数控机床软件界面人的因素分析

摘　要：数控机床是现代加工制造业的重要工具。充分考虑人的因素，设计其软件用户界面具有非常重要意义。本文从人的认知心理、用户使用、菜单语义结构系统角度对数控机床（以ＣＮＣ５０００Ｖ２００Milling为例）软件用户界面进行分析，指出了现存的问题，并提出了解决问题的方法。
关键词：界面设计　认知　数控机床
ABSTRACT
It is important to design user software interface of CNC machine tool under considering human factors. This paper analyzes user software interface of CNC Machine (E.g. CNC 5000 V200 Milling )from human information processes, users and menu semantic system’s point of view, proposes problems with the interface and methods to solve the problems.
KEYWORDS Interface design Human factor CNC machine Cognition
 
  介绍
　　数控机床正在被广泛地应用在加工制造业的各个领域。软件在数控机床中起着重要的作用，其用户界面直接影响着数控机床的工作效率和效果。因此，在充分考虑人的因素下，设计数控机床的软件用户界面变得越来越重要。
　　本文从人的认知心理、用户使用和菜单语义结构系统角度对数控机床（以ＣＮＣ５０００Ｖ２００Milling）软件用户界面进行分析，指出了现存的问题，并提出了解决问题的方法。
数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００的软件用户界面
  
  图１数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００的软件用户界面
  　　数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００的控制系统软件有一个图形界面，如图１。该界面具有三个功能独立的过程（PROCESS）：OPEARTE, PROGRAM, CONTROL。每个过程分别服务于系统的操作者，程序员和系统的监控者（SUPERVISOR）。
　　高光表示被激活的过程和模式。被激活的过程具有自己色彩，并显示为屏幕的前景。例如，OPERATE对应绿色，PROGRAM对应深蓝色，CONTROL对应浅蓝色。
　　每一个过程都有自己的菜单行，在菜单行上的菜单是下拉菜单，具有自己的子菜单。

子菜单可以被选择，以进行下一步的操作。
　　软键区所显示的各个软键功能依赖于被激活的过程和菜单模式。引导行显示出用户怎样进行下一步操作的信息。通过按HELP键，可以显示出对用户操作错误的简洁解释。
　　数控机床软键区可以显示出由机床制造者开发的专用机床功能。它们可以通过软键来激活。一幅数控机床的简图显示出各坐标轴的方向。
　　窗口可以在屏幕的固定位置被打开，它们显示出不同的信息，如：菜单、文本、程序、表格及图形等。它们的尺寸及形式依赖于被激活的过程、菜单及子菜单。
数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件界面的分析
软件用户界面设计的基本问题是：
确定为了完成软件系统的任务在屏幕上应该显示的人与计算机之间相互交流的信息内容。
确定上述信息的显示形式。
　　在这篇文章中，我们将从人的认知心理、用户使用和菜单语义结构系统角度，分析和评价数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件界面对上述问题的解决效果，并指出该软件界面所存的问题和提出解决问题的方法。
  
