准化研究院工作,其中2014年在美国加州大学伯克利分校做访问研究。从事人体特征数据测量、人机交互工效学设计与测评、环境工效学测评等研究工作。社会兼职有全国人类工效学标准化技术委员会主任委员、中国人类工效学学会副理事长、中国航空学会航空机电人体与环境工程分会委员等。

作为项目负责人和主要完成人,主持了“十二五”国家科技支撑计划项目“显控界面工效学设计与测评关键技术标准及其应用研究”、国家科技基础性工作专项项目“中国成年人工效学基础参数调查”、质检公益性行业科研专项项目“基于典型应用的工效学测试和评价技术标准研究”等20多项国家与部委项目,建设了中国人体特性数据库,建立了通过中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可的人类工效学实验室,主导制定10多项国家标准,在国内外核心刊物发表论文20多篇,曾获得国家质量监督检验检疫总局科技兴检奖一等奖和二等奖等奖励。