人机界面设计课件

第十章人机系统的设计与评价第十章人机系统的设计与评价■人机系统概述■人机特征机能比较■人机系统设计■人机系统的分析评价■人机系统的可靠性分析■工作系统设计的人机要求

■人机系统概述1人机系统概述自然界中的许多物体都存在着相互之间的关联，正是这种千丝万缕的关系，使它们相互以一定方式相结合，构成不同的系统。无论在工作或生活中，人总是要以某种方式与一些物体发生联系，形成一个不可分割的整体，这个整体就称为人机系统。人机系统作为一个完整的概念，表达了系统设计的一种主体思想以及系统研究的对象和范围。人—机—环境系统不仅要研究其中单项元素，而主要是用联系方法研究三者之间的互相关系。对于工业产品设计来说，人机系统的理论是设计的一种基本思想、一种分析与解决问题的方法。1人机系统概述自然界中的许多物体都存在着相互之人机系统是由人、机器、环境等许多现象、事物的集合体，它们以系统的功能最优为目标。要设计好一个人机系统，必须对系统整体作出详细的分析，首先从分析系统总目标开始，即先要明确为什么设计这个系统。系统的目标决定系统的性能要求，系统的性能要求决定着系统所应该如何设计。人机系统是由人、机器、环境等许多现象、事物的集合体，

产品设计要以人为中心展开，任何一个产品都是以人的使用作为设计的前提。设计的一个重要方面就是解决人与产品之间的冲突与协调，使产品符合人的消费需求。从产品的使用来看，从一开始就与人的各项因素相联系。因此，产品设计不仅具有高的质量，高科技含量，新的材料和工艺水平，同时也包含了人的价值观念与消费欲求，具有很高的宜人性、舒适性和安全性。

产品设计要以人为中心展开，任何一个产品都是以2人机特征技能的比较人在人机系统中的作用主要有以下三个方面。a.信息输入：通过感觉器官接受环境信息。b.信息处理：人把接受到的信息和人已有的知识经验进行比较分析之后作出决策。c.行为输入：依据决策采取相应的行动。2人机特征技能的比较人在人机2.1人机功能分配

根据人机功能特征的对比分析，人机合理的分工为：强度大的、快速的、高精度的、持续时间长的、单调的、高阶运算的、操作复杂的、环境恶劣的工作，适合机器承担；

方案设计、程序编制、装配、维修、创造、应付不测、故障处理等工作适合人去做。同时，在人机功能分配时还应考虑经济和社会相关因素的影响。2.1人机功能分配根据人机功能特征的对比分析，表10—1产品要素与人的要素比较表10—1产品要素与人的要素比较2.2人机匹配

人机匹配必须遵循的基本原则：

a.要选用最有利于发挥人的能力和确保人的操作可靠的匹配方式：有利于系统能够达到最大的效率。

b.使人操作起来方便、省力。

c.使人在工作中感到有意义。或体现人在系统中的重要地位。

d.有利于人学习的信息显示和信息加工方式。2.2人机匹配人机匹配必须遵循的基本原则：3人机系统设计

人机系统具有广泛意义，人与任何一个物体共处，即能构成一个人机系统，小至一个按键，大至整个自动化生产线，只要是包含人和机相结合的设计，都是一个人机系统设计，人机系统的要求如下：a.能达到预定的目标，完成预定任务。b.在系统中人和机器都能够发挥各自的作用和协同工作。c.系统接受输入和作出输出的功能，都必须符合设计的能力。d.系统要考虑环境因素的影响。例如，在工厂里，这个环境因素包括厂房、照明、噪声、工厂内环境，等等。人机系统不是孤立存在，人与机总是要与周围共处的环境相联系，人机系统实际是人—机—环境系统。e.系统应有完善的反馈闭环回路。输入的比率可进行调整，以补偿输出的变化或用增减设备的办法，以调整输出来适应输入的变化。3人机系统设计人机系统具有广泛意义，人与任人机系统设计是多学科综合设计，与其他设计是紧密相联的。因而，必须从系统科学的方法出发，综合各学科的观点，实现整体设计的优化。另外，人机系统设计是为了解决系统人的身心健康、舒适、满意程度，它不是单一的产品设计，而是整合产品、使用者以及环境等多方面因素的设计。设计是发展的，不同的设计思想和方法的不断提出，又丰富了设计。

