拖拉机驾驶室界面设计信息管理论文
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1系统的空间布局
拖拉机驾驶室是驾驶员获取信息并进行正确、安全驾驶操作的特定作业场所，其间分布着众多的仪器、操纵杆等。信息管理系统只有符合人的视觉特征，放在驾驶员的正常视野范围内，才能使其迅速、准确、安全、可靠地获取信息。人机工程学确定了人眼在水平面和垂直面中的最佳视域范围，即水平方向［－15°，15°］，垂直方向［0°，30°］，水平方向的自然转动角度为45°。“用户友好”的设计思想要求:信息管理系统在驾驶室的布局能够满足驾驶员在最舒适的状态下高效迅速获取最重要驾驶信息的要求。在调查分析驾驶员的操作习惯后，本文结合驾驶室的空间布局，采用眼椭圆测试方法确定驾驶员的视野范围，并根据参考文献［4］中的方法，合理确定驾驶室内操纵台尺寸后，制定信息管理系统的最优空间布局。
2用户界面设计原则
信息管理系统为驾驶员提供驾驶过程中所需的拖拉机运行参数、工作状态及故障等信息，是拖拉机必不可少的部件。随着控制技术的快速发展与我国发展农业现代化要加速推进的迫切需求，广大用户对拖拉机显示行驶、作业信息的要求越来越高，不但要求所提供的信息量丰富，显示直观、清晰、稳定，而且要求显示速度快、精度高。以符合拖拉机驾驶员操作习惯、方便使用为最终目的，针对拖拉机工作环境的恶劣与复杂性，本文特提出以下信息管理系统界面设计的基本原则。
(1)界面直观、清晰。
信息管理系统需要显示的信息繁杂，且驾驶员操作环境复杂，因此系统界面宜直观、简洁、方便，要让驾驶员一目了然，能迅速准确获取拖拉机的重要信息，包括拖拉机车速、发动机转速、冷却水温度、机油压力、燃油剩余量、行驶路程、作业面积、时间日期等。
(2)实时性强。
作业中的拖拉机工作环境异常复杂，这就要求特定信息的显示应当具有实时性。信息获取的任何延迟都可能导致驾驶员无法有效控制拖拉机正常、安全、高效地工作，例如灯光及报警信号，包括左右转向灯、远光灯、电池电压报警灯、进气压力报警灯、空挡指示灯等对于安全驾驶都具有重要意义。此外，燃油消耗量、耕地深度、耙地深度、实时播种量、实时施肥量、实时灌溉量、灌溉时压力泵的压力等信息也都需满足实时性的要求，否则可能导致漏耕、漏耙、漏播等作业失误，影响拖拉机作业效率，造成资源浪费。因此，这些信息的显示必须随着现场实时数据的变化进行周期性、高频率的刷新，以实时反映拖拉机作业时的实际情况。
(3)信息量丰富。
随着拖拉机携带作业机具作业功能的不断增强，驾驶员从信息管理系统获取信息的需求量越来越大。驾驶员不仅需要及时准确地了解拖拉机的行驶状况，如行驶速度、发动机转速、冷却水温度、驱动轮滑转率等，还需要了解作业机具的工作状况和工作效率，如机具是否正常作业、作业幅宽、耕深、耙深、播种量、施肥量、喷药量、收割量、燃油消耗量、燃油剩余量、实时作业面积、单位时间作业面积、累计作业面积、实时作业时间、累计作业时间、实时行驶里程、累计行驶里程、单位时间(每小时)作业面积、单位时间(每小时)燃油消耗量和单位工作面积(为遵从农民习惯，单位工作面积以每亩或每公顷计，其中，每亩折合667m2，下同)燃油消耗量等。通过这些信息，驾驶员可以更加有效地控制拖拉机的正常工作，调整其工作状态，提高工作效率。
(4)反应迅速。
这是对界面设计软件提出的要求。如果系统对驾驶员的操作不能及时响应，将可能导致重要命令的延误。除了响应时间的绝对长短外，系统对不同操作命令在响应时间上的差别也很重要，如果其差异过大，将直接影响驾驶员在系统使用中的用户体验，降低使用过程中的乐趣，甚至导致驾驶员对本系统的排斥、逆反心理。
