11 人机系统设计

第十一章人机系统设计主讲：蒋熠2010.12.1上章内容回顾一、事故的基础概念及主要影响因素二、事故致因理论及模型三、事故控制基本策略四、安全防护装置及其设计本章内容一、人机系统的概述二、人机系统基本模式及分类三、人机系统设计一、人机系统的含义人机系统--系统是由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。二、人机系统的基本模式人机系统基本模式由下列子系统组成：人的子系统机器的子系统人机界面人机系统的分类人机系统据人与机器扮演的角色不同分为以下三类：1、人力系统（manualsystem）：人员以体力来完成工作、机器以简单的非动力工具（如铁锤、钳子）为主。2、机器系统（mechanicalsystem）：机器提供动力来完成工作，人员则负责机器操作、控制及监控。3、自动系统（automatedsystem）：机器提供动力且会自动控制，人员则设定机器、资料输入、监视、保养与维修机器按有无反馈控制分类：1、闭环人机系统（反馈控制人机系统）：特点：系统的输出参与对系统的控制。若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，则称为人工闭环人机系统；若由自动控制装置来代替人的工作，人只起监督作用，则称为自动闭环人机系统。2、开环人机系统：特点：系统中没有反馈回路，系统输出不参与对系统的控制，所提供的反馈信息不能控制下一步的操作。按系统自动化程度分类：1、人工操作系统：包括人和一些辅助机械和手工工具。人（动力源和控制者）信息储存感觉信息处理与决策执行信息反馈输出输入2、半自动化系统：人可作为生产过程的控制者，操纵具有动力的机械设备；也可以为系统提供少量动力，对系统作某些调整或简单操作。人（动力源和控制者）信息储存感觉信息处理与决策执行信息反馈b）过程控制输入设备输出3、自动化系统：这种系统中，机器完全代替了人的工作，生产过程的信息接受、信息处理和执行等均由机器来完成，人只起启动、停止、编程、监控、修理、调试的作用。但是，这种系统的投资大，非大量生产采用它是不经济的。人（动力源和控制者）信息储存感觉信息处理与决策执行信息反馈b）过程控制输入设备输出按人机结合方式分类：1、人机串联系统：2、人机并联系统：3、人机串、并联混合系统人机器机器人机器机器人三、人机系统设计人机系统设计思想人、机功能的对比人机系统设计的具体程序和步骤通过如下的设计：工作空间和工作设备的设计工作环境设计工作过程设计达到如下要求：完成预定目标人机协调输入和输出功能需复合设计能力考虑环境因素的影响是一个完善的反馈闭环回路系统人机系统设计思想让人来适应机器的设计思想先设计好机器，再根据机器的运行要求来选拔和培训人员。让机器适应人的设计思想即根据人的特性，设计出最符合人操作的机器设备、器具，最醒目的显示器，最方便使用的控制器，如何使设计的机器尽可能地代替人的工作等。人与机器相互适应的系统设计思想在机器和人中间进行合理的功能分配，从而达到系统的最佳匹配。人、机功能的对比人优于机的功能A在感知觉方面，人的某些感宫的感受能力比机器优越B人能运用多种通道接受信息。C人具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。因此，任何高度复杂的自动系统都离不开人的参与。D人能长期大量储存信息并能综合利用记忆信息进行分析和判断。E人具有总结和利用经验，除旧创新，改进工作的能力。而机器无论多么复杂，只能按照人预先编排好的程序工作。F人能进行归纳推理。G人的最重要特点是有感情、意识和个性，具有能动性，能继承人类历史、文化和精神遗产。