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前 言 当今数字界面已越来越多地取代传统人机硬件界面而成为信息智能系统人机交互的主要载体。对于战机、船舶驾驶、核电厂控制、战场指挥、汽车驾控等复杂信息系统人机交互数字界面(Digitalized
HumanComputer
Interface，DHCI)，信息来源渠道多，信息量大，信息结构关系错综复杂，从某种意义上来说，复杂信息系统DHCI就是系统的大脑，系统的各方面信息都汇集于此，为操作者提供决策判断乃至操作的依据。为了能更好地掌控整个系统，并使得整个系统的效能得到充分发挥，对该界面进行合理设计是保障信息化环境下操作者高效安全工作的关键所在。由于复杂信息系统信息表达的多样性，操纵活动中人的智力、体力、理解力等复杂性因素，容易造成视觉信息的设计与人类认知机理失衡，使得系统全面地解决复杂信息系统DHCI的设计问题变得十分棘手和困难。 在军事领域，信息化装备系统的人机交互可以看作是信息化装备系统与操作人员之间的对话，是一种双向的信息交换。国内外实际运行经验表明，在军事装备系统事故中，人为因素所造成的事故远高于设备故障引起的事故数。由于信息化武器装备系统的各方面信息都汇集于DHCI上,如何保证操作人员在较短的时间内，对战场态势做出准确的判断并实施精准操作，是信息化装备系统DHCI设计的核心问题。国外已针对这一课题展开了深入的研究，但在我国则还未真正重视起来。从某种意义上来说，信息化装备的自动控制系统和DHCI共同构成了现代化装备的硬件和软件部分。在相同的硬件水平下，软件的绩效直接影响着操作人员的战斗力、生存能力和协调作战能力，在很大程度上影响了武器系统整体的性能水平。 同时，信息化装备系统DHCI的优化设计和工效学评估、均衡操作人员对数字界面的认知负荷（CL）和态势感知（SA）、消除操作人员与装备系统间的认知摩擦现象等手段的实施，可有效降低DHCI的信息复杂度，提高操作人员认知效率和态势感知绩效，从而提升信息化装备系统的整体水平。 东南大学从2006年开始涉足复杂信息系统DHCI设计，近十年来承担了一系列设计研究，在完成这些设计的过程中，也认识到复杂信息系统DHCI设计并不是业界传统意义上的美化设计，而是有其独特的理论体系和方法来指导设计的，好的DHCI设计是建立在深度研究分析基础上的。基于此指导思想，我们在2010年和2012年分别申请了两个国家自然基金（71071032，基于认知负荷(CL)和态势感知(SA)均衡的人机交互数字界面设计研究；71271053，数字界面视觉信息认知的脑机制研究），对复杂信息系统DHCI设计理论和评估方法进行全面深入研究，并不断将研究成果用于实际设计项目中。在此感谢国家自然基金委给予本研究的支持。 基于理论研究和实际设计项目，我们对复杂信息系统DHCI设计的关键设计理论和设计技术做了系统阐述，全面总结了复杂信息系统DHCI设计的体系和过程，将眼动追踪和脑电生理技术引入DHCI的设计评价体系中。2014年5月，东南大学产品设计及可靠性工程研究所和国家国防科技工业局共同主办了“装备信息系统人机交互数字界面设计”培训。通过培训过程中和学员交流，感觉到国内在该领域的专业设计才刚刚起步，急需提高复杂信息系统DHCI设计水平的指导性书籍，用于全面分析研究复杂信息系统人机交互数字界面的设计方法、理论体系，系统性地建立设计要素、信息结构、设计理论、设计方法、设计原则以及评价方法，为复杂环境下执行复杂操作任务的界面显控设计研究提供完善的理论知识和结构脉络。 本书运用设计技术、生理技术及脑成像技术对复杂信息系统数字界面进行分析，探讨数字信息设计的要素、结构、理论及方法，探索不同因素条件下影响信息设计认知的关键性要素和指标，围绕复杂信息系统人机交互数字界面要素、信息结构、设计原则、关键技术等展开系统阐述，提出了复杂信息系统人机交互数字界面的设计方法和评价体系。本书的出版对于提高我国复杂信息系统人机交互数字界面的设计水平与量化评测能力，优化我国航空航天、飞机、汽车、船舶、核电厂和发电站等重大信息系统人机交互数字界面设计，全面提升装备系统、指挥作战系统的性能，进一步加快国防现代化建设，提高国防现代化水平都有重要的战略意义和现实意义。 本书的成果大部分来自东南大学研究团队近年来的研究工作，同时研究团队的师生对本书的出版做出了巨大贡献，正是这些原创性的工作和设计实践，保证了本书的独特性和前沿性。在此感谢参与本书撰写和校审工作的王海燕副教授、吴晓莉博士、李晶博士、牛亚峰博士、周蕾博士、陈默博士、苗馨月硕士、王芳硕士、匡雨驰硕士、郑佳佳硕士等师生。同时，书中部分内容源引专家、学者的著作，谨在此一并表示衷心的感谢。 最后感谢中国信息融合领域顶尖权威专家何友院士，中国工业设计领域最具影响力大师清华大学柳冠中教授为本书作序。希望本书的出版能够为提高我国复杂信息系统DHCI设计水平、提升信息装备系统性能尽微薄之力。 由于时间紧，人力、水平和其他条件所限，书中难免有疏忽遗漏之处，敬请各位同仁、读者批评指正。 本书得到国家自然基金71071032（基于认知负荷(CL)和态势感知(SA)均衡的人机交互数字界面设计研究）和7127105（数字界面视觉信息认知的脑机制研究）项目资助出版。 