第八章-人机系统

第八章人机系统第一节人机系统概述一、人机系统的含义人机系统是由相互作用、相互依赖的人-机-环境三要素组成的具有特定功能的复杂集合体。人——机器的操作者或使用者机器——人所操纵或使用的各种机器、设备、工具等的总称。例子：人骑自行车、人驾驶骑车、人操纵机器、人使用自行车等都属于人机系统的范畴。人机界面——在人机系统中，人与机器之间进行信息交换的交接面，如显示器和控制器。二、人机系统的基本模式人机系统的基本模式由人的子系统、机器的子系统和人机界面所组成。人的子系统可概括为S-O-R（感受刺激-大脑信息加工-作出反应）。机器的子系统可概括为C-M-D（控制装置-机器运转-显示装置）。人与机器之间存在着信息环路，人机相互具有信息传递的性质，系统能否正常工作，取决于信息传递过程能否持续有效的进行。三、人机系统的类型1、按有无反馈控制分类反馈：指系统的输出量与系统输入量结合后重新对系统发生作用。按反馈分类，可分为开环人机系统和闭环人机系统两种类型。（1）开环人机系统特征：系统中没有反馈回路，系统的输出不对系统的控制发生作用，所提供的反馈信息不能控制下一步的操作。如操纵普通车床加工工件。输入控制器机器或过程输出（2）闭环人机系统特征：系统的输出直接作用于系统的控制。人工闭环人机系统：若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，如在普通车床加工工件，再配上质量检测构成反馈，则称为人工闭环人机系统。自动闭环人机系统：若由自动控制装置来代替人的工作，如利用自动车床加工工件，人只起监督作用，则称为自动闭环人机系统。输入控制器机器或过程输出指示器测量手段（回路）2、按系统自动化程度分类（1）手工作业系统由人和手工工具或辅助机械构成，主要动力来源于人，人既作为动力源，又作为系统的控制者，系统的效率主要取决于人。（2）半自动化、机械化作业系统由人和机械输入设备或半自动化机械设备构成，人在系统中主要充当生产过程的控制者或操作者，动力一般由机械系统提供，有时人也可能提供少量的动力。（3）自动化系统由人和自动化机械设备构成，机械的运转可完全不依赖于人的控制，人只是管理者和监视着，只有发生意外情况，人才采取强制措施。3、按人机结合方式分类（1）人机串联人机连环串接，人与机任何一方停止活动或发生故障，都会使整个系统中断工作，人与机的特性相互增强、相互干扰。一方面，人的长处通过机可以增大，另一方面，人的缺点也会被扩大。人必须与机器相互作用才能输出，人工操作系统及部分半自动化系统中一般采用这种方式。如，钳工挫、削，工人驾驶拖拉机。（2）人机并联人、机两者可以相互取代，具有较高的可靠性。作业时人间接介入工作系统，人的作用以监视、管理为主，手工作业为辅。这种结合方式，人与机的功能互相补充，自动化系统中多采用这种人机结合方式。当系统运行正常时，机器自动运转，人只起监视和遥控作用，当系统运行异常时，机器由自动变为手动，人机结合方式由并联变为串联。（3）人机串并联兼有串、并联两种方式的基本特性。如一个人同时监管多台有前后顺序且自动化水平较高的机床，一个人监管流水线上多个工位等。四、人机系统的功能（1）信息接收人通过感觉器官、机器通过感受装置（如各种传感器）来完成。（2）信息加工（3）信息贮存（4）执行功能这种功能一般有两种：一种是由人直接操纵控制器或由机器本身产生控制作用，另一种是传送指令，即借助于声、光等信号，将指令从一个环节送到另一个环节。（5）信号反馈（6）输入与输出五、人机系统的设计思想1、人机系统设计的范畴凡是包括人和机相结合的设计，小至一个按钮、开关，一件手工工具，大至一个大型复杂的生产过程、一个现代化系统（如宇宙飞船）的设计，均为人机系统设计。不仅包括某个系统的具体设计，而且也包括作业及作业辅助设计、人员培训和维修等。2、人机系统设计思想的发展（1）人适应于机器（2）机器适应于人局限性：没有在机器和人中间进行合理的功能分配，而让机器或人承担了其不擅长的工作，最终导致人机系统没能发挥最优功能而达到最高效率。