机优于人的功能A机器能平稳而准确地运用巨大动力B机器动作速度快、信息传递、加工和反应的速度快C机器的精度高，产生的误差可随机器精度提高而减小D机器的稳定性好，做重复性工作，不存在疲劳和单调问题E机器的感受和反应能力一般比人高F机器能同时完成多种操作，而且可以保持较高的效率和准确度G机器能在恶劣的环境条件下工作人机系统总体设计程序Stage2:系统定义Stage3:基础设计Stage4:界面设计Stage5:辅助设备设计Stage6:测试&评价Stage1:界定系统目标与作业要求定义执行测试&评价正式投产试制评价系统分析评价确定系统目标人机功能分析人机功能分配人机界面设计作业辅助设计结构设计性能要求总体设计工程设计师施工设计人力资源分析功能要求人员选择人因工程专家人员训练人员开发机器设计优劣1、定义系统目标和作业要求：在设计一个系统时，首先必须确定它作为一个整体所体现的目标，然后再讨论为达到该目标，“系统目标”一般要用比较抽象、概括的文字叙述。包括两方面内容：若干条目的“要求”：具体地说明了系统的目标。如：“怎样设计一种将城市人从某地运至某地的运送系统”。“限制因素”。说明实现目标时所必须受到的条件限制。、“系统作业要求”是另一个需要定义的重要概念，从内容角度包括三方面：系统做什么？做的标准是什么？如何进行测量？从人因角度，应从以下几方面调研：系统未来的使用者；（特征、心理、生理、组织。）目标的同类系统使用和操作；使用者的作业需求；（满意度、标准、时间限制等）确保系统目标体现使用者的需求。2、系统定义系统定义阶段是“实质性”设计工程的开始，其中最主要的工作是选择设计方案：⑴由设计者和决策人共同研究；⑵应从更大范围、更高层次上发挥作用的角度考虑；⑶选择哪个方案的决策必须由更高一级的决策层和设计者作出。系统定义是对系统的输入、输出和其功能的同时进行定义。功能分析包括描述、确定、和分解系统功能的过程。这里应避免“功能分配”。只定义功能是什么，不定义怎样实现功能。系统定义阶段必须同时进一步定义“使用者”：1、使用者的群体特征（如人数、职业类型等）；2、使用者的个体特征（如感觉、认知、反应能力等）。3、初步设计（基础设计）应始终注意系统人因的要求与各个硬件及设计决策的协调一致性。人机系统初步设计围绕系统设计的功能分配、作业分析以及作业要求进行：功能分配。作业要求。提出作业品质的要求。例如精度、速度、技能、培训等。作业分析。作业序。功能分配。功能是关于系统的工作的描述，功能分配是指把已定义的系统功能，按照一定的分配原则，“分配”给人、硬件或软件。“分配”给人实现的系统功能要考虑：★人是否有“能力”实现该功能，★预测人是否乐意长时间从事这一功能。对于功能分配，常要考虑两个方面的问题：1、人机功能分配；2、人与机的功能匹配。1）人机功能分配所谓人机功能分配，是指在人机系统中，为了充分发挥人与机械各自的特长，互补所短，恰当地分配人机任务，以达到人机系统整体的最佳效能。①人机功能分配应考虑的问题a人与机械的性能、负荷能力、潜力及局限性。b人进行规定操作所需的训练时间和精力限度。c对异常情况的适应性和反应能力的人机对比。d人的个体差异的统计。e机械代替人的效果和成本。②通常由“人”承担的工作a程序设计b意外事件处理c变化频繁的作业d“机”的维修e长时期大量贮存信息f研究、决策、设计等③通常由“机”承担的工作：a枯燥、单调的作业和笨重的作业b危险性较大的作业。如救火、空间技术、放射环境及有毒作业等。c粉尘作业d喷漆、涂料、电镀、焊接、铆接等作业。e自动校正、自动检测、高精度装配等。f特殊目的作业。如病房服务、为盲人引路、壁行机(用于船壳焊接)、象鼻机(仿象鼻运动搬运重物)等。g高阶运算h快速操作I可靠性的、高精度的和程序固定的作业。2）人与机的功能匹配①人机应达到最佳匹配，使系统整体效能最优；②人和机器的相互配合；人监控机器机器监督人。以防止人产生失误时导致整个系统发生故障。③显示器与人的信息感觉通道特性的匹配；④控制器与人体运动反应特性的匹配；⑤显示器与控制器之间的匹配；⑥环境条件与人的有关特性的匹配；⑦人、机、环境要素与作业之间的匹配等。功能分配的一般原则：1）比较分配原则：2）剩余分配原则；3）经济分配原则；4）宜人分配原则；5）弹性分配原则。功能流程图：将系统的各个功能，按其输入和输出联系起来，用框图表示，就获得描述系统的功能流程图。