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前 言 當今數(shù)字界面已越來越多地取代傳統(tǒng)人機硬件界面而成為信息智能系統(tǒng)人機交互的主要載體。對于戰(zhàn)機、船舶駕駛、核電廠控制、戰(zhàn)場指揮、汽車駕控等復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面(Digitalized
HumanComputer
Interface，DHCI)，信息來源渠道多，信息量大，信息結構關系錯綜復雜，從某種意義上來說，復雜信息系統(tǒng)DHCI就是系統(tǒng)的大腦，系統(tǒng)的各方面信息都匯集于此，為操作者提供決策判斷乃至操作的依據(jù)。為了能更好地掌控整個系統(tǒng)，并使得整個系統(tǒng)的效能得到充分發(fā)揮，對該界面進行合理設計是保障信息化環(huán)境下操作者高效安全工作的關鍵所在。由于復雜信息系統(tǒng)信息表達的多樣性，操縱活動中人的智力、體力、理解力等復雜性因素，容易造成視覺信息的設計與人類認知機理失衡，使得系統(tǒng)全面地解決復雜信息系統(tǒng)DHCI的設計問題變得十分棘手和困難。 在軍事領域，信息化裝備系統(tǒng)的人機交互可以看作是信息化裝備系統(tǒng)與操作人員之間的對話，是一種雙向的信息交換。國內外實際運行經驗表明，在軍事裝備系統(tǒng)事故中，人為因素所造成的事故遠高于設備故障引起的事故數(shù)。由于信息化武器裝備系統(tǒng)的各方面信息都匯集于DHCI上,如何保證操作人員在較短的時間內，對戰(zhàn)場態(tài)勢做出準確的判斷并實施精準操作，是信息化裝備系統(tǒng)DHCI設計的核心問題。國外已針對這一課題展開了深入的研究，但在我國則還未真正重視起來。從某種意義上來說，信息化裝備的自動控制系統(tǒng)和DHCI共同構成了現(xiàn)代化裝備的硬件和軟件部分。在相同的硬件水平下，軟件的績效直接影響著操作人員的戰(zhàn)斗力、生存能力和協(xié)調作戰(zhàn)能力，在很大程度上影響了武器系統(tǒng)整體的性能水平。 同時，信息化裝備系統(tǒng)DHCI的優(yōu)化設計和工效學評估、均衡操作人員對數(shù)字界面的認知負荷（CL）和態(tài)勢感知（SA）、消除操作人員與裝備系統(tǒng)間的認知摩擦現(xiàn)象等手段的實施，可有效降低DHCI的信息復雜度，提高操作人員認知效率和態(tài)勢感知績效，從而提升信息化裝備系統(tǒng)的整體水平。 東南大學從2006年開始涉足復雜信息系統(tǒng)DHCI設計，近十年來承擔了一系列設計研究，在完成這些設計的過程中，也認識到復雜信息系統(tǒng)DHCI設計并不是業(yè)界傳統(tǒng)意義上的美化設計，而是有其獨特的理論體系和方法來指導設計的，好的DHCI設計是建立在深度研究分析基礎上的?；诖酥笇枷?，我們在2010年和2012年分別申請了兩個國家自然基金（71071032，基于認知負荷(CL)和態(tài)勢感知(SA)均衡的人機交互數(shù)字界面設計研究；71271053，數(shù)字界面視覺信息認知的腦機制研究），對復雜信息系統(tǒng)DHCI設計理論和評估方法進行全面深入研究，并不斷將研究成果用于實際設計項目中。在此感謝國家自然基金委給予本研究的支持。 基于理論研究和實際設計項目，我們對復雜信息系統(tǒng)DHCI設計的關鍵設計理論和設計技術做了系統(tǒng)闡述，全面總結了復雜信息系統(tǒng)DHCI設計的體系和過程，將眼動追蹤和腦電生理技術引入DHCI的設計評價體系中。2014年5月，東南大學產品設計及可靠性工程研究所和國家國防科技工業(yè)局共同主辦了“裝備信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計”培訓。通過培訓過程中和學員交流，感覺到國內在該領域的專業(yè)設計才剛剛起步，急需提高復雜信息系統(tǒng)DHCI設計水平的指導性書籍，用于全面分析研究復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面的設計方法、理論體系，系統(tǒng)性地建立設計要素、信息結構、設計理論、設計方法、設計原則以及評價方法，為復雜環(huán)境下執(zhí)行復雜操作任務的界面顯控設計研究提供完善的理論知識和結構脈絡。 本書運用設計技術、生理技術及腦成像技術對復雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面進行分析，探討數(shù)字信息設計的要素、結構、理論及方法，探索不同因素條件下影響信息設計認知的關鍵性要素和指標，圍繞復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面要素、信息結構、設計原則、關鍵技術等展開系統(tǒng)闡述，提出了復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面的設計方法和評價體系。