1．1 人機交互（Human-Computer Interaction,HCI） 人機交互技術（Human-Computer Interaction Techniques）是指通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術。它包括機器通過輸出或顯示設備給人提供大量有關信息及提示請示等，人通過輸入設備給機器輸入有關信息及提示請示等，人通過輸入設備給機器輸入有關信息，回答問題等。人機交互技術是計算機用戶界面設計中的重要內容之一。它與認知學、人機工程學、心理學等學科領域有密切的聯(lián)系。 1946年：由指示燈和機械開關組成的操縱界面 1980年代：由終端和鍵盤組成的字符界面 1990年代：由多種輸入設備和光柵圖形顯示設備構成的圖形用戶界面（GUI）， PC，工作站，WIMP（W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices）界面，所見即所得 21世紀：虛擬現(xiàn)實（VR）技術的應用（發(fā)展方向） 1.2 人機交互的發(fā)展 人機交互（Human-Computer Interaction,HCI），就是人與機器的交互，本質上是指人與計算機的交互，或者可以理解為人與"含有計算機的機器"的交互。為了以下討論方便，我們現(xiàn)把"計算機"和"含有計算機的機器"，通稱為計算機。人機交互研究的最終目的在于探討如何使所設計的計算機能幫助人們更安全，更高效地完成所需的任務。 自1946年世界上第一臺數(shù)字計算機ENIAC誕生以來，計算機技術取得了驚人的發(fā)展。但計算機仍然是一種工具，一種高級的工具，它是人腦，人手，人眼等的擴展，因此它仍然受到人的支配，控制，操縱和管理。在計算機所完成的任務中，有大量是人與計算機配合共同完成的。在這種情況下，人與計算機需要進行相互間的通信，即所謂的人機交互。其實現(xiàn)人與計算機之間通信的硬，軟件系統(tǒng)即為交互系統(tǒng)。 交互系統(tǒng)通常包括計算機通過輸出或顯示設備給人提供大量信息及提示，以及人通過輸入設備向計算機輸入有關信息，問題回答等。從計算機早期的面板開關，顯示燈和穿孔紙帶等交互裝置，發(fā)展到今天的視線跟蹤，語音識別，手勢輸入，感覺反饋等具有多種感知能力的交互裝置。人機界面經(jīng)歷了手工操作，命令語言和圖形用戶界面（GUI）的三個階段。 人機交互的發(fā)展大致可以分為四個階段： 初創(chuàng)期（1929-1970）1959年美國學者B.Shackel從人在操縱計算機時如何才能減輕疲勞出發(fā)，提出了被認為是人機界面的第一篇文獻的關于計算機控制臺設計的人機工程學的論文。1960年，Liklider JCK首次提出"人機緊密共棲（Human-Computer Close Symbiosis）"的概念，被視為人機界面學的啟蒙觀點。1969年在英國劍橋大學召開了第一次人機系統(tǒng)國際大會，同年第一份專業(yè)雜志"國際人機研究（IJMMS）"創(chuàng)刊。可以說，1929年是人機界面學發(fā)展史的里程碑。 奠基期（1970-1979）此時期出現(xiàn)了兩件重要的事件：（1）從1970年到1973年出版了四本與計算機相關的人機工程學專著，為人機交互界面的發(fā)展指明了方向。（2）在1970年成立了兩個HCI研究中心：一個是英國的Loughbocough大學的HUSAT研究中心，另一個是美國Xerox公司的Palo Alto研究中心。 發(fā)展期（1980-1995）20世紀80年代初期，學術界相繼出版了六本專著，對最新的人機交互研究成果進行了總結。人機交互學科逐漸形成了自己的理論體系和實踐范疇的架構。理論體系方面，從人機工程學獨立出來，更加強調認知心理學以及行為學和社會學的某些人文科學的理論指導；實踐范疇方面，從人機界面（人機接口）拓延開來，強調計算機對于人的反饋交互作用。"人機界面"一詞被"人機交互"所取代。HCI中的"I"，也由"Interface（界面/接口）"變成了"Interaction（交互）"。 提高期 （1996- ）20世紀90年代后期以來，隨著高速處理芯片，多媒體技術和Internet Web技術的迅速發(fā)展和普及，人機交互的研究重點放在了智能化交互，多模態(tài)（多通道）-多媒體交互，虛擬交互以及人機協(xié)同交互等方面，也就是放在"以人為在中心"的人機交互技術方面。 