基于认知负荷理论的数控机床配色研究

□ 钮 钢 □ 乔现玲 □ 惠丽萍

陕西科技大学 设计与艺术学院 西安 710021

随着我国工业和科技的迅速发展,数控机床市场竞争也愈加激烈,更多生产企业逐渐重视机床的造型设计。色彩作为机床外型的重要表现因素,不仅决定机床的整体风格特征,而且会影响人的认知操作。科学合理的机床色彩设计,不仅能带给人舒适、安全的操作体验,而且对降低人的认知负荷、提高工作效率起着重要作用。

1 认知负荷理论

认知负荷理论是研究认知过程和教学设计框架的一项主要理论,指在特定作业时间内施加于个体认知系统的心理活动总量。认知负荷理论假设人类认知结构由长时记忆和短时记忆组成。作为有限认知资源的长时记忆,在对外界物理环境刺激进行加工处理时需要占用认知资源,所占用的认知资源越多,认知负荷就越高[1]。

认知负荷包括三种类型:内部认知负荷、外部认知负荷和关联认知负荷。其中:内部认知负荷由学习材料内在特性决定,很难产生改变[2];关联认知负荷对学习起促进作用[3];外部认知负荷指由刺激材料呈现方式或学习者活动引起的工作记忆负荷。通常可以改变学习材料的呈现方式或学习者的活动,限制外在认知负荷的数量,从而降低认知负荷,提高工作效率[1,4]。

2 数控机床配色对认知负荷的影响

依据认知负荷理论可知,通过降低内部和外部认知负荷,增加关联认知负荷,使总的认知负荷在操作者能接受的范围内,便可以有效促进学习。可见,要降低机床配色所引起的外在认知负荷,就要优化改进信息的呈现方式,即对色彩进行合理的搭配。

物理学习环境作为认知负荷的重要影响因素,包括颜色、大小、形状、质量、声音等学习材料或工具的物理特征[1]。数控机床是机械、电子、控制等多个领域耦合的机电产品[5],其色彩作为外部物理学习环境中十分重要的一个要素,能影响操作者对外部环境的感知,并占用一定的短时记忆容量,提高认知负荷。合理的配色能使操作者获得良好的视觉感受,降低外部物理环境对人的刺激,减少对短时记忆的空间占有,从而降低外部认知负荷,减少总的认知负荷,促进信息处理的效率,提高工作效率。

机床配色对人的影响关系如图1所示。

3 基于认知负荷理论的机床配色研究

通过对配色区域组合方式和常用色进行研究,结合认知负荷理论及机床配色影响因素,分别对数控机床的外罩、推拉门、底座及操作面板的配色进行分析。操作面板作为机床的大脑,是连接人与机器的重要纽带,也是人在操作机床时需要频繁接触的部位,对这部分的配色需着重考虑。数控机床配色区域如图2所示。

图2 数控机床配色区域示意图

3.1 配色区域组合方式

笔者调研收集了国内外知名数控机床厂商和2017年第15届中国国际机床展数控机床图片共230张,在胡志刚等[6]研究的基础上,将数控机床配色区域划分为五部分,如图3所示。图3中,将1、2、3部分作为一个整体,组成数控机床外罩,4为推拉门,5为底座。

图3 数控机床配色区域划分

对收集到的图片进行形态结构分析,结合数控机床配色方式,研究数控机床正面配色区域。在胡志刚等[6]研究的基础上,总结归纳出现有数控机床普遍采用的十种配色区域组合方式,见表1。

上述十种配色区域组合方式通过色块的组合与变化,对机床结构进行合理划分,使机床的整体结构更为稳定均衡,在符合形式美法则的同时凸显出机床各部位的结构与功能,有助于操作者识别和操作,提高工作效率。

3.2 代表色筛选

对收集到的数控机床图片进行色彩提取、整理,制作成色卡。邀请十名具有色彩基础知识的工业设计专业学生对色彩进行分群操作,之后统计两两色彩出现在同一群的频数,构建频数矩阵,使用多维尺度分析色彩间的拟合度。运用K-均值聚类分析对色彩进行分群,将距离最接近0的色彩作为数控机床代表色。数控机床代表色筛选流程如图4所示,得到的数控机床代表色见表2。

表1 数控机床配色区域组合方式及典型样本

图4 数控机床代表色筛选流程

编号1234567代表色色相值017481202402700

表2中,七种机床代表色为现有数控机床常用色,通过对数控机床常用色进行提取整理,为下一步分析数控机床各部分配色提供依据。

3.3 外罩配色

考虑到工作环境的要求,在确定机床外罩配色时,要充分考虑机床的功能特性。外罩配色要体现出稳重、均衡、专业、科技、朴素、亲切等特性,展现出产品的性格特点和功能结构。由于外罩面积占比大,对机床整体色调影响较大,机床外罩色彩应以单色或双色为宜,简洁醒目,可增强整体感。通过前期调研分析可知,外罩配色应以无彩色系中的白色系和灰色系为主。因为人眼对白色的色视野最大,同时白色也会给人以宁静、安定的心理感受,有助于舒缓操作者的情绪,提高工作效率。灰色属于中等明度、无彩度的颜色,应用在机电产品中,能与其它配色达到调和、平衡的视觉感受,对人眼产生的刺激小,不易产生视觉疲劳,给操作者柔和、安静、朴素、大方的视觉感受,降低操作者受到的外界物理刺激,提高工作效率。

