第八章人机系统设计、分析与评价

第八章人机系统设计、分析与评价

1、人机系统设计方法2、连接分析法3、操作顺序图法4、人机系统可靠性分析5、人机系统评价本章内容提要8.1人机系统设计方法

一．什么是人机系统

从广义角度来看，人机系统是一个“人——机器——环境”系统。

二．人机系统的类型

1.按有无反馈控制分类

（1）开环人机系统指系统中没有反馈回路（图8.1），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。例如，操作普通车床加工工件，就属于开环人机系统。输入输出控制器机器或过程（2）闭环人机系统

指系统有封闭的反馈回路（图8.2），输出对控制作用有直接影响。若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，如在普通车床上加工工件，再配上质量检测构成反馈，则称为人工闭环人机系统；若由自动控制装置来代替人的工作，如利用自动车床加工工件，人只起到监督作用，则称为自动闭环人机系统。指示器输入输出控制器机器或过程测量手段（回路）2．按人在系统中的作用分类（1）手工作业系统这一系统由人和辅助机械或手工工具构成（图8.3），主要动力来源于人，人既作为动力源又作为系统的控制者，系统的效率主要取决于人。例如，手工的铁锹铲运作业。信息储存信息处理和决策动作感觉人（动力源和控制者）信息反馈输入输出（2）半自动化、机械化作业系统信息储存信息处理和决策动作感觉人（控制者）信息反馈输入机械过程控制输出例如：司机驾驶汽车、工人开机床等。由人和机械设备或半自动化机械设备构成，人是控制者或操作者，动力一般由机械系统提供。（3）自动化系统信息储存信息处理和决策动作感觉机信息反馈输入机械过程控制输出信息储存信息处理和决策动作感觉人（监测者）例如：水力发电站、自动机床等。由人和机械设备构成，人只是管理者和监视者，机械本身是一个闭环系统。3．按人机结合方式分类人机（1）

人机串联方式:

人通过机器的作用产生输出，因此导致人和机器的特性互相干扰，虽然人的长处可以通过机器得以发挥，但人的弱点也会同时被扩大。串联人机系统必须处理好人机功能分配。（2）人机并联方式:

人机并联方式是人通过显示装置和控制装置，间接地作用于机器产生输出。人机机机人（3）人与机器串并联方式又称混合结合方式，是最常用的结合方式。

二、现代人机系统的特点

（1）科学技术进步以机器取代人的体力，不仅延长了人的体力，也使体力消耗降低了，但是人的智力劳动和精神负担加重了。（2）机器系统越来越复杂，操作者了解机器规律和掌握操作技术的难度也相应增加。（3）现代生产过程，使作业者直接参与和观察加工对象、控制加工过程的机会减少了，取而代之是在人与被控对象之间“插入”了一套信息传递装置。信息通常以编码方式提供，要求作业者译码，同时也以编码方式对机器系统进行控制，改变了作业者的活动方式。因此，必须研究译码和作业者的训练问题。（4）由于机械化和自动化的发展，使管理对象、监控对象及其参数的数量增加，信息传递在时间上和空间上渐趋密集化，致使作业者对系统状态的分析复杂化。因此需要确定人的功能限度问题。三.人机系统设计的基本思想

1.早期的人机系统设计思想先设计机器，然后通过选拔和训练，使人适应于机器。

例如：二战时期的飞机、雷达、大炮等装备。2.狭义的人机系统设计思想狭义的人机系统设计思想主要着眼于解决“控制器”、“显示器”等人机界面问题，即解决人机界面之间的相互适配问题。