本書的出版對于提高我國復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面的設計水平與量化評測能力，優(yōu)化我國航空航天、飛機、汽車、船舶、核電廠和發(fā)電站等重大信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計，全面提升裝備系統(tǒng)、指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)的性能，進一步加快國防現(xiàn)代化建設，提高國防現(xiàn)代化水平都有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。 本書的成果大部分來自東南大學研究團隊近年來的研究工作，同時研究團隊的師生對本書的出版做出了巨大貢獻，正是這些原創(chuàng)性的工作和設計實踐，保證了本書的獨特性和前沿性。在此感謝參與本書撰寫和校審工作的王海燕副教授、吳曉莉博士、李晶博士、牛亞峰博士、周蕾博士、陳默博士、苗馨月碩士、王芳碩士、匡雨馳碩士、鄭佳佳碩士等師生。同時，書中部分內容源引專家、學者的著作，謹在此一并表示衷心的感謝。 最后感謝中國信息融合領域頂尖權威專家何友院士，中國工業(yè)設計領域最具影響力大師清華大學柳冠中教授為本書作序。希望本書的出版能夠為提高我國復雜信息系統(tǒng)DHCI設計水平、提升信息裝備系統(tǒng)性能盡微薄之力。 由于時間緊，人力、水平和其他條件所限，書中難免有疏忽遺漏之處，敬請各位同仁、讀者批評指正。 本書得到國家自然基金71071032（基于認知負荷(CL)和態(tài)勢感知(SA)均衡的人機交互數(shù)字界面設計研究）和7127105（數(shù)字界面視覺信息認知的腦機制研究）項目資助出版。 薛澄岐 2015年10月7日于南京 目 錄 第1章概 述1 1.1信息化時代1 1.2研究背景1 1.3國內外研究現(xiàn)狀3 1.4復雜信息系統(tǒng)人機交互的研究方向10 1.5研究意義10 【本章參考文獻】11 第2章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面定義19 【內容提要】19 21定義19 211系統(tǒng)的復雜性19 212復雜信息系統(tǒng)的定義20 213人機交互數(shù)字界面20 214復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面22 22特點23 23復雜性分析24 24擬解決關鍵問題26 25主要研究內容26 【本章參考文獻】27 第3章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計要素29 【內容提要】29 31圖標29 311圖標的概念及分類29 312圖標的設計難點30 32控件31 321控件的概念及分類31 322控件的設計難點33 33導航36 331導航的概念及分類36 332導航的設計難點37 34色彩38 341數(shù)字界面的色彩構成及功能38 342軟件界面設計中色彩的功能39 343復雜信息系統(tǒng)對色彩設計的要求41 35布局41 351布局設計的概念及設計難點 41 352布局中的視覺感知與視覺規(guī)律42 353數(shù)字界面的功能區(qū)塊43 36交互44 361交互的概念與分類44 362交互的設計難點45 363數(shù)字界面交互設計的影響因素45 【本章參考文獻】45 第4章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面信息結構47 【內容提要】47 41信息結構概述47 411信息結構的定義47 412設計信息結構的目的48 413信息結構的交付產物48 414信息結構與相關領域49 415復雜數(shù)字界面的信息結構特征49 42信息結構類型50 421線性結構50 422層級結構和多層級結構51 423網狀結構52 424分面結構52 425綜合結構53 426自組織結構53 43信息分類方法53 431自上而下法和自下而上法53 432分類法54 433精確分類和模糊分類55 434展示性信息的結構56 44界面組件57 441軟件界面組件功能介紹57 442不同信息結構對應的功能組件58 45界面信息結構模式59 【本章參考文獻】61 第5章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計理論62 【內容提要】62 51數(shù)字界面的視覺感知理論62 511視覺感知62 512數(shù)字界面的視覺感知64 513眼動追蹤技術在數(shù)字界面中的應用——案例分析66 52數(shù)字界面的認知摩擦理論76 521認知摩擦概述76 522認知摩擦研究79 523認知摩擦的關聯(lián)量化指標81 