基于認知負荷理論的數控機床配色研究

□ 鈕 鋼 □ 喬現玲 □ 惠麗萍

陜西科技大學 設計與藝術學院 西安 710021

隨著我國工業和科技的迅速發展,數控機床市場競爭也愈加激烈,更多生產企業逐漸重視機床的造型設計。色彩作為機床外型的重要表現因素,不僅決定機床的整體風格特征,而且會影響人的認知操作。科學合理的機床色彩設計,不僅能帶給人舒適、安全的操作體驗,而且對降低人的認知負荷、提高工作效率起著重要作用。

1 認知負荷理論

認知負荷理論是研究認知過程和教學設計框架的一項主要理論,指在特定作業時間內施加于個體認知系統的心理活動總量。認知負荷理論假設人類認知結構由長時記憶和短時記憶組成。作為有限認知資源的長時記憶,在對外界物理環境刺激進行加工處理時需要占用認知資源,所占用的認知資源越多,認知負荷就越高[1]。

認知負荷包括三種類型:內部認知負荷、外部認知負荷和關聯認知負荷。其中:內部認知負荷由學習材料內在特性決定,很難產生改變[2];關聯認知負荷對學習起促進作用[3];外部認知負荷指由刺激材料呈現方式或學習者活動引起的工作記憶負荷。通常可以改變學習材料的呈現方式或學習者的活動,限制外在認知負荷的數量,從而降低認知負荷,提高工作效率[1,4]。

2 數控機床配色對認知負荷的影響

依據認知負荷理論可知,通過降低內部和外部認知負荷,增加關聯認知負荷,使總的認知負荷在操作者能接受的范圍內,便可以有效促進學習。可見,要降低機床配色所引起的外在認知負荷,就要優化改進信息的呈現方式,即對色彩進行合理的搭配。

物理學習環境作為認知負荷的重要影響因素,包括顏色、大小、形狀、質量、聲音等學習材料或工具的物理特征[1]。數控機床是機械、電子、控制等多個領域耦合的機電產品[5],其色彩作為外部物理學習環境中十分重要的一個要素,能影響操作者對外部環境的感知,并占用一定的短時記憶容量,提高認知負荷。合理的配色能使操作者獲得良好的視覺感受,降低外部物理環境對人的刺激,減少對短時記憶的空間占有,從而降低外部認知負荷,減少總的認知負荷,促進信息處理的效率,提高工作效率。

機床配色對人的影響關系如圖1所示。

3 基于認知負荷理論的機床配色研究

通過對配色區域組合方式和常用色進行研究,結合認知負荷理論及機床配色影響因素,分別對數控機床的外罩、推拉門、底座及操作面板的配色進行分析。操作面板作為機床的大腦,是連接人與機器的重要紐帶,也是人在操作機床時需要頻繁接觸的部位,對這部分的配色需著重考慮。數控機床配色區域如圖2所示。

圖2 數控機床配色區域示意圖

3.1 配色區域組合方式

筆者調研收集了國內外知名數控機床廠商和2017年第15屆中國國際機床展數控機床圖片共230張,在胡志剛等[6]研究的基礎上,將數控機床配色區域劃分為五部分,如圖3所示。圖3中,將1、2、3部分作為一個整體,組成數控機床外罩,4為推拉門,5為底座。

圖3 數控機床配色區域劃分

對收集到的圖片進行形態結構分析,結合數控機床配色方式,研究數控機床正面配色區域。在胡志剛等[6]研究的基礎上,總結歸納出現有數控機床普遍采用的十種配色區域組合方式,見表1。

上述十種配色區域組合方式通過色塊的組合與變化,對機床結構進行合理劃分,使機床的整體結構更為穩定均衡,在符合形式美法則的同時凸顯出機床各部位的結構與功能,有助于操作者識別和操作,提高工作效率。

3.2 代表色篩選

對收集到的數控機床圖片進行色彩提取、整理,制作成色卡。邀請十名具有色彩基礎知識的工業設計專業學生對色彩進行分群操作,之后統計兩兩色彩出現在同一群的頻數,構建頻數矩陣,使用多維尺度分析色彩間的擬合度。運用K-均值聚類分析對色彩進行分群,將距離最接近0的色彩作為數控機床代表色。數控機床代表色篩選流程如圖4所示,得到的數控機床代表色見表2。

表1 數控機床配色區域組合方式及典型樣本

圖4 數控機床代表色篩選流程

編號1234567代表色色相值017481202402700

表2中,七種機床代表色為現有數控機床常用色,通過對數控機床常用色進行提取整理,為下一步分析數控機床各部分配色提供依據。

3.3 外罩配色

考慮到工作環境的要求,在確定機床外罩配色時,要充分考慮機床的功能特性。外罩配色要體現出穩重、均衡、專業、科技、樸素、親切等特性,展現出產品的性格特點和功能結構。由于外罩面積占比大,對機床整體色調影響較大,機床外罩色彩應以單色或雙色為宜,簡潔醒目,可增強整體感。通過前期調研分析可知,外罩配色應以無彩色系中的白色系和灰色系為主。因為人眼對白色的色視野最大,同時白色也會給人以寧靜、安定的心理感受,有助于舒緩操作者的情緒,提高工作效率。灰色屬于中等明度、無彩度的顏色,應用在機電產品中,能與其它配色達到調和、平衡的視覺感受,對人眼產生的刺激小,不易產生視覺疲勞,給操作者柔和、安靜、樸素、大方的視覺感受,降低操作者受到的外界物理刺激,提高工作效率。