交互的方式——人機交互過程實際上是一個輸入和輸出的過程，人通過人機界面向計算機輸入指令，計算機經(jīng)過處理后把輸出結果呈現(xiàn)給用戶。人和計算機之間的輸入和輸出的形式是多種多樣的，因此交互的形式也是多樣化的，包括：數(shù)據(jù)交互、圖像交互、語音交互、行為交互等。 1．3 人機交互與人機界面的關系 人機交互是指人與機器的交互，本質上是人與計算機的交互?；蛘邚母鼜V泛的角度理解：人機交互是指人與"含有計算機的機器"的交互。具體來說，人機交互用戶與"含有計算機機器"之間的雙向通信，以一定的符號和動作來實現(xiàn)，如擊鍵，移動鼠標，顯示屏幕上的符號/圖形等。這個過程包括幾個子過程：識別交互對象-理解交互對象-把握對象情態(tài)-信息適應與反饋等；而人機界面是指用戶與"含有計算機的機器系統(tǒng)"之間的通信媒體或手段，是人機雙向信息交互的支持軟件和硬件。這里"界面"定義為通信的媒體或手段，它的物化體現(xiàn)是有關的支持軟件和硬件，如帶有鼠標的圖形顯示終端等。 交互是人與機-環(huán)境作用關系/狀況的一種描述。界面是人與機-環(huán)境發(fā)生交互關系的具體表達形式。交互是實現(xiàn)信息傳達的情境刻畫，而界面是實現(xiàn)交互的手段。在交互設計子系統(tǒng)中，交互是內容/靈魂，界面是形式/肉體；然而在大的產(chǎn)品設計系統(tǒng)中，交互和界面，都只是解決人機關系的一種手段，不是最終目的，其最終目的是解決和滿足人的需求。 交互設計是從屬于產(chǎn)品系統(tǒng)的，是對成功的產(chǎn)品設計的一種強有力的支持與完善。 如果利用系統(tǒng)論的觀點，交互設計是從屬于產(chǎn)品設計系統(tǒng)的子系統(tǒng)。 1．4 操作界面Operator Interfaces / 人機界面 Human Machine Interface 在工業(yè)自動化中的應用 人機界面（Human-Machine Interface），是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機界面美觀易懂、操作簡單且具有引導功能，使用戶感覺愉快、興趣增強，從而提高使用效率。 狹義的人機界面（Human Computer Interface）是計算機學科中最年青的分支學科之一。它是計算機科學和認知心理學兩大科學相結合的產(chǎn)物，它涉及當前許多熱門的計算機技術，如人工智能、自然語言處理、多媒體系統(tǒng)等，同時也是吸收了語言學、工業(yè)設計、人機工程學和社會學的研究成果，是一門交叉性、邊緣性、綜合性的學科。隨著計算機應用領域的不斷擴大，計算機已經(jīng)變成一種商品，可以裝在人們的口袋里，用來幫助人們處理日常的辦公業(yè)務和生活事務，自然的人機界面與和諧的人機環(huán)境已逐步變成信息世界關心的焦點，尤其是在競爭激烈的市場環(huán)境之中，人性化的用戶界面更是計算機或者內藏計算機的各類裝置贏得客戶的重要品質。廣大的軟件研制人員和計算機用戶愈為迫切地需要符合"簡單、自然、友好、一致"原則的人機界面。 人機界面的發(fā)展 　　手工操作:最早的計算機采用 　　命令通行無阻:DOS等操作系統(tǒng)采用 　　圖形用戶界面:Windows系列采用 　　人機界面的設計和開發(fā)在整個系統(tǒng)的研制中占40%～60%的比重。 　　多媒體人機交互方式: 　　輸入 　　鍵盤輸入:傳統(tǒng)方式 　　鼠標輸入:圖形用戶界面的重要輸入方式 　　手寫輸入:手寫漢字識別,"平板電腦" 　　語音輸入 　　觸摸屏輸入 　　數(shù)字化儀輸入:適用于CAD/CAM系統(tǒng) 　　掃描輸入:條形碼、掃描儀、光電閱讀器 　　三維輸入：數(shù)據(jù)手套、三維鼠標、力矩球等 　　視覺輸入：攝像設備。機器人的視覺 　　輸出 　　顯示終端輸出：重要工具。 　　聲響輸出：聲波 　　打印輸出：標準輸出設備之一 　　三維輸出：產(chǎn)生三維輸出的設備有投影顯示器、頭盔顯示器、電視眼境等 　　多媒體人機交互技術應用領域 　　軟件界面設計：多媒體化 　　自然語言人機交互 　　輸入輸出裝置的設計 　　計算機輔助設計和制造（Computer Aided design CAD/Computer aided manufacturing CAM） 現(xiàn)今的操作界面系統(tǒng)比以往的都要復雜，對他們所監(jiān)控的處理過程提供更高精度的監(jiān)視和控制。