1、第十一章 人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計,主講：蔣熠 2010.12.1,上章內(nèi)容回顧,一、事故的基礎(chǔ)概念及主要影響因素 二、事故致因理論及模型 三、事故控制基本策略 四、安全防護(hù)裝置及其設(shè)計,本章內(nèi)容,一、人機(jī)系統(tǒng)的概述 二、人機(jī)系統(tǒng)基本模式及分類 三、人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計,一、人機(jī)系統(tǒng)的含義,人機(jī)系統(tǒng)-系統(tǒng)是由相互作用、相互依存的要素（部分）組成的、具有特定功能的有機(jī)整體。,二、人機(jī)系統(tǒng)的基本模式,人機(jī)系統(tǒng)基本模式由下列子系統(tǒng)組成 ： 人的子系統(tǒng) 機(jī)器的子系統(tǒng) 人機(jī)界面,人機(jī)系統(tǒng)的分類,人機(jī)系統(tǒng)據(jù)人與機(jī)器扮演的角色不同分為以下三類： 1、人力系統(tǒng)（manual system）：人員以體力來完成工作、機(jī)器以簡單的非動

2、力工具（如鐵錘、鉗子）為主。 2、機(jī)器系統(tǒng)（mechanical system）：機(jī)器提供動力來完成工作，人員則負(fù)責(zé)機(jī)器操作、控制及監(jiān)控。 3、自動系統(tǒng)（automated system）：機(jī)器提供動力且會自動控制，人員則設(shè)定機(jī)器、資料輸入、監(jiān)視、保養(yǎng)與維修機(jī)器,按有無反饋控制分類： 1、閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)（反饋控制人機(jī)系統(tǒng)）： 特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出參與對系統(tǒng)的控制。若由人來觀察和控制信息的輸入、輸出和反饋，則稱為人工閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)；若由自動控制裝置來代替人的工作，人只起監(jiān)督作用，則稱為自動閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)。 2、開環(huán)人機(jī)系統(tǒng)： 特點(diǎn)：系統(tǒng)中沒有反饋回路，系統(tǒng)輸出不參與對系統(tǒng)的控制，所提供的反饋信息不能控制下

3、一步的操作。,按系統(tǒng)自動化程度分類： 1、人工操作系統(tǒng)： 包括人和一些輔助機(jī)械和手工工具。,2、半自動化系統(tǒng)： 人可作為生產(chǎn)過程的控制者，操縱具有動力的機(jī)械設(shè)備；也可以為系統(tǒng)提供少量動力，對系統(tǒng)作某些調(diào)整或簡單操作。,3、自動化系統(tǒng)： 這種系統(tǒng)中，機(jī)器完全代替了人的工作，生產(chǎn)過程的信息接受、信息處理和執(zhí)行等均由機(jī)器來完成，人只起啟動、停止、編程、監(jiān)控、修理、調(diào)試的作用。 但是，這種系統(tǒng)的投資大，非大量生產(chǎn)采用它是不經(jīng)濟(jì)的。,按人機(jī)結(jié)合方式分類： 1、人機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)： 2、人機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)： 3、人機(jī)串、并聯(lián)混合系統(tǒng),三、人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計,人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計思想 人、機(jī)功能的對比 人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的具體程序和步驟,

4、通過如下的設(shè)計： 工作空間和工作設(shè)備的設(shè)計 工作環(huán)境設(shè)計 工作過程設(shè)計 達(dá)到如下要求： 完成預(yù)定目標(biāo) 人機(jī)協(xié)調(diào) 輸入和輸出功能需復(fù)合設(shè)計能力 考慮環(huán)境因素的影響 是一個完善的反饋閉環(huán)回路系統(tǒng),人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計思想,讓人來適應(yīng)機(jī)器的設(shè)計思想 先設(shè)計好機(jī)器，再根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行要求來選拔和培訓(xùn)人員。 讓機(jī)器適應(yīng)人的設(shè)計思想 即根據(jù)人的特性，設(shè)計出最符合人操作的機(jī)器設(shè)備、器具，最醒目的顯示器，最方便使用的控制器，如何使設(shè)計的機(jī)器盡可能地代替人的工作等。 人與機(jī)器相互適應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計思想 在機(jī)器和人中間進(jìn)行合理的功能分配，從而達(dá)到系統(tǒng)的最佳匹配。,人、機(jī)功能的對比,人優(yōu)于機(jī)的功能 A 在感知覺方面，人的某些感宮

