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1、第十五章 人机系统设计与评价,主讲：马如宏 盐城工学院机械工程学院 School. of ME,YCIT E-mail:,第十五章 人机系统设计与评价,第一节 人机系统概述 第二节 人机关系及其演变 第三节 人与机器的功能比较和分配 第四节 人机系统的类型 第五节 人机系统设计,2020/9/22,第一节人机系统概述,一、人机系统的定义 所谓系统是指由具有相互联系、相互制约的事物，以某种形式结合在一起并具有特定功能的有机整体。 把整体系统的组成部分称为子系统。整体系统与子系统之间既有相对性也有统一性。 人机系统是由相互作用、相互联系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。

2、人机系统中的人是指机器的操作者或使用者； 机器的含义是广义的，是指人所操纵或使用的各种机器、设备、工具等的总称。,2020/9/22,第一节人机系统概述,一、人机系统的定义 研究人机系统时，既要研究子系统各自的特点和功能，还要研究它们之间相互形成有机整体的功能。 研究人机系统的设计和改进，都是以具体的人机系统为对象的。 例如由人与汽车、人与机床、人与计算机、人与家电、人与工具等构成特定的人机系统。,2020/9/22,第一节人机系统概述,一、人机系统的定义 由于人的工作能力和效率随周围环境国素而变化，任何人机系统又都处于特定环境之中，所以在研究人机系统时，应当把环境当做一个重要因素来考虑。 把

3、人、机、环境三者之间相互联系、相互作用构成的整体系统称为人一机一环境系统。 环境因素包括照明、噪声、振动、温度、湿度、空气、颜色、工作地、工作空间以及一切影响人机系统的因素。,2020/9/22,第一节人机系统概述,二、人机系统的基本模式 人机系统基本模式由人的子系统、机器的子系统和人机界面所组成。 人的子系统可概括为S O R(感受刺激一大脑信息加工一做出反应)； 机器的子系统可概括为CMD(控制装置一机器运转一显示装置)。 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。,2020/9/22,2020/9/22,

4、第一节人机系统概述,二、人机系统的基本模式 人的子系统：人的子系统又分为SO系统和OR系统。 SO系统由各种感觉器官(视觉、听觉、触觉等)与大脑中枢组成，由传入神经作为联络纽带。 这个系统的任务是收集信息、发现问题，并传递到大脑进行加工整理，即判断和决策。 OR 系统由大脑中枢与运动器官(手、脚、肢体、声带等)组成，由传出神经作为联络纽带。,2020/9/22,第一节人机系统概述,二、人机系统的基本模式 机的子系统 机器子系统分为CM系统和MD系统。 CM系统由控制器和机器的转换机构(或计算机主机板)组成。这个系统的任务是使机器接受操作者的指令，实现机器运转、调控，把输入转换为输出。 MD系统

5、由机器的转换机构和显示器组成。这个系统的任务是反映机器运行过程和状态的信息。,2020/9/22,第一节人机系统概述,二、人机系统的基本模式 人机界面 人与机之间存在一个相互作用的“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。 人通过各种感觉器官接受信息，实现机-人信息传递。 大脑对信息进行加工、决策，然后做出反应，通过控制器传递给机器，实现人一机信息传递。 人机界面的设计，主要是指显示器、控制器以及它们之间关系的设计。,2020/9/22,第二节 人机关系及其演变,人机关系是指人机环境系统中人与机器这两个主要要素之间的相互关系。 长期适应自然条件的人，随着机械化的到来，形

6、成了复杂的人机又系，产生了很多不相适应的问题。,2020/9/22,第二节 人机关系及其演变,二战后，人类开始重视研究克服人与机器之间各种不相适应的问题： 初期研究的重点是采用选拔、训练等方法提高人适应机器的能力。 但人们很快就认识到，人适应机器的能力有一定的限度。根本的办法是在机器设计中充分考虑人的因素，以解决机器适应人的问题。,2020/9/22,第二节 人机关系及其演变,人机关系在变化过程中按其特点可以概括为4种形式：,2020/9/22,第二节 人机关系及其演变,现在几乎所有的工作都至少使用了某种机器或工具，可以认为任何生产或服务过程都离不开由人与机器(或工具)构成的人机系统。 在人机

7、系统中，人永远处于主体地位。人的作用只有随着机器的进步而转移，绝不会减少，更不会消失。 机械化和自动化，使人从繁重的劳动中解脱出来，去从事其他更重要的工作，如可以有更多的精力去从事脑力性质的劳动。 电子计算机的发展，使人能够去做过去无法进行的创造性工作。,2020/9/22,第二节 人机关系及其演变,人与机器的适当配合，可以使系统降低成本，减少事故，提高效率。 不应盲目地追求使用机器及计算机代替人的全部功能。如以绕月飞行的航天系统为例： 全自动化的成功率为22； 人参与飞行的成功率为70； 人承担维修任务的飞行成功率为93以上。 具有高智能的人与先进的机器相结合的人机系统最有发展前途。,202