（3）人与机器相互适应的系统设计思想3、人机系统设计的总目标根据人的特性，设计出最符合人操作的机器，最适合手动的工具，最方便使用的控制器，最醒目的显示器，最舒适的座椅，最舒适的工作姿势和操作程序，最有效、最经济的作业方法和预定标准时间，最舒适的工作环境等，使整个人机系统保持安全可靠、效益最佳。4、人机系统的设计要求（1）能达到预定目标，完成预定的任务（2）人与机都能充分发挥各自的作用和协调的工作（3）人机系统接受输入和输出的功能，都必须符合设计的能力（4）人机系统要考虑环境因素的影响（5）人机系统应有一个完善的反馈闭环回路5、人机系统的设计步骤（1）明确系统的重要事项：确定目标、确定使命、明确适用条件（2）系统分析与系统规划：详细划分系统的主要事项、分析系统的功能、系统构思的发展、选择最佳摄像和必要设计条件（3）系统设计：设计细则、具体设计、人员培养计划（4）系统的试验与评价（5）生产（6）使用6、人机功能比较与分配（1）功能分配为了使系统达到最佳匹配，在研究分析人和机器特性的基础上，充分发挥人和机器的潜能，合理地将系统各项功能分配给人和机器的过程。功能分配的任务是决定系统的哪一部分功能由人完成，哪一部分功能由机器完成。（2）人优于机器的功能a.在感知觉方面，人的某些感官的感受能力比机器优越。如听觉和嗅觉等。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。d.人能长期大量储存信息并能随时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。f.人能进行归纳推理。g.人的最重要特点是感情、意识和个性，具有能动性，能继承人类历史、文化和遗产。（3）机器优于人的功能a.机器能平稳而准确的运用巨大动力，其功率、强度和负荷的大小可随需要而定。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的提高而减小。d.机器的稳定性好，可终日不停的重复工作，不会降低效率，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。（4）人与机功能分配的一般原则人完成的功能：a.对于要求图形辨认或者多种信息输入形式的情况b.需要归纳推理判断的情况c.需要对未来不能预期的状态做处理的情况等机器完成的功能a.对于单一的重复性的计算、存贮、检查、整理工作b.长期支付大功率的作业、高速度的作业c.环境条件恶劣的作业以及需检测人不能识别的物理信号的作业等（5）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.机器代替人的效果和成本等六、现代人机系统的特点生产发展和技术进步不断地减轻人在生产过程中的体力消耗，但智力劳动和心理负担加重；机器的结构越来越复杂，操作者了解机械规律和掌握操作技术的难度也相应加大；在现代生产中，操作者直接参与自然物质的加工过程的机会减少了，人们逐步通过遥控去加工客体；信息传递在时间上和空间上渐趋密集化；要求操作者有更高的准确性和作业速度，并受机器的制约。总结：（1）人永远处于主体地位（2）人的作用只是随着机器的进步而转移，决不会减少，更不会消失（3）至少在目前阶段，人与机器的适当配合，可以使系统降低成本，减少事故，提高效率（4）具有高智能的人与先进的机器相结合的人机系统是最有发展前途的第二节人机系统分析方法（连接分析法）连接分析评价法（也称链式分析法）是一种对人、机械、过程和系统进行评价的简便方法，它用“连接”来表示人、机之间的关系。一、连接（1）概念指人机系统中，人与机、机与机、人与人之间的相互作用关系。（2）连接形式人-机连接：作业者通过感觉器官接受机器发出的信息或作业者对机器实施控制操作而产生的作用关系。机-机连接：机械装置之间所存在的依次控制关系。