人机系统总体设计PPT课件

第10章人机系统总体设计 第9章链接第11章链接 2 10 1人机系统设计的概念 人机系统设计的重要性工业设计和人机工程学的共同点 研究人工业设计的设计观 以人为本人机工程学的研究对象 系统中的人产品设计的新观念 新发展 高情感特性人的生理和信息需要 宜人 舒适 安全产品的使用和操作需要 方便 可靠 亲近 3 规范性研究 研究 应该怎样 进行设计基本出发点是要探讨应当怎样做才能达到目的 应当如何做才能更有效描述性研究 研究专业设计人员 究竟是怎样 设计的要了解人的设计技能的本质 描述一般的设计过程 提出普遍适用的设计过程模式 现代设计基本内容 4 问题的 真实性 考查问题的 定义 问题的求解策略 确定所解问题是否真实存在 其存在条件如何 问题的范围大小 方法 需求调查 访谈法调查等 是对问题求解的一种规划和期望 是问题求解过程最困难和关键的一步 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 系统的 有组织的求解活动 要求设计者按照一定的步骤 进行设计思维 试探求解活动的求解过程并无一定步骤可循 而是一种多次尝试的过程 确定求解过程是系统的 有组织的求解活动 还是试探求解活动 确定求解过程是系统的 有组织的求解活动 还是试探求解活动 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 设计的三维解空间 5 人机系统作为一个完整的概念 表达了人机系统设计的对象和范围 人机工程学的主要研究对象是 系统中的人 人是属于特定系统的一个组成部分 但人机工程学并非孤立地研究人 它同时研究系统的其它组成部分 以便根据人的特性和能力 来设计和改造系统 人机系统 6 系统是指由相互联系和相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体 系统具有整体性 关联性 有界性 目的性 环境适应性 学科综合性 系统的设计人员必须了解系统要实现的目标 实现目标需具备的功能以及这些功能之间的相互联系 人机系统 系统的概念 7 人机系统包括人 机和环境三个组成部分 它们相互联系构成一个整体 人机系统的性质和特征可以用模型表示 在人机之间存在着信息环路 人机相互联系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是否能持续有效地进行 环境将对人机工作及信息的传递产生影响 排除环境的不利影响是设计工作的主要任务之一 首先要保障环境不影响人的作业 人机系统 人机系统的组成 8 人机系统 人机系统的组成 9 信息接受 人的决策 控制 显示装置 机器本体 控制器 人 机 环境 环境 人机界面 输入 输出 输入 输出 人机界面 人机系统 人机系统模型 10 人机系统 人机系统模型 由人机系统模型可见 操作过程的情况由显示器显示出来 作业者首先要感知显示器上指示信号的变化 然后分析 解释显示的意义并作出相应决策 再通过必要的控制方式实现对操作过程的调整 这是一个封闭的人机系统 即闭环人机系统 11 人机系统设计主要是处理系统中的人和人机界面等关系 而不是系统的全部硬件 强调人的特性和限度 为人设计 让人的因素贯穿设计的全过程 是人机工程学的重要实践原则 在人机系统中 人的主导作用主要反映在人的决策功能上 对于设计者而言 重要的是通过设计使系统利于发挥人的决策功能 为正确决策提供各种作业辅助手段 如操作程序表等 同时 还要通过设计尽可能减少人为错误的可能性 人机系统 人的主导作用 12 在人机系统中 人与机之间存在一个相互作用的作用 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 人机界面的设计主要是指显示 控制以及它们之间的关系 要使人机界面符合人机信息交流的规律和特性 人机界面的设计依据始终是系统中的人 人机系统 人机界面 13 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 人机系统设计并非是单一产品的设计 而是适合于所有产品的一种设计方法 人机系统设计需要具体分析和定义 才能确定人际关系的性质和问题 并进行有效的设计 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完成 人机系统设计 14 人机系统设计 人机系统总体设计 人机系统总体设计又称为TSD设计法 其中心设计思想是 系统设计必须分一系列具有明确意义的设计阶段 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的策略 