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1、人机系统总体设计人机系统总体设计第第 九九 章章第一节第一节 人机系统设计的概念人机系统设计的概念 高情感特性：高情感特性：1）符合人的生理需要和心理需要；）符合人的生理需要和心理需要； 2）宜人性、舒适性、美学性；）宜人性、舒适性、美学性； 3）使用方便、操作性好、不易疲劳，安全可靠）使用方便、操作性好、不易疲劳，安全可靠 ，为用户着想。，为用户着想。一、人机系统设计的重要性一、人机系统设计的重要性 1工业设计的设计观是工业设计的设计观是“以人为本以人为本”， 人机工程学研究的人机工程学研究的 对象是对象是“系统中的人系统中的人” 2产品不仅要求：高质量、高精度、高科技含量；更要产品不仅要求
2、：高质量、高精度、高科技含量；更要 求高情感特性。求高情感特性。高情感特性是产品设计的一个新观念和新发展。高情感特性是产品设计的一个新观念和新发展。松下幸子助：松下幸子助：“今后是设计时代今后是设计时代”企业中产品制造的流程企业中产品制造的流程开发目标的设定开发目标的设定调查构思草图基本设计制图设计图模型产品试作市场测试生产市场导人基本功能设计使用性/生产性讨论功能实验机构设计人人间间工工学学的的实实验验/生生活活研研究究市市场场计计划划/调调查查人人事事/经经理理/其其他他购购买买/制制造造/品品质质管管理理知知识识产产权权的的调调查查量产试作销售战略价格销售渠道宣 传 方 法 设计流程图表
3、明：设计流程图表明：人机工程研究是与整个工业设计过程并行的；人机工程研究是与整个工业设计过程并行的； 在整个产品设计过程中占有非常突出的地位。在整个产品设计过程中占有非常突出的地位。三、人机系统人机系统1系统的概念系统的概念 “系统系统” 即由相互作用和相互依赖的若干组成结合成具有特即由相互作用和相互依赖的若干组成结合成具有特定定 功能的有机整体。功能的有机整体。 一个系统的一个系统的定义定义是表明是表明：确认一个目标；确认一个目标； 进行全面分析；进行全面分析； 研究所需功能；研究所需功能； 明确相互联系。明确相互联系。 它是将人放到人它是将人放到人-机机-环境这样一个系统中来研究，从而建立
4、解决环境这样一个系统中来研究，从而建立解决劳动主体和劳动工具之间矛盾的理论和方法。劳动主体和劳动工具之间矛盾的理论和方法。 人机工程学并非孤立地研究人，它同时研究系统的其它组成部分，人机工程学并非孤立地研究人，它同时研究系统的其它组成部分，以便根据人的特性和能力，来设计和改造系统。以便根据人的特性和能力，来设计和改造系统。研究需要具备的功能，功能间相互联系。研究需要具备的功能，功能间相互联系。人机系统的概念更多的是指一种思想，一种观察事物的方法。人机系统的概念更多的是指一种思想，一种观察事物的方法。贝雷（贝雷（Bailey)：问题的求解是人的现有观念重新组合，形成新观念的过程。问题的求解是人的
5、现有观念重新组合，形成新观念的过程。 它的意义是指人、机之间存在着信息环路，人机相互联系具有信息传递的性它的意义是指人、机之间存在着信息环路，人机相互联系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是否能持续有效地进行。质，系统能否正常工作，取决于信息传递过程是否能持续有效地进行。信息接受信息接受显示器显示器机机器器的的内内部部过过程程人人的的决决策策控控 制制控制器控制器“环境环境”可以作为人机系统的影响因素来理解。可以作为人机系统的影响因素来理解。2人机系统的模型人机系统的模型人机系统的模型：人机系统的模型： 人机系统设计主要是对处理系统中的人和人机界面等关系，而不是系统的全部