表10—2人机系统的设计步骤人机系统设计是多学科综合设计，与其他设计是紧电子信息触摸屏以下以它为例说明人机系统设计的各个阶段。人机系统设计步骤：1定义系统目标和使用要求

2系统规划3系统初步设计3.1功能分配3.2作业研究4人机界面设计5作业辅助设计6系统检验电子信息触摸屏人机系统设计步骤：3.1定义系统目标和使用要求

a.确定产品的目标向使用者提供网上信息服务，电话通信服务。b.系统作业要求使用方便适用的群体相对宽泛，对于大多数成年人使用者来说，用手在屏面点击，显示菜单即可操作。系统限制则要求使用者具有一定的网络知识，了解网络信息交流和软件操作知识。

c.系统设计方案在系统目标和要求提出之后，可以提出初步的设计方案，这些方案是系统目标和使用要求的创造性的表达，这些方案是与使用者的需求直接相联系，它能使操作者可方便、舒适地使用系统，与系统形成一种愿望的适应。这也是设计过程中人的因素全面反映。系统目标相对来说是概括性的，这样可为设计提出更为广阔的思维空间和个性的发挥。

3.1定义系统目标和使用要求a.确定产品的目标向使3.2系统规划

系统规划主要确定系统的功能以及功能分析，制订人机功能分配方案，这里不仅要明确系统的功能要求，而且要研究实现功能途径。电子信息触摸屏的主要功能有：a.IC卡电话通信；b.利用IP卡上网功能；c.网上电子邮件及信息交流；d.内部信息查询；e.适用的使用者群体特征（知识背景，人群数量）；f.使用者的个体特征（感觉、认知、习惯、反应能力等）。

3.2系统规划系统规划主要确定系统的功能3.3系统初步设计这一阶段的主要任务是人机功能分配和作业研究。

3.3系统初步设计3.3.1功能分配

人机功能分配是把上面已规划好的系统功能按照一定的分配原则，把这些功能按层次进行划分。在每一作业环节上，人、系统硬件、软件都要完成那些功能。

电子信息触摸屏的相应数据（如电话号码、E-mail地址等）是要人去完成的，系统运行的指令也需要人控制、系统信息的传输转换则由系统软、硬件共同来完成。

3.3.1功能分配人机功能分配是把上面已3.3.2作业研究

要完成系统的作业，必须分析作业性质与人的能力相适应的关系，在系统功能层次划分的基础理论上，确定每一层次上功能的输入和输出，即引起人的功能活动的刺激输入和人的功能活动的输出反应。

触摸屏的作业要求如下：

a.操作简单，对于电话、网络知识背景的使用者只需点击屏面即可操作。

b.系统具有“下一步”的提示，操作方便快捷。

c.有利于维护人员作业和系统信息修改和增减。

d.使用者的操作满意程度。

3.3.2作业研究要完成系统的作业，必须3.4人机界面设计

人机界面设计主要内容包括：系统显示、控制以及它们之间的关系设计、使用空间设计等。对触摸屏而言，其信息显示屏也是系统的控制操作区域。此外，还有IC卡电话听筒、数字按键等其他方面的硬件操作。其人机界面设计步骤如下：

