第十三章 人机系统

第十三章人机系统

13.2人机系统设计

13.1人机系统概述13.1人机系统概述（1）含义——是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。（2）人机系统的基本模式

①人的子系统感受刺激——大脑信息加工——做出反应（S—O—R）；

——S—O：由各种感觉器官与大脑中枢组成，传入神经作联络纽带，收集信息、发现问题，大脑加工作出判断、决策；——O—R：由大脑中枢与运动器官组成，传出神经作联络纽带，执行大脑发出的指令，做出反应。

13.1.1人机系统

②机器的子系统

控制装置——机器运转——显示装置（C—M—D）——C—M：由控制器和机器的转换机构组成，是机器接收操作者的指令，实现机器运转、调控；——M—D：由机器的转换机构和显示器组成，反映机器运行过程和状态的信息；——如：键盘——主板——显示器。

③人机界面

——人与机器之间存在一个相互作用的“面”，所有人机信息交流都发生在这个作用面上；——如计算机：信息输入界面——显示屏信息输出界面——键盘13.1人机系统概述13.1人机系统概述（3）人机关系——是指人—机—环境系统中人与机器这两个主要要素之间的相互关系。

①人机关系形式——手工作业形式——机械化

——半自动化——自动化在人机系统中，人永远处于主体地位，人的作用只有随着机器的进步而转移，绝不会减少，更不会消失。13.1人机系统概述（4）人机系统的类型

①按有无反馈控制分类——开环人机系统——闭环人机系统

②按系统自动化程度分类

——人工操作系统——半自动化系统——自动化系统

③按人机结合方式分类

——人机串联：手工操作、直接介入工作系统(如人操作机床)；

——人机并联：半自动化系统，人以监控、管理为主（如操作数控机床）；——人机串并联混合：13.1人机系统概述13.2人机系统设计（1）人机系统设计目的——根据人的特性，设计出做符合人操作的机器、设备、器具、最醒目的显示器。（2）人机系统设计要求

——能达到预定目标，完成预定任务；——人与机都能充分发挥各自的作用并协调工作；——人机系统接受输入和输出的功能，都必须符合设计的能力；——要考虑环境因素的影响；——应有一个完善的反馈闭环回路。

（3）人机系统设计总程序

13.2人机系统设计（4）人机系统设计过程

13.2人机系统设计13.2人机系统设计（5）人与机器的功能分配

①人优于机器的功能——感知觉方面——多种渠道接收信息

——随机应变能力（高度的灵敏性和可塑性）——记忆（信息的分析、判断）——总结经验、推陈出新（创新能力）——归纳推理——感情、意识、个性

②机器优于人的功能——能平稳、准确地运用巨大动力；——动作速度快、信息传递、加工和反应速度快；——可达到高精度；——稳定性好、可长期工作；——感受和反应能力强（如超声波、辐射、微波等）——可在恶劣条件下工作；——可同时完成多种操作。

13.2人机系统设计

③人与机器的功能匹配

——目标：达到最佳匹配，整体效能最优；——人的基本界限：准确度体力运作速度知觉能力——机器判断能力界限：性能界限正常动作界限判断能力界限费用界限；——发挥人与机器的各自特长；——除功能匹配外，实现人机配合（一方面需要人来监控机器，另一方面需要机器来监督人）13.2人机系统设计（5）人机界面设计——人控制机械：是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。——人接受信息：是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，迅速准确。——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。作业空间设计，作业分析，人机结合方式等也是人机界面设计的内容。

13.2人机系统设计第十四章人机界面设计

14.2控制器设计

14.1显示器设计

14.3控制器与显示器组合设计

14.2控制器设计

14.1显示器设计

14.3控制器与显示器组合设计第十四章人机界面设计14.1显示器设计（1）显示器——信息显示装置，是人机系统中专门用来向人的感觉器官传递信息的装置。人因工程学所要解决的不是机器、设备本身的技术问题，而是从适宜于人使用的角度，为人机界面装置的设计和选择提供参数和要求。（2）显示器类型（按照接受感官的不同）

