拖拉机视觉显示装置人机工程学设计研究

侯 宁

HOU Ning

（洛阳理工学院 机械工程系，洛阳 471003）

0 引言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，拖拉机的设计越来越受到人们的重视，驾驶员的健康工作环境也受到人们的关注。驾驶室是为驾驶员安全和舒适的工作而设计的工作环境，它内部的显示装置是关乎驾驶员准确、安全操作机器的重要构件，应从人机工程学出发，对其进行人性化设计。人机工程学研究的核心是作业中人、机器及环境三者间的协调，这就要求拖拉机显示装置的设计要综合考虑驾驶员、车辆以及外部环境的各种因素，为驾驶员构建一个安全、健康、舒适和高效的作业环境。仪表板是拖拉机的主要显示装置，本文从仪表板功能分析与方案选择入手，对仪表、信号灯、仪表板的布置方面进行人机工程学设计与人性化探讨。

1 人机工程学与显示装置设计

人机工程学是一门运用生理学、心理学和其他学科的有关知识，使机器与人相适应，创造舒适而安全的工作条件，从而提高工效的学科[1]。显示装置设计与人机工程学是密不可分的，显示装置是在产品中，专门用来向人表达机器和设备的性能参数、运转状态、工作指令以及其他信息的装置。在人机系统中，按人接受信息的感觉通道不同，可将显示装置分为视觉显示装置、听觉显示装置和触觉显示装置，其中以视觉显示装置最为重要[2]。仪表板作为视觉显示装置部分，它的人机化设计可以准确合理地传递机器或设备的工作信息，决定驾驶员对信息的处理速度与质量。所以现代拖拉机设计中驾驶室仪表板的人机工程学设计是十分重要的。我国国产拖拉机设计虽然取得一定的成绩，但是驾驶室仪表板仍然存在样式老化、千篇一律、缺少创新，人机性不好等问题。虽然仪表的选配是标准件，但是符合人机的个性化的设计可以满足人们不断增长的高层次精神需求，仪表板设计将更加多元化，人性化。

2 拖拉机视觉显示装置的人机工程学设计

2.1 仪表板功能分析与方案选择

驾驶员是靠仪表的指示来随时掌握车各部分机件的工作状态，特别是在偏僻野外或山区行驶的拖拉机，准确无误的仪表指示是不可缺少的。拖拉机仪表板包括速度表、累计里程表、油量表、电瓶表、油压表、水温表等。驾驶员通过它们的显示来判断车辆运行状况。信号灯也是仪表板上重要的显示装置，它起到警示和提醒的作用[3]。仪表板的设计首先要从系统化理念出发整理仪表板的实用功能以及其系统结构，运用功能论的设计方法对仪表板的功能进行了抽象和分析，这样可以找到实现系统功能的最好的途径与方法，得出最优的设计方案[4]。仪表板的功能可分为显示功能和控制功能，图1分析了仪表板的显示功能，并列举出实现每个功能的方案。

图1 仪表板显示功能分析图

通过功能分析，根据所显示参数的性质的不同，六个仪表可选用不同的显示方式，其中速度表、油压表、水温表是比较重要的仪表，驾驶员要随时准确的读取它们的数值，并掌握它们在整个工作状态中所处的位置，因此选用定量显示方式，可用仪表盘进行模拟显示。累计里程表记录车所行驶的总里程数，需用数码直接显示有关参数值，即选用定性显示的数字式显示装置。油量表和电瓶表需显示系统所处的工作状态范围，通常显示正常、警戒、危险三种状况，因此选用屏幕警戒显示方式，用颜色做为警戒显示的标识[5]。

2.2 仪表设计

1）仪表的形状与大小。仪表刻度盘形状主要有开窗式、圆形式、半圆形式、水平直线式和垂直直线式等，它们的认读效果各不相同，选择时要符合人的视觉特征，并适合显示方式的要求。开窗式优于其他形式，它的视线集中，动眼扫描路线短，认读范围小误读率低。圆形和半圆形仪表优于直线式，因为它们给予人眼二维空间的刺激，动眼扫描路线比直线短，且符合人们观察仪表的习惯。水平直线式优于垂直直线式，由于人眼的运动规律为水平运动比垂直运动速度快且准确。仪表刻度盘的大小对仪表认读速度和精度有很大影响，仪表盘直径过小时，刻度标记、数码等细小密集难于辨认，相反过大的刻度盘，使人眼的视力中心分散，扫描路线变长而不易认读。刻度盘的直径不仅要考虑刻度数量，还取决于观察者的视角和观察距离，按式（1）计算即可得到刻度盘的尺寸。

式中，D为刻度盘直径；L为视距；A为视角。实验表明，仪表的最佳观察视角为2.5°～5°，最佳视距为710mm[6]。

2）刻度与刻度线。刻度盘上刻度线间的距离称为刻度，它是人与机器进行信息交换的重要途径。刻度大小要适宜，过小过大都不利于认读。刻度的大小可根据人眼的最小分辨能力来确定。人眼直接读数时，刻度的最小尺寸不应小于0.6mm～1mm，一般宜在1mm～2.5mm间选取，必要时也可取为4mm～8mm。刻度的最小值还受所用材料的限制，钢和铝的最小刻度为1mm，黄铜、锌和白铜的最小刻度为0.5mm。刻度线一般分长、中、短三级，每一个刻度线代表一定的测量数值。在足够的照明条件下，刻度线的长度与观察距离L成正比，例如L取0.5m～0.9m时，长刻度线长度为10mm，中刻度线长度为7.1mm，短刻度线长度为4.3mm。刻度线宽度一般为刻度大小的5%或15%，以10%左右为最优[7]。