例1：研究显示器的指针、表盘、刻度、数值怎样设计才能使操作者在尽可能短的时间内正确判读。早期人机系统设计存在的问题：

由于机器越来越复杂、速度越来越高，人的能力与机器要求相差越来越大，迫切要求解决人机界面设计问题。3.现代人机系统设计思想从设计开始就考虑人和机器的合理分工问题（功能分配），即从系统的观点出发，综合考虑“人”、“机器”的因素，通过功能分析，进行人和机器的合理分工，使整个系统达到最佳的匹配。二、现代人机系统设计的基本步骤对于一个创新性的人机系统设计，需要由工程师和工效学专家共同协作来完成，其基本的设计步骤可以归纳为如下的框图。狭义人机系统设计存在的问题：其局限性在于没有进行合理的人机功能分配，而让机器或人承担了各自所不擅长的工作，因此无论界面设计的多么好，人机系统也不能发挥其最优功能而达到高效率。人机系统目标的建立功能分析功能分配人员开发界面设计硬件开发工作描述作业规范人机系统评价1．建立人机系统的设计目标通过调查研究，撰写出调研报告等，进行技术、经济、市场等方面的论证和预测，尤其是目前技术上的可行性、难度、风险等，并进行远期的应用前景预测。最后撰写出可行性论证报告，确定出系统的设计目标。2.人机系统功能分析

对所确定的目标进行方案设定，可以采用功能展开法，即功能分解法，设定实现系统目标的各种方案，这时方案愈多，选择余地越大，越容易找到最佳设计方案。

功能展开法3.人机功能分配功能分配首要任务就是确定系统的哪一部分功能应由人来完成，哪一部分功能应由机器来完成。如果人机功能分配合理，能够充分发挥人和机器的潜能，使系统达到最佳的匹配。为此应了解一下人、机各自的特长。工效学家弗茨（P.M.Fitts）对人、机器特性总结如下：（1）速度方面：机器比人要快的多。（2）功率输出：机器功率输出恒定，人功率输出十分有限。

例如：电动机；

1.47kw的功率输出，人只能维持10秒钟；

0.37kw的功率输出，人大约可维持几分钟；只有在0.15kw以下的功率输出，人才能持续一天。（3）连续性（持续性）：机器优于人，机器适用于常规的、重复性、单调、精度要求很高的工作，机器动作具有一致性。如自动化工厂人的动作可靠性、一致性很低，而且易引起疲劳。（4）复杂活动方面：机器具有多通道信息接收的能力。人只有单一通道信息接收能力。（5）记忆方面：人优于机器。机器记忆只是文字的再现和短期储存，容量有限。如专家系统，知识爆炸，反应慢。人是分布式记忆，可以存贮大量信息；具有联想功能，通过演绎推理，找到最佳途径。（6）逻辑推理能力方面：机器只是演绎，其演绎程序不能改变。人的归纳能力很强，可以随机应变，容易改变其推理思路。（7）计算能力方面：机器运算速度快而且准确。人的复杂计算速度慢容易出错，但善于修正错误。（8）信息输入方面：机器依靠传感器，可以各种刺激性信息，包括人无法接受的刺激信号（如接收放射线信号），机器对图形认别能力很差。人能接收多样化的信息，判定方位、颜色、图形识别。（9）可靠性方面：一般工作，机器的可靠性好。但超负荷，机器运行中断；人在超负荷条件下，可靠性逐渐降低。（10）智力与理解力方面：机器没有智慧；人有主观能动性和预见性，能处理事先未预料到的或不可预料的事情。如，文字识别技术。（11）在操作控制能力方面：机器的特点是专一，人的特点是多样化。小结：

（1）人和机器的真正差别在于智力方面：当发生未预料的事情时，人可以利用其智力去补偿其它方面所表现出的能力不足，这时，人的反应相当快。因此，人最善于处理目标调整和目标转换工作。（2）对于一些简单的工作，可以由人来完成，这时不要用机器，否则成本太高。

人机功能分配的一般性原则：（1）适合于人完成的功能：要求进行图形辨认或者多种信息输入形式的情况；需进行归纳推理、判断的情况；需对未来的不能预期的情况作处理的情况，（2）适合于机器完成的功能：单一的重复性工作，如计算、存贮、检查、整理工作，如标准化试题阅卷。需长期支付大功率的作业、高速度的作业；环境条件恶劣的作业以及需检测人不能识别的物理信号的作业4．人员开发人员开发包括：作业描述和作业规范。人员开发目的：为人机系统的运行提供合适的操作人员。（1）作业描述

a.对于一个已经存在且运行着的人机系统，作业描述可以通过观察、记录操作者的作业活动来完成。通过作业描述可以考察人机功能分配得是否合适，人、机特长是否匹配合理，是否发挥各自的特长。

