HMI 设计心理学：界面布局的格式塔原理

 引言

在工业自动化系统中，HMI（Human-Machine Interface，人与机器界面）扮演着至关重要的角色。通过 HMI，操作员能够监控和控制设备或生产过程。一个设计良好的 HMI 界面不仅能提高操作效率，还能显著降低操作错误率。为了实现这一目标，设计师需要理解和应用一些心理学原理，以确保界面的直观性和易用性。其中，格式塔原理作为一种基本的认知心理学理论，在 HMI 界面设计中有着重要的应用。

本文将探讨格式塔原理在 HMI 设计中的应用，并结合 PLC（可编程逻辑控制器）编程经验，为设计一个直观、高效的界面提供理论支持和实践指导。

1  什么是格式塔原理？

格式塔原理（Gestalt Principles）起源于 20 世纪初的德国心理学研究。格式塔一词源于德语，意为“形态”或“整体”。这一理论认为，人类在感知世界时，并非单独地分析每个元素，而是通过整体的方式来感知信息。格式塔原理的核心思想是：我们倾向于将视觉元素按某种方式进行组合，以形成一个整体，这种整体通常比单个部分更具意义和功能。

在视觉设计中，格式塔原理帮助我们理解如何有效地组织界面元素，以提高信息的传达效率和用户的操作体验。常见的格式塔原理包括接近性原则、相似性原则、连贯性原则、封闭性原则等。这些原理可以直接应用到 HMI 界面设计中，帮助设计师创造出清晰、直观且易于操作的界面。

2  格式塔原理在 HMI 设计中的应用

2.1  接近性原则（Proximity Principle）

接近性原则指出，距离较近的元素容易被感知为一组。换句话说，用户会将接近的元素视为相关联的部分。因此，在 HMI 设计中，元素之间的间距和布局至关重要。

实践应用：

在 HMI 界面中，功能相似的按钮、控制面板和显示区域应当放置在一起，以帮助用户快速识别和操作。例如，PLC 控制面板上的启动和停止按钮可以设计得相邻，以便用户可以直观地进行操作。

2.2  相似性原则（Similarity Principle）

相似性原则指出，形状、颜色、大小等相似的元素会被用户看作是一个整体或一个群组。这意味着，具有相似外观的控制按钮或信息区域会被用户认为具有相似功能或性质。

实践应用：

在设计 HMI 界面时，使用一致的颜色、形状和图标来表示相同类型的功能。例如，所有的设置按钮可以使用相同的图标和颜色，而警告按钮则可以采用醒目的颜色（如红色）。这种设计能够帮助操作员迅速识别不同功能区域，从而提高工作效率。

2.3  连续性原则（Continuity Principle）

连续性原则指出，人们更倾向于将视觉上连续的元素看作一个整体。也就是说，设计中使用的线条、形状、排列方式等元素应该保持某种视觉上的连贯性，避免让用户感到困惑。

实践应用：

在 HMI 界面中，功能区域或按钮的排列应该尽量保持线性和顺序性。例如，在一个生产监控界面上，温度、压力和流量的显示数据可以按顺序从左到右排列。这样，用户在查看信息时能够感受到视觉上的连续性，从而减少认知负担。

2.4  封闭性原则（Closure Principle）

封闭性原则是指，当一组元素的形状或线条不完整时，人类的大脑倾向于自动将这些元素补充完整，从而形成一个完整的图形或模式。在 HMI 设计中，适当使用这一原则可以帮助用户更容易地理解界面内容。

实践应用：

在一些图形化界面中，例如流程图或设备状态显示，设计师可以使用不完全的图形或线条来指示某些信息的缺失或等待状态。操作员可以通过这一视觉提示迅速判断出系统的当前状态，并做出相应的反应。

2.5  对称性原则（Symmetry Principle）

对称性原则认为人眼对于对称的图形具有天然的偏好。对称设计使得界面看起来更加平衡和和谐，有助于减少视觉疲劳。

实践应用：

在设计 HMI 界面时，可以采用对称布局来排列操作按钮和信息区域。例如，将重要的控制按钮置于界面的中央，并对称地排列辅助控制按钮，这样可以使界面看起来更加整洁，并提升用户的操作体验。