5、的感受能力比機(jī)器優(yōu)越 B 人能運(yùn)用多種通道接受信息。 C 人具有高度的靈活性和可塑性，能隨機(jī)應(yīng)變，采用靈活的程序。因此，任何高度復(fù)雜的自動系統(tǒng)都離不開人的參與。 D 人能長期大量儲存信息并能綜合利用記憶信息進(jìn)行分析和判斷。 E 人具有總結(jié)和利用經(jīng)驗(yàn)，除舊創(chuàng)新，改進(jìn)工作的能力。而機(jī)器無論多么復(fù)雜，只能按照人預(yù)先編排好的程序工作。 F 人能進(jìn)行歸納推理。 G 人的最重要特點(diǎn)是有感情、意識和個性，具有能動性，能繼承人類歷史、文化和精神遺產(chǎn)。,機(jī)優(yōu)于人的功能 A 機(jī)器能平穩(wěn)而準(zhǔn)確地運(yùn)用巨大動力 B 機(jī)器動作速度快、信息傳遞、加工和反應(yīng)的速度快 C 機(jī)器的精度高，產(chǎn)生的誤差可隨機(jī)器精度提高而減小 D 機(jī)

6、器的穩(wěn)定性好，做重復(fù)性工作，不存在疲勞和單調(diào)問題 E 機(jī)器的感受和反應(yīng)能力一般比人高 F 機(jī)器能同時完成多種操作，而且可以保持較高的效率和準(zhǔn)確度 G機(jī)器能在惡劣的環(huán)境條件下工作,人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計程序,定義,執(zhí)行,測試 & 評價,1、定義系統(tǒng)目標(biāo)和作業(yè)要求：,在設(shè)計一個系統(tǒng)時，首先必須確定它作為一個整體所體現(xiàn)的目標(biāo)，然后再討論為達(dá)到該目標(biāo)， “系統(tǒng)目標(biāo)”一般要用比較抽象、概括的文字?jǐn)⑹?。包括兩方面?nèi)容： 若干條目的“要求”：具體地說明了系統(tǒng)的目標(biāo)。如：“怎樣設(shè)計一種將城市人從某地運(yùn)至某地的運(yùn)送系統(tǒng)”。 “限制因素”。說明實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時所必須受到的條件限制。 、,“系統(tǒng)作業(yè)要求”是另一個需要定義的重要

7、概念，從內(nèi)容角度包括三方面： 系統(tǒng)做什么？ 做的標(biāo)準(zhǔn)是什么？ 如何進(jìn)行測量？ 從人因角度，應(yīng)從以下幾方面調(diào)研： 系統(tǒng)未來的使用者；（特征、心理、生理、組織。） 目標(biāo)的同類系統(tǒng)使用和操作； 使用者的作業(yè)需求；（滿意度、標(biāo)準(zhǔn)、時間限制等） 確保系統(tǒng)目標(biāo)體現(xiàn)使用者的需求。,2、系統(tǒng)定義,系統(tǒng)定義階段是“實(shí)質(zhì)性”設(shè)計工程的開始，其中最主要的工作是選擇設(shè)計方案 ： 由設(shè)計者和決策人共同研究； 應(yīng)從更大范圍、更高層次上發(fā)揮作用的角度考慮； 選擇哪個方案的決策必須由更高一級的決策層和設(shè)計者作出。,系統(tǒng)定義是對系統(tǒng)的輸入、輸出和其功能的同時進(jìn)行定義。 功能分析包括描述、確定、和分解系統(tǒng)功能的過程。這里應(yīng)避免“

8、功能分配”。只定義功能是什么，不定義怎樣實(shí)現(xiàn)功能。 系統(tǒng)定義階段必須同時進(jìn)一步定義“使用者”： 1、使用者的群體特征（如人數(shù)、職業(yè)類型等）； 2、使用者的個體特征（如感覺、認(rèn)知、反應(yīng)能力等）。,3、初步設(shè)計（基礎(chǔ)設(shè)計）,應(yīng)始終注意系統(tǒng)人因的要求與各個硬件及設(shè)計決策的協(xié)調(diào)一致性。 人機(jī)系統(tǒng)初步設(shè)計圍繞系統(tǒng)設(shè)計的功能分配、作業(yè)分析以及作業(yè)要求進(jìn)行： 功能分配。 作業(yè)要求。提出作業(yè)品質(zhì)的要求。例如精度、速度、技能、培訓(xùn)等。 作業(yè)分析。 作業(yè)序。,功能分配。 功能是關(guān)于系統(tǒng)的工作的描述，功能分配是指把已定義的系統(tǒng)功能，按照一定的分配原則，“分配”給人、硬件或軟件?！胺峙洹苯o人實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能要考慮： 人