——视觉显示器——听觉显示器——触觉显示器

14.1.1显示器概述14.1显示器设计14.1显示器设计（1）视觉显示器——利用人的视觉通道向人传递信息的装置。（2）视觉显示器分类

①按照显示信息的时间特性分类

——动态显示器：手表、温度计、速度表、电视——静态显示器：广告牌、交通标志、印刷符号

②根据显示信息的精度要求分类——定量显示器（速度盘、标尺）——定性显示器（红绿灯）

14.1.2视觉显示器的设计

③按照显示器的结构特点分类

——机电仪表显示器——荧屏（电光）显示器——灯光显示器

④根据显示器的功能分类

——读数显示器——核查显示器——告警显示器——追踪显示器——调节显示器14.1显示器设计14.1显示器设计（3）视觉显示器的选择

①确定待设计显示器的功能要求

——显示内容——是否需要动态显示——采用何种信息编码形式——作业空间对视觉显示器有何限制——照明条件

②考虑人的感知特征和显示器的物理特性，确定具体的设计要求。

③根据设计要求与各种显示器物理特性的比较，选定符合要求的显示器。

14.1显示器设计（1）类型选择——读数用仪表：数字式——检查用仪表：指针运动式——警戒用仪表：将警戒区、危险区与其它区域标以不同的颜色——追踪用仪表：模拟式——调节用仪表：指针运动式14.1.3仪表类显示器的设计刻度盘的设计仪表刻度盘的尺寸刻度、刻度线指针与盘面数码与字符设计颜色14.1显示器设计仪表类显示器的设计内容②刻度线间距——与最大视距有关（330mm-710mm）——长刻度间距＞12.7mm——短刻度间距＞1mm③刻度标数晋级和递增方向——递增方向：顺时针、左

右及下上

④字符形状和大小

——应简明、醒目、易读⑤刻度直径⑥刻度标数14.1显示器设计（1）仪表的刻度盘

①刻度线高度14.1显示器设计好不好好不好14.1显示器设计仪表形式与误读率14.1显示器设计（2）仪表的指针——指针的大小、宽窄、长短和颜色配置等必须符合人的生理和心理特征。——指针的形状应力求简单、指示明确、不附加装饰。——指针尖的宽度应与最短的刻度线等宽。——对于高精度的仪表，指针与刻度盘必须装配在同一平面内。指针长度要合适。——一般认为指针尖离刻度有1.6mm左右的距离较好。14.1显示器设计（4）仪表颜色——14.1显示器设计颜色配比级数14.1显示器设计仪表布置原则14.1显示器设计14.1.4信号显示器的设计（1）信号灯

①特征与类型——优点：显示面积小，视距远，简单明了——缺点：信息负荷有限、当信号太多时，会造成混乱和干扰——作用：发出指示性信息（如提醒注意、指示操作）；显示工作状态（如：反映某个指令、某种操作）——类型：图形信号灯、简单指示灯和透射图示监控版

②形状和颜色——图形形状：简单、明显，应与所代表的有逻辑联系（如：×○）——颜色：红色（禁止、危险警报）、黄色（注意和警告）、绿色（安全、正常）、蓝色（指令、指示）、白色（其他状态）——颜色的优劣次序：黄、紫、橙、浅蓝、红等③亮度与环境——亮度：高于背景亮度的两倍以上（背景亮度以灰暗无光为好）——闪光信号：f=0.67-1.67Hz，通过改善信号灯的背板颜色、大小和设置方式等，提高视认效果14.1显示器设计14.1显示器设计（2）荧屏显示器设计

①特点——能同时显示多种信息（文字、图形、符号等）——适合显示动态信息——显示形象化、格式灵活、使人一目了然——其显示效率主要与目标条件（形状、大小、亮度、呈现时间、余辉、颜色、运动速度等）、背景的关系等因素有关。

②目标亮度、呈现时间

——亮度：不超过34cd/㎡——呈现时间：2-3S（最佳时间）——余辉：目标呈现结束后残留在屏面上的亮点③目标的运动速度——运动的目标易于察觉，但不易于分辨。④目标形状与颜色——形状优劣顺序：△

○□＋——颜色：多用绿色（红色易产生视觉疲劳）⑤屏面亮度——亮度对比度：——背景亮度最优值：68.6cd/㎡

——环境照明：屏面应与窗户平行，屏面亮度应与与环境亮度一致（这时察觉、识别和追踪效率为最佳）

14.1显示器设计14.1.5标志符号显示（略）详见P332-33614.1显示器设计14.1.6听觉显示器设计听觉显示器——利用声音通过人的听觉通道向人传递信息的装置，可分为声音听觉显示器和言语听觉显示器两大类。