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 人机系统总体设计的目标是 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 良好的系统设计必须以两个主要原则为基础 明确定义 问题 制定和实施某种策略来寻找解决问题的满意方案 15 人机系统设计 阶段设计程序 为了有效地规定设计策略和实施设计 需要研究一套专门的设计程序 阶段设计程序是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步骤 每一个阶段是由相互联系的一系列设计活动组成 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后 才能进行下一阶段的设计活动 阶段设计程序是以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 以及它们的相互联系 作了规律性总结后逐步形成的 16 设计过程可以分为以下几个阶段 定义系统目标和参数阶段系统定义阶段初步设计阶段人机界面设计阶段作业辅助设计阶段系统验证阶段 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量方法 定义功能要求定义操作要求 功能分配作业流程设计作业反馈机制设计 人机界面设计作业空间设计 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 制定验证标准实施验证作验证结论 人机系统设计 阶段设计程序 17 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 体现在以下方面 作业效能的改善降低培训费用改善人力资源的利用率减少事故和人为错误提高生产率提高使用者的满意度 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 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 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 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 人机系统效率的提高当然会提高生产效率 使用者的心理压力与系统设计直接相关 对抗性的人际关系 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 良好的人际关系可以提高作业效率 产生满意心理 人机系统设计效益 18 人机系统设计需要运用人机工程学参数和系统分析方法 人机工程学参数是人机工程应用研究的成果 在设计过程中 必须认真考查人机工程学参数的性质和得出这些参数的相关条件 对设计影响最大的参数问题是所谓实验效标和系统效标的一致性问题 人机系统设计参数 19 实验效标 通常指实验的因变量即反应变量 是实验目的所要求的心理 生理或行为指标 如人的反应速度 心理感受等 如 作业错误 闪光融合频率 摄氧量 肌电活性 反应时 心理量表值 脑力负荷 学习时间 心理阈限 心血管系统的反应等 系统效标 是指经济性 可靠性 安全性等综合性很高的指标 如 产品寿命 可靠度 外观质量 方便性 操作性能 安全性 可维修性 运行费用 人员培训要求 经济性等 设计师必须仔细分析实验效标和系统效标之间的关系 以便正确地选择设计参数 同时在符合人机工程要求的基础上 更好地发挥设计师的创造性 人机系统设计参数 20 人机环境系统的研究 是以人为主导来详细分析人和机器的相互作用 以及作业环境的变化 决定系统整体效率的规律 随着科学技术的发展 人的作业向机械化 自动化发展 作业条件或作业环境也相应变化 只有系统中各个部分相互关系匹配时 才能使整个系统达到最优状态 为了提高系统的整体效能 除了机器系统的各组成部分 应适合于人的生理心理特征以外 还必须解决人与机器间的合理分工和相互配合的问题 因此需要了解人机关系 10 2人机系统总体设计目标与原则 人机系统类型 21 人的劳动状态从手工业生产 发展到机械化 自动化生产 与此同时人机关系的状态也发生了相应变化 人机关系变迁过程可以分为4个阶段 人机系统类型 22 为了把信息传递给人的感觉器官的输入技能 Input 用人的中枢神经进行控制的技能通过人的肌肉活动等运动器官或语言进行输出的技能 Output 人机系统类型 人机系统的基本机能 23 人机系统类型 按自动化程度分类 以人的信息处理机构为基础 