3  结合 PLC 编程实现格式塔原理

HMI 设计不仅仅是视觉和布局的问题，还涉及到如何将这些设计理念与 PLC 系统中的实际控制逻辑结合起来。通过 PLC 编程，操作员能够通过 HMI 界面与机器或生产系统进行交互。一个优秀的 HMI 界面不仅要遵循格式塔原理，还要考虑到如何通过 PLC 代码与界面进行实时通信。

3.1  数据传输与实时更新

PLC 系统中的输入信号和输出信号通常通过 HMI 界面实时展示。当设计 HMI 界面时，确保数据的实时更新和准确显示至关重要。比如，温度、湿度、压力等数据的显示需要通过 PLC 从现场传感器获取，并及时反映在界面上。

实践应用：

在 PLC 编程中，常常需要使用 Modbus、OPC、Ethernet/IP 等通信协议，将 PLC 的数据传递给 HMI。在编写 PLC 程序时，操作员可以通过设置定时器和触发条件，确保数据能够按照预定的时间间隔更新，保证 HMI 界面展示的数据的准确性和实时性。

3.2  按钮与事件的响应

HMI 界面的按钮和开关通常与 PLC 的输入/输出端口关联。操作员通过点击按钮或开关，向 PLC 发出控制指令，PLC 根据指令执行相应的动作。

实践应用：

在 PLC 程序中，设计合适的控制逻辑来响应 HMI 上的操作。例如，当用户点击“启动”按钮时，PLC 程序会触发启动控制信号，启动相关设备。同时，HMI 界面可以通过实时反馈，显示设备的当前状态。

3.3  状态显示与视觉反馈

HMI 界面通常需要根据 PLC 的状态输出，动态更新界面元素。例如，某个设备运行时，按钮的颜色可以从灰色变为绿色，表示设备处于正常运行状态；而在设备故障时，按钮可以变为红色，提示操作员注意。

实践应用：

通过 PLC 中的状态寄存器或输出信号，HMI 可以实时获取设备的运行状态，并通过颜色、图标或文字进行反馈。例如，在 PLC 程序中，可以根据设备的实际状态（如运行、停机、故障等），通过数字输出或寄存器，将不同的状态传输到 HMI 界面。

4  设计与操作员互动的优化

优秀的 HMI 设计不仅要符合格式塔原理，还要考虑到操作员的习惯、知识背景和认知能力。在实际应用中，操作员与 HMI 界面的互动往往决定了整个控制系统的效率和安全性。因此，设计一个用户友好的界面，是确保工业自动化系统成功应用的关键之一。

4.1  简洁性与清晰性

HMI 界面不应过于复杂，操作员应能在最短的时间内完成操作。因此，界面的设计需要简洁明了，避免不必要的装饰和过多的信息堆砌。

实践应用：

通过采用格式塔原理中的接近性和相似性原则，界面中功能相似的控件应该放置在一起，并使用统一的颜色和样式。此外，避免在一个界面中显示过多的实时数据或复杂的图表，应该根据操作员的需求进行优先级排序，确保最重要的信息最为显眼。

4.2  提供适当的反馈

反馈机制在 HMI 设计中非常重要。操作员需要知道他们的操作是否成功，是否发生了错误，或者设备是否处于正常状态。

实践应用：

在 PLC 程序中，可以通过状态反馈信号（如“操作成功”或“操作失败”）向 HMI 界面发送消息。HMI 界面可以通过颜色变化、声音提示或弹出对话框来通知操作员。例如，当设备发生故障时，界面应立即显示红色警告，提示操作员采取措施。

总结

在 HMI 设计中应用格式塔原理，能够帮助设计师创造出更加直观、易用的操作界面。通过合理布局、颜色搭配以及信息的组织方式，可以显著提高操作员的工作效率和安全性。此外，将格式塔原理与 PLC 控制逻辑结合，能够实现实时数据反馈和状态更新，使 HMI 界面不仅仅是一个视觉展示平台，而是一个高效的控制和监控工具。

在未来的工业自动化系统中，HMI 设计将越来越重视用户体验和操作效率，而格式塔原理将在这一过程中继续发挥重要作用。设计师和工程师应不断学习和实践这些心理学原理，为工业自动化系统提供更好的界面设计和用户交互体验。

2026年1月