6、硬件。 在人机系统中，人的主导作用主要反映在人的决策功能上。 4人机界面人机界面 人与机之间存一个相互作用的作用“面”，所有的人-机信息交流都发生在这个作用面上，通常称为人机界面。 人机界面的设计主要是指显示、控制以及以它们之间的关系设计。 要使人机界面符合人机信息交流的规律和特性。 机器的物理要素具有行为意义上的刺激性质（如显示的变化、控制的位移），则必然存在最有利于人的反应的刺激形式。这是一条设计哲理设计哲理。 对于设计而言，重要的是通过使系统利用于发挥人的决策功能，对于设计而言，重要的是通过使系统利用于发挥人的决策功能，为正确决策提供各种作业辅助手段。为正确决策提供各种作业辅助手段。3人
7、的主导作用人的主导作用四、人机系统设计四、人机系统设计 人的心理健康受到广泛重视。心理应激能直接损害生理健康和作用效能，提高人的作用效能和降低人的应激水平，提高人的作用效能和降低人的应激水平，已经为人机系统设计的主要目标。 （便于操作，有利健康） 狭义的人机系统设计是指对产品系统本身进行的分析和设计，适应于狭义的人机系统设计是指对产品系统本身进行的分析和设计，适应于普通的日用和机电产品。设计更多的是根据人机工程的原理和参数，普通的日用和机电产品。设计更多的是根据人机工程的原理和参数，强调使用者的安全、舒适、满意，采用的是分析一试验法。强调使用者的安全、舒适、满意，采用的是分析一试验法。广义的人
8、机系统设计是指全面的、大概念的人机系统设计，适应于军事、广义的人机系统设计是指全面的、大概念的人机系统设计，适应于军事、准、维修、作业辅助等一系列人机系统的匹配和准、维修、作业辅助等一系列人机系统的匹配和“支持系统支持系统”的设计。的设计。设计更强调操作者的可靠性、效率、作业精度，其采用的是综合设计更强调操作者的可靠性、效率、作业精度，其采用的是综合-分分析法。析法。 人机系统设计是多学科联合设计的一部分，重要的是必须在系统设计初期就参与设计，充分考虑人的因素，反映人的需要。1.人机系统总体设计（人机系统总体设计（TSD法：法：Total System Design） TSD法法的中心设计思想
9、是： 1） 系统设计必须分为一系列具有明确定义的设计阶段， 2） 每个阶段的设计活动和任务必须是明确的。 3）“总体”的意义是强调人机系统的各个成分，如人、 硬 件、软件，都 要给予全面的考虑，以克服长 期以来工程设计忽视人和人的效能问题。其设计的目标是：使系统的每个成分都为实现系统目标而能够使系统的每个成分都为实现系统目标而能够 协调一致的发挥各自的功能。协调一致的发挥各自的功能。 良好的系统设计必须以两个主要原则为基础: 第一 明确定义的“问题”； 第二 制定和实施某种策略来寻找解决问题的满意方案。2. 阶段设计程序阶段设计程序 (1)定义目标和参数阶段，包括确定： 使用者的需求； 使用者
10、的特性； 群体组织特性； 作业方式； 作业效能的测量参数及测式方法 （4）人机界面设计阶段包括 人机界面设计； 作业空间设计。（2）系统定义阶段包括 定义功能要求； 定义操作（作业）要求。（3）初步设计阶段包括 功能分配； 作业流程设计； 作业反馈机制设计。（5）作业辅助设计阶段包括 制定使用者素质要求； 设计培训方案； 设计作业辅助手段 设计操作手册。五五 人机系统设计的效益人机系统设计的效益 效益可从以下几个方面进行评介。 1作业效能的改善 2降低培训费用 3改善人力资源的利用率 4减少事故和人为错误 5提高生产效率 6提高使用者的满意度（6）系统验证阶段包括 制定验证标准； 实施验正；