3.4 推拉门配色

推拉门在机床运行过程中起防护、观察的作用,推拉门配色多与机床外罩相配合。对于外罩与底座配色形成对比的二套色机床而言,推拉门可采用与机床外罩或底座相同或相近的颜色,达到统一、整洁的视觉感受。若机床外罩采用白色、浅灰色等颜色,为突显推拉门在机床中的位置,使操作者便于识别,其色彩可与机床底座配色相同或相近。此外,推拉门也可根据机床整体色调,采用红色、橙色、黄色、蓝色、绿色等,与机床整体色彩形成对比,突出重点,使整体结构达到协调均衡。需要注意的是,推拉门配色的明度不宜过高,否则会引起视觉疲劳,提高认知负荷。

3.5 底座配色

机床底座是机床的基础,起到支撑作用。底座的配色要凸显出稳重、大方、安全的特点,多采用黑色、深灰色、深蓝色等低明度色彩。一方面,这种配色设计可达到稳定、均衡的视觉感受,降低部分机床自身结构特点所带来的头重脚轻的不协调感。另一方面,冷色调、纯度低的色彩对人眼刺激小,不易引起视觉疲劳,可降低认知负荷,使人冷静、沉着地思考解决问题。

3.6 操作面板配色

操作面板是机床的重点部位,其色彩是操作者与机床交互过程中的一个重要因素,在操作者认识、记忆、操作过程中起到重要作用[7]。操作者经常需要在操作面板上进行编程、调试、修改参数、查询机床运行状态等工作,长时间操作易使人产生疲劳,造成操作上的冷漠感和情感上的无助感,特别是在遇到紧急情况时,极易出现误操作和识别障碍[8]。搭配不当的色彩会对操作者的心理及生理产生影响,提高认知负荷,降低工作效率。为降低操作者的认知负荷,需要对操作面板色彩进行合理搭配。操作面板配色需遵循四点原则:第一,操作面板的色彩要与数控机床整体色调及功能属性相协调,体现出数控机床的风格特点[9];第二,用色块和线条划分操作面板的不同功能区域,突出各区域特征,便于操作人员进行高效、安全的操作;第三,操作面板的配色宜采用低明度、低纯度的中性色,多以冷色调为主,且主色调不宜超过三种[10],同时要避免使用过于鲜艳、刺激的色彩;第四,对操作面板上的按键、转钮、显示器、指示灯等元器件配色设计时,要采用行业规定的标准用色,按照GB 2893—2008《安全色》规定,红色表示停止、禁止,绿色表示启动运行,黄色表示警告,蓝色表示指令必须遵守的规定等。

数控机床操作面板底色多采用黑色、深灰色和浅蓝灰色,以凸显出操作面板上的功能按键。对于操作面板上的按键而言,由于数量较多,为了便于识别,可采用不同的色块和线条对面板进行区域划分,或者用不同色彩对按键进行归类,具体可使用蓝灰色、绿灰色、紫灰色、白色、柠檬黄色等,搭配深灰色或黑色字体,与按键色彩形成对比,提高识别性。

4 操作面板配色实例

由于数控机床包含不同类型,控制系统的种类多样,因此各厂家所设计的操作面板也不尽相同。以某品牌适用于数控铣床和加工中心的操作面板为例,根据前期调研及结论,进行配色改进。

该操作面板配色方案如图5所示。通过改变部分按键颜色,将原本灰色的按键改为蓝灰色,将“确认”等按键改为柠檬黄色,将光标键改为天蓝色,使按键与深灰色面板形成对比,增强识别性。运用天蓝色和柠檬黄色线条对不同操作区域进行划分,使按键排布更加规范整洁,突出识别性。

图5 操作面板配色方案

5 结束语

色彩作为数控机床外观的重要表现要素,在兼顾机床外观审美的同时,也要考虑到人机之间的良好配合,使色彩在符合人视觉特征的前提下,指引人更好地操控机器,降低操作过程中所产生的认知负荷。基于认知负荷理论,从人的认知角度出发,对数控机床配色区域组合方式和代表色进行了初步探讨,为机床外罩、推拉门、底座及操作面板的配色设计提出合理建议,并以数控机床操作面板为例进行了配色改进,所做工作为后续研究数控机床配色对操作者认知负荷的影响提供了参考。