1、第八章第八章人機系統設計與評價人機系統設計與評價o人機系統概述人機系統概述o人機系統設計人機系統設計o人機系統評價目標體系人機系統評價目標體系o人機系統分析評價方法人機系統分析評價方法第一節第一節人機系統概述人機系統概述 所謂系統是指由具有相互聯系、相互制約的所謂系統是指由具有相互聯系、相互制約的事物，以某種形式結合在一起并具有特定功能的事物，以某種形式結合在一起并具有特定功能的有機整體。有機整體。 整體系統的組成部分稱為子系統。整體系統整體系統的組成部分稱為子系統。整體系統與子系統之間既有相對性也有統一性。與子系統之間既有相對性也有統一性。一、人機系統的定義o1、系統的概念o2、人機系統的概

2、念： 人機系統是由相互作用、相互聯系的人和機人機系統是由相互作用、相互聯系的人和機器兩個子系統構成的，且能完成特定目標的一個器兩個子系統構成的，且能完成特定目標的一個整體系統。整體系統。 人機系統中的人，是指機器的操作者和使用人機系統中的人，是指機器的操作者和使用者；機器的含義是廣義的，是指人所操縱和使用者；機器的含義是廣義的，是指人所操縱和使用的各種機器、設備、工具等物品的總稱。的各種機器、設備、工具等物品的總稱。 由于人機系統又都處于特定的環境中，所以在研究人機系統時，應當把環境當作一個重要因素來考慮。環境因素包括照明、噪聲、振動、溫度、濕度、空氣、顏色、工作地、工作空間以及一切影響軟件系

3、統的因素。 把人、機、環境三者相互聯系、相互作用構成的主體系統場外人-機-環境系統。二、人機系統的基本形式和結合方式o1、人機系統的基本形式（1）手工操作系統 。例如：鉗工、木工等（2）半自動化系統。例如：開汽車、機床等（3) 自動化系統。例如：自動化生產線等。結合方式結合方式人與機串聯方式人與機串聯方式人與機并聯方式人與機并聯方式人與機串并聯方式人與機串并聯方式o2、人機系統的結合方式 三、人機系統的功能o信息接受：信息接受：人人感覺器官，機感覺器官，機傳感器。傳感器。o信息加工：信息加工：大腦分析、決策。大腦分析、決策。o信息儲存：信息儲存：記憶、文字、錄像、磁盤。記憶、文字、錄像、磁盤。

4、o執行功能：執行功能：執行人腦和機器指令。執行人腦和機器指令。o信號反饋：信息逐步返回到輸入端。信號反饋：信息逐步返回到輸入端。o輸入與輸出：輸入與輸出：第二節人機系統設計第二節人機系統設計 人機系統設計是一個廣義的概念，人機系統設計是一個廣義的概念， 可以可以說，說， 凡是包括人和機相結合的設計，凡是包括人和機相結合的設計， 小至一個小至一個按鈕、按鈕、 開關，開關， 一件手工工具，一件手工工具， 大至一個大型復大至一個大型復雜的生產過程、雜的生產過程、 一個現代化系統一個現代化系統( (如宇宙飛船如宇宙飛船) )的的設計，設計， 均為人機系統設計均為人機系統設計。 它不僅它不僅包括某個系包

5、括某個系統的具體設計統的具體設計， 而且也而且也包括作業及作業輔助設計、包括作業及作業輔助設計、 人員培訓和維修等。人員培訓和維修等。 一、一、 人機系統設計基本思想及要求人機系統設計基本思想及要求o1.人機系統設計的基本思想o將人機系統的性能、可靠性、費用、時間和適應性作為設計所追求的目標，從功能分析入手，合理地將系統的各項功能分配給機器和人，從而達到系統的最佳匹配。o人機系統設計的思想和過程可總結為下圖所示的模型。 人機系統設計模型： o2.人機系統設計的總目標：o根據人的特性，設計出最符合人操縱的機器、最適合手動的工具、最方便使用的控制器、最舒適的座椅、最舒適的工作姿勢和操作程序、最有效