11、作验证结论。第二节第二节 人机系统总体设计程序人机系统总体设计程序一、定义系统目标和作业要求一、定义系统目标和作业要求人机系统设计的第一个步骤是定义系统目标和作业要求。 “系统目标”一般要用比较抽象、概括的文字叙述。包括两方面内容： 若干条目的若干条目的“要求要求”：具体地说明了系统的目标，：具体地说明了系统的目标， 如：如：“怎样设计一种将城市人从某地运至某地的运送系统怎样设计一种将城市人从某地运至某地的运送系统”。 “限制因素限制因素”：说明实现目标时所必须受到的条件限制。：说明实现目标时所必须受到的条件限制。 “系统作业要求系统作业要求”是另一个需要定义的重要概念是另一个需要定义的重要概
12、念: 1、系统做什么系统做什么（目标）（目标）？ 2、做的标准是什么做的标准是什么（要求）（要求）？ 3、如何进行测量如何进行测量（限制）（限制）？从内容角度包括三方面： 1、系统未来的使用者；（特征、心理、生理、组织。）系统未来的使用者；（特征、心理、生理、组织。） 2、目标的同类系统使用和操作；目标的同类系统使用和操作； 3、使用者的作业需求；（满意度、标准、时间限制等）使用者的作业需求；（满意度、标准、时间限制等） 4、确保系统目标体现使用者的需求。确保系统目标体现使用者的需求。 先设计，后目标先设计，后目标带来带来带来带来： 第一 、它是用目标来适应设计，系统定义阶段，各种设计方案必须
13、在定义系 统目标和作业要求后提出。 第二 它限制了其它出许是更好设计方案的产生。 二、系统定义二、系统定义 系统定义阶段是系统定义阶段是“实质性”设计工程的开始。其中最主要的工作是选择“设计方案” ； 由设计者和决策人共同研究； 应从更大范围、更高层次上发挥作用的角度考虑； 选择哪个方案的决策必须由更高一级的决策层和设计者作出。从从人机工程角度人机工程角度，应从以下几方面调研，应从以下几方面调研（从人的角度出发）（从人的角度出发）： 系统定义是对系统的输入、输出和其功能的同时进行定义。系统定义是对系统的输入、输出和其功能的同时进行定义。输入功能输出功能分析包括描述、确定、和分解系统功能的过程。
14、功能分析包括描述、确定、和分解系统功能的过程。这里应避免这里应避免“功能分配功能分配”。只定义功能是什么，不定义怎样实现功能。只定义功能是什么，不定义怎样实现功能。 系统定义阶段必须同时进行的另一个重要工作是收集和整理和有关使用系统定义阶段必须同时进行的另一个重要工作是收集和整理和有关使用者的资料，其意义是进一步定义者的资料，其意义是进一步定义“使用者使用者”：1、使用者的群体特征（如人数、职业类型等）；使用者的群体特征（如人数、职业类型等）；2、使用者的个体特征（如感觉、认知、反应能力等）。使用者的个体特征（如感觉、认知、反应能力等）。三、初步设计三、初步设计 应始终注意人机工程的要求与各个
15、硬件及设计决策的协调一致性。应始终注意人机工程的要求与各个硬件及设计决策的协调一致性。 人机系统初步设计是指围绕系统设计所进行的功能分配、作业分析以及要求研究人机系统初步设计是指围绕系统设计所进行的功能分配、作业分析以及要求研究 功能是关于系统的工作的描述，在设计中它的作用既是设计思维的要素又是必须物化的要素。 功能分配是指把已定义的系统功能，按照一定的分配原则，功能分配是指把已定义的系统功能，按照一定的分配原则，“分配分配”给人、硬件给人、硬件或软件。或软件。“分配分配”给人实现的系统功能要考虑：给人实现的系统功能要考虑： 人是否有人是否有“能力能力”实现该功能；实现该功能； 预测人是否乐意
16、长时间从事这一功能预测人是否乐意长时间从事这一功能。 功能分配的一般原则：1）、比较分配原则 比较分配是指，关于人与机的特性比较，并据此进行比较分配是指，关于人与机的特性比较，并据此进行“客观、逻辑客观、逻辑”的功能分配。适合人做的就分配给人；适合机器做的就分配给机器。的功能分配。适合人做的就分配给人；适合机器做的就分配给机器。2）、剩余分配原则 剩余分配是指把尽可能多的功能分配给机，尤其是计算机中，剩余的功剩余分配是指把尽可能多的功能分配给机，尤其是计算机中，剩余的功能分配给人。能分配给人。3）、经济分配原则 经济分配原则以经济效益为根本依据，一项功能分配给人还是机，完全经济分配原则以经济效
