《人机系统与人机交互》-第八章

8.1人机系统设计的概念前面的章节介绍了人的基本特性、人使用的各种设备，包括计算机工作站（Computerworkstations）、显示器和控制器、手工具、人的工作和生活环境设计的相关人的因素，以及一些人因设计原则。在第1章已经简要介绍了人机系统的基本概念，本章重点介绍人机系统的设计过程和各阶段如何考虑人的因素。现代系统的复杂性要求：一个系统化的、明确定义的一系列程序自始至终应用于系统开发的各个阶段和设计结果。即使简单产品的开发也会得益于坚持“系统的方法”；离开这样一个系统方法，一个复杂的系统的成功开发是不可想象的。下一页返回8.1人机系统设计的概念8.1.1设计方法研究对设计的研究涉及几乎所有人为事物，设计的目的是解决人们面临的问题，设计的过程就是解决问题（Problemsolving）的过程，是设计者对现有信息重新组合，形成新的解决问题的方案以解决人所面临的新的问题。人们在思考问题时，总要采用这样或那样的策略，在给定问题所确定的范围里，寻找满意的解答。设计的问题求解活动有三个方面的内容，即所谓三维解空间。第一个方面是问题的“真实性”考查，设计者必须确定所解问题是否真实存在，其存在的条件如何，问题的范围大小。需求调查、访谈法调查等都是考查问题真实性的有效方法。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念第二个方面是问题的“定义”，这是问题求解过程最困难和最关键的一步。怎样定义问题往往直接影响求解的过程，因此问题定义本身是对求解的一种规划和期望。例如，设计者如果定义“怎样设计一种更好的公共汽车”，他的这种定义本身就把问题限制在城市交通的一种方法里。而他完全可以对问题作另外一种定义，如“怎样设计一种将城市人从某地运至某地的运送系统”，这种抽象的定义方法不仅提供了创造性设计思维的可能性，而且更贴近问题的本质。就是像茶杯这样的小产品设计，也应定义为“怎样设计一种饮水的容器”，避免设计者因旧的茶杯观念限制住设计思路。这里问题定义对问题求解的导向作用是设计者必须明白和自觉注意的要点。问题求解的第三个方面是求解策略，即求解过程是试探（TrialandError）求解活动——直觉方法（IntuitiveApproach），还是系统的、有组织的求解活动——理性的方法（RationalApproach）。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念试误求解即指求解过程并无一定步骤可循，而是一种多次尝试、错误以后的成功，是才艮据个人感觉、经验与法则而导出的一种设计方法。直觉方法在处理简单问题上，除了处理速度快以外，经常还可获得极为满意的结果，但在处理复杂问题时可能会出现无休止的反馈。不过，直觉法处理问题的过程很难予以解释，往往非人的意识所控制，一般称为“黑箱法”（BlackBoxProcess）。系统化的求解过程要求设计者按照一定步骤，进行设计思维。人机系统设计已总结出多种设计程序，以保证设计思维的系统化、有序化。理性方法与直觉方法相反，它有系统的、有序的程序，其处理问题的过程是可解释的、循序的以及可控制的，一般称为“明箱法”（GlassBoxProcess）。理性方法在处理复杂问题时可提高设计效率，但在处理一般问题和创造性高的设计工作时存在费时、刻板以及成本高的缺陷。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念设计者应有意识地掌握和运用不同的求解策略，进行创造性的设计工作。很多系统的设计过程实际上是两种方法的交织过程。对于较为复杂的人机系统的设计，由于各种社会、经济、技术和文化的约束条件错综复杂，设计要素较多，各种约束条件之间、设计要素之间又相互关联，因而有必要引入程序化的、理性的方法。系统工程学的发展为人机系统的设计提供了有效的理论和方法。首先，在设计过程中把人和机作为一个有机的整体来看待，任何有人参与的系统的设计都不单纯是机的设计，这是现代人因工程学的一个显著特点；同时，把人机系统设计过程的本身作为系统来研究，协调各设计过程之间的关系，确定高效的设计模式。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念8.1.2人机系统设计程序一个复杂的工程系统的开发和运行有其相应的过程（见表8-1），整个过程中有很多人机关系等很复杂的人因问题需要解决（见表8-2），需要人因工程专业人员的工作解决这些问题。因为问题比较复杂，人因工程专业人员需要一个系统化的设计程序以及相应的分析设计方法。人机系统设计实际上就是把这些工作系统化，形成与整个系统设计并行的完整的设计程序。人机系统设计总是多学科联合设计的一部分，通常与其他设计者组合，这完全是由人机系统设计的性质确定的。因此，只有采用系统科学的方法才能综合各学科的观点，实现设计的优化。人机系统设计在解决设计问题时，多运用系统化的设计策略，并制定与其他学科相互配合的进度表。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。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念关于人机系统的设计程序有一些不同的描述，这里主要介绍一种普遍接受的描述方式。