第2章 人因工程学系统分析

第2章人因工程学系统分析系统的功能系统的经济性系统的安全性系统的基本要素:2.1人—机—环境系统的分类1．简单人—机—环境系统在这种系统中，1名或几名操作人员操作1台机器在特定环境中工作。现行的汽车、火车、飞机等属于这类系统。2．复杂人—机—环境系统这类系统的特点是，1名操作人员可以操作2台以上的机器，或者是1台或多台机器同时可以被几名操作人员操作。目前，许多工业生产机器的操作，如1名纺织工人操作10余台织布机等，都类似于此。3．广义(或大规模)人—机—环境系统这类系统广泛存在于各种生产部门。各生产部门的最高决策者通过一套指挥／控制系统，对下属各基层单位的生产状况实施统一的管理和调度，这是一种典型的广义人—机—环境系统。2.2系统分析的目的对任何一个人—机—环境系统来说，在满足功能的前提条件下，还要满足系统的经济性和安全性。随着科技文化水平的提高，操作环境的舒适性也将成为重要指标。明确系统的效能或功能。在系统比较简单、目的明确的情况下，系统所具备的效能能被详细地描述；在大型系统或目的比较抽象的情况下，效能本身构成复杂，对效能，的描述或表现并不容易。在明确效能的条件下，才能合理分配人和机的任务。近来国内外盛行的对人—机界面的研究，则是从功效的角度对人机协同工作的协调。系统的经济性有2个含义。(1)对于一个广泛意义下的系统来说，有系统的使用者和制造者之分。两者都将获得适当利润作为生存和再生产用。这是为了利润而对经济性提出的要求，是资金面上的经济性问题。(2)为了评价系统，效率的评价尺度常使用金额，这被作为经济性来处理。所谓经济，就是在满足系统技术要求的前提下，尽可能投资最少，即保证系统整体的经济性。系统的安全性，是指不出现对人体的生理危害或伤害，并避免严重事故(如飞机失事)的发生。很显然，在人—机—环境系统中，作为系统主体的人可以说是最灵敏的，他能根据不同任务要求来完成各种作业。然而，他在系统中也是最脆弱的，尤其在各种特殊环境下，矛盾更为突出。因此，在考虑系统总体性能时，重视安全是理所当然的，这也是人—机—环境系统与其他工程系统存在显著差异之处。为了确保安全，不仅要研究产生不安全的因素及采取预防措施，而且要探索不安全的潜在危险，力争把事故消灭在萌芽状态。然而，建立人—机—环境系统的目的，并不单纯为了安全，更重要的是使整个系统能高效率地进行工作。舒适性，是指以人为本，满足人的生理和心理要求，使人处于最佳的工作环境状态。环境物质条件的不完善对人的生理和心理影响必将影响到工效。所以，从功能、经济、安全、舒适这4个方面对系统进行研究，才能比较全面衡量任何一个人—机—环境系统的优劣，这正是系统分析应该达到的目的。2.3系统功能分配及评价人机系统设计要遵循以下过程：(1)进行人、机功能分配；(2)进行人、机组合；(3)设计人—机界面和作业工具等；(4)对系统进行评价，在不满足系统要求情况下重返过程(1)；(5)系统最终设计。一、根据人、机的各自特点，合理分配人、机功能无论机械设备的性能有多先进，都需要人来进行直接和间接的操纵和管理。即使是全自动控制系统，它也只能进行正常情况下的操纵；在人机系统设计时，要充分考虑人的作业能力对系统效率的影响，使人、机之间进行最佳匹配。为了做到这一点，在目的和条件(必要条件、制约条件、环境条件等)明确的情况下，必须要找出人、机之间的特点和界限，以此作为合理的人、机功能分配的依据。表2．1列出了人与机械的特点和界限的比较。表2。1人与机械的特点和界限比较二、系统评价对系统进行评价是确保系统经济、安全、适用的关键。为了进行评价要先建立系统模型，用模型来表示作业对象、使用的机具和材料及环境条件等。2.4经济性、可靠性及安全性分析一．经济性分析(1)生产费用；(2)运行、管理和维护费用；(3)训练费用。经济性与安全性是一对矛盾的组合，要视系统内容区别对待。设计和建立人—机—环境系统是要保证整个系统的工作性能最佳。这里所指的最佳有两个含义：一是系统的工作效果要佳；二是人的工作负荷要适度。