  在人的信息处理方面，Rasmussen于1983年提出了一个多层次的认知控制模型：ＳＲＫ理论【１】。ＳＲＫ认为：
１）人用三个层次的认知控制来处理信息，即：基于技巧的行为层次（Skill-Based Behaviour, 简称ＳＢＢ），基于规则的行为层次（Rule-Based Behaviour, 简称ＲＢＢ），基于知识的行为层次（Knowledge-Based Behaviour, 简称ＫＢＢ），如图２。
２）这三个层次可以分为两类：ＳＢＢ和ＲＢＢ处理感觉和行动，而ＫＢＢ处理基于符号表征的问题解决。一般地说，认知控制的较低层次行为比较高层次行为可以被高效地和较少努力地完成。因此，人们偏爱使用较低层次的认知控制行为。
３）任务的要求、用户的经验和信息的显示方式共同决定哪一个认知控制层次行为被激活。
４）界面设计的目标是：被设计的界面不应该强迫比任务所要求的更高的认知控制层次被激活，同时，还应该提供对所有三个认知控层次行为的信息支持。
１.２　数控钻床ＣＮＣ２０００Ｖ２００软件用户界面人的认知心理分析
１）从ＫＢＢ角度的分析
问题
　　在该软件界面上没有从整体角度指出界面结构的信息。如：没有指出ＯＰＥＲＡＴＥ，ＰＲＯＧＲＡＭ和ＣＯＮＴＲＯＬ三个过程之间的关系以及各个菜单之间，各个子菜单之间关系信息。这导致用户很难从整体角度把握界面的结构和解决学习与使用时所遇到的问题。
分析
　　用户可以被分为初级用户，中级用户和高级用户。对于初级用户，界面的绝大部分是新的，他们必须通过ＫＢＢ来学习和掌握它，但是，在界面上没有信息支持ＫＢＢ，因此，初级用户很难从整体角度建立界面的基本结构。
　　对于中级用户，即使是高级用户，他们在使用界面时，也会遇到新问题。为了解决这些新问题，他们必须激活ＫＢＢ。这样，他们不得不付出很大的努力在头脑中想象出界面的结构以支持ＫＢＢ，因为界面上没有这方面的信息。所以会增加用户记忆负担和解决问题的难度。
２）从ＲＢＢ角度分析
问题
　　在界面上，没有面向常用任务的操作序列信息，这使初级，中级用户在完成常用任务时感到困难。
分析
　　ＲＢＢ的功能是当用户面对一个任务时组织完成它的一个操作序列。这个操作序列或者来自以前的经验或者从其他人学到或者通过ＫＢＢ得到。ＲＢＢ在完成这一行为时，需要一个面向常用任务的操作序列的信息的支持。在这个界面上，没有这样的信息。如：这里没有信息显示用户如何完成编制加工零件程序的操作序列，即：
编制加工零件程序＝OERATE-Reference Point-Program-Part program-Operate-Automatic(Dry-Run, or Wire Plot Graphic or Program Check)　【２】。
　　界面引导行的信息仅仅显示出用户下一步可供选择的操作。如：在PROGRAM-Part　 Program-Main　 Program模式下，引导行显示为：
Give program number<ENTER>,<new>,<find>,<modify>program(2).
　　上述这样的信息对初、中级用户的帮助甚少，因为他们还不知道为完成这个任务的主要操作序列。
３）从ＳＢＢ角度分析
问题
　　这个界面没有为用户提供可操作的连续时空信号，给用户尽可能依赖ＳＢＢ带来困难，尤其是对初级用户。这使得操作的效率和舒适性大大降低。
４）总结
　　从ＳＢＫ理论的角度看，这个界面存在以下的问题：
用户很难从整体角度把握界面的结构和解决学习与使用时所遇到的问题。
初级、中级用户在完成常用任务时感到困难。
初级用户很难依赖ＳＢＢ，这使得操作的效率和舒适性大大降低。
５）解决方法
　　针对上述问题，软件界面应为用户提供：
用有组织的网络简图形式显示软件系统结构，以支持用户的ＫＢＢ。
用序列简图形式显示面向功能的操作序列。以支持用户的ＲＢＢ
在硬件界面上为用户提供能够产生连续时空信号的输入设备，如：鼠标器，以尽可能激活人的ＳＢＢ。

２.从用户的角度分析
２.１　用户的分类
　　根据用户在任务领域（数控加工领域）和计算机领域的背景知识，用户可以分成初级用户、中级用户和高级用户。
◆ 初级用户
　　这一群体对计算机领域的知识了解较少。他们对学习和使用计算机怀有恐惧感，不能把握界面系统的整体结构，仅仅在别人的帮助下才能完成简单的任务。
◆ 中级用户
　　这一群体在任务领域（数控加工领域）和计算机领域具有一定的背景知识，他们在一定范围内对界面有了解，能够完成基本的任务，并在ＨＥＬＰ的帮助下可以完成较复杂的任务。
◆ 高级用户
　　该类用户在任务领域（数控加工领域）和计算机领域的具有非常丰富背景知识，他们渴望提高使用软件时的工作效率。
２.２　分析
　　界面应该适合这三类用户，并且支持初级用户向中级用户的转变，中级用户向高级用户的转变。
１）从初、中级用户的角度分析
　　从初、中级用户的角度来看，该数控机床软件的界面既有缺点又有优点。
　　优点是：这个界面在过程PROGRAM下为初、中级用户提供了ASSISTED ENTRY MODE和DIALOG ENTRY MODE，这使得用户编程非常容易和方便，而且ASSISTED ENTRY MODE还可以促使中级用户向高级用户转变。
　　缺点是：界面上有许多术语和图符没有解释，这使得用户，特别是初级用户，很难理解它的准确含义，如："ACTIVE FUNCTION"。
２）从高级用户的角度分析
　　这个界面为高级用户提供了FREE ENTRY MODE，以满足他们提高工作效率的愿望。
但是，这里还有些问题，如：在FREE ENTRY MODE下，每一个数据输入时，用户都必须按下ENTER键，给用户带来了许多麻烦。
３）总结
　　从用户的角度分析这个界面存在以下问题：
由于界面上信息的缺乏，用户，特别是初级用户，对准确地理解界面上的术语和图符的含义有困难。
对于高级用户，这个界面上有一些冗长的操作。
４）解决方法
在界面上，增加对术语和图符的必要解释。
为高级用户提供更简洁的操作。