3.4 推拉門配色

推拉門在機床運行過程中起防護、觀察的作用,推拉門配色多與機床外罩相配合。對于外罩與底座配色形成對比的二套色機床而言,推拉門可采用與機床外罩或底座相同或相近的顏色,達到統一、整潔的視覺感受。若機床外罩采用白色、淺灰色等顏色,為突顯推拉門在機床中的位置,使操作者便于識別,其色彩可與機床底座配色相同或相近。此外,推拉門也可根據機床整體色調,采用紅色、橙色、黃色、藍色、綠色等,與機床整體色彩形成對比,突出重點,使整體結構達到協調均衡。需要注意的是,推拉門配色的明度不宜過高,否則會引起視覺疲勞,提高認知負荷。

3.5 底座配色

機床底座是機床的基礎,起到支撐作用。底座的配色要凸顯出穩重、大方、安全的特點,多采用黑色、深灰色、深藍色等低明度色彩。一方面,這種配色設計可達到穩定、均衡的視覺感受,降低部分機床自身結構特點所帶來的頭重腳輕的不協調感。另一方面,冷色調、純度低的色彩對人眼刺激小,不易引起視覺疲勞,可降低認知負荷,使人冷靜、沉著地思考解決問題。

3.6 操作面板配色

操作面板是機床的重點部位,其色彩是操作者與機床交互過程中的一個重要因素,在操作者認識、記憶、操作過程中起到重要作用[7]。操作者經常需要在操作面板上進行編程、調試、修改參數、查詢機床運行狀態等工作,長時間操作易使人產生疲勞,造成操作上的冷漠感和情感上的無助感,特別是在遇到緊急情況時,極易出現誤操作和識別障礙[8]。搭配不當的色彩會對操作者的心理及生理產生影響,提高認知負荷,降低工作效率。為降低操作者的認知負荷,需要對操作面板色彩進行合理搭配。操作面板配色需遵循四點原則:第一,操作面板的色彩要與數控機床整體色調及功能屬性相協調,體現出數控機床的風格特點[9];第二,用色塊和線條劃分操作面板的不同功能區域,突出各區域特征,便于操作人員進行高效、安全的操作;第三,操作面板的配色宜采用低明度、低純度的中性色,多以冷色調為主,且主色調不宜超過三種[10],同時要避免使用過于鮮艷、刺激的色彩;第四,對操作面板上的按鍵、轉鈕、顯示器、指示燈等元器件配色設計時,要采用行業規定的標準用色,按照GB 2893—2008《安全色》規定,紅色表示停止、禁止,綠色表示啟動運行,黃色表示警告,藍色表示指令必須遵守的規定等。

數控機床操作面板底色多采用黑色、深灰色和淺藍灰色,以凸顯出操作面板上的功能按鍵。對于操作面板上的按鍵而言,由于數量較多,為了便于識別,可采用不同的色塊和線條對面板進行區域劃分,或者用不同色彩對按鍵進行歸類,具體可使用藍灰色、綠灰色、紫灰色、白色、檸檬黃色等,搭配深灰色或黑色字體,與按鍵色彩形成對比,提高識別性。

4 操作面板配色實例

由于數控機床包含不同類型,控制系統的種類多樣,因此各廠家所設計的操作面板也不盡相同。以某品牌適用于數控銑床和加工中心的操作面板為例,根據前期調研及結論,進行配色改進。

該操作面板配色方案如圖5所示。通過改變部分按鍵顏色,將原本灰色的按鍵改為藍灰色,將“確認”等按鍵改為檸檬黃色,將光標鍵改為天藍色,使按鍵與深灰色面板形成對比,增強識別性。運用天藍色和檸檬黃色線條對不同操作區域進行劃分,使按鍵排布更加規范整潔,突出識別性。

圖5 操作面板配色方案

5 結束語

色彩作為數控機床外觀的重要表現要素,在兼顧機床外觀審美的同時,也要考慮到人機之間的良好配合,使色彩在符合人視覺特征的前提下,指引人更好地操控機器,降低操作過程中所產生的認知負荷。基于認知負荷理論,從人的認知角度出發,對數控機床配色區域組合方式和代表色進行了初步探討,為機床外罩、推拉門、底座及操作面板的配色設計提出合理建議,并以數控機床操作面板為例進行了配色改進,所做工作為后續研究數控機床配色對操作者認知負荷的影響提供了參考。