按系统自动化程度分类可分为以下三种人机系统 手工操作人机系统半自动化人机系统自动化人机系统 24 以人的信息处理机构为基础 按系统自动化程度分类可分为以下三种人机系统 手工操作人机系统半自动化人机系统自动化人机系统 人机系统类型 人机系统的组成 25 输入 输出 信息贮存 感觉 动作 信息处理和决策 反馈信息 闭环系统 人 作业者 人机系统类型 手工操作人机系统 手工操作人机系统偏重于解决人作业上的问题 其特点是 自动化程度低操作的可靠性低费用低廉创造能力高维护能力强 26 输入 输出 信息贮存 感觉 动作 信息处理和决策 反馈信息 闭环系统 人 控制者 机器 控制过程 人机系统类型 半自动化人机系统 27 信息贮存 感觉 动作 信息处理和决策 反馈信息 闭环系统 人 监视者 输入 输出 信息贮存 感觉 动作 信息处理和决策 机 机器 控制过程 人机系统类型 自动化人机系统 28 半自动化和自动化人机系统偏重于解决机器上的问题 其特点是 自动化程度高操作的可靠性比较高费用较高创造能力低维护能力低 人机系统类型 29 以人在人机系统中完成的任务为基础 按人机结合方式分类又可分为以下三种人机系统 人和机器串联存在人和机器并联存在 进行协同工作串联结合的机器和人并联存在 由人完成系统的监控任务 人机系统类型 按人机结合方式分类 30 人 机器 人和机器相互间的特性有干扰亦有结合 人的优点会由于机器而得到扩大 相反其缺点也会被增大 这种结合系统 人的能力如不被控制 机器方面的各种特性就不能发挥出来 即串联型系统人成为控制主体 因此人和机器的任务分配就成为该系统设计的基本内容 人机系统类型 人和机器串联存在 31 人和机器并联存在串联结合的机器和人并联存在 人 机器 人 机器 机器 人机系统类型 人和机器并联存在 32 人机系统类型 人和机器并联存在 在人机并联结合的系统中 人和机器是间接联系 特别是在自动化系统中 机器成为控制的主体 在这个系统中人的主要任务是管理 监视工作 但是人和机器的结合不是固定的 由于系统的状态不同 人分担的任务也要变化 在自动化系统中 正常和异常时人分担的任务有如下差异 正常时 人把显示装置和控制台作为信息传递装置 对系统的工作状态进行远距离控制 监视 根据需要制定工作条件或进行调节 通常是长时间间隔断续的作业 几乎不受系统的约束 异常时 出现异常或发生故障时 系统从自动变为手动 人介入到过程中 此时 因为人和机器成为串联结合 要求人能迅速而正确地判断状况并进行操作 33 人机系统目标 34 工作空间和工作设备的设计 与身体尺寸有关的设计 有关身体姿势 肌力和身体动作的设计 有关信号 显示器和控制器的设计 总体设计的原则 35 工作环境设计 工作环境的设计应保证工作环境中的物理 化学和生物学条件对人们不产生有害的影响 而且要保证人们的健康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 工作过程设计 肉体或感觉的过载使人产生疲劳负载不足或使人感到单调的工作会降低警惕性 36 人机系统设计的程序 10 3人机系统总体设计程序与要点 37 系统目标 说明 目标 是什么 说明系统的性质和内容不包括怎样实现目标作业要求 为了实现目标系统必须做什么系统做什么 做的标准是什么 如何进行测量 系统定义阶段应从以下方面进行调研 系统未来的使用者是谁 目前同类系统的使用和操作如何 使用者的作业需求有哪些 确保系统目标体现使用者的需求 定义系统目标和作业要求 38 定义系统目标和作业要求 案例分析 在使用支票的国家 用户经常发生超支现象 支票额大于存款额 原因是用户不能随时掌握存款的数额 这给收支双方和银行造成许多不便 因此 银行希望推行一种办法来防止用户超支 是用户随时都有可能了解其实际存款数 于是开始进行人机系统设计 39 设计方案 每超支一次罚款100元 使用一种用户专用的小型计算器 银行每日寄给用户帐单 银行与各用户进行计算机连网 用户开支时必须电话通知银行对帐 定义系统目标和作业要求 案例分析 系统目标 为用户自己平衡存取款数额提供一种方法 系统作业要求 要求限制 使用方便大多数用户能正确使用大多数用户有兴趣使用操作简单 用户一般不了解银行的业务用户的计算能力不一样用户对平衡帐目的态度不一 40 系统定义阶段是 实质性 设计工作的开始 在此之前 设计者要与决策层人员一起作出一些重要的决策 其中最重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 决定未来系统作为一个更大系统的子系统 如何发挥作用 系统定义是对系统的输入 输出和其功能的定义 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 