(5)稳定可靠，抗干扰。
这也是对界面设计软件提出的要求。拖拉机的工作环境恶劣，而且大功率拖拉机目前被广泛使用，为了提高拖拉机的工作效率、保证拖拉机安全工作和避免交通事故，系统提供给驾驶员的信息必须具有可靠性和抗干扰性。否则，驾驶员若收到一个不可靠的信息，很可能发生错误操作，引发作业事故。这不仅会降低拖拉机的工作效率，导致财产损失，还可能危害到驾驶员的生命安全。同时，信息的可靠性也是现代农业精细化作业的要求。
3界面布局与设计
信息管理系统是一个人机系统，驾驶员与系统之间的信息交流和控制活动都发生在用户界面上，因此界面的设计质量决定了本系统的易用性和驾驶员对系统的操作、控制能力，影响对整个系统功能的评价。因此，本项目在用户界面的设计中，以驾驶员为中心，详尽地分析了驾驶员的操作习惯，并对其用户体验进行调查、分析，研究驾驶员对拖拉机不同信息的需求程度，判断不同信息对驾驶员的重要程度。按照信息的重要等级将众多信息科学合理地进行划分，在用户界面的不同显示区域内进行显示，使系统最大限度地符合驾驶员的操作习惯，以便驾驶员更加简洁迅速、更少障碍、更加准确地与系统进行信息交流，在最短时间内学会使用并掌握全部系统功能，同时在使用中提高工作效率，建立自信，激发创造性，带来成就感。使用图形化的编程工具LabView对信息管理系统进行设计。作为虚拟仪器的试验平台，LabView是一个基于G语言、具有高度灵活性的开发系统。G语言是一种面向对象并具有扩展函数库的通用图形化编程语言。G语言编写的程序称为虚拟仪器VI(virtualinstruments)，因为它的界面和功能与真实仪器十分相像。在LabView环境下开发的应用程序都被冠以VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。一个VI由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。前面板是VI的交互式用户接口，与真实物理仪器面板相似，包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，用户可以通过键盘或鼠标获取数据显示结果。数据流框图程序是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是VI的程序代码。图标连接端口就像一个图形化参数列表，可在VI与子VI之间传递数据。LabView现已越来越广泛地应用于测量、控制、教学、科研等领域，内置大量功能，能够很方便地完成数据采集分析显示、仪器控制、测量测试、工业过程仿真及控制等多种操作，并具有良好的可扩展性。
3．1界面布局
界面布局是指显示区域、显示图标和控件的位置、大小、间隔及这三者之间的协调平衡。在充分考虑系统所要实现的功能，分析拖拉机应用领域的专业知识和驾驶员的操作习惯后，本文对系统界面进行了科学合理的区域划分。用户界面分成3个部分:任务栏、灯光及报警区域、主显示区域。其中左侧任务栏长度与底部灯光及报警区域高度相同，任务栏高度与灯光及报警区域长度之比为1.0∶1.5，主显示区域与灯光及报警区域的高度之比为5∶1，则任务栏、灯光及报警区域、主显示区域面积比为1.0∶1.5∶7.5。拖拉机进行不同作业工种时，所需显示的具体信息各有不同，据此将主显示区域进一步分成3个部分:选项栏、固定信息、变化信息，其面积比为1.0∶1.5∶6.0。选项栏和固定信息区分别位于主显示区域的左右两侧，变化信息区位于中间。
3．1．1任务栏
任务栏内放置可供选择的图标:拖拉机作业信息、摄像头监控、故障及诊断。选择拖拉机信息图标可由当前界面转入拖拉机作业信息界面，选择摄像头监控图标即可转入摄像头监控界面，选择故障及诊断图标可转入故障诊断界面。
