12 Внешняя компоновка эс

12.1 Виды внешней компоновки и требования к ней

Внешняя компоновка – это размещение органов управления, индикации на лицевой панели и выбор цветовой гаммы для всего изделия.

Внешняя компоновка бывает централизованной – когда органы управления многоблочной конструкции сведены к одному или нескольким пультам в одном месте и децентрализованной – когда элементы настройка и управления размещены на многих блоках ЭС.

Главное требование внешней компоновки – обеспечение максимального удобства работы оператора. Компоновка выполняется с учетом антропологических, физиологических, психологических данных человека, которые в конечном итоге определяют эргономические факторы – это художественная выразительность изделия, его гармоничность, целостность, соответствие среде эксплуатации, цветовая композиция.

12.2 Эргономические требования

12.2.1 Антропологические требования

Антропологические факторы определяют соответствие изделий размерным, весовым и силовым данным оператора.

Исходя из антропологических данных человека формируются требования к форме и габаритам пультов, кресел, к элементам органов управления – форме и размерам ручек, кнопок, рычагов.

При проектировании пультов ориентируются на следующую модель человека: рост 170см; масса – 68кг, расстояние от плечевого сустава до середины ладони вытянутой руки 70см, максимальный диаметр пальцев – 10÷20мм.

Кроме этого учитывается положение оператора во время работы. Так, при длительной непрерывной работе он работает сидя, при периодической работе он может работать как сидя, так и стоя, и если он эпизодически и на короткий срок подходит к органам управления, то работает стоя.

В особых случаях (самолеты, космические корабли) человек-оператор работает полусидя, полулежа.

Работа оператора при различных положениях требует соответствующих размеров пультов.

Рекомендуемые материалы

Рисунок 45 - Взаимосвязь положения оператора и габаритов пульта

В положении сидя зона досягаемости рук и зона обзора следующая:

Рисунок 46 - Зоны досягаемости

Участки А и Б образуют зону основных движений, когда для манипуляции руками не требуется поворота туловища. Для участка А не требуется поворота головы, а для Б требуется легкий поворот головы.

Участки В и Г образуют зоны вспомогательных движений. Для проведения манипуляции на участке В требуется движение всей руки и движение головой, а на участке Г – поворотом туловища с поворотом головы.

Исходя из приведенного, наиболее важные органы управления и информации должны размещаться в зоне А. В зоне Б располагаются приборы и органы управления нечасто используемые оператором, но они должны находиться в зоне досягаемости и обзора.

В зоне В размещают редко используемые приборы, в зоне Г – вспомогательные приборы.

При проектировании рабочего места у шкафов и стоек ЭС для работы стоя все приборы располагаются в зоне досягаемости исходя из условий нормальной работы оператора низкого роста.

По высоте рабочую зону делят на:

1) 2000 – верхняя неудобная;

2) 1700 – верхняя мене удобная;

3) 1050 – удобная;

4) 850 – нижняя менее удобная;

5) 500 – нижняя неудобная.

Отсюда следует что высоту стоек и шкафов не рекомендуют выполнять свыше 1700 мм.

К антропологическим факторам относится и сила, с которой оператор воздействует на органы управления.

Среднее усилия, развиваемые человеком:

- притяжение рывком к корпусу двумя реками – 1000Н;

- длительное притяжение - 250÷300Н;

- длительное сжатие кисти – 150Н.

12.2.2 Физиологические факторы.

Это зрение и слух. (80% знаний человек получает через зрение).

Зрение характеризуется:

1 – полем зрения; 2 – остротой зрения; 3 – аккомодацией; 4 – адаптацией; 5 – конвергенцией; 6 – цветовым восприятием.

1) Поле зрения человека в горизонтальной и вертикальной плоскости представляется следующим образом:

Исходи из особенностей периферийного зрения воспринимать слабые световые сигналы, индикаторы аварийной сигнализации следует располагать на краях пульта. При этом непрерывные сигналы воспринимаются быстрее.

2) Острота зрения – особенность глаза обнаруживать малые предметы. Это свойство зависит от освещенности объекта, длительности восприятия, вида объекта.