6、最經濟的作業方法和預定標準時間、最舒適的工作環境等，使整個人機系統安全可靠、效益最佳。o3.對人機系統的設計要求如下：o1) 能達到預定目標， 完成預定的任務。 o2) 人與機能充分發揮各自的作用和協調地工作。 o3) 人機系統接受輸入和輸出的功能，都必須符合設計的能力。 o4) 人機系統要考慮環境因素的影響，這些因素包括廠房建筑結構、照明、噪聲、溫度等。 o5) 人機系統應有一個完善的反饋閉環回路。 二、二、 人機系統設計的一般程序人機系統設計的一般程序o1. 人機系統的目標建立與功能分析 每個系統都有自己的客觀目標。 系統的目標的確定對于以后的設計至關重要。 因此首先要確定包含人在內的全系

7、統應具有什么樣的目標， 并詳細填寫系統目標說明書。 在確定系統目標時， 要對系統目標進行技術上的可行性、 制造成本和用戶要求等方面的比較。 然后再詳細討論并確定為實現該目標的手段， 亦即確定應給予系統的功能是什么。 此時可能有多個可行方案， 可行方案越多， 選擇的余地越大， 從而在一定的限制條件下選出較好的方案。 圖中所示為功能設計展開法的關連樹圖， 圖中的每一等級， 上位是目標， 下位是功能。各等級的目標和相應的功能之間， 從目標找功能時應問“怎么辦”， 從功能找目標時則問“為什么”。o2. 人機功能分配o功能分配是指為了使系統達到最佳匹配， 在研究分析人和機器特性的基礎上， 充分發揮人和機

8、器的潛能， 合理地將系統各項功能分配給人和機器的過程。 功能分配的任務是決定系統的哪一部分功能由人完成， 哪一部分功能由機器完成。 o 功能分配也稱劃定人機界限， 通常應考慮： o1)人與機器的性能、負荷能力、潛力及局限性； o2)人進行規定操作所需的訓練時間和精力限度； o3) 對異常情況的適應性和反應能力的人機對比； o4) 人的個體差異的統計； o5) 機器代替人的效果和成本等。 o 人機功能分配的結果形成了由人、 機共同作用而實現的人機系統功能。 o3. 人員開發o人員開發包括作業描述和作業規范， 它為人機系統的運行提供了合適的操作人員。 功能分配完成以后， 應進行作業描述， 通過作業

9、描述可以考查功能分配是否合適， 是否與人的能力、 特性相適應。 作業描述可以通過對一個或多個活動的分析來完成。 o4. 界面設計o人機界面是人和機在信息交換上和功能上接觸的或相互影響的領域。人機聯系的重要途徑是顯示器和控制器。人機界面設計主要是指顯示器、 控制器以及它們之間關系的設計。作業空間分析也是人機界面的內容。人機界面設計必須解決好兩個主要問題：人控制機器和人接受信息。 前者主要是指控制器要適合于人的操作， 應考慮人進行操作時的空間與控制器的配置。o5. 系統的評價和發展o系統評價是系統發展的基礎，系統評價是一個連續不斷的過程。只有正確地分析評價現實系統，才能提出對系統的改進設計。如果認

10、為系統運行以后設計任務就結束了， 則系統得不到進一步的改進和完善。 因此， 系統設計將是一個設計評價再設計再評價， 不斷發展的過程。 o 人機工程學中有關系統分析評價的方法很多。 定性分析方法有： 人的失誤分析法， 操作順序圖法，連接分析法等。定量分析方法有：功能分析法，人機可靠性分析法，環境指數評價法， 人機安全性分析法等。還有些評價法是定性與定量相結合的方法，如人的因素評價法(主觀評價法、生理和心理指數評價法等)。 o人在閉環人機系統中的信息處理模型o三、 人機系統分析設計的主要內容o人在人機系統中， 無論是起重機的操作員， 還是火車司機或輪船的操作員， 都可以看成一個封閉控制系統的元件，

11、 都是這一封閉系統的有機組成部分， 如上圖所示。 將這一概念進一步加深， 如下圖所示的簡單方框圖， 該圖示出了操作者的工作過程。 這個系統中的三個主要子系統， 即感知子系統、 信息處理子系統和人的反應子系統， 是人機系統分析設計的主要內容。 o人的操作過程的信息處理系統 o四、 人機系統的設計步驟o人機系統的設計步驟如表所示。 首先設定一系統， 然后分析研究該系統的目標和功能， 必要的和制約的條件， 然后，進行系統的分析和規劃。這里主要是指系統的功能分析、 人的時間和動作分析，工序分析、職務分析等， 其中包括提供人進行作業的必要條件和必須的信息， 分析人的判斷和操縱動作。 人機系統的設計步驟可