人机系统总体设计又称为TSD（TotalSystemDesign）设计法，是美国学者贝雷提出的。TSD法的中心设计思想是，系统设计必须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。这是典型的系统化解决问题策略。“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协调一致地发挥各自的功能。人机系统设计是为了解决系统中人的效能、安全和身心健康的问题。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念阶段设计程序就是TSD法的一种设计程序。它把整个设计过程分解为若干个阶段或称步骤，每一个阶段是由相互联系的一系列设计活动组成的。各阶段之间具有时间形式上的顺序性，即只有上一阶段的设计活动完成以后，才能进行下一阶段的设计活动。当然，在进行后一阶段的设计活动时发现问题，也可以修改前一阶段设计工作的结果，也不排除有一些并行的工作。从设计管理学（DesignManagement）的角度说，不但设计的结果是重要的，而且设计过程的每一细节的记录和建档具有同样重要的意义。阶段设计程序就是以TSD法的设计思想为指导，对设计过程中各种分析和设计活动的价值以及它们的相互关系，作了规律性总结以后逐步形成的。它可分为以下几个阶段（见图8-1）：下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念（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；作业反馈机制设计。（4）人机界面设计阶段包括人机界面设计；作业空间设计。（5）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；设计培训方案。（6）系统验证阶段包括制定驗证标准；实施验证；作验证结论。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念可以看出，这个程序中的工作有些是需要人因工程专业人员和系统设计团队的其他方面的人员合作完成，而第一阶段和第二阶段本身就是整个系统设计的关键步骤，不是单单靠人因工程专业人员所能完成的。这个通用化、系统化的系统设计程序，经常应用于包含大型硬件的复杂系统，初期主要是武器系统和航天系统。尽管这种系统化的设计程序没有广泛应用于其他类型的产品和系统的设计，但这些基本的阶段和相关因素还是有必要考虑的，即使采用非系统化的方式。对于简单的系统（如单人单机系统）或产品，设计过程的一些方面可能有些不切题。在许多情况下没有必要保证采用详细完整的设计过程，但基本原则是设计过程的每一方面都必须考察以确定是否相关，如果相关就应当给予适当的关注。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念8.1.3人机系统设计过程的特点尽管图8-1描述了一个整齐简单的结构化程序，实际这个程序的每一步都是多方案优化的过程，并且过程不是单向的，设计阶段会出现交叠和反复。在系统设计中，后面阶段的决定经常会要求对前面阶段的信息和决定进行更正和完善。Meister（1985）列出了系统设计过程的一些特点：（1）单元化。设计阶段主要开始于把主功能分解为任务单元和子任务。（2）需要决定功能。设计方案的确定须满足系统的实际需要2基于这个原因，初始的设计规范必须包括性能要求〉。（3）系统开发是发现的过程。起初关于系统有很多未知因素，这些未知因素会在设计过程中逐步确定并明确表述。（4）系统开发包含着转化。从实际的需求到性能描述，再从性能描述到实现性能的机构。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念（5）时间。从来就没有足够的时间让设计者想完成所有的分析、研究和测试。（6）成本。通常没有足够的资金支持理想的设计结果和建议，如果花费过高自然会被拒绝。（7）反复性。系统的开发过程是反复性的，原因有两点：①就像下面将要看到的，同样的问题和需要做的工作会出现在不同的开发阶段；②当一项必须完成的分析没有在设计前期完成，或必需的信息不能在设计前期得到，也或许设计团队还不能做出决定，设计就变成一个“试算”过程，提出解决方案——审查方案——否决方案一提出解决方案——审查方案……直到接近最终方案。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念（8）设计竞争。大的系统设计是由一些具有他们自己的关注点和原则的专家团队完成。较小影响力的专家团队（通常包括人因工程专家）必然受到统治地位的团队的约束。（9）关联性。与所有设计的其他方面相同，直接与硬件和软件或系统的程序方面相关的人的因素建议，会比仅仅与人员选拔、训练或技术文件等人员问题相关的人因建议更会被设计师顺利接受。直接和系统设计相关的人因工作和方法会被认为比关联性不大的更挑剔。正像工程师认识到的，设计相关性对系统开发过程中的建议的接受和价值判断的影响是决定性的。