При времени наблюдения t_набл >0,5с острота зрения близка к максимальной.

3) Аккомодация – процесс фокусировки хрусталика глаза на близкие и дальние предметы. С возрастом хрусталик теряет свою эластичность. Глаз ребенка аккомодируется на расстоянии 60мм; 20 лет – 100мм; 40 лет – 220мм; 60 лет – 1000мм.

Время аккомодации составляет 0,6÷1,2с.

4) Адаптация – это изменение чувствительности глаза в зависимости от воздействия на него раздражителей. При переходе из светлого в темное помещения, и через 1 час пребывания там чувствительность глаза увеличивается в десятки тысяч раз. Для приспособления глаза к темноте требуется 20 мин.

5) Конвергенция – время нацеливания глаза на одну точку. Среднее время нацеливания и фокусировки ≈165мс. При чтении – 20мс.

6) Цветовое восприятие глаза заключается в способности различать цвета по цветовому тону, насыщенности и контрастности.

Различают контрастность прямую – объект темнее фона и обратную – объект ярче или светлее фона.

 при ,

где  и  – яркость фона и объекта соответственно.

Рекомендуется делать контрастность К=65÷95%.

Яркость В зависит от освещенности Е.

,

где  – коэффициент отражения поверхности, зависит от цвета.

Например: белый цвет – ρ = 0,85; желтый светлый – ρ = 0,75; серый светлый – 0,75, темный – 0,3; зеленый светлый  – 0,65, темный – 0,07; синий светлый – 0,55, темный – 0,08; коричневый – 0,1.

С помощью слуховых ощущений человек воспринимает звуковые частоты в диапазоне 16÷20000Гц.

Минимальное звуковое давление, необходимое для того, чтобы звук был слышен, называется порогом слышимости. Порог слышимости зависит от частоты и в диапазоне 800..2000Гц составляет примерно 2*10⁵Па.

12.2.3 Психологические факторы

К психологическим факторам оператора ЭC относятся элементы восприятия, переработки и передачи информации.

Скорость восприятия информации зависит от ее смыслового значения. Осмысленная информация воспринимается со скоростью 15-20бит/с.

1 бит – это количество информации при приеме. Бит это 0 или 1.

Например: цифра в десятичной системе содержит 3,3 бит, буква – 5 бит, объем кратковременной памяти у человека - 1000÷100000 бит, общий объем – 10²⁰бит.

Способность человека-оператора связана с темпом или скоростью поступления информации.

1 – область перегрузки

2 – область нормальной работы

3 – затухание активности

Низкий темп подачи входной информации проявляется в падении активности человека. Высокий темп подачи входной информации к резкому росту ошибок. Поэтому при проектировании пультов и индикаторных устройств необходимо ориентироваться на оптимальную скорость выдачи информации, не превышающей пропускной способности оператора. При это следует учитывать время на передачу оператором усвоенной им информации (то есть время на переход информации из одного вида в другой – из визуального в звуковой и т.д.).

Приведенная информация позволяет сформулировать рекомендации по конструированию элементов управления и индикации ЭС.

12.3 Конструктивные требования к органам управления

К органам управления относятся: тумблеры, переключатели, ручки, кнопки, клавиши, рычаги и т.д.

Органы управления предполагают следующие основные действия оператора:

1) Переключение – плавное перемещение рабочего органа в одно из нескольких положений;

2) Установку – плавное перемещение рабочего органа в одно из многих возможных положений (установка рабочей частоты с контролем по индикатору);

3) Управление – плавное перемещение органа в одно из многих положений, которое постоянно меняется.

Органы управления должны обеспечивать быстрое и точное перемещение, при этом они должны быть легко различимы, а их форма удобной для управления.

Тумблеры (перекидные выключатели) – применяемые в РЭА чаще всего бывают 2 и 3 позиционные.

Длина приводного элемента (рычага) L тумблера от 9 до 50 мм; угол перемещения 40⁰÷120⁰; диаметр конуса рычага d 3÷15мм. Усилие по переключению тумблера не должно превышать 7Н.

