人机系统设计与评价

人机系统设计与评价第1页，共44页，2023年，2月20日，星期三一、人机系统设计的基本思想和要求1.系统设计思想：

将系统的性能、可靠性、费用、时间和适应性作为设计所追求的目标，从功能分析入手，合理地将系统各项功能分配给人和机器，从而达到系统的最佳匹配。

§1人机系统的设计第2页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/22

2、设计要求能达到预定目标，完成预定任务；人、机能充分发挥各自的作用并协调地工作；人机系统接受输入和输出的功能必须符合设计能力；人机系统设计要考虑环境因素的影响；系统具有完善的反馈闭环回路。第3页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/23

3、人机系统设计的总目标根据人的特性设计出符合人操作的机器，最适合手动的工具、最方便使用的控制器、最醒目的显示器、最舒适的工作姿势和操作程序、最有效经济的作业方法和预定标准时间、最舒适的工作环境，使整个人机系统保持安全可靠、效益最佳。安全、高效、舒适、健康、经济第4页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/24二、人机系统设计的概念

人机系统设计是按照系统论的方法而进行的一种总体设计，亦即将整个人机系统划分为一系列具有明确定义的设计阶段，而每个阶段的设计活动和任务必须是明确的。

“总体”的意义是强调人机系统的各个成分，如人、硬件、软件，都要给予全面考虑，以克服长期以来工程设计中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协调一致地发挥各自的功能。

第5页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/25三、人机系统设计的一般程序人机系统目标的建立功能分析机的设计人机界面设计系统综合、评价作业规范工作描述人员开发功能分配正式投产试制评价第6页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/261、人机系统的目标建立与功能分析1.目标建立：确定包含人在内的全系统同应具有的目标，并详细填写系统目标说明书。2.功能分析：确定目标后，对系统目标进行技术上的可行性、制造成本和用户要求等进行比较，确定实现目标的手段，也就是确定应给予系统的功能。第7页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/272、人机功能分配（划定人机界限）功能分配：为了使系统达到最佳配备，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，合理的将系统各项功能分配给人和机器的过程。人、机的主要功能：感觉功能（传感器）信息处理功能（信息处理器）操纵功能（操纵器）接受信息储存信息处理信息执行功能第8页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/28人与机器的特性比较项目机人速度占优延时1s逻辑推理擅长演绎擅长归纳计算快，精确；不会修正慢，易错，善于修正可靠性较高；变化高；变化；应变强连续性长期易疲劳灵活性取决于设计高检测物理量的检测范围广而准；能检测到人不能检测的电磁波具有同认识直接联系的高度检测能力；没有固定的标准值，易产生飘移；具有味觉、嗅觉和触觉接下表第9页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/29项目机人输入灵敏度某些感觉超人（如电离辐射）受某些因素影响智力无操作处理能力操作力、速度、范围等及处理固、液、气方面强自由度大，灵巧功率输出恒定，可极大、极小大小与时间有关记忆适于文字再现、长期储存擅长原则、策略的记忆视觉能感受和利用红外线等电磁波有限成本购置、运转、保养费工资、福利、照顾、保险等，生命续上表第10页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/210人机功能分配原则：

通过人与机器的特性比较，进行客观的和符合逻辑的分配。在功能分配时，首先考虑机器所能承担的系统功能，然后将剩余部分功能分配给人。以经济效益为原则，合理恰当地进行人机功能分配。系统的功能分配要适合于人的生理和心理的多种需求，有意识地发挥人的技能。即系统的某些功能可以同时分配给人或机器，人可以自由选择参与系统行为的程度。比较分配原则剩余分配原则经济分配原则弹性分配原则宜人分配原则第11页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/211适宜人承担的工作适宜机器承担的工作由于各种干扰需要判断信息时要求判断变化的图形时要求判断各种各样的输入对发生频率非常低的事态进行判断解决问题需要归纳、判断预测不测事件的发生时重复性操作、计算；大量资料储存迅速施加大力或长时间施力或须严格控制施力大小大量数据处理根据某特定范围多次重复作出判断对人有危险或容易误操作第12页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/212

3、人员开发（设计）

包括作业描述和作业规范，为人机系统的运行提供合适的操作人员。通过作业描述可提出功能要求、考察功能分配是否合理；编制作业规范的目的是进行人力资源分析，决定该系统的某项功能需要多少操作人员及应达到的技能标准、如何通过选拔、教育、培训，使人适应机的特性。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/213