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念8.1.4人机系统设计的效益进行人机系统设计需要投入人力、物力和时间，它所产生的效益主要表现在未来系统的效率和操作！使用）费用上。这种效益可从以下几个方面进行评价：（1）作业效能的改善。合理地分配作业，正确的机器设计，良好的环境，都会直接改善操作者的作业效能。（2）降低培训费用。良好的人机匹配设计和作业程序设计，会降低操作者达到作业标准所需要的培训费用和时间。（3）改善人力资源的利用率。良好的作业程序和工具设计可以降低对操作者的特殊能力和专项技能的要求，从而更好地利用人力资源。通常可以利用人力资源的百分数作为评价人机系统设计的因素之一。下一页返回上一页8.1人机系统设计的概念（4）减少事故和人为错误。人机系统分析和设计包括人为错误的分析，是从设计上减少事故和人为错误的方法之一。（5）提高生产效率。人机系统效率的提高当然会提高生产效率。（6）提高使用者的满意度。使用者的心理压力与系统设计直接相关。对抗性的人机关系，低的效率的作业，造成心理上的挫折情绪，从而降低人机系统的效能。良好的人机关系可以提高作业效率，产生满意心理。返回上一页8.2确定系统目标和作业要求系统设计之前，必定有一个目的或系统存在的理由，也叫做系统目标，通常都是用概括性的文字来描述。例如，系统的目标可能是“提供处于不同城市的办公室间的通信”，也可能是“提供城市的公共交通服务”。定义时应该着重说明“目标”是什么，它的性质、内容,不能把怎样实现目标也包括在定义里，否则就使目标失去了“稳定性”，因为各种技术因素、经济因素都可能涉及系统目标的修订，也可能影响设计者的创造性。下一页返回8.2确定系统目标和作业要求系统作业要求则是要说明为实现系统目标，系统必须做什么。系统作业要求包括两方面内容：若干条目的“要求”和“限制因素”。前者具体地说明了系统的目标，后者则说明实现目标时所必须受到的条件限制。如对于“提供处于不同城市的办公室间的通信”这一系统目标，还必须提出的系统作业要求包括音频和视频信息传输、连接100个办公室以及提供敏感信息传输的安全服务等。系统作业要求还应包括系统运行的环境条件，以及现有的使用者或目标使用者技能和编制的限制等。这些因素会影响后期的设计。例如，如果系统必须在高寒地区运行就要考虑人员的防护和控制与显示、作业空间的设计。下一页返回上一页8.2确定系统目标和作业要求这个阶段的人因工作应包括：确定系统的目标使用者，并确定和定义系统将分配的相关活动的使用者要求。确定使用者的要求可以通过观察、访问和问卷完成。通常一个系统的设计是基于一些现有的系统或一组系统。通过观察现有的系统如何完成任务和询问、测试现有系统的使用者，可以获得新系统现有的和可能的使用者的要求。由于人是具有较大个性特征差异的，因此应十分注意数据统计的可靠性，选取正确的调查样本。这个信息在后面的系统开发阶段还会用到。返回上一页8.3系统的定义系统定义阶段是实质性设计工作的开始，这个阶段的主要工作是功能分析，包括确定、描述和分解为满足系统目标和作业要求而必须实现的功能的过程。系统目标和作业要求的定义已经为系统定义提供了概念基础。在转入系统定义阶段前，设计者要与决策层人员一起做出一些重要的决策，其中最主要的决策工作是选择“设计方案”。这种设计方案的选择将是从更大范围和更高层次上，决定未来系统作为更大系统的一个子系统，如何发挥作用。在这个阶段，人因工程专家的需要（协助确认系统功能的定义）与目标使用者的需求相适应，并进一步搜集整理关于使用者的更详细的相关资料，包括使用者的生理和心理特征、能力和局限等。这些信息会在以下的系统开发阶段使用。例如某设计采用的人力资源策略是，将现有系统的使用者转为新改进系统的使用者，则设计者就非常需要有关现有系统的使用者的资料，为下一阶段设计做准备。下一页返回8.3系统的定义8.3.1功能描述功能描述是对系统的输入、输出和其功能的定义，参见图1-3。功能的描述和确定是才艮据系统目标进行的。系统的功能定义是与输入和输出的定义同时进行的。这里“功能”是用文字描述的一组工作，系统必须完成自己的功能任务，才能实现系统的目标。功能可以是瞬时的（如打开电源），也可以是持续的（如存储输入的信息）。功能可以较为简单（如确定信息的目的地），也可以较为复杂（如区分输入信息的优先级）。在理论上，在这个阶段还不能把功能分配给硬件、软件或人。下一页返回上一页8.3系统的定义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。如果系统的所有功能都正常完成，就能实现系统的目标。这句话对设计是成立的，对系统也是成立的。功能同时又是一个抽象的概念，它的内涵是一定的，但是对系统而言，它是一种要求，它的实现方式是多种多样的。例如提供动力的功能，曾经完全依靠人自身的肌力，后来人学会训练动物作为动力源，现代人又制造机器以提供动力。因此，功能也是人类理解世界的方式之一。下一页返回上一页8.3系统的定义按“功能”进行设计思维的主要特征是，将系统的工作与其工作机制分开。这样做有两个好处：第一，为各专业设计者提供通用的设计语言。以“供能”这一功能为例，“提供能量”是大家都能理解的功能。然而，化工专家可能设想化学反应供能，电力专家可能设想电力供能，机械专家可能设想利用风力来供能。