При установке тумблеров необходимо учитывать следующие правила:

1) Положение “включено” тумблера должно соответствовать следующему положению приводного элемента: “вверх”, “вправо”, “от себя”, а положение “выключено” – наоборот;

2) Предпочтительная горизонтальная установка. При этом шаг установки не менее 19мм, а при работе в перчатках 25мм; при вертикальной установке шаг между рычагами не менее 19мм.

          Переключатели – это прежде всего коммутационные устройства поворотного типа.

          Особенностью поворотных выключателей является скользящий контакт, который обеспечивает более высокую стабильность переходного сопротивления и надежность коммутации по сравнению с разрывными контактами. У них большая коммутационная стабильность – большое число положений и направления переключателя.

          Однако у скользящих контактов активней протекают процессы износа, поэтому число переключений у поворотных переключателей примерно на порядок меньше, чем у перекидных и кнопочных.

          Управления поворотными переключателями происходит с помощью различных ручек или рукояток.

Расстояние между ручками на панелях не менее 15мм.

Число положений современных поворотных переключателей доходит до 24, а направлении – до 40.

Кнопки. В соответствии с ГОСТ 22614-77 “Кнопки, общие эргономические требования” формы приводных элементов кнопок следующие:

На пульте кнопки должны располагаться в зависимости от функционального назначения. В основной рабочей зоне помещают кнопки изменения режима ввода информации. Кнопки выключения располагают вне рабочей зоны.

При большом количестве кнопок их группируют и окрашивают в разные цвета.

Для обозначения функционального назначения применяют надписи или символы, которые располагают на поверхности кнопок, так и рядом с посадочным местом.

12.4 Конструктивные требования к органам индикации

Все индикаторы можно разделить на две группы – предметные – это надписи, шкалы – и световые – это сигнальные лампы, светодиоды, светящиеся надписи.

Все надписи предметных указателей и индикаторов должны быть лаконичны и выполняться буквами простого начертания.

В зависимости от конкретных условий эксплуатации подбирается размер шрифта, цветовая гамма, а фон шкалы – зависит от расстояния. Если l>800мм, то лучше воспринимаются белые знаки на черном фоне, а при меньшем расстоянии – черные знаки на белом фоне. В целях равномерного рассеяния или отражения света поверхность шкалы должна быть матовой.

При компоновке на пульт стрелочных приборов необходимо учитывать градуировку шкалы, отметки на шкале и ширину острия стрелки.

При выборе стрелочного индикатора необходимо знать, в каком временном режиме он будет использоваться. При короткой экспозиции (<0.5с) точнее считываются показания прибора с подвижной стрелкой и неподвижной шкалой. С увеличением экспозиции предпочтение отдается приборам с подвижной шкалой.

Скорость и точность считывания показаний во многом зависит от формы шкалы.

Лучшие результаты дает круглая, за ней следует полукруглая и прямолинейная горизонтальная шкала, а худшие – вертикальные шкалы.

Следует учесть, что форму шкалы необходимо выбирать с учетом характера информации, для которой она предназначена. Так, для приборов с помощью которых контролируются параметры глубины, высоты, температуры, лучшими являются вертикальные шкалы.

Для уменьшения ошибок считывания на шкалах цена деления должна содержать не более двух цифр, а далее вводится коэффициент .

Рекомендуется использовать последовательность цифр: 1,2,3,4,5…; 5,10,15,20...

Нерекомендуется использовать последовательность цифр: 3,6,9…; 4,8,12,16…; 0,2.5,7.5.

Малое число ошибок при считывании дают цифровые индикаторы. Однако при быстром изменении знака измеряемой величины не всегда можно определить направление изменения параметра – это недостаток цифровых индикаторов, и в этих случаях следует отдавать предпочтение стрелочным приборам.

12.5 Элементы художественного конструирования

12.5.1 Основы теории композиции в технике

Теория композиции содержит ряд основных понятий и категорий, к которым относятся тектоника и объемно-пространственная структура.