4、系统评价系统设计是设计评价不断循环发展的过程评价方法：

人失误分析法功能分析法操作顺序图法人机可靠性分析法时间线图法环境指数评价法连接分析法人机系统信息传递法功能流程人机安全性分析法

定性分析法定量分析法第14页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/214四、人机系统设计步骤人机系统设计的每一阶段都是由互相联系的一系列设计活动组成，而各个阶段之间具有时间上的顺序性，即只有上一阶段的设计活动完成后，才能进行下一阶段的设计活动。这就构成了人机系统的设计程序，通常可分为以下几个阶段。（1）定义系统目标和参数阶段，包括确定使用者的需求，确定使用者的特性，确定群体的组织特性，确定作业方式，确定作业效能的测量参数及测试方法。（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、作业流程设计和作业反馈机制设计。（4）人机界面设计阶段，包括显示装置设计、控制装置设计和作业空间设计。（5）作业辅助设计阶段，包括制定使用者素质要求、设计操作手册、设计作业辅助手段和设计培训方案。（6）系统评价阶段，包括制定评价标准、实施评价和做评价结论。第15页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/215表11-2人一机系统的设计步骤

系统开发的各阶段各阶段的主要内容人机工程学专家的工作事例明确系统的重要性

目标的设定

人员的特性、训练等的调查预测

使命的确认

从安全和舒适性方面对系统的必要条件进行复核以及对人员的士气进行预测等

运用条件的确认

系统分析与系统计划

系统必要条件的明细化

统性能的判定

系统机能的分析

实施系统的总体轮廓

系统构思的发展（各种可能构思的分析与评价）

人与机的任务分配与各种方案系统性能变化的调研与评价

关联各个性能的作业分析

调查决定必要的信息，确定显示与控制的种类第16页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/216系统开发的各阶段各阶段的主要内容人机工程学专家的工作事例系统设计

预备设计（大纲的设计）

准备适用的可能的人机工程学资料

细节设计

人机工程学的设计标准提示等

关于信息与控制必要性的研究与实现方法的选择及开发（潜在的要求及最繁忙异常时的要求）

作业性（工作方便）的研究

居住性的研究

具体的设计

决定构成系统的最终方案及其实现步骤的意见

最终决定人机间的机能分配

各作业中为了正确判断而必须的信息、联络、执行等

对安全性的考虑

防止士气、情绪下降的措施

显示、控制装置的选择与设计

控制板的配置计划

提高安全性的措施

空间设计、人员与机器的布置决定照明、温度、防噪等环境条件第17页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/217系统开发的各阶段各阶段的主要内容人机工程学专家的工作事例系统的考核与评价

计划阶段的评价

模型制作阶段

原始样式

判断考核模型的缺陷

变更设计的意见

设计图阶段的评价

模型或操纵训练用模拟装置的人机关系评价

评价基准的设定（包含考核方法、资料的种类、分析法等）

安全性、舒适性、对士气意志的影响等的评价

机械的设计变更，使用顺序的变更

人的作业内容的变更，人员、设备和训练方式的改善等的建议，系统计划内的调整生产

生产

以上几项为准运用

运用、维护

以上几项为准第18页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/218

§2人机系统的评价一、人机系统评价的分类二、连接分析法三、失效树（故障树）分析法四、作业分析五、检查表法六、环境指数评价法七、系统经济性分析八、海洛德分析评价法第19页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/219一、人机系统评价的分类人失误分析法操作顺序图法时间线图法连接分析法功能流程图法功能分析法人机可靠性分析环境指数评价法人机系统信息传递法人机安全性分析法按量化程度分定性评价定量评价按阶段分预评价验收评价现状评价第20页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/220评价人机系统，需要注意以下几项要求：1、明确评价目的，正确规定评价的内容；2、确定评价标准；3、选择评价方法。第21页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/221人机系统评价要点1、人、机系统功能分配是否合理2、手、脚负荷是否合理3、手操纵时的动作距离、顺序是否合理4、操作范围的尺度按第几百分位数设计5、人的作业舒适性6、是否采取了防止误操作的措施7、系统安全性、可靠性分析评价8、环境条件是否利于作业顺利进行第22页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/222二、连接分析法连接分析法是综合应用感知类型、使用频率、作业负荷和适应性，分析评价信息传递的方法。是一种对已设计好的人、机、过程和系统进行评价的简便方法。表达人-机、人-人、机-机间的操作、视觉、听觉、行走等关系。

目的：根据视看频率、重要程度，合理配置各子系统的相对位置及其信息传递方式，减少传递环节，使信息传递简洁畅通，操作便利，提高系统可靠性和工作效率步骤：绘制连接关系图调整连接关系减少交叉综合评价运用感觉特性配置系统的连接第23页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/2231．对应连接——控制盘的布置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——控制盘上控制器的布置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为逐次连接。第24页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/224三、失效树（故障树）分析法

1.概念：

失效树分析(FaultTreeAnalysis,简称FTA)是对既定的系统可能出现的故障条件及可能导致的后果，按作业流程、先后次序和因果关系绘制程序图，以表示导致故障的各因素间的逻辑关系。是提高系统可靠行、对系统进行安全评价的一种方法。设计阶段——帮助寻找潜在故障使用阶段——帮助进行事故分析第25页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/2252．FTA的一般方法和步骤