3）刻度标注与指针设计。仪表的刻度需标上相应的字符供人认读，刻度盘上刻度值的递增顺序称为刻读方向，一般是从左到右、自上而下或顺时针方向。仪表刻度标注一般为数字、汉字、拉丁字母及各种专用符号。字符形状的要求简单醒目，宜多采用直线和尖角，加强各字体本身特有的笔划，突出字形的特征，使观察者能准确迅速地认读[8]。刻度标注的大小与视距有关，同时受到环境光线的影响。指针形状的设计要求简单明确，没有装饰，以尾部平、头部尖、中间等宽或狭长三角形的形状为好。指针针尖宽度应与最短刻度线等宽，针尖宽度过小使指针在刻度线范围内的移动时不易看清。针尖宽度过大使指针在两刻度线之间时，估读精度降低。指针长度要合适，针尖不要覆盖刻度线，一般离开刻度线1.6mm左右[9]。

4）仪表色彩设计。仪表的色彩设计主要指刻度盘面、刻度线、刻度标注以及指针的颜色配置，它对仪表的认读有很大的影响，是仪表人机化设计的重要方面，仪表的色彩设计要综合考虑色彩配置知识与环境因素的影响。在实际使用中，黑与白的明度对比最高，符合人们的视觉习惯，因此，仪表盘面常用黑色，主要指针为白色或黄色等，次要指针用其他对比颜色，而刻度线、刻度标注和主要指针同色。在光线较差的条件下，应采用白色盘面黑色刻度线或配以灯光，加强认读效果[2]。

2.3 信号灯设计

信号灯产生光信号，是重要的视觉显示装置。信号灯的设计必须适合于它的使用目的和使用条件，保证信息传递的速度和质量。一般情况下，信号灯只是用来指示一种状态或要求，如车辆转向信号灯用来指示转弯方向。某些情况下，信号灯也可用来传递信息，如用灯光信号进行通信联络。仪表板信号灯通常用颜色来表现功能，作为警戒、禁止、停顿或指示不安全情况的信号灯应使用红色，如刹车灯。提醒注意的信号灯宜使用黄色，如工作灯。表示正常运行的信号灯应使用绿色，如转向灯。其它信号灯则用白色或别的颜色。在仪表板上，信号灯必须清晰醒目并保证一定的视距，避免信号灯太多，形成杂乱和干扰。信号灯的亮度要能吸引操作者的注意，其亮度至少是背景亮度的两倍，而背景最好灰暗无光，清晰的同时不能太亮而造成眩目，或影响驾驶员在夜间观察车外情况[10]。

2.4 仪表板的布置

仪表板的科学合理布置对驾驶员快速准确认读数据有很大影响，拖拉机仪表板布置要遵循人的视觉运动规律。板面上的仪表排列顺序最好与它们的认读顺序相一致，仪表的排列顺序还应当考虑到它们彼此间的逻辑关系，相互联系多的仪表应当靠近布置。当仪表很多时，应按照它们的功能分区排列，各区之间可用明显的分界线或图案背景色加以区分。重要的仪表区，在仪表板上要有引人注目的背景，有助于认读。信号灯系统应同其它显示装置形成一个整体，避免相互重复和干扰，强信号灯须离开照明较弱的仪表远一些，如果必须相互靠近，信号灯就不能太强，以免引起误读。信号灯过多会冲淡操作者对重要信号的警觉，在此情况下，应设法采用别的显示方式来替代次要的信号灯。所有信号灯都要求安排在操作者不用转动头部和转身就能看见的视野范围内。仪表板上的显示装置包括仪表、信号灯等要布置在人眼良好的视野范围内，重要显示装置布置在视野中心3°范围内，这是人的最优视区，一般性显示装置允许安排在20°～40 °视野范围内，次要显示装置允许放置在40 °～60 °视野范围内[11]。

3 拖拉显示装置的人性化设计发展

拖拉机是一种在野外作业的重型机械，严寒酷暑、雨雪风沙等环境因素，噪音、振动、眩光等干扰因素都严重地影响驾驶员的正常工作，而且操作和显示装置相对复杂，长时间作业使驾驶员极易产生紧张和疲劳。在“以人为本”的现代社会里，拖拉机驾驶员的工作环境和身心健康受到了极大的关注和重视，所以，拖拉机显示装置的设计不仅要求造型美观、结实耐用，还要求尺寸科学、布局合理，符合人机，使驾驶员在驾驶过程中得到生理和心理上的舒适感，减轻这项枯燥工作带来的疲劳感。

人性化设计是以人为设计中心，对工业机械或产品从使用、操作、安全、可靠、环境、心理感受等方面进行整体的考虑和构思，并对人的生理、心理因素作出科学的定性与定量分析和研究，从而提出人与产品、机器协调设计的理论依据。人性化设计是以人机工程学的发展为前提和基础的。人机工程学是一门多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调[12]。所以，拖拉机显示装置的研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域，通过各学科知识的系统化应用来指导驾驶员工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高，从而满足人的生理和心理双重需求。

4 结束语

农业是关乎我国国计民生的支柱产业，农用机械在国民经济的发展中发挥着越来越重要的作用，因此我们应该对农用机械的设计给予充分的重视，提高农用机械操作的效率和使用的宜人性从而来推动整个农业生产的发展[13]。同时，真正符合操作者的生理和心理诉求的拖拉机设计能够使产品增值，也能更好的保障拖拉机驾驶员的健康和生命安全，所以对拖拉机的人机研究与人性化设计不仅会促进我国农业产业的健康发展，还会带来更大的经济效益和社会效益。

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