Тектоника – это художественное выражение в форме, материале, взаиморасположении частей, закономерностей строения и работы конструктивной системы. Это средство художественной выразительности. Например, материал из которого сделал предмет может вызывать различные эмоции: текстура дерева – одно; яркость окраски пластмассы – другое; зеркальность хромированных и золоченых покрытий – третье и т.д.

Существует также тектоника изделий различных форм (тектоника литой формы; тектоника штампованных изделий).

Проектируя внешний вид изделий конструктор применяет отделочный материал, определяет виды сопряжения плоскостей конструкции, создает форму, то есть объемно-пространственную структуру изделия. Так разрабатывается тектоническая система, которая обеспечивает эстетическую выразительность изделия.

Особенность объемно пространственной структуры является симметричность или асимметричность конструкции.

В свою очередь симметрия может быть зеркальной или осевой.

Внутренняя компоновка большинства приборов РЭА не позволяет использование строго симметричного исполнения внешнего вида. Чаще всего бывает частичная асимметрия формы изделия с ассиметричными, но композиционно уравновешенными структурами.

Пример: имеется прибор из 4 индикаторов, разместив которые в верхней части лицевой панели добиваемся симметрии. Однако нижняя часть из-за различных форм и размеров элементов симметричной не получается. Однако возможна их привязка к осям индикатора.

Кроме тектоники и объемно-пространственной структуры качество композиции обеспечивают следующими свойствами:

1) Соподчиненность элементов. В основе соподчиненности лежит ряд закономерностей композиции отклонение от которых приводит к ухудшению формы. Это и гармоническое сочетание открытой структуры с элементами кожуха, линии одного элемента продолжались в другом и т.д;

2) Композиционное равновесие. Свойство формы когда все элементы сбалансированы между собой. Это включает и пропорциональность, цветовое и тональное решение. Для симметричной формы композиционное равновесие выполняется проще, чем для асимметричной;

3) Статичность – выражение устойчивости формы и ее элементов. Куб – статическая форма.

1 - статическая конструкция; 2,3,4,5,6 динамические конструкции

4) Контраст и нюанс. Контраст – это резкое различие между однородными свойствами (больших и малых размеров ЭС, темный - светлый).

Формы, построенные на контрастах всегда выразительны и хорошо запоминаются. Однако при сильном контрасте композиционная связь может разрушаться и форма распадается на части. Степень контраста должна проверяться и с эргономической точки зрения.

Понятие нюанс сходно с понятием контраста. Нюанс – сглаженный контраст. Усиленный нюанс переходит в контраст.

Нюансировка – это самое тонкое из средств композиции. Нюанс используют для устранения монотонности и жесткости ритма при построении композиции;

5) Метрический повтор. Это многократное повторение какого-либо элемента с одинаковым интервалом (одинаково оформленные шкалы; сигнальные лампы; кнопки, тумблеры, разъемы);

6) Ритм - закономерность композиции, основанная на постепенном увеличении или уменьшении в ряде чередующихся элементов..

Порядок изменения ритма можно представить следующим рисунком.

Такое построение возможно по правилам арифметической или геометрической прогрессии. Достижение ритмической выразительности при компоновке передней панели возможно сочетанием цветов.

12.5.2 Цвет в композиции

Выбор цвета зависит от назначения изделий, условий его эксплуатации и комплекса эргономических требований.

Цвета подразделяются на: ахроматические (бесцветные) – это белый, черный и серый, получаемые смешением белого и черного; хроматические – это все остальное. Между белым и черным цветами можно расположить бесконечно большое количество промежуточных цветов и получить тем самым шкалу убывания светлости.

Для сравнения по светлости используют характеристику яркостного контраста:

,

 где _,  – коэффициенты яркости сравниваемых по цвету участков.

Выделены три контрастных нормы:

К = 0,2÷0,25 – контраст заметный;

К = 0,4÷0,45 – контраст хороший;

К = 0,7÷0,75 – контраст сильный.

Между этими нормами находятся 4 зоны:

1) зона малозаметного контраста К = 0÷0,2 – используют для поверхностей, которые не требуют выделения на фоне.

2) зона нормальных контрастов К = 0,25÷0,45. Это спокойные, но четко выраженные контрасты применяют для органов управления при многоцветной окраски.