12、歸納為：o1.明確系統的目的和條件；o2.進行人和機械的功能分配；o3.進行人和機械的相互配合；o4.對系統和機械的設計；o5.對系統進行分析評價。第三節第三節 人機系統評價目標體系人機系統評價目標體系一、評價的概念 評價是指：評價設計方案對于預定目標的“價值”及“效用”。 在評價中，按評價方法可分為定性評價和定量評價。二、評價內容與評價原則 評價必須對人機系統的人、機、環境三大要素的整體性和各要素特性與功能等進行綜合評價。 o1.評價內容o（1）確定適用的評價方法、評價目標（指標）和評價標準.o（2）依據既定的評價程序和方法，對系統進行客觀、定性或定量地評價，結合整體性、技術性、宜人性、安全

13、性、經濟性等目標及經驗數據，找出系統的最優方案和最佳工作條件。o2.評價原則o 在評價方法上要注意堅持以下原則：o（1）評價方法的客觀性。評價時應防止評價者的主觀因素的影響。o（2）評價方法的通用性。評價方法應適用評價同一級的各種系統。o（3）評價方法的綜合性。能反映評價對象各個方面的重要功能和因素（實際情況）。o三、評價目標的建立o 設定目標一般都有多個，可概括為以下三個主要方面的內容。o（1）技術目標。評價方案在技術上的可行性和先進性，包括工作性能、整體性、宜人性、安全性和使用維護性等。o（2）經濟評價目標。評價方案的經濟效益，包括成本、利潤、實施方案的費用和市場情況等o(3)社會評價目標

14、。評價方案實施后對社會帶來的效益和影響。o四、評價目標體系o評價前首先確定總目標，然后將總目標分解為各級分目標，直至具體、直觀。在分解過程中，要注意使分解后的各級分目標與總目標保持一致。分目標的集合一定要保證總目標的實現。o目標分層次分析與設計，最后由復雜度最低的目標層次中的分目標導出評價要素。第四節第四節 人機系統分析評價方法人機系統分析評價方法o一、連接分析評價法o1.連接及其表示方法o 連接是指人機系統中， 人與機、 機與機、 人與人之間的相互作用關系。 因此相應的連接形式有： 人機連接、 機機連接和人人連接。 o人機連接是指作業者通過感覺器官接受機器發出的信息或作業者對機器實施控制操作

15、而產生的作用關系；o機機連接是指機械裝置之間所存在的依次控制關系； o人人連接是指作業者之間通過信息聯絡， 協調系統正常運行而產生的作用關系。o（1）對應連接o 對應連接是指作業者通過感覺器官接受他人或機器發出的信息或作業者根據獲得的信息進行操作而形成的作用關系。 人在進行某一作業過程中， 往往不是一次動作便能達到目的， 而需要多次逐個的連續動作。 這種由逐次動作達到一個目的而形成的連接稱為逐次連接。 如內燃機車司機啟動列車的操作過程： 確認信號(信號機的燈光顯示與車長的發車指令)司機與副司機呼喚應答(人與人連接)手操縱列車制動器緩解鳴笛緩解機車制動器置換向控制手柄于前進位提主控手柄打開撒砂開

16、關提主控手柄關撒砂開關置主控手柄于運轉的合適位置。 這一復雜操作過程為一典型的逐次連接。 （2）逐次連接o（3）連接關系圖o連接由連接關系圖表示。 連接分析通過連接關系圖進行。 人機系統中的各種要素均用符號表示， 各種要素之間的對應關系根據不同連接形式用不同的線型表示， 如表8-3所示。 o表8-3 連接關系圖中的要素符號、 線型的含義 o2. 連接分析的目的o連接分析的目的有： o 根據視看頻率、重要程度，運用連接分析合理配置顯示器與操作者的相對位置，以求達到視距適當、視線通暢，便于觀察；o 根據作業者對控制器的操作頻率、重要程度，通過連接分析將控制器布置在適當的區域內，以便于操作，提高操作

17、準確性；連接分析還可以幫助設計者合理配置機器之間的位置，降低物流指數。 o3. 連接分析的步驟 連接分析可分為繪制連接、 調整連接兩步。 o（1） 繪制連接關系圖o 根據人機系統，列出系統的主要要素， 并用相應符號繪制連接關系圖。例如圖8 -5所示的控制系統設計中， 作業者3、1、4分別對顯示器和控制裝置C、A、D進行監視和控制，作業者2對顯示器C、A、B的顯示內容進行監視，并對作業者3、1、4發布指示，其連接關系如圖8-6所示。 o （2） 調整連接關系o 為了使各子系統之間達到相對位置最優化，在調整連接關系時常使用以下三個優化原則。 o 1) 減少交叉。 o 為了使連接不交叉或減少交叉環節