b.对于一个新的人机系统，则只能根据系统提出的要求及分配给人和机器的功能，进行逻辑分析判断是否合理。这里主要取决于设计者的经验和知识。（2）作业规范确定系统的某项功能需要多少操作者，操作者的技能应达到什么标准，哪些技能需要选拔，哪些需要培训；选拔的条件和方法，培训的途径等，所有这些构成了作业规范。作业指导书与作业者之间也是一个典型的人机界面问题，采用什么样的形式更易使作业者看懂是很重要的，合理的作业指导书会使培训工作事半功倍。可以采用不同形式的作业指导书，如，机器插图、图表、手册、电视录相、电影软片、教学演示机（仿真）等，其目的都是使作业者尽快地掌握操作方法。例如：作业指导书、操作说明书就是一种作业规范。注意三点：（1）操作人员的选择和训练方法取决于多种因素。如作业规范、作业者素质、人机界面的形式和现有的培训设施及方法都会直接地或间接地影响选拔和培训效果。（2）任何培训都是有确定的目标。通过培训可以达到两个目标增加特定的技能。减少学习适应的时间和费用。（3）培训是否有效主要取决于被训练者的素质，职业选择应该考虑个体素质。培训前要进行选拔，目的是使被训练者有能力完成训练计划所要达到标准。目前我国在职业选拔上仍有很大缺欠，仅注重知识（笔试结果）、性别、年龄和外在的生理缺陷。这是很粗糙，而且也不全面。例如：各种招工考试等。人员选拔和训练是不可分割的，选拔是训练的基础，选拔好，训练就省时间和费用。科学的作法应该是：

先应对作业规范进行分析，制定出满足该规范条件的选拔标准。由于进行了职业适应性选拔，自然可以缩短训练适应时间、降低训练费用。5．人机界面设计指人和机器在信息交换和功能接触的相互影响领域。界面设计是工效学中的一个重要研究领域。人机界面设计必须解决好两个主要问题，即人控制机械和人接受信息。前者主要指控制器要适合于人的操作，应考虑人进行操作时的空间与控制器的配置。后者主要指显示器的配置如何与控制器相匹配，使人在操作时观察方便，判断迅速、准确。6．人机系统评价人机系统评价是对人机系统的再认识，它伴随着人机系统的全生命周期。只有正确地分析评价现实系统，才能提出对系统的改进设计，才能使人机系统不断完善和提升。人机系统设计将是一个“设计——评价——再设计——再评价”不断发展的过程。一.连接的概念与类型指人机系统中的“人与机器”、“人与人”、“机器与机器”之间为完成某种功能而发生的作用联系。连接方式有：人-机连接、人-人连接、机-机连接。

（1）人与机连接：操作者通过感官（视觉、听觉、触觉等）接受机器的信息，或操作者通过控制器对机器实施控制操作，从而形成人与机器之间的相互作用关系。（2）人与人连接：操作者之间通过信息联络，使系统正常运行，而产生的作用关系。

（3）机与机连接：机器之间存在的依次控制或信息传递，而产生的作用关系。

例如：计算机控制中的上位机和下位机的关系。8.2连接分析法二、人机系统的连接表示方法：

按连接性质，人机系统的连接表示方法主要有两种：

1、对应连接作业者通过感觉器官接受他人或机器发出的信息，或作业者根据获取的信息进行的操作所形成的人机作用关系。

例1：吊车操作员根据调度的口令或手势进行相应的操作。例2：操作人员看到红灯，马上关机（视觉）。

例3：班长口号“齐步走”、“立正”等（听觉）。对应连接有两种方式：

（1）显示指示型对应连接：接受方式为显示器。

以视觉、听觉、触觉（操作）来接受指示，所形成的对应连接称为显示指示型对应连接。人显示器接受信息（2）反应动作型对应连接：作用方式为控制器。

操作人员得到信息后，以各种反应动作操纵各种控制装置，而形成的连接称为反应动作型对应连接。人控制器作用方式2、逐次连接操作者在进行某一项工作过程中，为实现人机系统目标，需进行多次逐个连续的动作过程，所形成的连接为逐次连接。例1：内燃机车司机启动列车的过程。信号→正副司机对话（人-人连接）→手动操作列车制动器缓解→鸣笛→缓解制动器→手柄置前行位置→提主控手柄→打开撒砂开关→提主控手柄→关撒砂开关→置主控制手柄于运行位置→例2：汽车启动动作过程。点火→油门→换挡→正常行驶注意：逐次连接主要用来表示得到信号后，按一定顺序完成的若干动作过程。三、人机系统的连接分析