第二，为各专业联合设计提供方法论基础。著名人机工程专家司雷顿（Singleton）认为目前多数设计本质上是按物理原理进行的，其他学科仅是作为补充，是解决问题的临时办法。但功能化的设计思想要求各专业设计者，在系统功能定义和分析阶段就联合设计，按功能进行设计思维。功能化的设计思维要求以最抽象(从系统定义角度讲）的方式描述设计问题。为创造性的发挥创造了更多的机会，这也是设计方法论的一个原理。下一页返回上一页8.3系统的定义8.3.2功能分解一般地说，功能是和一系列动作单元相关的，功能可细化为一系列必须执行的单独的任务或动作。然而，不存在确定一系列动作是否能叫做功能或任务的原则。系统的有些功能可能是人和机共同实现的，有必要对系统的功能进行分解，一个主功能可能由几个子功能来实现，子功能是实现主功能的手段，而子功能又可能再进行分解，这样就可以建立功能系统图（见图8-2）。例如，在城市公共交通系统中，必须实现的功能包括售票、检票、乘客移到站台、开关车门以利乘客进出（可能要考虑残疾人）、车辆控制、乘客移到车站出口、为乘客提供信息和指导，和控制车辆间隔的通信系统。这个功能分析应该用来确定完成系统目标必须实现的功能，而不是用来确定如何实现这些功能，如是由机器还是由人来完成。下一页返回上一页8.3系统的定义功能分解的原则是保证功能分配有确切的功能含义，因此功能分解的程度取决于功能分配的要求。从方法论上讲，分解也包含设计师的主观判断和经验。对系统的定义反映了对系统目标和需求的理解。同时，在下一阶段的功能分配过程中，这些功能又可能做进一步的再分解或再组合。功能流程图常用来帮助系统功能的概念化。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。功能流程图的作用是：描述系统、描述系统功能、描述各个功能之间的关系。图8-3所示是一发电厂的功能流程图。通常需要次一级流程图来分析子功能，即上一级流程图中定义的必须执行的功能。例如，图8-4所示为军用飞机的监控和检查机载子系统的子功能流程图（虚线内部分）。返回上一页8.4初步设计进入初步设计阶段，系统开始具体化，设计进展加快，往往会做出一些无法预见的改变和修改。系统的各个硬件、各个专业的设计活动，都全面展开，这时应始终注意人因工程的要求与各个硬件及设计决策的协调一致性。系统总体设计（TSD法）的中心思想就是要制定人机系统设计与整个系统设计相协调的一种设计方法，保证系统设计的全过程都有人因工程专业设计的参与，都考虑到人的因素。这个阶段人因工程方面要解决的主要问题为确定系统所需的人员数量，以及他们的功能和实现功能需完成的作业，主要的人因工作包括：①把功能分别分配给人、硬件和软件；②人的作业要求；③作业分析；④作业设计。这个阶段的基本过程见图8-5。在这个阶段，系统的开发会有许多更改，相应的人因工作也需要对应的修改和更新。上述四项工作一般不会一次完成，而是一个反复的过程，直到设计成熟。下一页返回8.4初步设计8.4.1功能分配功能分配系指把已定义的系统功能，按照一定的分配原则，“分配”给人、硬件或软件（见图8-5）。到了这个阶段，给定的功能都已实现，但有些情况下可能还有一个特定的功能是分配给人还是分配给设备的选择。在这个过程中，有一些功能的分配给人或设备，是有直接的自然的原因的，比如人或设备较对方有明显的优势。在这两个极端之间，还存在一些功能无论分配给人还是设备都其合理性，例如城市交通系统中车辆的驾驶，可以由驾驶员完成,也可以由中央计算机系统完成。对于这种情况，设计者根据已经掌握的资料和人机特性制定分配原则。功能分配一般是指在人机之间进行分配，但有些功能必须通过“人机对话”才能完成，尤其是计算机控制的系统。因此，从功能分配的意义讲，功能也可同时分配给人和机，即分配给人机接口。下一页返回上一页8.4初步设计对于可能由人实现的系统功能，必须研究：第一，人是否有“能力”实现该功能，这是对期望的“使用人”的人力资源而判断的；第二，预测人是否乐意长时间从事这一功能。这是因为人也许具备完成某项作业的技能和知识，但缺乏做好作业的作业动机，也不能保证系统功能的正常。把分解了的系统功能逐一分配给人或机是功能分配的主要任务。分配必然要求合理，而合理是一个“价值”判断的命题。长期的设计实践，产生了一系列功能分配的一般原则。下一页返回上一页8.4初步设计（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“客观、逻辑”的功能分配。适合人做的就分配给人，适合机做的就分配给机。20世纪50年代著名的费兹表（FittsList）就是典型的比较方法。例如在处理信息方面：机的特性是，按预定程序可高度准确地处理数据，记忆可靠而且易提取，不会遗忘信息；人的特性是，有高度的综合、归纳、联想、创造的思维能力，能记忆，模式识别力强。因此，设计信息处理系统时，就可才艮据人机各自处理信息的特性进行功能分配。（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，剩余的功能分配给人。这种分配原则实质上认为人必然有能力而且会愿意做分配给他的任何工作，不论这是一个什么样的工作。