3．1．2灯光及报警区域
灯光及报警区域放置报警灯信号，包括电池电压报警灯、机油压力报警灯、冷却水温度报警灯、燃油报警灯、进气压力报警灯、发动机自检灯、前后雾灯、远光灯、左右转向灯等。各报警灯图形参照汽车行业规范，便于驾驶员掌握各灯所指示的内涵。
3．1．3主显示区域
主显示区域显示对驾驶员最为重要的拖拉机信息，包括拖拉机车速、发动机转速、燃油剩余量、冷却水温度、机油压力等。对主显示区域进一步划分后，当拖拉机进行不同工种作业时，右侧的选项栏内放置可选择的作业类型图标，包括耕地、整地、播种、喷药(灌溉)、施肥、收割等。选择某一作业图标后则进入对应作业信息界面。固定信息区域放置不同工种下仍需共同显示的重要信息，包括拖拉机行驶速度、实时作业面积、实时行驶里程、实时作业时间等。变化信息区域显示不同工种下的特定信息，包括耕深、耙深、作业幅宽、播种量、施肥量、喷药(灌溉)量、压力泵压力等。观察界面布局可发现，任务栏与灯光及报警区域呈L型包围主显示区域，之所以将界面作如此划分，主要是为了突出强调显示区域，减少任务栏对驾驶员的注意力分散，同时又不至于忽略灯光及报警区域。尤其是将主显示区域进一步细分之后，左侧的固定信息不会被忽视，同时又能强调变化区域内的信息群。进入不同工种下的拖拉机作业信息界面后，灯光及报警区域显得不那么重要，也可将其省去。
3．2具体界面设计
系统界面包括基本信息、作业信息、摄像头监控、故障诊断等界面，下面重点介绍各界面的主显示区域。
3．2．1基本信息界面设计
基本信息界面主显示区域显示拖拉机行驶状态的重要信号和工作量信息。其中行驶状态信号包括发动机转速、拖拉机行驶速度、冷却水温度、机油压力、动力输出、燃油剩余量、总行驶路程、时间日期等;工作量信息分为实时行驶里程、实时作业面积、实时作业时间、实时燃油消耗量、累计行驶路程、累计作业面积、累计作业时间和累计燃油消耗量、单位时间(每小时)作业面积、单位时间(每小时)燃油消耗量和单位工作面积(每亩)燃油消耗量等。除了拖拉机行驶速度、发动机转速、总里程和时间日期外，其他信息均采用图标显示，界面更加生动形象，富有朝气。在布局上，车速和转速信息位于界面中心偏上，其他信息呈U型环绕。
3．2．2作业信息界面设计
根据拖拉机的作业类型、工况不同，作业信息界面分为耕地、整地、播种、喷药(灌溉)、施肥、收割等作业信息界面。主显示区域仍是以图标表示各信息，辅以文字说明，以免混淆信息含义，具体信息的数值采用数字直观显示。其中较为特殊的信息如幅宽，设定为输入信息，可直接由界面输入。变化信息区域内放置较多工作量信息，包括单位时间(每小时)作业面积、单位时间(每小时)燃油消耗量和单位工作面积(每亩)燃油消耗量等。除信息采用图标显示外，采用形象的简图来表示特定的工种，使界面清晰、明了。
3．2．3摄像头监控界面设计
当拖拉机装有摄像头时，摄像头监控界面可帮助驾驶员对摄像头视野范围内景象进行观察，可以弥补驾驶员对视野盲点及视野范围之外景象的观察，帮助驾驶员掌握行驶、作业地面的路况，便于拖拉机及时排除路障，安全行驶。
3．2．4故障报警界面设计
当拖拉机行驶中出现故障报警时，可选择故障及诊断图标转入故障诊断信息界面。该界面内不仅能够及时显示拖拉机的故障原因，还能够为驾驶员提供相应的故障排除方法。另外，该界面还可为驾驶员提供拖拉机维护保养信息，便于驾驶员对拖拉机进行定期维护，延长拖拉机的使用寿命。
4界面友好性评价