其功能可以從一個PLC終端到一個強大的處理平臺。在它的基礎形態(tài)中，界面可以做數(shù)據(jù)處理，并可以以任意一種方式發(fā)送信息給操作者，從文本信息到生動的圖形。如今，由于技術的推進，應用規(guī)模也日益增大。雖然OI正被開發(fā)適應更多的需求，然而用戶仍然不斷地提出更多的要求。 1．5 工業(yè)自動化人機界面發(fā)展模式概括： （一）狹長線設計 Advantech自動化公司的 TPC-1260觸摸式平板計算機提供一個功能強大的、冷運行處理器在一個無風扇、狹長線設計中。該器件具有12.1-in. SVGA TFT LCD，耐久觸摸屏，自由軸儲存和一個Transmeta Crusoe 5400 處理器。它提供在板的128MB DRAM和一個緊湊的flash驅動器。該部件支持Windows XP/CE，具有一個保護等級為NEMA 4/IPC 65前面板AL-Mg腔體，使得它適合粗糙的環(huán)境。為了在軸自由度不是臨界的地方應用，可以使用狹長型器件。 UXGA分辨率顯示器 Ann Arbor 技術公司的webLink21高功能工業(yè)計算機集成一個大的UXGA 21-in.顯示器。模擬耐久性觸摸屏具有NEMA4保護等級的鋁制前斜面為標準型。主要特性包括：1.7 GHz Pentium 4處理器、DDR RAM （upgradable to 1 GB）、在板100/10 BaseT以太網(wǎng)端口、CD-ROM、4USB 端口、附加 6 開放式PCI 插槽。增強的RAM、DVD驅動器、附加USB端口和NEMA 4X 不銹鋼斜面是其中的選項。 （二）綜合接受能力 GE Fanuc公司推出的快速面板控制和清晰視覺解決方案合并帶有Cimplicity機器編輯軟件的QuickPanel系列觸摸屏和Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)。在單獨平臺上的包容能力提供增強的生產(chǎn)能力和成本效能。觸摸屏在一個合并有自動化軟件的硬件平臺上呈現(xiàn)靈活的、可擴展性能。Cimplicity機器編輯器——一個開放的、集成軟件包，適合機器級編程、監(jiān)控和數(shù)據(jù)捕獲和故障監(jiān)測——以推動應用軟件的開發(fā)。 （三）透明訪問 Omron電子公司S高級操作界面從單個屏幕上訪問信息從PLC到遠離的三個網(wǎng)絡。信息可以從一個以太網(wǎng)網(wǎng)絡、ControllerLink網(wǎng)絡（Omron的專有網(wǎng)絡），同時上行到兩個串行端口。HMI特有4通道視頻輸入模塊去顯示來自視覺檢測傳感器的照相機圖象。連通性給予用戶廣泛的網(wǎng)絡訪問數(shù)據(jù)，梯形監(jiān)控工具可以監(jiān)控PLC梯形圖程序從一個系統(tǒng)菜單，而不需要膝上型電腦或PC。NS保護等級為NEMA 4。 （四）擴展的觸模式面板 AutomationDirect 公司的EXTouch觸摸面板的擴展系列包括8，10和15-in.狹長器件。狹長型面板使用FDA兼容的塑形材料和觸摸覆蓋物組成，包括1/4-in。FDA兼容O形墊圈。典型的模塊帶有內置的數(shù)據(jù)通路附加接受能力和以太網(wǎng)選擇卡。10和15-in.面板帶有Modbus Plus、DeviceNet、Profibus或Ethernet I/P接受能力。市場起始定價為419美元，可選擇彩色或黑白兩種。 （五）可編程人機界面 Xycom Automation公司推出的GP2x01系列觸摸式可編程操作界面GP2x01系列觸摸式可編程操作界面可以運行在決大多數(shù)環(huán)境中。該器件特有鋁制殼體結構，保護等級為NEMA 4x，Class 1，Div2危險區(qū)域認證，緊湊的閃卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄并直接提高了配置軟件。該器件支持一個寬范圍的流行的串行通訊驅動器，可選擇的通訊擴展模塊提供網(wǎng)絡接口，可連接DeviceNet、Profibus、Modbus Plus、AB數(shù)據(jù)通路plus、AB遠程I/O，另外附加標準的RS-232/RS-485網(wǎng)絡。 （六）基于文本的HMI Square D/Schneider電氣公司推出的Telemecanique Magelis XBT-N操作界面Square D/Schneider電氣公司的Telemecanique Magelis XBT-N操作界面被設計為簡單并可重復的機器。