作业分析作业分析是指对已分配人的功能进行的分析，目的是使作业与作业者之间建立协调一致的关系。每一项作业都必须事先有计划，作业者必须得到明确的书面指导。这种指导文件必须说明，作业者要做什么，怎样做，什么时间完成。作业分析包括四个主要部分：1）确定系统作业结构；2）确定作业；3）编制作业流程图；4）建作业序1）系统的作业结构是指系统的作业和作业技能的整体要求，是对作业者群体而言的。作业复杂程度高10%40%10%较高20%30%40%较低30%20%40%低40%10%10%（1）（2）（3）第一种形式为“金字塔”结构，其特征是以低技作业主。第二种形式是倒金字塔结构，以高技校的复杂作业为主，系统必须考虑从其他系统中转移来作业人员以完成较复杂的作业。第三种是棱形结构，以中等复杂的作业技能为主。2）确定作业是指研究人在完成分配给他的系统功能的活动过程时，从作业管理的角度，给予一定的划分或规定；从劳动和个体工作的角度，来划分必须更加具体地分析和描述“人”实现功能的活动，来划分或规定“人”的作业。确定作业主要了以下几个方面问题：▲确定期人力资源已具备的知训和技能；▲划分作业的技能水平；▲确定作业的输入和输出；▲确定作业的内容；▲确定作业与作业之间的关系；▲研究作业的复杂程度是否与设计要求的技能水平相适应。确定作业后，设计者需用适当的的形式描述作业，以便设计管理时参考。①作业流程图②作业分析表子作业刺激反应反馈作业分类错误可能时间作业地点技能水平允许必需2.12.22.32.42.52.62.7.12.7.22.82.93）描述作业这种图表不仅表示作业与功能的关系，而且按人机关系的特征，说明引导作业动作的信号、作业动作的反馈、作业分类、作业动作的潜在错误、完成作业的时间限制、作业地点和技能水平等。4）建立作业序作业序是指某个作业者单独从事的一组作业。作业的信息或数据关系：功能被分解为若干作业，作业按一定规则组合为作业序。组建作业序可考虑：①作业的技能水平；②作业的顺序关系；③作业的时间安排；④人机界面关系。4、界面设计人机界面设计主要是指显示、控制以及它们之间的关系的设计，应使人机界面的设计符合人机信息交流的规律和特性。包括：显示器的设计、控制器的设计以及作业空间的设计。人机界面设计分三个步骤：1、尺寸、参数设计，绘制平面图；2、功能模型设计，确定实际空间关系的适宜性；3、实际尺寸模型的验证。5、作业辅助设计所有用于保证人的作业效能的技术和手段，除系统“本体”的硬件以外，都属作业辅助的范围，主要包括两个方面：1）制定选择操作人员的标准；2）确定培训、使用说明，确定作业辅助手段。6、设计与评价1）人机系统设计在工程设计中的地位几乎所有的工程设计，大都可分为六个设计阶段：①原理设计，主要解决功能问题；②初步设计，具有总体设计的性质；③人机系统的设计，主要是解决人机关系的一些问题；④结构设计，解决结构形状、尺寸和工艺问题；⑤造型设计，主要是整体外观造型的美观设计问题；⑥完成阶段，包括施工图设计和试制问题。2）人机界面设计人机系统中，人与机器之间存在一个相互作用的“界面”，所有的人与机器的交流都发生在这个界面上，一般称为人机界面，是人机关系的非常重要环节。3）人因工程学设计对机具进行人因工程学设计，使机具适应人的特性、保证人使用时得心应手。主要包括显示器和控制器的选择与设计、作业空间设计、作业辅助设计等。4）系统评价就是试验该系统是否具备完成既定目标的功能，并进行安全性、舒适性及社会性因素的分析、评价。人机系统设计步骤（1）明确系统的目的和条件；（2）进行人和机械的功能分配；（3）进行人和机械的相互配合；（4）对系统或机械的设计；（5）对系统进行分析评价。总结一、人机系统的概述人机系统--系统是由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。二、人机系统基本模式及分类人的子系统——机的子系统——人机界面三、人机系统设计人机系统设计思想人、机功能的对比人机系统设计的具体程序