524認知摩擦的腦電測量案例82 53數(shù)字界面的認知負荷理論86 531認知負荷的概念86 532認知負荷的結構87 533認知負荷的分類88 534CL產生過程中的認知資源消耗機制89 535認知負荷與工作績效的關系90 536認知負荷的有效控制策略93 537基于時間壓力的認知負荷研究案例94 538基于認知負荷的復雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面設計案例98 54數(shù)字界面的注意捕獲理論101 541數(shù)字界面中的視覺注意101 542數(shù)字界面中的注意捕獲102 543設計元素的注意捕獲105 544基于注意捕獲的設計研究106 545設計元素的注意捕獲應用109 55數(shù)字界面的生態(tài)融合理論111 551生態(tài)融合理論概述111 552影響生態(tài)界面效果的因素研究113 553基于生態(tài)融合理論的界面設計案例113 56數(shù)字界面的情境認知理論116 561界面情境認知理論概述116 562情境認知特征116 563情境認知要素119 564情境假設120 565基于情境認知的圖形符號設計案例121 【本章參考文獻】126 第6章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計方法129 【內容提要】129 61數(shù)字界面視覺信息的解碼機理129 611人機界面視覺信息加工的生理基礎130 612基于視覺通路理論的界面信息屬性130 62數(shù)字界面人機交互的任務域模型132 621界面抽象層級分析132 622任務域模型132 623界面視覺信息關聯(lián)屬性分析135 63數(shù)字界面視覺信息的具象化設計135 631界面視覺信息的組織結構模型136 632界面信息集成方法137 633界面視覺信息的設計方法139 64數(shù)字界面視覺信息的布局規(guī)劃140 641界面最優(yōu)布局分析140 642界面視覺信息的布局規(guī)劃模型141 643界面視覺信息的布局規(guī)劃算法142 65數(shù)字界面視覺信息的布局評價147 651界面布局分析147 652界面布局的計算指標149 653界面布局指標的應用160 654界面布局計算原型系統(tǒng)161 【本章參考文獻】165 第7章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計原則167 【內容提要】167 71數(shù)字界面一般性設計原則167 711基本顯示原則168 712基本布局原則168 713基本交互原則169 72數(shù)字界面的優(yōu)化設計策略169 721圖標優(yōu)化設計策略169 722文本優(yōu)化設計策略173 723布局優(yōu)化設計策略174 724導航優(yōu)化設計策略177 725色彩優(yōu)化設計策略179 726信息呈現(xiàn)優(yōu)化設計策略182 727信息流優(yōu)化設計策略187 728交互優(yōu)化設計策略189 【本章參考文獻】191 第8章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面評價方法193 【內容提要】193 81評價方法綜述193 82數(shù)字界面可用性的眼動追蹤評估方法194 821任務信息提取195 822眼動信息的信號采集195 823檢測指標的計算處理196 824可用性子特征的質量檢測197 825可用性質量檢測198 83數(shù)字界面可用性的腦電評估方法198 831數(shù)字界面元素可用性的腦電評價指標匯總198 832數(shù)字界面整體可用性的腦電評估方法199 833數(shù)字界面局部可用性的腦電評估方法200 834腦電評價方法和其他評價方法的結合201 84數(shù)字界面可用性的眼動實驗評價方法案例206 841實驗方法208 842結果分析210 843結果討論217 85數(shù)字界面腦電實驗評價方法案例218 851實驗方法218 852行為數(shù)據(jù)分析219 853腦電數(shù)據(jù)分析220 854結果討論221 【本章參考文獻】223 第9章復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計案例226 【內容提要】226 91復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面一般設計流程226 911設計流程框架226 912各流程階段任務分解227 92優(yōu)秀設計案例231 921設計案例1——某大型復雜指揮系統(tǒng)信息交互設計231 922設計案例2——某新聞信息系統(tǒng)復雜信息交互界面設計239 |
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