3) зона повышенных контрастов К = 0,5÷0,7. Применяют для органов управления, которые необходимо быстро опознавать, для надписей.

4) зона резко заметных контрастов К = 0,75÷1,0. Также контрасты применимы в приборах информации (шкалы, стрелочные указатели).

Важнейшим свойством каждого цвета является его тон, который определяется длиной волны (780÷300мкм). Цвета в спектре плавно переходят один в другой.

Все хроматические цвета делятся на три основные группы:

1) длинноволновые (красный, красно-оранжевый, оранжевый);

2) средневолновые (желтый, желто-зеленый, зеленый);

3) коротковолновые (голубой, синий, фиолетовый).

Цвета, которые содержат больше красного, оранжевого, желтого называют теплыми, а содержащие голубой, синий, фиолетовый – холодными.

Если расположить видимую часть спектра по кругу, то этот цветовой круг будет иметь 24 нормы цвета.

Каждая из норм имеет свои названия.

1) лимонно-желтый;

2) желтый средний;

3) золотисто-желтый;

4) желто-оранжевый;

5) красно-оранжевый;

6) сигнальный красный;

7) красный средний;

8) нормально-красный;

9) пурпурно-красный;

10) пурпурно-фиолетовый;

11) фиолетовый;

12) сине-фиолетовый;

13) фиолетово-синий;

14) ультрамарин;

15) синий средний;

16) зелено-синий;

17) синий;

18) бирюзовый (сине-зеленый);

19) цвет морской волны;

20) изумрудный;

21) средний зеленый;

22) желто-зеленый;

23) травяная зелень;

24) зеленовато-желтый.

Максимальный цветовой контраст будут давать нормы находящиеся на противоположных концах диаметра круга (красный 5 на сине-зеленом – 18; желтый 1 – на фиолетовом 13.

Для характеристики цвета также принята трехкомпонентная система. За основные цвета приняты красный, зеленый, синий. Любой цвет можно получить смешивая их в соответствующих пропорциях (колометрический треугольник).

Отсюда, для получения нужного цвета надо составить цветовое уравнение

С = Х_х+Y_y+Z_z – где  X,Y,Z линейно независимые цвета; x,y,z – оптимальное количество выбранных цветов (x+y+z = 1). ().

Учитывая, что x+y+z = 1, то для получения различных цветов можно применять систему двух координат x,y, а третья координата равна z = 1-(x+y).

12.5.3 Рекомендации при разработке гармоничных цветовых решений.

Оптимальное цветовое сочетание должно включать два либо три цвета  и их оттенки. Четвертый цвет может быть лишь фоном и иметь меньшую насыщенность и яркость.

Восприятие большого количества цветов вызывает впечатление цветовой дисгармонии или “визуального шума”.

Основой для составления цветовых сочетаний является цветовой круг. Несколько примеров его использования.

1) Контрастные сочетания. Парами цветов, определяющих контрастные сочетания, будут противоположные тона на цветовом круге.

Контрастное решение также основывается на противоположности теплых и холодных тонов, насыщенных и менее насыщенных, ярких и тусклых, черных и белых, большой и малой площади.

2) Нюансная гамма строится на основании родственных тонов, расположенных на круге в пределах одной четверти.

Рядом расположенные тона имеют малую различимость, поэтому удачные сочетания цветов можно получить, выбирая их через один - два промежуточных тона.

При сочетании из трех цветов следует придерживаться следующих правил:

1) Следует использовать цвета в вершинах равностороннего треугольника на цветовом круге. Например: красный, синий, зеленый или желтый, голубой, пурпурно-красный.

2) Выбирают сочетания:

а) из двух родственных цветов и их дополнительным;

б) из родственно-контрастных цветов;

в) из сочетания двух родственно-контрастных цветов с их главным цветом.

Рядом лежащие на круге цвета 1-2, 4-5 называют похожими. Такие цвета как 1-5-9-13-17-21 – называют родственными, а 1-9-17 – чужеродными.

3) Рационально использовать явление одновременного цветового контраста.