所谓工作效果，是指工作速度、运行精度及运行可靠性等的好坏；所谓工作负荷，是指人完成任务所承受的工作负荷和工作压力，以及人所付出的努力或注意力大小，如操作轻松或操作紧张，是否易于疲劳等等。为了提高系统工作效率，应从以下5个方面着手：1根据人、机的各自特点，合理分配人、机功能，这对系统效率的提高影响极大。2人—机界面的合理设计。3通过选拔和训练，提高人的工作能力，这对系统工作效率的提高影响极大。4在机器设计时，应尽量改善它的可操作性，使其符合人的要求。5确定适当的环境条件。二．可靠性与安全性分析可靠性是系统、零件和部件等在规定的条件下具有规定的机能的概率所表现出的特性。该概率被定义为可靠度。可靠性是定性的表现，可靠度是用概率所定义的可靠性的量化值。安全性是指不发生人员的伤亡或不引起机器、设备、器材的损伤。1．可靠性的基础理论对某一讨论的对象，设时刻t发生的累积故障率或不可靠度为F(t)，则F(t)=nf(t)／n0式中，n0为所讨论对象的总数；nf(t)为到时刻t为止发生故障的个数。2.系统的可靠性设一项工作由很多工序组成，每一工序有其失误概率，可靠度则可看成是总的失误概率的函数，即可靠度＝1一总的失误概率。人机系统的可靠性取决于人的可靠性和机的可靠性。设人的可靠度为RH，机的可靠度为RM，系统的可靠度则为RS＝RHRM3．人为失误由于人的操作错误(或称人为失误)造成系统的功能失灵，甚至危及人的生命安全，往往不被人们所认识，或者没有引起足够的重视。人为失误与大脑的意识水准有关，大脑的意识水准可分为5个层次：(1)第0层次，无意识或神志丧失，表现为注意力为零，即在睡眠状态；(2)第1层次，意识异常，注意迟钝，表现为人处在疲劳状态，可靠度在0.9以下；(3)第2层次，正常意识的意识松弛阶段，表现为人在安静或休息，或进行一般性作业的状态，可靠度在0.99以上；(4)第3层次，正常意识的意识清醒阶段，表现为人在积极活动状态，可靠度在0.99999以上；(5)第4层次，超常意识，意识极度兴奋激动阶段，表现为人在紧急防卫反应时的恐慌和紧张等，可靠度在0．9以下。人的行动可以分为以下5个阶段：(1)发现事物或信号；(2)分辨信号；(3)解释信号的含义；(4)判断系统的状态；(5)最后作出行动决策。2.5系统分析的基本步骤综合评定值Q＝a*安全+b*经济+c*舒适式中a,b和c分别为对各指标的加权系数，并有a+b+c＝1加权系数的选择取决于3种因素：(1)国家的技术水平和经济实力，例如，当国家经济实力较弱时，‘取较小值，反之应取较大值；(2)人—机—环境系统的种类，例如，飞机与船舶相比，其安全性要求更高，故a可取较大值，而船舶可取较小值；(3)人—机—环境系统的工作状态，例如，载人飞船，其上升段由于不要求做更多的工作,b可取较小值，但在轨道段，人的工作显得很重要，b应取较大值。综上所述，人—机—环境系统工程着重强调系统分析方法，使人们在设计和建立任何一个人—机—环境系统时，从经验走向科学、从定性走向定量、从不精确走向精确。这不仅可避免工程技术上的大量返工和经济上的巨大损失，而且可以大大加速人—机—环境系统的设计和研制进程。系统分析的任务是如何实现人、机、环境三要素的最优组合。显然，对任何一个系统来说，系统的总体性能不仅取决于各组成要素的单独性能，更重要的是取决于各要素的关联形式，即信息的传递、加工和控制方式。人—机—环境系统工程的最大特色在于：它在认真研究人、机、环境三个要素本身性能的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是科学地利用三个要素之间的有机联系，从而大大提高全系统的整体性能。因此，为了满足人—机—环境系统的总体性能，要对人、机、环境选择最优结构方案，并制定共同的性能准则，甚至要对标准进行研究；然后根据三者对整个系统性能的贡献程度，找出关键所在，并据此安排各项研究的轻重缓急，确保系统综合效能的实现。