系统的功能定义是与输入和输出的定义同时进行的 它们的关系可用图表示 功能Fi 输入 输出 系统定义 41 选择方案2专用计算器的主要功能确定帐目的平衡数 给出 给帐目增值 存款 给帐目减值 支票 运算帐目的平衡数储存平衡数 使用者 定义使用者的群体特征 如人数 职业类型等 使用者的个体特征 如感觉 认知 反应能力等 系统定义 案例分析 42 人机系统的初步设计是指围绕系统设计所进行的功能分配 作业要求研究及作业分析 功能分配是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 对于可能有人实现的系统功能 必须研究 人是否有 能力 实现该功能预测人是否乐意长时间从事这一功能 初步设计 功能分配 43 每一项分配给人的功能都对人的作业提出作业品质的要求 例如 精度速度培训时间满意度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 初步设计 作业要求 44 作业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 作业分析包括 子功能的分解与再分解 直至可以定义出 作业单元 的水平为止每一层次的子功能的输入和输出的确定 即引入人的功能活动的刺激输入和人的功能活动的输出反应 是刺激 反应 S R 过程的确定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 一组作业单元又可在组合成一个作业序 一个作业序是分配给一类特定使用者的一组相互关联的作业单元 通常一个给定作业序可以由一个以上的使用者或操作者完成 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 初步设计 作业分析 45 功能分配 功能1 确定帐目的平衡数功能2 给帐目增值 存款 功能3 给帐目减值 支票 功能4 运算帐目平衡数 计算机 功能5 储存帐目平衡数 计算机 取出计算器 使用人 显示平衡数 计算器 读数 使用人 取出计算器 使用人 开启计算器 使用人 键入存款数 按 存 键 使用人 关计算器 计算器 取出计算器 使用人 开启计算器 使用人 键入支票数额 按 支 键 使用人 关计算器 计算器 初步设计 案例分析 银行计算器的作业要求 使用者不需任何正规培训 只要阅读使用手册 存款时计算器操作15s以下按成 开支票付款时计算器操作20s以下完成 读数错误率小于千分之一次 大多数用户对使用计算器满意 46 人机界面设计主要是指显示 控制以及它们之间的关系的设计 应使人机界面的设计符合人机信息交流的规律和特性 主要从以下方面考虑 显示设计 视觉和听觉控制器设计作业空间设计 传递信息的内容和方式传递信息的目的或功能显示装置的类别传递信息的对象 控制的功能控制操作的作业标准控制过程的人机信息交换人员的作业负荷 人体主要尺寸数据动态作业空间有效作业空间 人机界面设计 设计步骤 尺寸 参数计算 绘制平面图 功能模型测试 确定实际空间关系的适宜性 实际尺寸模型验证 47 显示设计 视觉 听觉 计算器和键的尺寸 形状 位置 布局 的设计 人机对话设计 数字 字母键盘式设计 采用全词 数字 字母键盘式设计 采用缩写 数字 功能键盘式设计 易出错功能可扩展 按键次数少需懂得缩写含义 易操作功能不易扩展 人机界面设计 案例分析 48 为了获得高效能的作业 必须设计各种作业辅助技术和手段 主要包括 制定选择操作人员的标准 确定培训 使用说明 确定作业辅助手段 作业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 的硬件外 都属于作业辅助的范畴 作业辅助设计 49 银行计算器的作业要求是以不选择和培训操作人员为条件 因此 主要的作业辅助手段是操作手册和说明书 可以随机抽样地选择若干使用者 来验证所编操作手册和说明书的指导效果 作业辅助设计 案例分析 50 系统验证是要验证系统是否达到系统定义和设计的各种目标 人机系统的验证应在系统开发的各个阶段进行 如人机界面设计 作业辅助设计等都可以进行局部的验证 人机系统的验证是以人的作业效能为主要验证标准的 人机系统必须保证人的作业符合作业要求的各个项目 系统检验 51 银行专用计算器的显示部分 键盘布局可用模型或部件进行验证 计算器形成样品后 还要进行用户使用和可接受性验证 然后才可能投入市场 系统检验 案例分析 52 在总体上 系统级的最高层次上正确地解决好人机功能分配 人机关系匹配和人机界面 在人机系统中 充分发挥人与机械各自的特长 互补所短 以达到人机系统整体的最佳效率与总体功能 