人机工程学第10章+人机系统设计与分析评价

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1、第10章 人机系统设计与分析评价,10.1 人机系统设计 10.2 连接分析 10.3 作业分析 10.4 人机系统评价 10.5 人机系统安全分析,10.1 人机系统设计,10.1.1 人机系统设计基本思想及要求 人机系统设计是一个广义的概念， 可以说， 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。 它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。,计、 人员培训和维修等。 人机系统的设计思想在不断改变。 原始的设计思想是首先确定机器， 然后根据机

2、器的操作要求选拔人员、 训练操作者。 随着机器运行速度的提高， 也要求操作者的反应速度必须提高， 而人的能力与机器对操作者的要求相差越来越大， 因此产生了人机界面设计问题。,对人机系统的设计要求如下： 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地工作。 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， 这些因素包括厂房建筑结构、 照明、 噪声、 温湿度等。 5) 人机系统应有一个完善的反馈闭环回路。,图10-1 人机系统设计模型,10.1.2 人机系统设计的一般程序 1. 人机系统的目标建立与功能分析 每

3、个系统都有自己的客观目标。 系统的目标的确定对于以后的设计至关重要。 因此首先要确定包含人在内的全系统应具有什么样的目标， 并详细填写系统目标说明书。 在确定系统目标时， 要对系统目标进行技术上的可行性、 制造成本和用户要求等方面的比较。,然后再详细讨论并确定为实现该目标的手段， 亦即确定应给予系统的功能是什么。 此时可能有多个可行方案， 可行方案越多， 选择的余地越大， 从而在一定的限制条件下选出较好的方案。 若想获得许多可行方案， 目标不应是局部、 具体而狭小的， 而应从广阔的视野多层次上设定， 其方法是功能设计展开法。图10 - 2所示为功能设计展开法的关连树图， 图中的每一等级， 上位

4、是目标， 下位是功能。 各等级的目标和相应的功能之间， 从目标找功能时应问“怎么办”， 从功能找目标时则问“为什么”。,图10-2 关连树图,2. 人机功能分配 功能分配是指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。 因此， 必须对人和机器的特性充分分析比较， 见表10-1。,表10-1 人与机器的特性比较,功能分配也称划定人机界限， 通常应考虑： 1) 人与机器的性能、 负荷能力、 潜力及局限性； 2) 人进行规定操作所需的训练时间

5、和精力限度； 3) 对异常情况的适应性和反应能力的人机对比； 4) 人的个体差异的统计； 5) 机器代替人的效果和成本等。,一般认为， 用机器代替人， 在等效等质条件下， 符合下列公式才是经济可行的： 设备原值(折旧率大修率)设备能耗+设备维修保养费+ 设备原值的银行利率人工工资+工资附加费+社会保险费 人机功能分配的结果形成了由人、 机共同作用而实现的人机系统功能。 在现代， 人机系统的功能包括信息接受、 贮存、 处理、 反馈和输入输出以及执行等。,3. 人员开发 人员开发包括作业描述和作业规范， 它为人机系统的运行提供了合适的操作人员。 功能分配完成以后， 应进行作业描述， 通过作业描述可

6、以考查功能分配是否合适， 是否与人的能力、 特性相适应。 作业描述可以通过对一个或多个活动的分析来完成。,4. 界面设计 人机界面是人和机在信息交换上和功能上接触的或相互影响的领域。 人机联系的重要途径是显示器和控制器。 人机界面设计主要是指显示器、 控制器以及它们之间关系的设计。 作业空间分析也是人机界面的内容。 人机界面设计必须解决好两个主要问题： 人控制机器和人接受信息。 前者主要是指控制器要适合于人的操作， 应考虑人进行操作时的空间与控制器的配置。,显示器和控制器的布置必须符合两个原则： 1) 以人为中心的原则。 设计显示器与控制器时， 必须研究人的生理、 心理特点， 了解感觉器官功能

7、的限度和能力以及使用时可能出现的疲劳程度， 以最大限度地发挥人的潜能， 达到人机之间的最佳协调。,2) 就近布置的原则。 人机界面上可能有许多显示器、 控制器， 但它们的重要性不同。 重要性既可以是使用观察的频率， 也可以是操作错误产生的后果。,5. 系统的评价和发展 系统评价是系统发展的基础， 系统评价是一个连续不断的过程。 只有正确地分析评价现实系统， 才能提出对系统的改进设计。 如果认为系统运行以后设计任务就结束了， 则系统得不到进一步的改进和完善。 因此， 系统设计将是一个设计评价再设计再评价， 不断发展的过程。,人机工程学中有关系统分析评价的方法很多。 定性分析方法有： 人的失误分析

8、法， 操作顺序图法， 时间线图法， 连接分析法， 功能流程图法等。 定量分析方法有： 功能分析法， 人机可靠性分析法， 环境指数评价法， 人机系统信息传递法， 人机安全性分析法等。 还有些评价法是定性与定量相结合的方法， 如人的因素评价法(主观评价法、 生理和心理指数评价法等)。,图10-3 人在闭环人机系统中的信息处理模型,10.1.3 人机系统分析设计的主要内容 人在人机系统中， 无论是起重机的操作员， 还是火车司机或轮船的操作员， 都可以看成一个封闭控制系统的元件， 都是这一封闭系统的有机组成部分， 如图10-3所示。 将这一概念进一步加深， 可以画出如图10-4所示的简单方框图， 该图