薛澄岐 2015年10月7日于南京 目 录 第1章概 述1 1.1信息化时代1 1.2研究背景1 1.3国内外研究现状3 1.4复杂信息系统人机交互的研究方向10 1.5研究意义10 【本章参考文献】11 第2章复杂信息系统人机交互数字界面定义19 【内容提要】19 21定义19 211系统的复杂性19 212复杂信息系统的定义20 213人机交互数字界面20 214复杂信息系统人机交互数字界面22 22特点23 23复杂性分析24 24拟解决关键问题26 25主要研究内容26 【本章参考文献】27 第3章复杂信息系统人机交互数字界面设计要素29 【内容提要】29 31图标29 311图标的概念及分类29 312图标的设计难点30 32控件31 321控件的概念及分类31 322控件的设计难点33 33导航36 331导航的概念及分类36 332导航的设计难点37 34色彩38 341数字界面的色彩构成及功能38 342软件界面设计中色彩的功能39 343复杂信息系统对色彩设计的要求41 35布局41 351布局设计的概念及设计难点 41 352布局中的视觉感知与视觉规律42 353数字界面的功能区块43 36交互44 361交互的概念与分类44 362交互的设计难点45 363数字界面交互设计的影响因素45 【本章参考文献】45 第4章复杂信息系统人机交互数字界面信息结构47 【内容提要】47 41信息结构概述47 411信息结构的定义47 412设计信息结构的目的48 413信息结构的交付产物48 414信息结构与相关领域49 415复杂数字界面的信息结构特征49 42信息结构类型50 421线性结构50 422层级结构和多层级结构51 423网状结构52 424分面结构52 425综合结构53 426自组织结构53 43信息分类方法53 431自上而下法和自下而上法53 432分类法54 433精确分类和模糊分类55 434展示性信息的结构56 44界面组件57 441软件界面组件功能介绍57 442不同信息结构对应的功能组件58 45界面信息结构模式59 【本章参考文献】61 第5章复杂信息系统人机交互数字界面设计理论62 【内容提要】62 51数字界面的视觉感知理论62 511视觉感知62 512数字界面的视觉感知64 513眼动追踪技术在数字界面中的应用——案例分析66 52数字界面的认知摩擦理论76 521认知摩擦概述76 522认知摩擦研究79 523认知摩擦的关联量化指标81 524认知摩擦的脑电测量案例82 53数字界面的认知负荷理论86 531认知负荷的概念86 532认知负荷的结构87 533认知负荷的分类88 534CL产生过程中的认知资源消耗机制89 535认知负荷与工作绩效的关系90 536认知负荷的有效控制策略93 537基于时间压力的认知负荷研究案例94 538基于认知负荷的复杂信息系统数字界面设计案例98 54数字界面的注意捕获理论101 541数字界面中的视觉注意101 542数字界面中的注意捕获102 543设计元素的注意捕获105 544基于注意捕获的设计研究106 545设计元素的注意捕获应用109 55数字界面的生态融合理论111 551生态融合理论概述111 552影响生态界面效果的因素研究113 553基于生态融合理论的界面设计案例113 56数字界面的情境认知理论116 561界面情境认知理论概述116 562情境认知特征116 563情境认知要素119 564情境假设120 565基于情境认知的图形符号设计案例121 【本章参考文献】126 第6章复杂信息系统人机交互数字界面设计方法129 【内容提要】129 61数字界面视觉信息的解码机理129 611人机界面视觉信息加工的生理基础130 612基于视觉通路理论的界面信息属性130 62数字界面人机交互的任务域模型132 621界面抽象层级分析132 622任务域模型132 623界面视觉信息关联属性分析135 63数字界面视觉信息的具象化设计135 631界面视觉信息的组织结构模型136 632界面信息集成方法137 633界面视觉信息的设计方法139 64数字界面视觉信息的布局规划140 641界面最优布局分析140 642界面视觉信息的布局规划模型141 643界面视觉信息的布局规划算法142 65数字界面视觉信息的布局评价147 651界面布局分析147 652界面布局的计算指标149 653界面布局指标的应用160 654界面布局计算原型系统161 【本章参考文献】165 第7章复杂信息系统人机交互数字界面设计原则167 【内容提要】167 71数字界面一般性设计原则167 711基本显示原则168 712基本布局原则168 713基本交互原则169 72数字界面的优化设计策略169 721图标优化设计策略169 722文本优化设计策略173 723布局优化设计策略174 724导航优化设计策略177 725色彩优化设计策略179 726信息呈现优化设计策略182 727信息流优化设计策略187 728交互优化设计策略189 【本章参考文献】191 第8章复杂信息系统人机交互数字界面评价方法193 【内容提要】193 81评价方法综述193 82数字界面可用性的眼动追踪评估方法194 821任务信息提取195 822眼动信息的信号采集195 823检测指标的计算处理196 824可用性子特征的质量检测197 825可用性质量检测198 83数字界面可用性的脑电评估方法198 831数字界面元素可用性的脑电评价指标汇总198 832数字界面整体可用性的脑电评估方法199 833数字界面局部可用性的脑电评估方法200 834脑电评价方法和其他评价方法的结合201 84数字界面可用性的眼动实验评价方法案例206 841实验方法208 842结果分析210 843结果讨论217 85数字界面脑电实验评价方法案例218 851实验方法218 852行为数据分析219 853脑电数据分析220 854结果讨论221 【本章参考文献】223 第9章复杂信息系统人机交互数字界面设计案例226 【内容提要】226 91复杂信息系统人机交互数字界面一般设计流程226 911设计流程框架226 912各流程阶段任务分解227 92优秀设计案例231 921设计案例1——某大型复杂指挥系统信息交互设计231 922设计案例2——某新闻信息系统复杂信息交互界面设计239 |
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