17、益为根本依据，一项功能分配给人还是机，完全视经济与否而定。视经济与否而定。 这里的经济概念是设计、制造、使用的总费用，特别强调使用的效率。这里的经济概念是设计、制造、使用的总费用，特别强调使用的效率。1、功能分配、功能分配4）、宜人分配原则 宜人分配是适应现代人观念的一种分配方法。现代人要求一项工作要更多宜人分配是适应现代人观念的一种分配方法。现代人要求一项工作要更多的地体现个人的价值和能力。功能分配要有意识地多发挥人的智力和技能，同的地体现个人的价值和能力。功能分配要有意识地多发挥人的智力和技能，同时注意补偿能力限度。时注意补偿能力限度。5）、弹性分析原则 它的基本思想是由人（使用者、操作者
18、）自己选择参与系统行为的程度，它的基本思想是由人（使用者、操作者）自己选择参与系统行为的程度，这种分配方法一般只适用于计算机控制系统。这种分配方法一般只适用于计算机控制系统。功能流程图： 将系统的各个功能，按其输入和输出联系起来，用框图表示，就获得将系统的各个功能，按其输入和输出联系起来，用框图表示，就获得描述系统的功能流程图。描述系统的功能流程图。2作业要求作业要求 提出作业品质的要求。例如精度、速度、技能、培训等。提出作业品质的要求。例如精度、速度、技能、培训等。 3作业分析作业分析作业分析包括两方面内容： 1）子功能的分解与再分解，子功能的分解与再分解， 2）每一层次的子功能的输入和输出
19、的确定。每一层次的子功能的输入和输出的确定。作业分析的功能分解过程直至可以定义出“作业单元”的水平为止： 能够为特定使用者易懂易做的那个功能分解水平，就是作业单元水平。能够为特定使用者易懂易做的那个功能分解水平，就是作业单元水平。 每一个作业单元的定义形式是它的输入和输出。每一个作业单元的定义形式是它的输入和输出。4作业序作业序 一组作业单元又可再组合为一个作业序。一个作业序是分配给一类特定使用者的一组相互关联的作用业单元。通常一个给定的作业序可以由一个以上的使用者或操作者完成。四、人机界面设计四、人机界面设计 人机界面设计主要是指显示、控制以及它们之间的关系的设计，应使人机界面的设计符合人机
20、信息交流的规律和特性。 1）显示是指有目的的信息传递，设计必须考虑： 传递信息的内容和方式；传递信息的内容和方式； 传递信的目的或功能；传递信的目的或功能； 显示装置和类型；显示装置和类型； 传递信息的对象；传递信息的对象； 控制的功能；控制的功能； 控制操作的作业标准；控制操作的作业标准； 控制过程的人机信息交换；控制过程的人机信息交换； 人员的作业负荷。人员的作业负荷。 3）作业空间也是人机界面设计的内容。主要参考人体尺寸的数据。 动态作业空间；动态作业空间；有效作业空间；有效作业空间；一般人体尺寸的静态计算范围。一般人体尺寸的静态计算范围。 人机界面设计分三个步骤： 1) 尺寸、参数设计
21、，绘制平面图；尺寸、参数设计，绘制平面图；2） 功能模型测试，确定实际空间关系的适宜性功能模型测试，确定实际空间关系的适宜性 3） 实际尺寸模型验证实际尺寸模型验证 2）控制器是指操作人员用业改变系统状态的装置，控制器设计必须考虑： 六、系统检验六、系统检验 人机系统的验证是以人的作业效能为主要验证标准的，人机系统必须保证人的作业符合作业要求的各个项目。五、作业辅助设计五、作业辅助设计 所有用于保证人的作业效能的技术和手段，除系统“本体”的硬件以外，都属作业辅助的范围。 主要包括两个方面： 1）制定选择操作人员的标准；制定选择操作人员的标准； 2）确定培训、使用说明，确定作业辅助手段。确定培训