9、是否有“能力”實(shí)現(xiàn)該功能， 預(yù)測人是否樂意長時間從事這一功能。 對于功能分配，常要考慮兩個方面的問題： 1、人機(jī)功能分配； 2、人與機(jī)的功能匹配。,1）人機(jī)功能分配 所謂人機(jī)功能分配，是指在人機(jī)系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮人與機(jī)械各自的特長，互補(bǔ)所短，恰當(dāng)?shù)胤峙淙藱C(jī)任務(wù)，以達(dá)到人機(jī)系統(tǒng)整體的最佳效能。 人機(jī)功能分配應(yīng)考慮的問題 a 人與機(jī)械的性能、負(fù)荷能力、潛力及局限性。 b 人進(jìn)行規(guī)定操作所需的訓(xùn)練時間和精力限度。 c 對異常情況的適應(yīng)性和反應(yīng)能力的人機(jī)對比。 d 人的個體差異的統(tǒng)計。 e 機(jī)械代替人的效果和成本。, 通常由“人”承擔(dān)的工作 a 程序設(shè)計 b 意外事件處理 c 變化頻繁的作業(yè) d “

10、機(jī)”的維修 e 長時期大量貯存信息 f 研究、決策、設(shè)計等, 通常由“機(jī)”承擔(dān)的工作： a 枯燥、單調(diào)的作業(yè)和笨重的作業(yè) b 危險性較大的作業(yè)。如救火、空間技術(shù)、放射環(huán)境及有毒作業(yè)等。 c 粉塵作業(yè) d 噴漆、涂料、電鍍、焊接、鉚接等作業(yè)。 e 自動校正、自動檢測、高精度裝配等。 f 特殊目的作業(yè)。如病房服務(wù)、為盲人引路、壁行機(jī)(用于船殼焊接)、象鼻機(jī)(仿象鼻運(yùn)動搬運(yùn)重物)等。 g 高階運(yùn)算 h 快速操作 I 可靠性的、高精度的和程序固定的作業(yè)。,2）人與機(jī)的功能匹配 人機(jī)應(yīng)達(dá)到最佳匹配，使系統(tǒng)整體效能最優(yōu)； 人和機(jī)器的相互配合； 人監(jiān)控機(jī)器 機(jī)器監(jiān)督人。以防止人產(chǎn)生失誤時導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障

11、。 顯示器與人的信息感覺通道特性的匹配； 控制器與人體運(yùn)動反應(yīng)特性的匹配； 顯示器與控制器之間的匹配； 環(huán)境條件與人的有關(guān)特性的匹配； 人、機(jī)、環(huán)境要素與作業(yè)之間的匹配等。,功能分配的一般原則： 1）比較分配原則： 2）剩余分配原則； 3）經(jīng)濟(jì)分配原則； 4）宜人分配原則； 5）彈性分配原則。 功能流程圖： 將系統(tǒng)的各個功能，按其輸入和輸出聯(lián)系起來，用框圖表示，就獲得描述系統(tǒng)的功能流程圖。,作業(yè)分析 作業(yè)分析是指對已分配人的功能進(jìn)行的分析，目的是使作業(yè)與作業(yè)者之間建立協(xié)調(diào)一致的關(guān)系。 每一項(xiàng)作業(yè)都必須事先有計劃，作業(yè)者必須得到明確的書面指導(dǎo)。這種指導(dǎo)文件必須說明，作業(yè)者要做什么，怎樣做，什么時

12、間完成。 作業(yè)分析包括四個主要部分： 1）確定系統(tǒng)作業(yè)結(jié)構(gòu)； 2）確定作業(yè)； 3）編制作業(yè)流程圖； 4）建作業(yè)序,1） 系統(tǒng)的作業(yè)結(jié)構(gòu),是指系統(tǒng)的作業(yè)和作業(yè)技能的整體要求，是對作業(yè)者群體而言的。,作業(yè)復(fù)雜程度 高 10% 40% 10% 較高 20% 30% 40% 較低 30% 20% 40% 低 40% 10% 10% （1） （2） （3）,第一種形式為“金字塔”結(jié)構(gòu)，其特征是以低技作業(yè)主。,第二種形式是倒金字塔結(jié)構(gòu)，以高技校的復(fù)雜作業(yè)為主，系統(tǒng)必須考慮從其他系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移來作業(yè)人員以完成較復(fù)雜的作業(yè)。,第三種是棱形結(jié)構(gòu)，以中等復(fù)雜的作業(yè)技能為主。,2）確定作業(yè),是指研究人在完成分配給他的系