1.连接分析的概念综合运用感知类型（视觉、听觉、触觉等）、使用频率、作用负荷和适应性，分析评价人机系统信息传递效果。连接分析涉及到人机系统中各子系统的相对位置、排列方法和交往次数。2、连接分析的目的

合理配置各子系统的相对位置及其信息的传递方式，减少信息传递环节，使信息传递简洁、通畅，提高系统的可靠性和运行效率。连接分析的具体实施策略：

（1）依据“视看频率、重要程度”合理配置显示器和操作者的相对位置→保证视线通畅、视距适当、便于观察。（2）依据“操作频率、重要程度”将控制器布置在适当的区域→便于操作，提高操作的准确性。通过连接分析，可以使各子系统（人、控制器、显示器）的信息传递路线最短。1.根据人机系统画出连接图：连接分析法所采用的通用符号：作业者控制装置、显示装置“实线”表示操作连接“点划线”表示视觉观察连接“虚线”表示听觉信息传递连接2.调整连接关系：减少操作动作、行走等连接的交叉线（减少交叉环节）。

修改图四.连接分析的基本步骤与方法例：控制室系统设计。3.综合评价

对于比较复杂的人机系统，上述图解方法使用起来很困难，这时可以引用系统的“重要程度”和“使用频率”两个因素进行分析和优化。“使用频率”——按使用频率大小对连接进行评价。“重要程度”——一般请有经验人员确定连接的重要程度。通常以“使用频率”和“连接重要程度”的相对值乘积作为标准，尽量采用综合评价方法对不同系统进行分析和优化。应用上式可以同时考虑“使用频率”和“连接重要程度”这两个因素进行综合评价，这样可以保证相对重要的系统和使用频率高的子系统距离操作者近。综合评价值=使用频率×重要程度4.运用感觉特性配置人机系统在人机系统中，“人与显示器”及“人与控制器”之间形成视觉连接、听觉连接或触觉连接（控制、操纵连接），其中视觉连接和触觉连接配置在人的前面，即面对面操作。听觉信号可以不来自于人的前面，就可以被感知（无方向性）。因此，优化系统配置对除了上述的“减少交叉、考虑综合评价值原则”外，还应考虑“感觉特性”配置系统的连接方式。

例如：三人操作五台机床。1.对应连接分析

分析的目的是“减少交叉”和“减少行走距离”，进行室内布置设计。

例如：雷达工作室的人机连接优化。五.连接分析法的应用2.逐次连接分析接到信号后，操作控制器是按照一系列的动作进行的，（符合一定的逻辑顺序）。若各控制器的布置不合理，会造成操作路线过长（交叉太多），影响操作的准确性和效率。运用逐次连接分析法可以优化控制面板的布置，使各控制器合理布置，达到减少动作路线的交叉及控制动作所经过的距离。

例如：机载雷达控制面板的布置优化。注意：连接分析法只是给出了一种思路，目前只是手工经验改进，要实现精确的优化必须有相应的优化算法支持。8.3操作顺序图法看见灯光（接受信息）按开关（动作）一、操作顺序图法及其表示符号操作顺序图（OSD——OperationalSequenceDiagraming）法，也称有效图表法，是以图表示由“信息——决策——动作”组成的作业顺序，用于分析人与机器操作之间的逻辑关系的分析方法。