３　从菜单语义结构角度分析
　　数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面由菜单、窗口、软键、引导行和在线帮助组成。这里，只对菜单语义结构进行分析。
３.１　关于菜单系统
　　菜单系统设计的主要目标是建立一个与用户任务相关的、可见的、，易于理解和记忆的、操作方便的菜单系统。同时，菜单系统还应该支持用户思考他门的任务，并且使他们能够容易组织面向任务的操作序列。
　　菜单设计的关键是尽可能地从用户的角度组织菜单的语义结构系统。
３.２菜单语义结构分析
　　为了分析和评价该界面的菜单语义结构系统，发现数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面菜单语义结构系统与从用户角度出发组织的数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面菜单结构系统之间的差异，我们设计了下面的实验。
在这个实验中，首先在顺序上随机地列出数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面上的所有菜单术语及其解释，如：
参考点（Reference Point）：机床主轴的位置相对这个点被测量。
刀具表（Table）:刀具的位置定义数类型图形补偿尺寸状态公差数据被存储在这里。
　　　　　　···　···
然后，请２０名数控加工教研室的教师和学过数控加工课程的高年级学生作被试（这些被试在数控加工领域具有丰富知识，但没有接触过数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面），要求被试仔细阅读数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面上的所有菜单术语及其解释，然后，请他们从自己的角度重新组建该数控钻床软件用户界面的菜单语义结构系统。


图３　菜单语义结构系统一致性比较统计表
 １）实验结果
　　通过比较数控钻床ＣＮＣ５０００Ｖ２００软件用户界面菜单语义结构系统和被试重新组建的该数控钻床软件用户界面的菜单语义结构系统，我们获得了两个菜单系统之间一致性的统计结果，如图３。
２）实验结果分析
　　一般地说，如果在菜单与子菜单之间有明确的逻辑关系或有相同的词汇，这样的菜单语义结构的一致性高，如：Manual Manual Operation Program Main Program Macro Program
反之，菜单语义结构系统的一致性就低。如Automation组的一致性仅为１％，数控钻床ＣＮＣ２０００Ｖ２００软件用户界面菜单语义系统中，Automation下包括下面子菜单：Machining, Dry Run, Wire Plot Graphics, Program Check, Erase Graphics。
３）结论
　　从逻辑的角度设计一个与用户心理完全一致的菜单语义结构系统是很难的。
　　子菜单的命名直接影响一致性。当某个子菜单从语义逻辑上可以同时属于几个主菜单时，子菜单的命名尤为重要。如子菜单与它所隶属的主菜单有相同的词汇时，可以使子菜单的隶属关系变得肯定明确，否则，将导致混乱。
　　相同或相似得词汇在统一层次的菜单中出现会使用户感到菜单系统混乱。
４）解决方法
　　尽可能从用户角度设计菜单的语义系统。
　　不在同一菜单层次上应用相同或相似得词汇。
　　把相同或相似词汇应用到具有隶属关系得主菜单和子菜单之中。
　　综合以上分析，我们认为在数控钻床ＣＮＣ２０００Ｖ２００软件用户界面中人的因素被很少地考虑，这严重影响了用户对该软件的学习和使用。
  参考文献
１.Jens Rasmussen, Skill, Rules, and Knowledge :Signals, Signs, and Symbols and Other Distinctions in Human Performance Models, IEEE TRANSITIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS, VOL. SMC-13, NO.3,MAY/JUNE 1983, P256-266.
2. Grundig Numeric, MANUAL CNC 5000 V200 MILLING, 1994

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。