22、、使用说明，确定作业辅助手段。人机系统的验证应在系统开发的各个时期来进行。第三节第三节第三节第三节 人机系统总体设计方法人机系统总体设计方法人机系统总体设计方法人机系统总体设计方法一、作业分析一、作业分析 作业分析是指对已分配人的功能进行的分析，目的是使作业与作业者之间作业分析是指对已分配人的功能进行的分析，目的是使作业与作业者之间建立协调一致的关系。建立协调一致的关系。 作业分析包括四个主要部分作业分析包括四个主要部分： 1）确定系统作业结构）确定系统作业结构 2）确定作业）确定作业 3）编制作业流程图）编制作业流程图 4）建作业序。）建作业序。 每一项作业都必须事先有计划，作业者必须得到明
23、确的书面指导。这种指导每一项作业都必须事先有计划，作业者必须得到明确的书面指导。这种指导文件必须说明，作业者要做什么，怎样做，什么时间完成。文件必须说明，作业者要做什么，怎样做，什么时间完成。 1. 系统的作业结构系统的作业结构 是指系统的作业和作业技能的是指系统的作业和作业技能的整体整体要求，是对作业者群体而言的。要求，是对作业者群体而言的。 作业复杂程度作业复杂程度 高高 10% 40% 10% 较高较高 20% 30% 40% 较低较低 30% 20% 40% 低低 40% 10% 10% （1） （2） （3） 第一种形式为第一种形式为“金字塔金字塔”结构，其特征是以低技作业主。结构，
24、其特征是以低技作业主。 第二种形式是倒金字塔结构，以高技校的复杂作业为主，系统必须考虑从第二种形式是倒金字塔结构，以高技校的复杂作业为主，系统必须考虑从其他系统中转移来作业人员以完成较复杂的作业。其他系统中转移来作业人员以完成较复杂的作业。 第三种是棱形结构，以中等复杂的作业技能为主。第三种是棱形结构，以中等复杂的作业技能为主。 2. 确定作业确定作业 是指研究人在完成分配给他的系统功能的活动过程时，从作业管理的角度，给是指研究人在完成分配给他的系统功能的活动过程时，从作业管理的角度，给予一定的划分或规定。予一定的划分或规定。 从劳动和个体工作的角度，来划分必须更加具体地分析和描述从劳动和个体
25、工作的角度，来划分必须更加具体地分析和描述“人人”实现功能实现功能的活动，来划分或规定的活动，来划分或规定“人人”的作业。的作业。 确定作业主要了以下几个方面问题：确定作业主要了以下几个方面问题： 确定期人力资源已具备的知训和技能；确定期人力资源已具备的知训和技能； 划分作业的技能水平；划分作业的技能水平； 确定作业的输入和输出；确定作业的输入和输出； 确定作业的内容；确定作业的内容； 确定作业与作业之间的关系；确定作业与作业之间的关系； 研究作业的复杂程度是否与设计要求的技能水平相适应。研究作业的复杂程度是否与设计要求的技能水平相适应。 确定作业复杂程度包括：确定作业复杂程度包括： 1） 收
26、集数据：收集数据：收集系统未来使用者和技能水平的数据。收集系统未来使用者和技能水平的数据。 2 ） 划分原则：划分原则： 划分作业复杂程序的划分原则可根据具体情况分析，工作时间、应知应会考划分作业复杂程序的划分原则可根据具体情况分析，工作时间、应知应会考 核、作业效能、学历要求等，都可为划分的根据，核、作业效能、学历要求等，都可为划分的根据， 不同行业都已建立相应的考核标准。不同行业都已建立相应的考核标准。4 三年以上三年以上 经历丰富经历丰富 3 六个月六个月三年三年 培训结束培训结束 2 六个月以内六个月以内 培训期间培训期间 1 0月月 六个月六个月 熟练工作熟练工作 作业复杂程序划分作