a.确定人同机界面的位置，界面区域划分、屏面尺寸和位置、电话按键、IC卡插孔位置确定。b.触摸屏与人的空间舒适性分析和测试。

c.全比例模型制作和人机关系验证。

d.声音设计。

e.软件的可操作设计。f.系统整体的舒适性分析。3.4人机界面设计人机界面设计主要内容包3.5作业辅助设计

为了使系统获得较高的效能，须对作业的各层次进行辅助设计，使系统更易于操作，电子信息触摸屏的辅助设计主要有以下几方面的内容。

a.确定系统使用说明。软件系统帮助模块操作提示设计。

b.操作过程的声音设计，图文——版式设计。

c.维护人员的培训、选择。

3.5作业辅助设计为了使系统获得较高的效3.6系统检验

系统设计的下一步骤就是进入生产制造转弯成一个可以实现系统，其中的每一个部件，每一个软件模块都需要经过检验，然后对整个系统进行检验。检验的目的是验证系统是否达到系统规划的目标。3.6系统检验系统设计的下一步骤就是进入4人机系统的分析评价

4.1人机系统连接分析评价法4.1.1连接的概念

连接分析评价法是一种对已设计好的人、机械、过程和系统进行评价的简便方法。

连接的形式主要有：a.对应连接

b.逐次连接

(a)运用一定的符号列出包括设备和操作人员在内的人机系统的主要要素。(b)确定连接的形态，定出“重要程度”和“频率”。(c)计算连接值。(d)检核最终情况是否达到要求，即分析各种连接的效果。4人机系统的分析评价连接分析评价法是4.1.2连接分析法

将人机系统中的操作者、机器、重要程度、频率都描绘在图中，标出连接类型，然后进行连接值的分析比较。4.1.2连接分析法将人机系统中的操作者根据连接关系中每一设备的重要性及其使用频率，用打分法标在连接图上。然后，根据对应连接分析图进行连接值计算表10—3连接值的计算根据连接关系中每一设备的重要性及其使用频率，用图10-5是利用连接的概念，通过作图对系统进行分析方法的示例。它把人与人、人与机器之间的关系作为一个链。图中圆圈表示人，方块分别是人操作的装置，在人、机器之间有直接联系的则在它们之间画上连接线。这种作图分析与修改过程可以重复多次，直到获得最简便、最合理、最宜人的配置方案为止。也就是这种作图分析的最终目的是为了获得系统的最优配置。图10-5是利用连接的概念，通过作图对系统进行4.2失效树分析评价法

4.2.1失效树分析法的基本概念

失效树分析法（FaultTreeAnalysis简称FTA法）是近年来广泛应用于工程系统灾害分析和安全分析、提高系统可靠性的一种设计方法，也是对人机系统设计安全性评价的方法，也称为故障树分析法。4.2失效树分析评价法失效树分析法是一种图形演绎方法，是对系统分析时，围绕系统不希望发生的失效事件作层层深入的分析，直至追踪到引起失效事件发生的全部最原始的原因为止。失效树分析法是一种图形演绎方法，是对系统分析时，围绕失效树中的事件一般具有下述几种概念形式：

顶端事件

中间事件

基本事件导致系统或部件发生失效的最基本的无需再分解的事件。这是人们最不希望发生的失效事件（或故障事件），是使系统不能正常工作的故障表现形式，是分析故障发生的原因、发生的概率以及可能产生的影响的最终事件，是失效分析的目标。导致顶端事件的所有可能发生的直接因素，包括系统组成部分自身性质的变化以及系统外界因素，统称为中间事件。失效树中的事件一般具有下述几种概念形式：顶端事件中间事件失效树分析法具有三个特点：一、在失效树建树阶段，能发现以前未引起注意的事件，并加以分析研究；二、能把各事件之间的关系，联结成逻辑门；三、能对系统的改善提出具体方案。失效树分析法具有三.4.2.2失效树分析的一般方法和步骤