操作顺序图的符号。二、分析步骤

1.作业顺序的描述：分为两种情况。（1）简单作业顺序描述表示接受信息后，作出动作反应。用“符号——连线”表示。

例如：看见灯光后，按动开关的操作顺序图表示。分两种情况：a.以操作者为中心的描述：仅考虑作业者。外部信息→接受信息（决策）→动作b.以系统为中心的描述：将显示器、控制器、人作为一个系统来考虑。按开关（动作）看见灯光（接受信息）开灯（发信号）以操作者为中心的描述按开关（动作）看见灯光（接受信息）开灯（发信号）以系统为中心的描述（2）存在误操作的作业顺序描述考虑失误的作业描述。灯没亮看见灯亮未见灯亮未按按钮按下按钮（b）灯没亮图8.22OSD符号描述人操作失误灯亮看见未看见未按按钮按下按钮（a）灯亮2.操作顺序图主要分析的内容（1）反应时间分析在绘制操作顺序图的基础上，引入时间要素进行反应时间分析。按开关看见灯光开灯01234操作者B反应慢按开关看见灯光开灯01234操作者A动作慢（2）人机系统的可靠性分析在操作顺序图上标出准确率和误操作率（概率），分析出系统的可靠性。如故障树图。看见灯光开灯没看见灯光按开关没按开关90%10%1%99%8.4人机系统可靠性分析

一．可靠性与可靠度的含义在人机系统中，可靠性是指人或机器在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性指标与机器的技术性能指标或人的生理、心理指标间既有区别又有联系的。一方面前者是以后者为基础，另一方面，前者又与环境条件、管理、法规、时间等有关系，它不能用仪器直接进行测量，而必须通过实际使用或试验获得大量数据后，才能作出估计。可靠性的数量指标称为可靠度。可靠度的定义是指人或机器在规定条件下和规定时间t内完成规定功能（无故障）的概率。用如下式子表示：式中，R（t）为可靠度；为概率；表示寿命，是一个随机变量。二.人机系统可靠度计算要评价一个人机系统的可靠性，必须同时考虑机器的可靠度（RM）和人的可靠度（RH），则人机系统的可靠度（RS）由下式计算：人机系统可能由多个子系统组成，各子系统的连接方式不同，系统的可靠度计算方法亦不同，下面介绍几种常见的串、并联系统计算可靠度的方法。1、串联系统可靠度计算串联系统中如果有一个子系统发生故障，即可导致整个系统故障，或者各子系统都正常系统才正常。串联系统系统可靠度计算式为式中，RS——系统可靠度；Ri——各子系统可靠度。

R2Rn-1R1Rn2、并联系统可靠度计算并联系统若有一子系统正常，则系统正常，若各子系统都不正常，系统才不正常。并联系统系统可靠度的表达式为：R2Rn-1R1Rn式中，RS——系统可靠度；Ri——各子系统可靠度。

3、冗余人机系统的可靠度计算把多余的要素加入到系统中构成并联系统称为冗余系统。

冗余系统可以使系统具有冗余度，冗余系统是提高系统可靠性的一种有效方法。例如，一人监视仪器→两人监视仪器→提高系统可靠性。RH1RmRH2失误环节冗余系统的可靠性计算：三.海洛德法评价人在最佳视野——水平视线上下左右各15°的正常实现区域以内最不容易发生错误。因此，在该范围内设置仪表或控制器时，误读率或误操作率极小，离开该区域越远，则误读率和误操作率将逐渐增大。对于多个仪表的监视，评价仪表配置是否合理，这时操作人员的有效作业概率为式中，P——有效作业概率（可靠度）；

Di——仪表放置位置不同时的劣化值（失误率）。例1：某仪表显示面板安装6种仪表，其中有5种仪表安装在水平视线15°之内，有1种仪表装在水平视线50°的位置上，求操作人员有效作业概率。解：由表8-4查得

安装在水平视线15°以内5种仪表的劣化值D=0.0001，在水平视线50°的仪表的劣化值D=0.0020，则操作人员有效作业概率系统除了主操作人员外，还配备了其他辅助人员，则该系统中操作人员有效作业概率可用下式计算式中，P——操作人员进行有效操作的概率；

n——操作人员数（包括辅助人员）；

T1——辅助人员修正主操作人员差错的行动时间裕度，以百分比表示；

T2——剩余时间百分比，T2=100%－T1。并联在例1中，P=0.9975，n=2，T1=60%（估计），T2=100%－60%=40%，计算R为8.5人机系统评价法主要介绍三种方法。一、校核表评价法利用工效学原理，检查构成人机系统各种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。通常包括六个方面，下面为这六个方面分析的内容：