27、业复杂程序划分1 作业的复杂程序作业的复杂程序 二、作业设计二、作业设计作业流程图作业分析表子作业刺激反应反馈作业分类错误可能时 间作业地点技能水平允许必需2.12.22.32.42.52.627. 127. 22829调节调节发动发动机速机速度度速速度度表表向下向下按调按调节控节控制器制器速度速度表指表指示增示增加加操作作操作作业飞行业飞行员完成员完成1.1.读数错读数错误误2.2.未达适未达适当速度当速度10 10 秒秒7 7 秒秒飞行员飞行员座椅座椅低低技能技能2 2 描述作业描述作业 这种图表不仅表示作业与功能的关系，而且按人机关系的特征，说明引导作业动作的信号、作业动作的反馈、作业分
28、类、作业动作的潜在错误、完成作业的时间限制、作业地点和技能水平等。作业作业 (T2) 控制喷气发动机控制喷气发动机 功能功能(F1) 系统控制系统控制 确定作业后，设计者需用适当的的形式描述作业，以便设计管理时参考。 3 3 建立作业序建立作业序作业序是指某个作业者单独从事的一组作业。作业序的信息或数据关系： 功能被分解为若干作业，作业按一定规则组合为作业序。组建作业序可考虑： 作业的技能水平； 作业的顺序关系； 作业的时间安排； 人机界面关系。具体来说有：处理同类信息或数据的作业应该组合。具有相同的或近似作业复杂程度，要求同级技能水平的作业应该组合， 高技作业与低技作来组合是不经济的。作业性
29、质相同，并有顺序关系的作业 可以组合，以获得合现的工作流程。在同一时间区域内进行的作业可以组合。从人机界面设计角度，同一工作岗位、 工作站等在同一人机接口位置和作业可以 组合。 一个作业序可以由多个作业组合，但一般认为一个作业序最多不超过 7 个作业。设计得每确不定期一个作业，都意味着一个相对整体的作业活动、有明确的输入和输出。功能 1作业1作业2作业3作业4作业5作业6作业7作业8作业9作业0功能 2作业1作业2作业3作业0作业序作业序A作业序作业序B作业序作业序C功能 3作业序的组成作业序的组成三三 、作业辅助（、作业辅助（Performance AidsPerformance Aids）
30、 作业辅助是指一种作业辅助是指一种“信息装置信息装置”或文件，包含作业者或文件，包含作业者作业时使用的作业时使用的信息。信息。1 1记忆辅助类记忆辅助类 记忆辅助类的作业辅助主要用于作业者在作业过程中记忆记忆辅助类的作业辅助主要用于作业者在作业过程中记忆 一些特定信息。一些特定信息。2 2作业步骤类作业步骤类作业步骤内的作业辅助用于指导作业者按步骤完成作业活动。作业步骤内的作业辅助用于指导作业者按步骤完成作业活动。作业辅助设计须考虑以下问题：作业辅助设计须考虑以下问题： 什么作业者作业（知识、技能、阅读能力等）；什么作业者作业（知识、技能、阅读能力等）； 什么时间、如何作业；什么时间、如何作业
31、； 作业的环境条件、地点等。作业的环境条件、地点等。3 3作业辅助信息作业辅助信息作业辅助提供信息有多种方式：作业辅助提供信息有多种方式：1 1）提示（）提示（CueCue） 是以某种信号指和要求作业者注意某物定信息、 特体或情况。例如运用箭头、标记、颜色提示作业者。2 2）关系信息）关系信息 关系（Associate）信息是指一种信息转换的方法。 它是作业在寻找与已知信息有关的进一步详尽信息时， 使用的作业辅助。3 3）模拟信息）模拟信息 模拟信息是一种表达抽象关系的信息通常这些信息 不容易直接表达。4 4）举例信息）举例信息 提供关于作用的某种例子提供关于作用的某种例子 4 4作业辅助的设计作业辅助的设计 在许可的条件下，设计得应优先采用作业辅助，而且不是说明书和培训材料。 1）准确性准确性 根据材料，听取专家意见。 2）可靠性可靠性 不允许有任何假设，估计信息。 3）结构性结构性 作业步骤都必须编号用符号、标记等提示作业者注意。 4）简明性简明性 主动态语句，尽量采用图示、检查表、图表等， 少用文字。 5）完整性完整性 作业辅助应提供完整的信息。（ 完完 ）谢谢大家！谢谢大家！