保護等級為NEMA 4X適合室外使用，UL Class 1, Div. 2危險場所保護，該線性化、小型化基于文本的HMI易于安裝和編程。四種規(guī)格呈現(xiàn)出高的功能性，并且特有快速響應時間。來自于鍵盤的操作者行為或來自PLC的要求完成時間少于30ms。操作面板使用軟件設置鍵進行客戶化定制，開放的標準確保了它同Schneider電氣公司和其他第三方組件的兼容性。 1．6 操作界面Operator Interfaces / 人機界面 Human Machine Interface 和人機工程學的關系 界面是否符合人機工程學原理？你的操作員接口終端是否會給你帶來痛楚？我不是指只是由于不能正確發(fā)揮功能而引起的失望和沮喪。我指的是真實的感同身受的痛楚，如同任何真正的計算機終端，一個HMI會遭遇到健康以及與安全有關的使用問題等。當結合HMI工作時，一般說來，正確的符合人機工程學不是工程師們內心首先考慮的事情，然而，不關心人機工程學原理會導致作業(yè)成本上升的后果，這還沒有提到眼睛的過度疲勞，腕關節(jié)綜合癥及扭傷等。 什么是人機工程學？有許多的定義，但本質上這是一門嚴謹?shù)目茖W。Microsoft的Encarta網(wǎng)上百科全書定義人機工程學為：這是一門科學，它涉及機器產(chǎn)品和系統(tǒng)的設計，其目的是使用它們的人能最大化地感到安全，舒適和有效。專職的人機工程學認證部門（The Board of Certification in Professional at Ergonomics, BCPE）稱之為"關于人類能力、人類局限性和人類特點等一系列設計時要考慮的知識"。不管你如何定義，人機工程學在每一個HMI應用中扮演著重要的角色，影響操作員如何有效地使用產(chǎn)品。更重要的是因不遵守人機工程學而引起的傷害，此外，與工作場所有關的人機工程學傷害可能是代價昂貴的員工索賠要求以及工作時間損失的根源。 人機工程學，各有各的不同，能以各種方式向HMI產(chǎn)品提出有關人機工程學方面的挑戰(zhàn)。包括，但不僅限于，肌肉-骨架和視力困難等。Bill Martin, Rockwell Automation公司PanelView Plus 700/1500產(chǎn)品經(jīng)理說："對于HMI設備，有兩個有關人機工程學的問題應考慮：抗強光屏幕和容易操作的按鈕。如抗強光外罩等器件降低對眼睛的壓力，當它積滿塵?；虮慌K污時很容易卸除或更換，操作員使用抗強光外罩不僅保護視力，也由于其方便和易于維護的優(yōu)點。"他繼續(xù)說："很多操作員使用觸摸屏是因為觸摸屏更容易得心應手，然而，對那些優(yōu)先選擇按鈕的人們是因為當壓下按鈕時，他們能聽到和感受到反饋信息從而減少對身心的壓力，操作者不需要反復地壓下按鈕和擔心按鈕是否已接觸。" Dave Kaley, Rockwell Automation公司Mobile View產(chǎn)品經(jīng)理觀察手持式HMI并評論："因為終端就在你的手中，重要的是終端應易于手持和能否操作自如。例如，便攜式終端必須使人感到舒服，并且對左手操作還是右手操作的人都是人機工程學友好的。"Kaley建議："握住終端的手需在自然放松狀態(tài)，不能處于會導致手腕扭傷的笨拙的彎曲或令人不舒服的位置。" Norma Dorst , National Instruments的LabView平臺經(jīng)理指出："一個經(jīng)常會被忽略的人機工程學領域即如何設置報警，這是人機工程學的一個部分，人們應給予足夠的注意。相同的報警不能用于每一個故障事件，聲音必需引起操作人員的警覺，但不能到達干擾人們反應能力的程度。不少HMI給出太多的脈沖和閃爍信號，這都不是符合人機工程學的設計。" 可逆循的訣竅 當選擇和設計任何的HMI系統(tǒng)時，可考慮以下的人機工程學因素： ■ 在決定選擇時，評估所選HMI產(chǎn)品的人機工程學特性及其功能。屏幕是否抗強光？是否容易操作？是否人機工程學友好？ ■ 當使用HMI產(chǎn)品，其功效如同任何計算機時，應對相同的警告和制約進行檢驗。需將重復的動作壓縮到最小。HMI對任何的修改是開放的從而能適應不同的需要。 ■ 當安裝任何新系統(tǒng)時，應花費一定的時間去了解人機工程學的概念和原理。符合人機工程學的智能化運行能增加工作效率和減少喪失工時的人身傷害以及因此而帶來員工的索賠要求．