人因工程学第13章 人机系统解析

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1、华北电力大学工业工程 第十三章第十三章 人机系统人机系统 叶 锋 华北电力大学工业工程 华北电力大学工业工程 第十三章第十三章 人机系统人机系统 第一节 人机系统概述 第二节 人机系统设计思想与程序 第三节 人机系统评价概述 第四节 人机系统分析评价方法 华北电力大学工业工程 第一节第一节 人机系统概述人机系统概述 n n 内容：内容： n n 一、人机系统的含义一、人机系统的含义 n n 二、人机系统基本模式二、人机系统基本模式 n n 三、人机系统的类型三、人机系统的类型 华北电力大学工业工程 一、人机系统含义一、人机系统含义 n人机系统-系统是由相互作用、相互依存的 要素（部分）组成的、

2、具有特定功能的有机 整体。 n组成-是由相互作用、相互依存的人和机 器两个子系统构成的，且能完成特定目标的 一个整体系统。 n人-是指机器的操作者或使用者； n机器-含义是广义的，是指人所操纵或使用 的各种机器、设备、工具等的总称。 华北电力大学工业工程 n例如: n人骑自行车 n人驾驶汽车 n人操纵机器 n人控制自动化生产 n人使用计算机 都属于人机系统 一、人机系统含义一、人机系统含义 华北电力大学工业工程 二、人机系统基本模式 n人机系统基 本模式由下 列子系统组 成 ： n人的子系统 、 n机器的子系 统 n人机界面 华北电力大学工业工程 n人的子系统可概括为 感受刺激大脑信息加工做出

3、反应 n机器的子系统可概括为 控制装置机器运转显示装置 n在人机系统中，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 过程能否持续有效地进行。 二、人机系统基本模式 华北电力大学工业工程 三、人机系统的类型 n1.按有无反馈控制分类 n（1）闭环人机系统 n（2）开环人机系统 n2.按系统自动化程度分类 n（1）人工操作系统 n（2）半自动化系统 n（3）自动化系统 n3.按人机结合方式分类 n（1）人机串联 n（2）人机并联 n（3）人机串、并联混合 华北电力大学工业工程 1.按有无反馈控制分类 n反馈是指系统的输出量与系统输入量结合后重新 对

4、系统发生作用。 n(1)闭环人机系统 n也叫反馈控制人机系统，其特点是：系统的输出 直接作用于系统的控制。 n(2)开环人机系统 n特征是：系统中没有反馈回路，系统输出不对系 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。即系统的输出对系统的控制作用没有直接 影响。 华北电力大学工业工程 2.按系统自动化程度分类 n(1)手工操作系统 n人使用机械与工具工作，但机械与工具不具备动力 ，能源是体力，控制凭技能。 n例如，钳工锉削、刮研、木工作业、手工造型等 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 华北电力大学工业工程 2.按系统

5、自动化程度分类 n（2）半自动化系统 n这种系统中，人操纵具有动力的设备工作。 n如，操纵机床加工零件，驾驶汽车、火车等 。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 华北电力大学工业工程 2.按系统自动化程度分类 n（3）自动化系统 n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。 n但是，这种系统的投资大，非大量生产采用它是不 经济的。 华北电力大学工业工程 3.按人机结合方式分类 n可分为人机串联，人机并联和人机串、

6、并联 混合三种方式。如图所示: 机器人 人 机器 机器机器 人 华北电力大学工业工程 n（1）人机串联 n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。人和机的特性相互 增强、相互干扰 。 n 机器人 华北电力大学工业工程 n（2）人机并联 n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。 n 人 机器 华北电力大学工业工程 机器机器 人 （3）人机串、并联混合 这种结合方式多种多样，实际上都是人机串联 和人机并联的两种方式的综合，往往同时

7、兼有 这两种方式的基本特性 华北电力大学工业工程 第二节 人机系统设计思想与程序 n n 一、人机系统设计思想的发展一、人机系统设计思想的发展 n n 二、人机系统设计程序二、人机系统设计程序 n n 三、人机系统设计步骤三、人机系统设计步骤 华北电力大学工业工程 一、人机系统设计思想的发展一、人机系统设计思想的发展 n n 让人来适应机器让人来适应机器的设计思想 n先设计好机器，再根据机器的运行要求来 选拔和培训人员。 n n 让机器适应人让机器适应人的设计思想 n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

8、作等。 n n 人与机器相互适应人与机器相互适应的系统设计思想 n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 华北电力大学工业工程 二、人机系统设计程序二、人机系统设计程序 n（一）人-机系统的目标 n（二）人与机器的功能分析 n（三）功能分配 n（四）设计与评价 华北电力大学工业工程 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 华北电力大学工业工程 二、人机系统设计程序二、人

9、机系统设计程序 n n （一）人（一）人- -机系统的目标机系统的目标 n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，系统应该只备什么样的功 能。 n n （二）人与机器的功能分析（二）人与机器的功能分析 n1人机特性比较 n详细比较见下表 华北电力大学工业工程 能力种类机器的特性人的特性 信息接收 物理量的检测 范围广，而且正确 可检测 如电磁波等一些人不能检 测的物理量 能够在视觉 范围以外用红外线和 电磁波工作 具有与认知有直接联系的检测 能力 ，凭感官接受信号，掌握标准困 难，易出偏差 具有味觉、嗅觉和触觉 视觉 范围有一定限制，能够识别 物体