下一页返回上一页8.4初步设计（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视经济与否而定。具体讲就是判断和估计这样一个问题：是挑选、培训、支付人来做这份工作经济？还是设计、生产、维护机器来做这份工作经济？这里的经济概念是指设计、制造、使用的总费用，特别强调使用的效率。例如压缩设计周期，可以节省设计费用。但由于设计时间仓促而造成的设计错误或不合理设计，也许可能引起更大的经济损失。（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地体现个人的价值和能力。不能只认为一项工作人可以做就行，它必须具有某种“挑战性”，能发展人的技能，完成工作本身也要证明一个人的价值。因此，功能分配要有意识地多发挥人的技能，同时注意补偿人的能力限度。下一页返回上一页8.4初步设计（5）弹性分配原则。弹性分配是现代科学技术，尤其是电子计算机发展的结果。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，也就是说系统有多种相互配合的人机接口，操作者可以根据自己的价值观、需求和兴趣分配功能，这种分配方法一般只用于计算机控制的系统。例如现代民航客机。飞行员可在自动飞行或手控飞行上做多种选择，其系统的控制功能就是弹性分配的。下一页返回上一页8.4初步设计8.4.2人的作业要求在确定了由人执行的功能后，下一步就是决定完成功能的人的作业要求。设计者必须确定作业要求，并作为以后人机界面设计、作业辅助设计的参考依据（见图8-5）。人的作业要求必须适应系统的作业要求的实现。例如必要的操作精度、速度、训练熟练度的时间和操作者的满意度。有时人的作业要求会超出预先确定的使用者群的能力限度，那么就有必要重新分配功能或重新定义第一阶段确定的系统作业要求。下一页返回上一页8.4初步设计8.4.3作业分析通过系统的功能分配，我们可以知道需要由人完成的所有功能，但并不知道完成这些功能需要多少人以及每一个人的工作和每一个作业单元的具体情况（输入、输出等），作业分析可以解决以上问题。作业分析是指对已分配给人的功能进行的分析，是按照作业对人的能力、技能、知识、态度的要求，对分配给人的功能作进一步的分解和研究，是将分配给人的系统功能分解为使用者或操作者能够理解、学习和完成的作业单元。每一个作业单元的定义形式是它的输入和输出，它是一个有始有末的行为过程。作业分析包括三个主要部分：确定系统作业结构、确定与描述作业（见图8-5）。下一页返回上一页8.4初步设计作业分析除了对系统正常条件下的功能过程进行分析和研究以外，还应特别研究非正常条件下人的功能，例如偶发事件的处理过程。美国三里岛核电站设计中，缺乏对事故的处理过程中人的因素的充分分析和研究，延误了人的正确判断时间，是一个典型的事例。完整的作业分析是保证系统安全高效地运行和维护的关键。作业分析是人机界面、指导手册和作业辅助设计，人员要求确定，训练计划制定，系统评估设计等后续设计工作的基础。实质上，作业分析是系统设计中人因工程方面的核心工作。作业分析的目的是使作业与作业者之间建立协调一致的关系。作业分析和作业设计的思想最早是由古典管理理论家F·泰勒（FrederickTaylor）提出的，即所谓科学管理。下一页返回上一页8.4初步设计泰勒认为：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。只有这样科学的作业管理，才能获得人的高效率。作业分析已经形成相对独立的学科，因此可以由管理专业的人员做。从设计的角度看，作业分析可以使设计者更加深入地了解人机系统，特别是人机相互作用和人的作业，为人机系统设计提供了有效的分析方法。下一页返回上一页8.4初步设计1.系统作业结构系统的作业结构是指系统的作业和作业技能的整体要求，是对作业者群体而言的。系统作业结构取决于设计，对于分配给人的系统功能，有的可以分解为几乎每个人都能做的作业，即分解为低技作业；而有些功能则可以形成复杂的作业技能要求。因此，系统作业结构的分析和设计，将决定未来系统对整个作业者群体的人员素质、培训计划等一系列系统运行的基本要求。系统作业结构大体可分为三种基本形式（见表8-3）。下一页返回上一页8.4初步设计第一种形式为“金字塔”结构，其特征是以低技作业为主。因此，系统的人力资源广大，人员上岗培训时间短。而且可以从低技作业者群体不断选择和培训高技作业者，由于前者的人数多于后者，所以选择过程完全可以在系统内部进行。第二种形式是倒金字塔结构,以高技的复杂作业为主。由于低技作业者群体人数有限，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，否则人员上岗培训时间可能会相当长。第三种是菱形结构，以中等复杂的作业技能为主，低技和高技的作业相对比较少，其特征是介于前两种形式之间。确定系统的作业结构是功能的分解、作业序的设计、人员数量确定、作业在人员之间的分配等后续工作的基础。下一页返回上一页8.4初步设计2.确定与描述作业确定作业是指研究人在完成分配给他的系统功能时的活动过程，并从作业管理的角度，给予一定的划分或规定，如作业的复杂程度。“分配给人的功能”是系统设计意义上的概念,只表达一个较抽象的功能。