1.作业空间分析主要包括：分析作业空间的宽敞程度、影响作业者活动的因素（如，容膝空间、工作台高度等）、显示器和控制器是否便于观察和操作等。

2.作业方法分析主要包括：作业方法是否合理（不良体位、姿态等），作业速度是否合理、作业是否有效等。

3.环境分析分析作业现场的微气候、照明、噪声等，考察环境是否符合作业者的心理和生理要求、是否引起疲劳等。4.作业组织分析分析作业空间、休息时间及换班制度是否合理、作业速率是否影响作业者的健康和作业能力的发挥等。5.负荷分析分析作业强度、感知觉系统的信息接受通道与容量的分配是否合理，操作装置的阻力是否符合人的生理特征。6.信息的输入和输出分析分析系统的信息显示、信息传递是否便于操作者观察和接受，操作装置是否便于区别和操作。上述六项可以制作为评价表（问卷表），通过打分，然后由“加权平均法”得到最终的评价值。利用各种指标的评价值，评价“人与机”、“机与机”、“人与人”等相互位置的安排，判断空间布置是否科学合理，以及提出各种改进方案的评价方法。常用的有四种方法：

①密度指数法；②可通行指数法;（①②属于空间指数法）；

③视觉环境综合评价指数；④会话指数法。

1.空间指数法(indexofspace)

背景：

(1)作业空间狭窄会使操作者采用不良姿势或体位进行操作，从而影响操作者操作能力的正常发挥，同时也使操作者提早产生疲劳或加重疲劳、降低工作效率。

(2)狭窄的通道或入口，会造成操作者无意触及危险物件或操作错误，导致事故。因此必须引入一些指标来评价和判断作业空间、通道和入口状况。常用的有：密集指数和可通行性指数。二、工作环境指数评价法（1）密集指数表明作业空间对操作者作业活动范围的限制程度。查耐尔（R.C.Channell）和托克特（M.A.Tolcote）将密集指数划分为四级，最好的是3，最差的是0，如下表所示。指数值密集程度典型事例

3能舒适地进行操作在宽敞的地方操作机床

2身体的一部分受到限制在无容膝空间的工作台操作

1身体的活动受到限制在高台上仰姿操作

0受到显著限制，操作相当困难维修化铁炉内部（2）可通行性指数表示通道、入口的畅通程度。实际工作中，可通行性指数的选取与作业人数、出入频数、发生紧急情况时能否造成堵塞以及这种堵塞可能带来后果的危害程度等有关。

例如：电影院。下面是可通行性指数，共分四级。可通行指数值入口宽度/cm说明

3>90可两人并行

260～90一人能自由通行

145～60仅容一人通行

0＜45通行相当困难2.视觉环境综合评价指数法（定量分析）也称可视性指数，是评价作业现场能见度和视觉对象（显示器、控制器）能见状况的指标。该方法借助评价问卷（留置问卷），考虑光环境中多项影响人的工作效率与心理舒适程度的因素，通过主观判断确定各项评价项目所处的条件状态，利用评价系统计算各项评分及总的视觉环境指数（可视性指数），以实现对视觉环境的评价。该评价过程大致分为四步。（2）确定分值及权值对各评价项目均分为由好到坏4个等级，相应的分值为0、10、50、100。优（0）良（10）中（50）差（100）①对环境的第一印象√

②照明强度√

③眩光感觉√

（1）确定评价项目①对环境的第一印象；②照明强度；③眩光感觉；④亮度分布；⑤光影；⑥颜色显现；⑦色光；⑧表面装修与色彩；⑨室内结构与陈设；⑩同室外的视觉联系。式中，Sn

——第n个评价项目的评分（k=1,2,…….,10）；

Pnm——第m个状态的得分值（0，10，50，100）；

Vnm

——第n个评价项目的第m个状态所得票数。（3）综合评价指数计算式中，S——视觉环境评价指数；

Wn——第n个评价项目的权值。例如：优（0）良（10）中（50）