18、，通過調整人機關系及其相對位置來實現。 圖8-7 連接方案的優化 (a) 初步方案；(b) 修改后方案圖8- 7(a)為某人機系統的初步配置方案， 圖8-7(b)為修改后方案。 修改后交叉點消失， 顯然(b)方案比(a)方案合理。 這樣經過多次作圖分析， 直至取得簡單、 合理的配置為止。o2) 綜合評價o 對于較為復雜的人機系統，僅使用上述圖解很難達到理想的效果。必須同時引入系統的“重要程度“和“使用頻率”兩個因素進行分析優化。 o 相對重要性。請有經驗的人員確定連接的重要程度， 根據“重要就近”原則進行配置。 o 使用頻率。按使用頻率的大小對連接進行評價。 o 綜合評價。將相對重要性和使用頻

19、率兩者相對值之乘積的大小作為綜合評價值， 進行優化配置。 圖8-8(a)是某連接圖， 連線上所標的數值是重要性和使用頻率的乘積值， 即綜合評價值。 圖8-8 采用綜合評價的連接分析 (a)初始方案； (b) 改進后方案在進行方案分析中，既考慮減少交叉點數，又考慮綜合評價值，將方案(a)調整為方案(b)(如圖8-8(b)所示)，與改進前相比，連接變得流暢且易使用。o二、 檢查表評價法o檢查表評價法， 是指利用人機工程學原理檢查構成人機系統各種因素及作業過程中操作人員的能力、 心理和生理反應狀況的評價方法。是一個較為普遍的初級評價方法。 o它是指對整個人機系統進行檢查時使用的檢查表。國際人機工程學

20、學會提出的“人機工程學系統分析檢查表”的主要內容如下： o1) 作業空間分析。 分析作業場所的寬敞程度， 影響作業者活動的因素，顯示器和控制器的位置能否方便作業者的觀察和操作。 o2) 作業方法分析。 分析作業方法是否合理， 是否會引起不良的體位和姿勢，是否存在不適宜的作業速度，以及作業者的用力是否有效。 o 3) 環境分析。 對作業場所的照明、氣溫、干濕、氣流、噪聲與振動條件進行分析，考察是否符合作業者的心理和生理要求，是否存在能引起疲勞和影響健康的因素。 o4) 作業組織分析。 分析作業時間、休息時間的分配以及輪班形式，作業速率是否影響作業者的健康和作業能力的發揮。 o5) 負荷分析。 分

21、析作業的強度、感知系統的信息接受通道與容量的分配是否合理， 操縱控制裝置的阻力是否滿足人的生理特性。 o6) 信息輸入和輸出分析。 分析系統的信息顯示、信息傳遞是否便于作業者觀察和接受，操縱裝置是否便于區別和操作。 o三、 海洛德分析評價法o 1. 人機系統的可靠度o 可靠性的數量指標為可靠度。人機系統的可靠度(RS)由機器的可靠度(RM)與人的操作可靠度(RH)確定。人機系統通常由多個子系統組成，各子系統連接方式不同，其系統的可靠度計算方法也不同。 o1) 串聯系統的可靠度計算。 o 一個系統如果至少有一個子系統發生故障，即可導致整個系統故障，或各子系統都正常系統才正常，這樣的系統稱為串聯系

22、統，如圖8-19所示。其系統可靠度的表達式為：式中： RS系統的可靠度； Ri各子系統的可靠度。 iniSRR1 圖8-19 串聯系統結構o 2)并聯系統的可靠度計算o 一個系統若至少有一個子系統正常， 系統即正常， 或各子系統都不正常， 系統才不正常， 這樣的系統稱為并聯系統， 如圖8-20所示。 并聯系統可靠度的一般表達式為：)1 (11iniSRR 圖8-10 并聯系統結構o3) 人機系統的可靠度計算o 人機系統可分為： 串聯人機系統和冗余人機系統， 如表10-12所示。 把多余的要素加入到系統中構成并聯系統稱為冗余系統。 冗余系統具有冗余度， 這是提高系統可靠性的一種有效方法。 o 表