而确定作业必须更加具体地分析和描述人实现功能的活动，从劳动和个体工作的角度，来划分或规定出人的作业。作业分析包括两方面内容：第一是子功能的分解与再分解，因为一项功能可能分解为若干层次的子功能群；第二是每一层次的子功能的输入和输出的确定，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过程（S-R）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。能够为特定使用者最易懂易做的那个功能分解水平，就是作业单元水平。下一页返回上一页8.4初步设计确定作业主要了解以下几个方面的问题：确定人力资源已具备的知识和技能、划分作业的技能水平、确定作业的输入和输出、确定作业的内容、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。为了符合系统作业结构的设计要求，确定作业的工作有时要多次重复。（1）功能分解。从分配给人的功能出发，定义出若干作业，是确定作业的重要任务。一旦划分了作业复杂程度，就可以开始确定作业，这是因为作业复杂程度可以作为分解功能的“止分原则”，即将功能分解到一定的作业复杂水平就可停止分解。分解子功能有两个原则：第一，子功能必须包括主功能的所有内容，只要也仅有所有子功能的功能完成，则主功能必完成；第二，子功能之间是相互独立的。下一页返回上一页8.4初步设计功能分解为子功能的过程，直至确定作业，往往涉及不同层次的输入和输出的分析。分解子功能直至设计者认为足以确定作业，这里作业的确定始终是对作业者而言的。离开了特定的作业者群体，确定作业将是不可能的。因此，作业复杂程度划分与子功能分解是确定作业的两个相互联系的过程。作业流程图（Operational-SequenceDiagram，OSD）可全面描述作业之间的关系。作业流程图的作图规则与计算机程序框图相似。在画作业流程图的过程中，设计者仍可对整个作业过程进行分析，必要时对作业作进一步调整。图8-6所示为一个典型的作业流程图。尽管作业流程图是复杂系统设计时绘制的，但它本身的直接作用是有限的。它的价值在于为绘制它时任务分析人员必须收集大量重要信息，并对任务有更详细的理解。下一页返回上一页8.4初步设计（2）作业单元分析。分析每一个人的每一作业单元并确定：开始操作步骤的指令；人必须做出的决定；需完成的操作；执行操作需要的信息；操作结果的信息反馈；潜在的导致失误的因素；成功完成操作的标准。另外，确定作业的危险性和难点，估计运行系统的人员数量和技能水平，概括相应训练要求的要点。可用作业分析表描述以上内容，表8-4是一个作业分析表举例。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，说明了引起作业动作的信号、作业动作的反馈、作业分类、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。下一页返回上一页8.4初步设计8.4.4作业设计系统分配给人的功能，经过一系列的分解后，产生许多个作业单元。下面需要确定系统需要的作业岗位，以及每个作业岗位需要完成的作业。若干个作业，按一定的规则，组合成为作业序，作业序是指某个作业者单独从事的一组作业。最后确定系统的作业人数，再把作业序分配给工作人员。当然，一个作业者也可能分配给若干个作业序（见图8-5）。前面曾定义，“功能”只是用文字描述的系统工作，系统完成自己的功能才能实现系统目标。然而,经过一系统的分解和分析，最终建立的作业序，它是关于某个作业者完成的工作。人因工程就是通过这样的途径实现自己的学科目标：使作业与作业者协调一致。下一页返回上一页8.4初步设计组合作业为作业序可考虑的关系：作业的信息或数据关系；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。将作业组合为作业序的规则如下：①作业性质相同且有顺序关系的作业，可以组合为一个作业序；②在同一人机接口位置的作业，可以组合为一个作业序；③具有相同或近似作业复杂程度，要求同级技能水平的作业，可以组合为一个作业序；④处理同类信息或数据的作业，可以组合为一个作业序；⑤在同一时间区域内进行的作业，可以组合为一个作业序；⑥要求高技能的作业与要求低技能的作业，不宜组合在一个作业序里；⑦组合成一个作业序的作业数量不宜超过7个。因为一个作业，都有明确的输入和输出，由一个以上作业组成的作业序，输入层次和数量过多，作业者很难准确处理。以上组合原则应根据人机系统的整体要求和管理科学的要求，综合考虑和统一安排。下一页返回上一页8.4初步设计在功能分配和作业设计方面有一种提高工作拓展性和复杂性的倾向，这个考虑是基于拓展性和复杂的工作可以提高工作的动机水平和工作满意度的假设。具体有这样一些做法：增加动作的数量，赋予工作者检查自己工作的责任，让工作者负责完成整个作业单元而不是一个特定的部分，提供给工作者选择工作方法的机会，轮换工作，给工作群体更大的责任。人因工程研究向来注重效率和生产力，趋向于设计专业化和不需要太多技能的工作，而不是拓展能力的工作。个体的价值观也是有差异的，一些人不喜欢拓展性的复杂的工作。