10、的位置、色彩和物体的移动 信息处理 按预先编程可进行快速、准确的数 据处理。记忆 正确并能长时间 储存，调出速度快 能连续进 行超精密的重复操作和按 程序常规操作，可靠性较高 对处 理液体、气体和粉状体等比人 优越，但处理柔软物体则不如 人 计算速度快，能够正确地进行计 算，但不会修正错误 图形识别 能力弱 能进行多通道的复杂动 作 具有抽象、归纳 能力以及模式识 别、联想、发明创造等高级思 维能力。善于积累经验 并运用 经验 判断 超精密重复操作易出差错，可靠 性较低 可通过获 取视觉 、听觉、位移和 重量感等信息控制运动器官灵活 地操作 计算速度慢，常出差错，但能巧妙 地修正错误 图形识别

11、 能力强 只能单通道 信息交流与输出 与人之间的信息交流只能通过特定 的方式进行 能输出极大的和极小的功率，但不 能像人手那样进 行精细的调整 专用机械的用途不能改变，只能按 程序运转，不能随机应变 人际之间很容易进行信息交流， 组织 管理很重要 10s内能输出1.5W，以0.15kW的输 出能连续 工作一天，并能作精 细的调整 通过教育训练 ，有多方面的适应 能力，有随机应变 能力，但改 变习惯 定型比较困难 华北电力大学工业工程 学习归纳 能力 学习能力较低，灵活性差 只能理解特定的事物 具有很强的学习能力，能阅读 和接 受口头指令，灵活性很强 能从特定的情况推出一般结论 ，既 具有归纳

12、思维能力 持续性、可靠性 和适应性 可连续 、稳定、长期运转，也需要 适当的维修保养 可进行单调 的重复性作业 与成本有关。设计 合理的机器对设 定的作业有很高的可靠性，但对意 外事件则无能为力 特性是固定不变的，不易出错，如 出错不易修正 易疲劳，很难长时间 保持紧张 状态 ，需要休息、保健和娱乐 不适于从事负荷刺激小、单调 乏味 的作业 在紧急突发的情况下，可靠性差。 可靠性与动机、责任感、身心状态 、意识水平等心理和生理条件有关 有个体差异，与经验 有关，容易出 差错，但易修正错误 环境 能适应不良环境条件，可在放射性 、有毒气体、粉尘、噪声、黑暗、 强风暴雨等恶劣环境和危险环 境下 工

13、作 要求环境条件对人安全、健康、舒 适，但对特定环境能较快适应 成本 包括购置费、运转和保养维修费 如果万一不能使用，也只失去机器 本身的价值 包括工资、福利和教育培训费 如果万一发生事故，可能失去宝贵 生命 华北电力大学工业工程 2.2.人优于机器的功能人优于机器的功能 n（）在感知觉方面，人的某些感宫的感受能力比机 器优越 n例如，人的听觉器官对音色的分辨力以及嗅觉器官对某 些化学物质的感受性等，都优于机器。 n（）人能运用多种通道接受信息 n当一种信息通道有障碍时可用其他通道补偿。而机器只 能按设计的固定结构和方法输入信息。 n（）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

14、。 n人能根据情境改变工作方法，能学习和适应环境，能应 付意外事件和排除故障。而机器应付偶然事件的程序是非常 复杂的。 n因此，任何高度复杂的自动系统都离不开人的参与。 华北电力大学工业工程 2.2.人优于机器的功能（续）人优于机器的功能（续） n（）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。 n（）人具有总结和利用经验，除旧创新，改进工 作的能力。 n而机器无论多么复杂，只能按照人预先编排好的程序 工作。 n（）人能进行归纳推理 n在获得实际观察资料的基础上，归纳出一般结论，形 成概念，并能创造发明。 n（）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

15、化和精神遗产。人 在社会生活中，接受社会的影响，有明显的社会性 。 华北电力大学工业工程 3 3机器优于人的功能机器优于人的功能 n（）机器能平稳而准确地运用巨大动力 n而人受身体结构和生理特性的限制，可使用的力量较小。 n（）机器动作速度快、信息传递、加工和反应的速度快 n（）机器的精度高，产生的误差可随机器精度提高而减 小 n而人的操作精度不如机器，对刺激的感受也有限。 n（4）机器的稳定性好，做重复性工作，不存在疲劳和单 调问题 n人的工作易受身心因素和环境条件等影响，因此在感受外界作用和 操作的稳定性方面不如机器。 华北电力大学工业工程 3 3机器优于人的功能（续）机器优于人的功能（续

16、） n（5）机器的感受和反应能力一般比人高 n如机器可以接受超声、辐射、微波、电磁波和磁场等信号； n还可以做出人做不到的反应；如发射电讯信号、发出激光等 。 n（6）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 n人一般只能同时完成12项操作，而且两项操作容易相互干 扰，难以持久地进行。 n（7）机器能在恶劣的环境条件下工作 n如在高压、低压、高温、低温、超重、缺氧、辐射、振动等条 件下，机器可以很好地工作，而人则无法耐受。 华北电力大学工业工程 （三）功能分配 n1.人机功能分配 n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与总体功能。 n（1）人机功能分配应考虑的问题 n 1) 人与机械的性能、负荷能力、潜力及局限性。 n 2) 人进行规定操作所需的训练时间和精力限度。 n 3) 对异常情况的适应性和反应能力的人机对比。 n 4) 人的个体差异的统计。 n 5) 机械代替人的效果和成本。 华北