失效树的建造一般可按下列步骤进行：

a.首先选定顶端事件，并将其置于失效树的最顶端。b.列出可能引起顶端事件发生的一切因素，并按其相关性分为若干组。c.确定各组中各事件的性质（中间事件、基本事件、发生概率微小事件），并用不同的符号将其分别标出。

d.将各组的事件组成适当的逻辑门（“与”门或“或”门）。e.按逻辑关系将各逻辑门连接构成失效树。.4.2.2失效树分析的一般方法和步骤失效树的建造一般

失效树建树符号目前并无统一规定。表10－4列出了常用的基本符号，可供使用时参考。

表10—4失效树与逻辑门的基本符号失效树建树符号目前并无统一规定。表10－4列4.2.3失效树概率分析

失效树的概率分析，一般是从树底向上进行直至顶端（最终事件），即先通过实验或考察，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。“与”门和“或”门输出的失效事件发生的概率，可由下列公式计算：“与”门（AND）的概率：式中p0——“与”门输出失效事件发生的概率；qI——逻辑门中独立的输入事件I发生的概率（I=1，2，3，…，n）；n——输入失效事件的件数。“或”门（OR）的概率：式中p00——“或”门输出失效事件发生的概率；qI和n同上式。

4.2.3失效树概率分析失效树的5人机系统的可靠性分析

5.1人机系统的可靠性

可靠性的数量指标为可靠度。可靠度是指系统（工业产品或其中部件）在一定条件下和一定的工作时间内有效地招待其功能的概率，或系统在其使用的循环周期内成功地完成功能的次数的概率。人机系统的可靠度（RS）是由人的可靠度（RH）和机器的可靠度（RM）两部分构成。5人机系统的可靠性分析5.1人机系统的可靠性

人和机械的可靠性和人机系统的可靠性人和机械的可靠性和人机系统的可靠性5.2简单人机系统的可靠度计算

人的操作可靠度定义为：在一定条件下，一定工作时间间隔内人能正确决定事情的概率。在控制系统中，人的主要操作形式为调节和跟踪两类。控制系统中人的操作可靠度，可以分为认读仪表及其他住处的可靠度（Re）与执行操纵动作的可靠度（Rn）两部分，即RH=Re·Rn5.2简单人机系统的可靠度计算人的操作可5.3冗余人机系统的可靠度计算

为了提高系统的可靠性，可采用两个人进行操作，使系统具有冗余度（见表10-7）这是提高系统可靠性的一种有效方法。

5.3冗余人机系统的可靠度计算为了提高系6工作系统设计的人机要求

技术的、经济的、组织的和人的因素作为工作系统的一部分，会影响人的工作行为和身体健康。设计工作系统时，应当运用实际经验中的人类工程学知识来满足人类的需要。6.1目的

国际标准规定了人类工程学原则为工作系统设计的基本指导方针。6.2应用范围

国际标准中所规定的人类工程学指导原则，应用于对人的福利、安全和健康的最佳工作条件，同时也考虑到技术和经济上的效果。6工作系统设计的人机要求技术的、经济的、6.3定义

a.工作系统：为了完成工作任务，在工作任务所设定的条件下，在工作环境内的工作空间。工作系统是由在工作过程中共同起作用的人和工作设备组合而成。b.工作任务：是工作系统所要达到的结果。c.工作设备：在工作系统中所使用的工具、机器、运载工具、器件、设施、装置和其他要素。d.工作过程：在工作系统中，人、工作设备、材料、能量和信息在时间和空间上相互作用的顺序。e.工作空间：分配给在工作系统中为了完成工作任务的一个人或更多人的容积。f.工作环境：在工作空间中，围绕人的周围的物理的、化学的、生物的和文化的因素。g.工作能力：（或外部荷载）：在工作系统中干扰人的生理和心理状态的那些外部条件和要求的总和。h.工作应变：（或内部反应）：工作应力对人的特性和能力的影响。i.工作疲劳：工作应力的局部性或全身性的非病理的表现。通过休息可完全恢复。6.3定义a.工作系统：为了完成工作任务，在工作任务所6.4一般指导原则6.4.1工作空间和工作设备的设计

a.与身体尺寸有关的设计

(a)工作高度应适合于操作者的身体尺寸及所要完成的工作类型。坐位、工作面和工作台应设计得能获得所期望的身体姿势，即身体躯干挺直、身体重量能适当地得到支承，两肘置于身体两侧，前臂接近于水平状。