这个问题与照相机的自动与手动，以及汽车的自动挡和手动挡很相像，自动化使作业简单化并提高了效率，但也失去了工作的乐趣，所以这两类产品可以在市场并行不悖。下一页返回上一页8.4初步设计但是，在一个系统中解决这个问题就相对困难一些。两种倾向可能发生冲突的程度还不是很清晰，仍然没有清楚的工作设计的指导原则能同时满足两个目标，既能提高工作效率又能提高部分工作者的工作动机和满意度。尽管我们不能就这一问题给出满意的解决方案，但人因工程专家应该给这个问题更多的关注。下一页返回上一页8.4初步设计从能量的角度来分析，肌肉收缩产生的能量分为两部分：热能和机械能。而人体的作业效能，就是指肌肉产生的能量中用于机械能的比例。对于任何形式的人体活动，只要用力较大，则人体的活动方式应该尽量与肌肉产生最大肌力的活动方式一致。这样，当外来负荷一定的时候，肌肉的实际负荷得到减轻，作业效率也最高。为了提高人的作业和动作效率，Barncs等人从人的输出系统和劳动作业的特点的角度出发，进行了进一步的研究，总结出一系列使操作动作合理的原则，叫做“动作经济性原则”。动作经济性原则有三大类原则和标准（共有22条），包括人的肢体使用原则、工作场所布置原则和工具设备使用原则。这些原则可以简单归纳成4个方面：①同时使用两手，避免一手操作一手空闲；②力求减少动作数量，避免一切不必要的动作；③尽可能减少动作距离，避免出现全身性动作；④寻求舒适的工作环境，减少动作的难度，避免不合理的工作姿势或作业方法。返回上一页8.5人机界面设计系统的初步设计完成后，人所完成的功能和作业已经详细描述，下面就要考虑人机界面和人与软件的界面！一般统称人机界面）。人机界面的设计包括作业空间设计、显示设计、控制设计、控制台设计、人机（计算机）对话设计等。对于坐姿作业，座椅的设计也是界面设计的重要部分。前面的章节已经讨论了以上界面设计问题和相关的人的因素。下一页返回8.5人机界面设计人机界面设计是系统的工程设计的重要部分。尽管人机界面的硬件和软件的实际设计主要由工程设计人员完成，但这个阶段仍然是人因工程应用的重要时期，因为界面设计的优劣直接影响操作者的作业效能和系统的运行。在界面设计阶段，人因工程专业人员是作为团队与工程师和设计师一起工作的。人因工程专业人员主要负责设计的人因方面的问题，而工程师主要负责设计的技术方面的问题。经验证明，许多系统设计的相关人员会以经济的、技术的和时间进度的等理由来拒绝人因工程的要求，设计者应“据理力争”，以国家已经颁布的人因工程标准、国际标准和国外先进标准为依据，倡导为用户设计的原则。实际上，按照人因工程的要求不仅仅是为人的因素考虑，同时也是为系统的整体效能考虑。下一页返回上一页8.5人机界面设计8.5.1界面设计经过基础设计阶段，人必须进行的操作活动以及操作活动必须的相关信息均已确定，这种由全部操作活动和相对应的信息就构成了人机系统设计的界面需求，这是人机界面设计的基础。人机界面设计的基本过程见图8-7。显示是指有目的的信息传递。视觉和听觉是人接收信息传递的主要感觉通道。显示设计必须首先考虑：①传递信息的内容和方式；②传递信息的目的或功能；③显示装置的类型；④传递信息的对象。控制器是指操作人员用来改变系统状态的装置。控制器的设计必须首先考虑：①控制的功能；②控制操作的作业标准；③控制过程的人机信息交换；④人员的作业负荷。下一页返回上一页8.5人机界面设计作业空间也是人机界面设计的内容。作业空间的设计主要参考人体尺寸的数据。系统设计时，选取人体尺寸必须保证样本与总体的一致性，根据使用者这个总体选择相应的人体尺寸。同时，要注意动态作业空间、有效作业空间与一般人体尺寸的静态计算范围的差异。8.5.2相关人因工作在这个阶段，人因工程专业人员的工作包含三个方面：①收集分析人的因素和人的作业特性方面的数据；②设计方案的人因评价；③人因问题研究。下一页返回上一页8.5人机界面设计1.人因资料的搜集分析作为系统设计团队的成员，人因工程专业人员的主要工作是持续不断地跟踪并分析已有的与设计相关的人因数据。这些数据分布很广（当然，这些数据还不是很完备），形式多样。人因数据主要有以下几种形式：常识和经验；比较定量的数据（如两种显示器的认读准确率）；定量数据（人体测量数据，人完成不同作业的错误率）；设计准则（基于经验和研究，提供设计指南，如尽可能避免或减小眩光；数学函数或方程（描述几个有关人因的几个变量之间的基本关系，如几种人的仿真模型）；图示方式（图表、曲线，人对不同强度和持续时间的加速度的忍受极限）；专家的意见；设计标准（如显示、控制、作业空间和噪声标准）。下一页返回上一页8.5人机界面设计2.设计方案的人因评价人因特性的评估包括评定设计方案是否符合相关的人因标准和指南。设计的每一个人因属性都要评估，包括显示器的可读性、控制器的可操作性、控制阻尼的大小、座椅的可调节性、维修操作的空间等。人因属性的评估可在二维工程图纸、装备的模型和样机上完成。通常都利用检核表确认相关的人因属性在设计中得到考虑。下一页返回上一页8.5人机界面设计3.人因问题研究当搜集到的资料不能解决实际中遇到的系统的重要的人因问题时，就需要人因工程专业人员展开人因问题的研究。这些研究通常是一些小实验，涉及有关典型使用人群的几个题目，需要测量完成作业的时间和失误等人的作业效能参数。