人-人连接：作业者之间通过信息联络，协调系统正常运行而产生的作用关系。（3）人机系统的连接方式a.对应连接作业者通过感觉器官接收他人或机器发出的信息或作业者根据获得的信息进行操作而形成的作用关系。显示指示型对应连接：以视觉、听觉或触觉来接收指示形成的对应连接。反应动作型对应连接：操作人员得到信息后，以各种反应动作操纵各种控制装置而形成的连接。b.逐次连接由逐次动作达到一个目的而形成的连接。二、连接分析（1）概念指综合运用感知类型（视、听、触觉等）、使用频率、作用负荷和适应性，分析评价信息传递的方法。（2）连接分析的目的a.根据视看频率、重要程度，运用连接分析合理配置显示器与操作者的相对位置，以求达到视距适当、视线通畅，便于观察的目的；b.根据作业者对控制器的操作频率、重要程度，通过连接分析法将控制器布置在适当的区域内，以便于操作，提高操作准确性；c.连接分析还可以帮助设计者合理配置机器之间的位置，降低物流指数。总之，连接分析的目的是合理配置子系统的相对位置及其信息传递方式，减少信息传递环节，使信息传递简洁、通畅，提高系统的可靠性和工作效率。（3）连接分析的步骤1）绘制连接分析图操作者控制器、显示器等设备装置操作连接听觉信息传递连接视觉观察连接C3AB124D2）调整连接关系a.减少交叉b.综合评价第一，相对重要性。请有经验的人员确定连接的重要程度，根据“重要就近”原则进行配置；第二，使用频率。按使用频率的大小对连接进行评价；第三，综合评价。将相对重要性和使用频率两者相对值之乘积的大小作为综合评价值，进行优化配置。在进行方案分析中，既考虑减少交叉点数，又考虑综合评价值。第四，运用感觉特性配置系统的连接。视觉连接或触觉连接应配置在人的前面，而听觉信号对方位要求不严。第三节人机系统的评价一、评价的概念与分类1、评价的概念评价是指按照明确目标测定对象的属性，并把该属性变成主观效用的行为，也即明确价值的过程。2、评价的分类定量评价与定性评价。二、评价的目的根据评价结果，对系统进行调整，发扬优点，改善薄弱环节，消除不良因素或潜在危险，以达到系统的最优化。三、评价原则1、总的评价原则评价要从整个系统出发，遵循局部利益与整体利益相结合、当前利益与长远利益相结合、内部条件与外部条件相结合、定性分析与定量分析相结合等原则，对设计方案的质量进行综合评价。2、评价方法上应注意的原则（1）评价方法的客观性应保证评价数据的可靠性、全面性和正确性，防止评价者的主观因素的影响，同时对评价结果应进行检查。（2）评价方法的通用性评价方法应适应评价同一级的各种系统。（3）评价指标的综合性指标体系能反映评价对象各个方面的最重要的功能和因素，保证评价不出现片面性。四、评价内容确定适用的评价方法、评价目标（指标）和评价标准依据既定的评价程序和方法，对系统进行客观地、定性或定量地评价，结合整体性、技术性、宜人性、安全性、经济性等目标及经验数据，找出系统的最优方案和最佳工作条件在技术经济条件难以或不可能达到预期目标时，应对规划或设计方案进行可行性研究，反复评价，以符合最优化目的五、评价指标及指标体系（一）设定评价指标技术评价指标评价方案在技术上的可行性和先进性，包括工作性能、整体性、宜人性、安全性和使用维护等经济评价指标评价方案的经济效益包括成本、利润、实施方案的费用和市场情况等。社会评价指标评价方案实施后对社会带来的效益和影响。包括：是否有益于改善环境，是否有利于人的文化技术水平的提高，是否改变人的道德标准和生活习惯，是否有利于人的审美观点提高等。（二）建立指标的前提条件指标中应尽可能完备地包括对判断有重大关系的要求和一般条件，以免在评价时忽略重要依据；进行评价时所依据的各个指标，必须是相互独立的，即对某一个指标的价值有影响的措施不影响其他指标的价值；需评价的系统中各个指标的特性应简单明确，尽可能定量地表达，至少也要用明确的文字定性表达。（三）评价指标体系1、评价指标体系的建立原则（1）系统性原则指标体系应尽