Например: красный цвет на различном фоне выглядит:

- оранжевый фон – малиновый оттенок;

- желтый фон – темно-вишневый оттенок;

- голубой фон – оранжевый;

- черный фон – розовый.

4) Цветовая гамма и функциональное назначение изделий.

Сочетание цветов оказываю на восприятие и ощущение различное эмоциональное воздействие.

- так, оранжевый и зеленовато-синий цвета создают жизнерадостную атмосферу. Они хорошо сочетаются с синим цветом.

- сочетание желтовато-зеленого с фиолетовым цветом имеет контрастность, отличаются эстетической выразительностью, стимулируют деятельность человека.

Различные цветовые сочетания имеют воздействия:

- желтые, белый – вялое, слабое;

- красный, фиолетовый – неспокойное;

- красный, черный – угнетающее;

- синий, зеленый – холодное, неподвижное;

- синий, черный – нежизненный;

- зеленый, коричневый – спокойное, естественное.

Гармоничное сочетание цветов – это такое сочетание, которое способствует функциональному назначению изделий и удовлетворяет эстетическим требованиям.

В заключении примеры оформления (цветового) оборудования:

- для термического оборудования была предложена теплая гамма, основанная на сочетании желтого, вишневого и белого цветов;

- для вакуумного – холодная – сине-белая;

- для роботов и манипуляторов – сочетание белого и оранжевого цветов.

Органы управления на этом оборудовании выделяются с помощью максимального цветового контраста – черным цветом приборная панель, на которой клавиши и индикаторы имеют белый и красный цвет.

12.5.4 Пропорции как средство композиции

При организации формы изделия среди других средств композиции главную роль играет пропорция размеров.

Пропорция выражает количественную взаимосвязь общей формы и ее составляющих элементов.

Пропорции могут быть:

1) арифметические: Н₁ – Н₂ = Н₂ – Н₃;

2) модульные – где исходные единицей принимают модуль.

3) геометрические: Н₁/Н₂ = Н₂/Н₃

В таких пропорциях отношения могут быть простых рациональных чисел и иррациональных.

В простых отношениях числовая зависимость двух величин выражена дробным числом, где числитель и знаменатель представлены целыми числами в пределах от 1 до 6.

1:1 – это квадрат, а 1:2, 1:3..1:6 – это повторение квадрата целое число раз.

Широко распространены пропорции с применением иррациональных величин √2, √3, √5.

a) а/с = 1/√2;

b) a/h = 1/√3 – равносторонний треугольник;

c) “золотое сечение”. Это отношение получается при делении целого на две непрерывные части таким образом, чтобы целое относилось к большей части, как большая часть к меньшей:

(a+b)/a = a/b – 1.62.

На практике используют сочетания приближенные к золотому сечению: 3:5, 5:8, 8:13, 13:21 и т.д. Или такой ряд: 1,2,3,5,8,13,21,34,55.

В практике широкое распространение получили пропорции, которые образуются из динамических прямоугольников.

Прямоугольники с указанными сочетаниями сторон распадаются на элементы, повторяющие строение целого и сохраняющие кратное соотношение. Далее, диагональю полученного прямоугольника , которая равна , образуют сторону следующего прямоугольника .

Люди также интересуются этой лекцией: Качество групповых решений.

Особыми свойствами обладает прямоугольник , связанный с “золотым сечением”. При членении этого прямоугольника полуокружностью получаются два прямоугольника “золотого сечения” 0,618:1 и квадрат, либо два прямоугольника 1:0,618 и 1:1,618.

Для стандартизации размеров и печатной продукции используют пропорциональное отношение . Этот прямоугольник при делении пополам сохраняет первоначальную пропорцию.

Предпочтительные пропорции, применяемые при конструировании ЭС, которые оправданы конструктивно, экономически и эстетически строятся на основе системы предпочтительных чисел. Смысл этой системы заключается в выборе лишь тех значений размеров и параметров, которые подчиняются определенной математической закономерности, а не любым значениям.

Предпочтительными эти числа называются потому, что они рекомендуются для предпочтительного применения при конструировании, стандартизации и унификации.