23、8-6 人機系統結合形式及可靠度o2. 海洛德分析評價法o 海洛德法是人的失誤與可靠性分析邏輯推演法。它是通過計算系統的可靠性，分析評價儀表、控制器的配置和安裝位置是否適合于人的操作。一般先求出人執行任務時的成敗概率，而后對系統進行評價。 o 人眼在視中心線上下各15的正常視線區域內，最不容易發生錯誤。因此，在該范圍內設置儀表或控制器時，誤讀率或誤操作率極小，離開該區域越遠，則誤讀率和誤操作率將逐漸增大。表8-7表示了從視中心線為基準向外，每15劃分一個區域，在不同的扇形區域內規定相應的誤讀概率即劣化值Di。 o 如果顯示控制板上的儀表被安排在15以內最佳位置上，其劣化值為0.00010.00

24、05；如果將該儀表安排在80的位置上，則相應劣化值Di增加到0.003。 o 所以，在進行儀表配置時，應該研究如何使其劣化值盡量小些。有效作業概率可用下式計算： o例 8-1 某儀表顯示板安裝6種儀表，其中有5種儀表安裝在中心視線15之內， 有1種儀表安裝在中心視線50的位置上， 求操作人員有效作業概率。 )1(1iniDPo 表8-7 視區與劣化值D的關系o解： 由表8-7查得，視線15以內儀表的劣化值D0.0001， 視線50的儀表劣化值為0.002， 則：9975. 0)002. 01 ()0001. 01 ()1 (51iniDPo四、 人機系統安全分析o 1.事故原因分析o（1） 事

25、故原因o 由于人在一定的場所或環境中完成作業，因此事故的發生顯然與作業環境直接相關。從物理環境考慮，易于發生事故的作業場所有：機械、熱、火、化學、電、 放射性、噪聲等。 o 事故的物理條件因素：o 人與機功能分配不當。 在作業設計時，沒有充分考慮人與機各自能的機能特征，如人在感覺、學習、處理緊急事件的應變與反應能力等方面優于機器，而機器在動作的速度、精度、操作的力度等方面優于人。當作業分配錯誤時，人與機器都不能很好地完成指定的工作，并易于導致事故。 o 工具、作業場所等設計失誤。若設計時不考慮人機工程學原理，則作業場所諸要素可能導致事故的發生。如顯示器與控制器的布局不合適，沒有考慮顯示控制兼容

26、性，警示裝置處在難以視聽的位置等。 o 缺少必要的安全裝置與防護措施。o 在前述的七種易發生事故的作業場所， 設備設計時應充分考慮安全裝置的重要性，以避免可能的傷害；從個人防護方面來看，必要的設施有助于應付緊急情況， 避免惡劣作業環境的影響。 o 物理環境對人造成生理、心理壓力。 作業場所不適當的物理環境，如溫度太高、濕度太大、光照不足、噪聲過強等， 都可能成為事故的誘發因素。 o 事故的人為因素： o 從人的原因考慮，管理人員或作業者本身都可能導致事故。人的因素可分為兩方面：人的行為因素以及人的生理與心理因素。關于作業事故人為因素的研究， 有很多分析模式，這里僅以“時間順序模式”為例簡要說明

27、。時間順序模式如圖8-11所示。該模式把發生事故的過程劃分為幾大階段。 o圖8-11 事故發生的時間順序圖o 按圖8-11所示模示，為了避免事故，從人o機工程學原理考慮重點可放在： o 準確、及時、充分地傳示與危險有關的信息(如顯示器設計)； o 有助于避免事故的要素(如控制裝置、作業空間等)； o 作業人員培訓，使其能面對可能出現的事故，采取適當措施。 o根據研究，按照事故的時間順序模式，不同階段的失誤情況的比例如下： o對將要發生的事故，沒有感知 38%o已感知，但低估了發生事故的可能性 29%o已感知，但沒有作出反應 19%o感知并作出反應但無力防避 14% o2. 導致事故的行為因素o1) 訓練與技能。 o 作業者已經形成習慣的動作或行為中，有些是安全的，有的則不安全。形成習慣是長時間訓練過程導致的結果。如果長時間按安全操作方式進行作業，則不易發生作業事故。訓練方面導致事故的原因是： o2) 記憶疏漏o 許多作業要求有很好的記憶，才能準確無誤地按步驟完成各種操作。作業者須記住