8、0/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,一、人机特性比较 设计和改进人机系统，首先必须考虑人相机器各自的特性，根据两者的长处和弱点，确定最优的人机功能分配。 人与机器的特性对照比较表。,2020/9/22,2020/9/22,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人优于机器的功能： 在感知觉方面，人的某些感官的感受能力比机器优越。 人能运用多种通道接受信息，当一种信息通道有障碍时可用其他通道补偿。 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。 人能长期大量储存信息，并能随时综合利用记忆信息进行分析和判断。,2020/9/22,第三节 人与机

9、器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人优于机器的功能（续）： 人具有总结和利用经验，除旧创新，改进工作的能力；而机器无论多么复杂，只能按照人预先编排好的程序工作。 人能进行归纳推理。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。 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、文化和精神遗产。,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 机器优于人的功能： 机器能干稳而准确地运用巨大功力，其功率、强度和负荷的大小可随需要而定。 机器动作速度快，信息传递、加工和反应的速度快。 在感受外界作用和操作方面，机器的精度高，产生的误差可

10、随机器精度提高而减小。 机器的稳定性好，可终日不停地重复工作，不会降低效率，不存在疲劳和单调问题。,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 机器优于人的功能（续）： 机器的感受和反应能力一般比人高。 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。 机器能在恶劣的环境条件下工作。,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人与机器的功能匹配 ： 为使人机系统整体效能最优，必须使系统中的人与机器之间达到最佳配合，即达到最佳人机匹配。 为此，要明确人和机器的基本界限，这是研究人机功能匹配的基本方法。,2020/9/22,第三节

11、人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人与机器的功能匹配 ： 人的基本界限包括：准确度界限；体力界限；动作速度界限；知觉能力界限。 机器的基本界限包括：机器的性能界限；机器的正常动作界限；机器判断能力界限；费用界限。,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人与机器的功能匹配 ： 由于人和机器各有特长和局限性，所以人机之间应当彼此协调，相互补充。 如费力、快速、持久、可靠性高、精度高、程序固定、操作复杂和环境条件差的工作，都适合于由机器来承担； 研究、决策、编程序、发指令、做工精细、检查、监视、管理、维修、处理故障和应付不测等利用脑力和感官的工作都应该由人

12、来承担。,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人与机器的功能匹配 ： 人机匹配除合理分配人与机器的功能外，实现人相机器的相互配合也是很重要的。 一方面需要人监控机器，即使是完全自动化的系统也必须有人监视。机器一旦出现异常情况，必须由人来手动操纵。 另一方面需要机器监督人，以防止人产生失误时导致整个系统发生故障。,2020/9/22,第三节 人与机器的功能比较和分配,二、人机功能分配 人与机器的功能匹配 ： 人机匹配的具体内容很多，还包括： 显示器与人的信息感觉通道特性的匹配； 控制器与人体运动反应持性的匹配； 显示器与控制器之间的匹配； 环境条件与人的有关待

13、性的匹配； 人、机、环境要素与作业之间的匹配等。,2020/9/22,第四节 人机系统的类型,一、按有无反馈控制分类 开环人机系统 开环人机系统是指系统中没有反馈回路，或输出过程也可提供反馈的信息，但无法用这些信息进一步直接控制操作，即系统的输出对系统的控制作用没有直接影响。 闭环人机系统 闭环人机系统是指系统有封闭的反馈回路，输出对控制作用有直接影响。 人工闭环人机系统； 自动闭环人机系统。,2020/9/22,第四节 人机系统的类型,二、按系统自动化程度分类 人工操作系统 半自动化系统 自动化系统,2020/9/22,2020/9/22,第四节 人机系统的类型,三、按人机结合方式分类 人机

14、串联 人机并联 人与机串、并联混合,2020/9/22,2020/9/22,第五节 人机系统设计,人机系统设计，包括非常广泛的领域，凡是人与机器、器具、设备等相结合的设计，小至一个按钮、一件工具，大至一个大型复杂生产过程、一个现代化系统的设计，均为人机系统设计。 人机系统设计的根本目的是：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，最舒适的环境、条件、坐椅和工作姿势，最合理的操作程序、标准和作业方法等，使整个人机系统保持安全可靠、高效率和高效益。,2020/9/22,第五节 人机系统设计,人机系统的设计程序： 首先设定一个系统； 然后分析研究该系统的

15、目的和功能，必要的和制约的条件，进行系统的分析和规划。 主要是指系统的功能分析、人机功能匹配分析、工序分析、职务分析、人的作业时间和动作分析等。 包括提供人进行作业的必要条件和必须的信息，分析人对信息接受、处理判断和执行操纵动作。,2020/9/22,第五节 人机系统设计,在系统设计阶段，功能分配要充分考虑人的因素。 在考虑信息处理的可靠性时，既要提高机器、设备及计算机等的可靠性，又要提高操纵机器的人的可靠性、以保证整体人机系统的可靠性得到提高。 其次是对机具进行人因工程学设计，使机具适应人的特性、保证人使用时得心应手。 主要包括显示器和控制器的选择与设计、作业空间设计、作业辅助设计等，并要为提高人机系统的可守性采取具体对策。必要时，还要制定操作人员的选择和培训计划。,2020/9/22,第五节 人机系统设计,最后是对系统进行评价，试验该系统是否具备完成既定目