例如，按照发现目标信息的时间对比几种显示器的布局方案，或依照完成控制作业的时间和失误的概率对比几种控制器的设计和布局方案，也有可能是控制器的控制阻尼、显控比等一些参数的确定。一般情况下，没有足够的时间和费用进行多变量的、大样本量的实验和严格的实验条件的控制。然而，即便最简单的小规模实验研究，加之人因工程专家的意见，也能给系统的设计提供有价值的人因信息。下一页返回上一页8.5人机界面设计8.5.3其他人因工作上述的系统设计过程一般考虑的是系统运行过程的人因工程问题，实际上设备硬件和软件的开发生产以及维修过程也有一些人因关系的问题需要考虑。1.装配性设计硬件设备的装配方式，是影响制造成本和人员需求的重要因素。在硬件设计过程中，尽量减少零部件数目并采用容易装配的方式，可以简化制造的过程。有时，设计的简化可能使手工装配比自动化或机器人装配更经济。合理设计零件、构件和部件使装配容易，是工程师和工业工程师的责任。初步设计完成以后，需要进行详细的工程和经济分析，以确定最佳的装配过程。下一页返回上一页8.5人机界面设计而人因工程技术人员要做的工作主要是针对手工装配作业。人因工程对于手工装配可做的工作：不同装配方案的人因工程学分析、发展可预测装配时间的模式、针对不同装配方案的实证评估、可提升生产效率的特殊工具的设计。2.维修性设计维修性是指执行维修任务的难易性。维修包含检查与测试、例行保养、故障排除、修复和更换。良好的维修性可以减少维修时间、降低维修费用，提高系统的可靠性和运行效率。下一页返回上一页8.5人机界面设计一般情况下应尽可能降低维修工作的难度，应以使用者能自行维修的方式设计，减少专业人士维修的不便和费用。设计阶段应仔细考虑维修者的能力和先前的维修经验；系统的测试应包含维修任务；系统设计的修正应考虑对维修性的影响。在系统的维修性设计过程中，首先应分析系统的维修需求，确定特定的维修任务。然后决定每一维修任务所需的技术层次。简单任务可分配给使用者，超过使用者能力的复杂任务则分配给合格的专业维修人员。特定的设计建议和检核表可参考MIL-STD-1472C（美国国防部，1981）。下一页返回上一页8.5人机界面设计提高维修性的一般原则包括：①设计前先确定维修者的能力，制定设计限制，确保执行维修的操作，维修工作的强度和精度要求不应超过人的能力极限；②编制维修手册前，先确定使用者的认知能力；③设计维修手册时，应尽可能以图示代替文字，测试所有的手册，作必要的程序修订，以确保各维修任务达到合适的功效水平；④提供特定的图、表、检测设备以及其他侦错辅助装置等，以简化排除故障的任务。对复杂的产品，或许需要一个“智能型顾问”（类似专家系统的人工智能软件）；⑤需要定期保养和更换的部件，应易于取装;⑥将和维修任务有关的所有保养点和测试点加以标示或指明；⑦使用模块化构件，以简化故障隔离及修复；⑧设计时，尽量减少维修工具及特殊工具，尽量使用通用工具；⑨以卡接装置预防装配过程的接合错误；⑩提供警告标示或特殊锁定机构，阻止产品的使用者进行不应由他执行的维修任务。下一页返回上一页8.5人机界面设计3.作业环境及危险因素分析分析操作者的作业环境，确保为操作者提供足够的保护，作业水平没有受到负面影响。对于机器设备可能排放的有害气体和产生的高水平放射，应该对操作者进行必要保护。控制作业的环境条件，确保操作者顺利完成作业，包括温度、湿度、光、噪声和振动等。X光机需要铅幕隔离以防有害射线泄露。机器的运动部分需要防护以免人员受伤。合理的照度水平保证作业的完成。返回上一页8.6辅助设计辅助是一个较大的概念，所有用于保证人的作业效能的技术和手段，除系统“本体”的硬件和软件以外，都属辅助的范围。辅助设计的内容主要包括四个方面：①制定选择操作人员的标准；②确定培训计划；③使用说明，确定作业辅助手段；④系统维护计划。从时间形式上看，辅助有长时长效的，如培训、选员标准；也有现场即时的，如检测表、作业记录等。下一页返回8.6辅助设计狭义的作业辅助（PerformanceAids）是指一种“信息装置”或文件，它包含作业者作业时使用的信息。作业辅助只在作业过程中使用，因此它与培训计划是不同的，但作业辅助与培训计划必须是协调的、互不矛盾的。作业辅助设计的要求要明确、适量，即对作业的指导明确，但必须是符合使用者需要的，不能过多或太少。例如现代的操作说明书设计，就可分为解释说明书和现场提示操作说明书，前者详尽，后者具体简明。操作手册、说明书都必须进行实际验证，不能认为设计师看得懂就可行，应该让使用者阅读后，并进行实际操作验证，以证实作业辅助的效果。下一页返回上一页8.6辅助设计1.作业辅助的分类（1）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一些特定信息。例如准备一张购物清单，再去商店购物。（2）作业步骤类。作业步骤类的作业辅助用于指导作业者按步骤完成作业活动。常见的家电产品，如自行车、洗衣机都备有装配图，以帮助用户正确安装。这些装配图必须设计为作业步骤类的作业辅助，因为大多数用户没有受过培训，只能按图装配。现代民航客机的装配和维护也采用了作业步骤类的作业辅助，以避免在极为复杂细致的作业中出现任何错误。作业辅助设计需考虑以下问题：什么样的作业者（知识、技能、阅读能力等）；什么时间、如何作业；作业的环境条件、地点等。