9、示出了操作者的工作过程。 这个系统中的三个主要子系统， 即感知子系统、 信息处理子系统和人的反应子系统， 是人机系统分析设计的主要内容。,图 10-4 人的操作过程的信息处理系统,10.1.4 人机系统的设计步骤 人机系统的设计步骤如表10-2所示。 首先设定一系统， 然后分析研究该系统的目标和功能， 必要的和制约的条件， 然后， 进行系统的分析和规划。 这里主要是指系统的功能分析、 人的时间和动作分析， 工序分析、 职务分析等， 其中包括提供人进行作业的必要条件和必须的信息， 分析人的判断和操纵动作。,表10-2 人机系统的设计步骤,10.2 连接分析,10.2.1 连接及其表示方法 连接是

10、指人机系统中， 人与机、 机与机、 人与人之间的相互作用关系。 因此相应的连接形式有： 人机连接、 机机连接和人人连接。 人机连接是指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； 机机连接是指机械装置之间所存在的依次控制关系； 人人连接是指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。,1. 对应连接 对应连接是指作业者通过感觉器官接受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。,2. 逐次连接 人在进行某一作业过程中， 往往不是一次动作便能达到目的， 而需要多次逐个的连续动作。 这种由逐次动作达到一个目的而形成的连接称

11、为逐次连接。 如内燃机车司机启动列车的操作过程： 确认信号(信号机的灯光显示与车长的发车指令)司机与副司机呼唤应答(人与人连接)手操纵列车制动器缓解鸣笛缓解机车制动器置换向控制手柄于前进位提主控手柄打开撒砂开关提主控手柄关撒砂开关置主控手柄于运转的合适位置。 这一复杂操作过程为一典型的逐次连接。,连接由连接关系图表示。 连接分析通过连接关系图进行。 人机系统中的各种要素均用符号表示， 各种要素之间的对应关系根据不同连接形式用不同的线型表示， 如表10-3所示。 ,表10-3 连接关系图中的要素符号、 线型的含义,10.2.2 连接分析的目的 连接分析的目的有： 根据视看频率、 重要程度， 运用

12、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； 根据作业者对控制器的操作频率、 重要程度， 通过连接分析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；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。,10.2.3 连接分析的步骤 连接分析可分为绘制连接、 调整连接两步。 1. 绘制连接关系图 根据人机系统， 列出系统的主要要素， 并用相应符号绘制连接关系图。 例如图10 -5所示的控制系统设计中， 作业者3、 1、 4分别对显示器和控制装置C、 A、 D进行监视和控制， 作业者2对显示器C、 A、 B的显示内容进行监视， 并

13、对作业者3、 1、 4发布指示， 其连接关系如图10-6所示。,图10-5 控制系统设计,图10-6 控制系统设计中的连接分析图,2. 调整连接关系 为了使各子系统之间达到相对位置最优化， 在调整连接关系时常使用以下三个优化原则。 1) 减少交叉。 为了使连接不交叉或减少交叉环节， 通过调整人机关系及其相对位置来实现。 图10 - 7(a)为某人机系统的初步配置方案， 图10-7(b)为修改后方案。 修改后交叉点消失， 显然(b)方案比(a)方案合理。 这样经过多次作图分析， 直至取得简单、 合理的配置为止。,图10-7 连接方案的优化 (a) 初步方案；(b) 修改后方案,2) 综合评价。

14、对于较为复杂的人机系统， 仅使用上述图解很难达到理想的效果。 必须同时引入系统的“重要程度“和“使用频率”两个因素进行分析优化。 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。 使用频率。 按使用频率的大小对连接进行评价。, 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。 图10-8(a)是某连接图， 连线上所标的数值是重要性和使用频率的乘积值， 即综合评价值。 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， 将方案(a)调整为方案(b)(如图10-8(b)所示)， 与改进前相比， 连接变得流畅且易使用。

15、,图10-8 采用综合评价的连接分析 (a)初始方案； (b) 改进后方案, 运用感觉特性配置系统的连接。 从显示器获得信息或操纵控制器时， 人与显示器或人与控制器之间形成视觉连接、 听觉连接或触觉连接(控制、 操纵连接)。 视觉连接或触觉连接应配置在人的前面， 这由人的感觉特性所决定。 而听觉信号即使不来自人的前面也能被感知。 因此， 连接分析还应考虑运用感觉特性配置系统的连接方式。 图10-9描述了3人操作5台机器的连接， 小圆圈中的数值表示连接综合评价值。 图10-9(a)为改进前的配置， 图10-9(b)为改进后的配置。 视觉、 触觉连接配置在人的前方， 听觉连接配置在人的两侧。,图1

16、0-9运用感觉特性配置系统连接 (a) 初始方案； (b) 改进后方案,图10-9运用感觉特性配置系统连接 (a) 初始方案； (b) 改进后方案,10.2.4 连接分析法的应用 1. 对应连接分析 图10-10(a)为某雷达室的初始平面图。 为了减少交叉和缩短行走距离， 运用连接分析法优化雷达室内的人机间的连接。 利用连接图将图(a)简化为图(b)。 图(c)所示为改进方案的连接图， 改进方案的人机间连接关系与旧方案完全相同， 但平面布置不同。 改进方案的平面布置见图(d)。,图10-10 雷达室平面布置设计 (a) 初始平面图； (b) 初始连接图； (c) 改进连接图； (d) 改进平面图,2. 逐次连接分析 连接分析可用于控制盘的布置。 在实际控制过程中， 某项作业的完成需对一系列控制器操纵才能完成。 这些操纵动作往往按照一定的逻辑顺序进行， 如果各控制器安排不当， 各动作执行路线交叉太多， 会影响控制的效率和准确性。 运用逐次连接分析优化控制盘布置， 可使各控制器的位置得到合理安