这是人机系统设计的基础 称为人机功能分配 总体设计要点 人机功能分配 53 显示器与人的信息通道特性的匹配控制器与人体运动特性的匹配显示器与控制器之间的匹配环境与操作者适应性的匹配人 机 环境要素与作业之间的匹配 随着人机系统现代化程度的提高 脑力作业及心理紧张性作业的负荷加重 这将成为突出的问题 在这种情况下 往往导致重大事故的发生 总体设计要点 人机匹配 54 人控制机械人接受信息 总体设计要点 人机界面设计 55 10 4人机系统总体设计方法与评价 人机系统总体设计方法包括自成体系的设计思想和与之相应的设计技术 是设计研究的主要内容之一 好的设计方法和策略 使设计行为科学化 系统化 获得高效的设计管理 人机系统的评价方法则是对所设计人机系统进行评价的工具 有利于发现设计差错和改进设计 56 功能化的设计思维功能分析功能分配功能流程图 将系统的工作与其工作机制分开其好处是 为各专业设计者提供通用的设计语言为各专业联合设计提供方法论基础 功能描述和确定功能分解 保证功能分配有确切的含义分解程度取决于功能分配的要求 比较分配原则剩余分配原则经济分配原则宜人分配原则弹性分配原则 作用 描述系统描述系统功能描述各个功能之间的关系 功能分析与分配 总体设计方法 57 功能流程图实例 发电厂 能量释放 热能转化为机械能 机械能转化为电能 储热槽 空气 燃料 载热体 旋转能 电能 废物 废物 废物 总体设计方法 功能分析与分配 58 作业分析是指对已分配给人的功能进行的分析 其目的是使作业与作业者之间建立协调一致的关系 作业分析可以使设计者更加深入地了解人机系统 特别是人际相互作用和人的作业 为人机系统设计提供了有效的方法 作业分析包括四个主要部分 系统作业结构确定作业描述作业建作业序 总体设计方法 作业分析 是指系统的作业和作业技能的整体要求分为三种基本形式 金字塔结构倒金字塔结构棱形结构 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 用适当的形式描述作业 以便设计和管理时参考 描述作业的方法很多 如 作业流程图作业分析表 作业序是指某个作业者单独从事的一组作业 与制造业中工序的概念相似 一个作业者也可以分配给若干个作业序 59 系统作业结构系统作业结构的三种形式 金字塔倒金字塔棱形 作业复杂程度 高较高较低低 总体设计方法 作业分析 60 确定作业确定作业主要解决的问题 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 总体设计方法 作业分析 61 确定作业确定作业 作业的复杂程度分析 作业 总体设计方法 作业分析 62 确定作业确定作业 功能分解为作业划分了作业复杂程度后可以开始功能分解作业复杂程度可以作为功能分解的 止分原则 功能分解过程中涉及不同层次的输入和输出分析分解原则 子功能必须包括主功能的所有内容子功能之间是相互独立的分解子功能直至设计者认为足以确定作业为止 总体设计方法 作业分析 63 确定作业功能分解实例 567846 6 计算算术平均数 数值累加 数值的个数计数N 输入 输出 功能 数值 平均值 总体设计方法 作业分析 64 描述作业作业流程图与计算机程序框图相似 在做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 作业分析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 总体设计方法 作业分析 65 建作业序功能被分解为若干作业 作业按一定规则组合为作业序 一个作业可以由几个分配给人的功能中分解出的作业组成 一个作业序可以由多个作业组合 但一般认为一个作业序最多不得超过7个作业 否则输入层次和量过多 作业者不能准确处理 将作业组合为作业序是可考虑以下关系 作业的信息与数据关系 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 总体设计方法 作业分析 处理同类信息或数据的作业应该组合 具有相同或相近作业复杂程度 要求统计技能水平的作业应该组合 作业性质相同 并有顺序关系的作业可以组合 以获得合理的工作流程 在同一时间区域内进行的作业可以组合 同一工作岗位 工作站等在同一人机接口位置的作业可以组合 66 作业序实例 功能1 功能2 功能3 作业序A 作业序B 作业序C 作业1 作业2 作业3 作业4 作业5 作业6 作业7 作业8 作业9 作业10 作业1 作业2 作业3 作业4 总体设计方法 作业分析 67 作业辅助是指一种 信息装置 或文件 它包含作业者作业时使用的信息 作业辅助支在作业过程中使