13、統(tǒng)功能的活動過程時，從作業(yè)管理的角度，給予一定的劃分或規(guī)定； 從勞動和個體工作的角度，來劃分必須更加具體地分析和描述“人”實(shí)現(xiàn)功能的活動，來劃分或規(guī)定“人”的作業(yè)。,確定作業(yè)主要了以下幾個方面問題：, 確定期人力資源已具備的知訓(xùn)和技能；, 劃分作業(yè)的技能水平；, 確定作業(yè)的輸入和輸出；, 確定作業(yè)的內(nèi)容；, 確定作業(yè)與作業(yè)之間的關(guān)系；, 研究作業(yè)的復(fù)雜程度是否與設(shè)計要求的技能水平相適應(yīng)。,確定作業(yè)后，設(shè)計者需用適當(dāng)?shù)牡男问矫枋鲎鳂I(yè)，以便設(shè)計管理時參考。 作業(yè)流程圖 作業(yè)分析表,3）描述作業(yè),這種圖表不僅表示作業(yè)與功能的關(guān)系，而且按人機(jī)關(guān)系的特征， 說明引導(dǎo)作業(yè)動作的信號、作業(yè)動作的反饋、作業(yè)分

14、類、作業(yè)動作 的潛在錯誤、完成作業(yè)的時間限制、作業(yè)地點(diǎn)和技能水平等。,4）建立作業(yè)序,作業(yè)序是指某個作業(yè)者單獨(dú)從事的一組作業(yè)。,作業(yè)的信息或數(shù)據(jù)關(guān)系：,功能被分解為若干作業(yè)，作業(yè)按一定規(guī)則組合為作業(yè)序。組建作業(yè)序可考慮：,作業(yè)的技能水平； 作業(yè)的順序關(guān)系； 作業(yè)的時間安排； 人機(jī)界面關(guān)系。,4、界面設(shè)計,人機(jī)界面設(shè)計主要是指顯示、控制以及它們之間的關(guān)系的設(shè)計，應(yīng)使人機(jī)界面的設(shè)計符合人機(jī)信息交流的規(guī)律和特性。 包括：顯示器的設(shè)計、控制器的設(shè)計以及作業(yè)空間的設(shè)計。 人機(jī)界面設(shè)計分三個步驟： 1、尺寸、參數(shù)設(shè)計，繪制平面圖； 2、功能模型設(shè)計，確定實(shí)際空間關(guān)系的適宜性； 3、實(shí)際尺寸模型的驗(yàn)證。,5

15、、作業(yè)輔助設(shè)計,所有用于保證人的作業(yè)效能的技術(shù)和手段，除系統(tǒng)“本體”的硬件以外，都屬作業(yè)輔助的范圍，主要包括兩個方面： 1）制定選擇操作人員的標(biāo)準(zhǔn)； 2）確定培訓(xùn)、使用說明，確定作業(yè)輔助手段。,6、設(shè)計與評價,1）人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計在工程設(shè)計中的地位 幾乎所有的工程設(shè)計，大都可分為六個設(shè)計階段： 原理設(shè)計，主要解決功能問題； 初步設(shè)計，具有總體設(shè)計的性質(zhì)； 人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計，主要是解決人機(jī)關(guān)系的一些問題； 結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和工藝問題； 造型設(shè)計，主要是整體外觀造型的美觀設(shè)計問題； 完成階段，包括施工圖設(shè)計和試制問題。,2）人機(jī)界面設(shè)計 人機(jī)系統(tǒng)中，人與機(jī)器之間存在一個相互作用的“界面”，所有的人與機(jī)器的交流都發(fā)生在這個界面上，一般稱為人機(jī)界面，是人機(jī)關(guān)系的非常重要環(huán)節(jié)。 3）人因工程學(xué)設(shè)計 對機(jī)具進(jìn)行人因工程學(xué)設(shè)計，使機(jī)具適應(yīng)人的特性、保證人使用時得心應(yīng)手。 主要包括顯示器和控制器的選擇與設(shè)計、作業(yè)空間設(shè)計、作業(yè)輔助設(shè)計等。 4）系統(tǒng)評價 就是試驗(yàn)該系統(tǒng)是否具備完成既定目標(biāo)的功能，并進(jìn)行安全性、舒適