FT的建造过程实质上也就是了解系统、分析系统的过程。建树的完善程度直接影响对系统约定性分析和定量计算。所以、建树过程需要经过多次反复讨论修改，逐步完善。FT的建立一般可按下列步骤进行：①首先选定顶端事件，并将其置于FT的最上端。②列出可能引起顶端事件的一切因素，并按其相关性分为若干组。③确定各组中各事件的性质(中间事件、基本事件、发生概率微小的事件)的符号将其分别标出。④将各组的事件组成适当的逻辑门(“与”门或“或”门)。⑤按逻辑关系将各逻辑门连接构成FT。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/2263.方法由来及特点

方法由来美国贝尔电话实验室——维森（H.A.Watson）民兵式导弹发射控制系统的可靠性分析分析事故原因和评价事故风险方法特点演绎方法全面、简洁、形象直观定性评价和定量评价第27页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/227目的：找出事故发生的基本原因和基本原因组合适用范围：分析事故或设想事故使用方法：由顶上事件用逻辑推导逐步推出基本原因事件资料准备：有关生产工艺及设备性能资料，故障率数据人力、时间：专业人员组成小组，一个小型单元需时一天效果：可定性及定量，能发现事先未估计到的原因事件第28页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/228熟悉系统确定顶上事件修改简化事故树建造事故树调查事故调查原因事件收集系统资料定性分析定量分析制定安全措施4.事故树的分析程序第29页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/229事故树的符号事件符号

顶上事件、中间事件符号，需要进一步往下分析的事件；

基本事件符号，不能再往下分析的事件；

正常事件符号，正常情况下存在的事件；

省略事件，不能或不需要向下分析的事件。第30页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/230或门，表示B1或B2任一事件单独发生（输入）时，A事件都可以发生（输出）；

与门，表示B1、B2两个事件同时发生（输入）时，A事件才能发生（输出）；

逻辑门符号

第31页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/2315.举例：对油库静电爆炸进行事故树分析

汽油、柴油作为燃料在生产过程中被大量使用，由于汽油和柴油的闪点很低，爆炸极限又处于低值范围，所以油料一旦泄漏碰到火源，或挥发后与空气混合到一定比例遇到火源，就会发生燃烧爆炸事故。火源种类较多，有明火、撞击火花、雷击火花和静电火花等。试对静电火花造成油库爆炸做一事故树分析。第32页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/232实例：第33页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/2336．FT概率分析

FT的概率分析，一般是从树底向上进行直至顶端(最终事件)、即先通过实验或考确定各基本事件和不需要进一步分析的事件发生的概率，再求出顶端事件发生的概率。最终事件发生的概率取决于逻辑门的结构。第34页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/234四、作业分析是以作业系统为对象，对现行各项作业、工艺和工作方法进行系统分析，找出不合理因素，以达到有效利用现有资源、增进系统功效的目的。包括方法研究和时间研究

方法研究——对现行的或拟议的工作方法进行系统记录、严格考查，从而提出改进技术。目的在于改进工艺和程序、改进设计、改进功能分配。

时间研究——在方法研究的基础上，确定操作者按规定的作业标准完成作业所需的时间。目的在于消除无效时间，制定合理的作业时间标准。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/235五、检查表法定义：利用人机工程学原理检查构成人机系统各因素及作业过程中操作人员的能力、心理和生理反应状况的评价方法。国际人机工程学会“人机工程学系统分析检查表”的主要内容：⑴作业空间分析⑵作业方法分析⑶环境分析⑷作业组织分析⑸负荷分析⑹信息输入、输出分析第36页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/236

1．作业空间分析分析作业场所的宽敞程度，影响作业者活动的因素，显示器和控制器的位置能否方便作业者的观察和操作。

2．作业方法分析分析作业方法是否合理，是否会引起不良的体位和姿势，是否存在不适宜的作业速度，以及作业者的用力是否有效。

3．环境分析对作业场所的照明、气温、于湿、气流、噪声与振动条件进行分析，考察是否符合作业者的心理和生理要求，是否存在能引起疲劳和影响健康的因素。

4．作业组织分析分析作业时间、休息时间的分配以及轮班形式，作业速率是否影响作业音的健康和作业能力的发挥。

5．负荷分析分析作业的强度、感知系统的信息接受通道与容量的分配是否合理，操纵控制装置的阻力是否满足人的生理特性。

6．信息输入和输出分析分析系统的信息显示、信息传递是否便于作业者观察和接受，操纵装置是否便于区别和操作。第37页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/237六、环境指数评价法空间指数视觉环境综合评价指数S会话指数密集指数(0~3)可通行指数(0~3)

S

等级

意义

0

1

毫无问题

0＜S≤10

2

稍有问题10＜S≤50

3

问题较大

S＞50

4

问题很大

最大距离,mdB正常大声357.515404.28.4452.34.6501.32.4…………700.130.26语言干扰极满意进行语言交流的最大距离第38页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/238七、系统经济性分析

经济分析的目的是实现人、机、环境三者的最佳效益。系统费用设计、生产费用运行、管理和维护费用培训费用第39页，共44页，2023年，2月20日，星期三2023/4/239经济效益评价指标：效能/费用×100%，比值↑——经济性↑

(效能－费用)(效