(b)坐位装置应适合于人的解剖生理特点。

(c)应为身体的活动，特别是头、手臂、腿的活动提供足够的空间。

(d)各种操作器应布置在人的功能可及的范围内。

(e)把手和手柄应适合手的功能解剖学要求。

6.4一般指导原则a.与身体尺寸有关的设计b.有关身体姿势、肌力和身体动作的设计。(a)身体姿势主要应注意下列各点：

①操作者能交替采用坐姿和立姿。②如果必须施用较大的肌力，那么应该通过采取合适的身体姿势和提供适当的身体支承，使通过身体的一连串力或扭矩矢量简便。③身体姿势不应由于长时间的静态肌肉紧张而引起疲劳，应该随时变换身体姿势。(b)肌力主要应注意以下各点：

①力的要求应与操作者的体力相一致。②所涉及的肌肉群必须在肌力上能满足力的要求。③应该避免同一肌肉保持长时间静态紧张。b.有关身体姿势、肌力和身体动作的设计。(a)身体姿势主(c)身体动作主要应注意下列各点：

①应在身体动作间保持良好的平衡，最好能选择长时间固定不变的动作。②动作的幅度、强度、速度和节拍应互相协调。③对精度要求较高的动作不应使用很大的肌力。④如适当的话，可设置引导装置以便于动作的实施和明确它的先后顺序。c.有关信号，显示器和控制器设计

(a)信号与显示器信号和显示器应以适合人的感受特性的方式选择、设计和配置。尤其应注意下列点：

①信号和显示器的种类和数量应符合信息的特性。②当显示器数量很多时，为了能清楚地识别信息，应以能够清晰、迅速地获得可靠的方位来配置它们。③信号的显示器的种类和设计，应保证清晰易辨。这一点对危险信号尤其重要。④信号显示的变化速率和方向，应与主信息源变化的速率和方向相一致。⑤在以观察和监视为主的长时间工作中，应通过信号和显示器的设计和布置来避免过载和负载不足的影响。(c)身体动作主要应注意下列各点：①应在身体动作间保持良

(b)控制器控制器的选择、设计和配置，应与人体操作部分的特性（特别是动作）相适应。应该考虑到技能、准确性、速度和力的要求，①控制器的类型、设计和配置，应适合于控制任务。应考虑到人的各项特性，包括学会的本能的动作。②控制器的行程和操作阻力，应根据控制任务和生物力学及人体测量数据选择。③控制动作、设备的应答和显示信息，应相互适应和协调。④各种控制器的功能，应易于辨认，避免混淆。⑤在控制器数量很多的地方，应以能确保安全、明确、迅速地操作来配置它们。⑥关键的控制器应有防止误动作的保护装置。(b)控制器控制器的选择、设计和配置，应与人体6.4.2工作环境设计

应设计并保持工作环境中的物理、化学和生物学的条件对人们无有害影响，而且要保证他们的健康以及工作能力和便于工作，也应以客观可测的现象和主观评价作为依据。注意以下各点：

a.工作场所的大小（总体布置、工作空间和通行有关的工作空间）应适当。

b.通风应按下列因素来调节

——室内的人数；——工作场所的大小；——消耗氧气的设备；——所涉及的体力劳动强度；——室内的污染物质的产生情况；——热条件6.4.2工作环境设计应设计并保持工作环c.应按当地的气候条件调节工作场所的热条件

——气温；——风速；——所涉及的体力劳动强度；——湿度；——热辐射；