信息管理系统的用户界面将界面设计从物理界面的设计转移到认知界面的设计，更加重视系统的可用性、驾驶员用户体验等人机交互关系。界面除了要准确地反映拖拉机行驶状况外，还应根据人体感觉器官的生理特征来确定其结构，两者必须达到充分的协调。界面的形状、颜色、刻度盘、指针、亮度等因素，都必须适合人的信息接受和认识过程，而且所显示的信息要辨认速度快、可靠性高、误读率小，以减轻驾驶员的精神紧张和身体疲劳。下文从颜色、指示灯、刻度盘、指针等方面对所设计的界面进行评价。
4．1颜色设计
界面的颜色选择对信息的可辨性影响很大。为使指针、刻度等清晰易辨，运用人机工程学提供的清晰色彩搭配方法来进行设计。研究表明，人可以准确辨认的色彩不超过10～12种，光谱的中波区(橙、黄、绿)对眼睛的感受性具有最高的锐化作用，不易引起眼睛疲劳，认读速度和准确性较高。根据这一结果，本文设计的界面使用的颜色为粉红、淡蓝、浅绿、浅黄，颜色差异较大，易于区分不同功能的显示区域;同时为避免视觉疲劳、认知困难，使用的颜色种类较少，反之可能过犹不及。同时，上述几种颜色的搭配也较为美观、协调，易于驾驶员集中注意力。
4．2指示灯设计
指示灯一般有以下3种排列方式。研究表明，正方形的排列辨认率最低，圆形排列辨认较为困难，直线形优于圆形排列。因此本文中设计的界面中，灯光及报警信号区域内各信号采用直线排列。指示灯提供的信息应易于被驾驶员感知。为了使指示灯传递的信息更加准确、易辨识，其外形设计参照汽车行业中的指示灯设计，便于驾驶员掌握其内涵。为进一步引起驾驶员的注意，指示灯均采用闪烁的方式。表示禁止、危险信号的指示灯闪烁时为红色，如燃油指示灯;表示正常运行的为绿色，如转向灯。
4．3刻度盘设计
刻度盘的形状主要有水平直线形、圆周形、半圆形、1/4圆形和扇形5种形式。研究表明，圆形刻度盘认读范围小，视线集中，误读率较低，但最大刻度与最小刻度重合在一起，或距离很近。半圆形刻度盘给出了较好的准确率与显示位置，但无法满足刻度布置需要，甚至会因刻度线之间过于拥挤而发生误读。综合以上因素考虑，本系统中刻度盘设计成略大于半圆形的扇形，既满足了刻度盘最大刻度与最小刻度之间的距离要求，又增大了刻度线之间的间距。
4．4指针设计
指针形状应以头尖、尾平、中等宽的设计原则为标准，造型应简单，刻度尖端应与最小刻度线等宽。若小于最小刻度宽度，则指针在刻度范围内移动时看不清;若大于最小刻度宽度，指针的认读精度又会受到影响。同时指针的颜色应与仪表盘颜色形成明显的对比，与刻度线和字符的颜色尽量协调，以利于驾驶员认读。总之，本文设计的用户界面能够满足驾驶员将已有的知识和经验传递到本系统中，以更快学习和使用本系统的功能，同时有利于驾驶员将更多的注意力集中到判断、分析、检索、归类等具体的操作任务上。
5结论
本文以拖拉机驾驶员为中心，充分考虑拖拉机驾驶员的工作习惯及其工作时拖拉机所处恶劣环境的状况，设计了拖拉机驾驶室实时信息管理系统的用户界面，协助驾驶员优质、高效地完成相应的作业任务。
(1)界面布局符合驾驶员的认知心理与操作习惯，具有一定的层次感与逻辑性，易于熟悉与掌握;
(2)基本信息界面显示对驾驶员最为重要的拖拉机信息，有助于驾驶员掌握拖拉机实时行驶状态;
(3)作业信息界面根据作业工况的不同，细分为耕地、整地、播种、喷药(灌溉)、施肥与收割界面，详尽显示不同工种是拖拉机的重要作业信息，帮助驾驶员实时掌握拖拉机作业情况，提高作业效率;
(4)摄像头监控界面监测驾驶员视野范围之外的地面作业情况，帮助驾驶员掌握更多作业信息;
(5)故障诊断界面提供信号警报、故障报警、故障诊断报告及维护保养信息等，在拖拉机发生故障时为驾驶员排除故障并提供维修建议，当拖拉机正常行驶时协助驾驶员进行拖拉机的日常维护与保养，延长拖拉机使用寿命。
作者：周伟伟 鲁植雄 吴俊淦 姜春霞 金文忻 单位：南京农业大学工学院 江苏省智能化农业装备重点实验室