（1）听觉显示器应用场合——信号源本身是声音；——视觉通道负荷过重；——信号需要及时处理；——使用视觉受到条件限制；——显示某种连续变化而不需要短时存贮的信息等

14.1显示器设计（2）听觉显示器设计和使用原则——概念上兼容性：尽量使信号和人们所熟悉的现象概念联系起来（如：高频——加速，尖叫——紧急）——声压级的选择：保证在位于信号接受范围内的人都能识别，并按规定做出反应在一个或多个倍频程度范围内超过听阈10dB以上——选择适宜的信噪比：信号强度必须强于环境噪音——频率选择：一定要远离环境噪声频率；长距离传送：1000Hz以下，穿越障碍：500Hz——使用间歇性信号：——视听双重报警信号：时间上均匀变化的脉冲信号，音调有高低变化的变频信号，突发性高强度音响信号（如：红外防盗）14.1显示器设计（3）听觉信号的响度要求响度水平的确定主要依赖于接收者的作业性质和周围环境的噪声水平。——在实际使用场合，信号经常伴随着一定的噪声背景出现，该类信号的响度必须提高到足以抵消掩蔽效应的水平。——信号响度的增加对提高觉察效率有显著作用。一旦信号响度高于掩蔽阈限15dB(A)，背景噪声影响会大为减弱，此时若继续提高，效率提高甚微。14.1显示器设计思考题（1）为什么警车、救护车的车灯，均采用较亮的周期变化的灯光，并伴有周期变化的高频报警声？因为警车、救护车在道路行使过程中要求快速，为使人们能快速躲闪，保证速度和安全，在信号设计时采用光信号和声信号，光信号采用快速闪烁的信号并有一定的亮度保证，以保证人们对信号的识别，声信号采用高频、周期性变化会使人有紧迫感，急于躲避车辆。两个信号同时使用可提高正确反应率。14.2控制器设计14.2.1控制器分类控制器——是人用以将信息传递给机器，使之执行控制功能，实现调整、改变机器运行状态的装置。

（1）按人体器官或行为分类——手动控制器——脚动控制器——声音控制器（2）按功能控制形式分类

——开关控制器——转换控制器——调整控制器——制动控制器14.2控制器设计（3）按输入信息的特点分类——离散位选控制器——连续调节控制器（4）按控制器运动形式分类

——旋转控制器——摆动控制器——按压控制器——滑动控制器——牵拉控制器摇把式控制钮

14.2控制器设计14.2控制器设计14.2控制器设计14.2控制器设计14.2控制器设计人们在使用控制器时常发生的主要错误——辨别错误；——调节错误；——逆转错误；——无意识引发；——难以触及；14.2控制器设计人们在使用控制器时常发生的主要错误——辨别错误；——调节错误；——逆转错误；——无意识引发；——难以触及；——尺寸、形状要适应人体结构尺寸要求；——与人的施力和运动输出特性相适应；——多个控制器时，应易于辨认和记忆；——尽量利用控制器的结构特点或操作者体位的重力进行控制；——与显示器或被控对象的工作状态相适应；——尽量设计多功能控制器。14.2控制器设计控制器设计的基本原则——控制器的形状、大小、位置、运动方向、运动范围和操纵力等都要符合人的生理和心理特征，且在手和脚的最佳操作范围内，以保证操作的舒适和方便。控制器设计内容14.2控制器设计14.2.2控制器的编码（1）形状编码——是将不同功能的控制器设计成不同的形状及表纹，便于操作者辨认，不易发生混淆。——控制器形状与它的功能有逻辑上的联系，便于形象记忆。——控制器形状应能在不同视觉或有必要戴手套情况下，凭触觉可分辨。

14.2控制器设计（2）位置编码——是通过位置安排不同来识别控制器的一种形式。

①分类——视觉定位——盲视定位：离合器、制动器、油门、档位、手刹②位置分布——按功能组合排列——使控制器与显示器具有相对应位置——同一种控制器放在相同位置上，各区之间用位置、形状、颜色、标记等加以区分——重要控制器放在人肢体最佳活动范围内14.2控制器设计14.2控制器设计（3）大小编码——是通过控制器的尺寸大小不同来识别控制器的一种形式（视觉和触觉）。——通常用来指示控制器的相对重要性或增益大小。——最好与形状编码等组合使用。——作绝对辨认（4）操作方法编码——通过来自不同操作方法产生的运动觉差异来识别控制器的一种形式（如：推、拉、压、扭等）。——不单独使用，与其他方法组合使用（备用方法）。——不能用于时间紧迫或准确性高的场所。14.2控制器设计（5）颜色编码——利用颜色不同来识别控制器（只用于视觉）。——常用颜色：红、橙、黄、绿、蓝。——与形状、位置、大小编码组合使用。——与照明条件匹配（6）标记编码——通过标注图形符号或文字来识别控制器（只用于视觉）。——图形符号：通用规范、简明易懂。——文字：简明易懂，不搞专业词汇。——标记要清晰14.2.3控制器的形状与用力（1）控制器的形状——应使手腕与前臂尽可能在纵向形成一条直线，避免手腕弯曲。——控制器的形状应便于人的使用，利于人对控制器的施力。——对于使用手指指尖按压的控制器，其按压面的形状应呈凹形。——使用手掌按压的控制器，其按压面的形状则应呈凸形，使之适合于指尖和手掌的操作。

14.2控制器设计（2）控制器的操作用力——操作反馈：指操作在操纵控制器过程中，从环境和本身获得信息（靠触觉、视觉、听觉等）。其作用在于协助操作者判定自身或身体一部分的空间位置、姿势及操作情况——寻找控制感觉。——控制器阻力

14.2控制器设计14.2.5控制器的选用与设计（1）手动控制器——应符合人体测量学、生物力学与生理学等方面的特性——旋钮：主要用拇指和食指进行操作（精调、连续调节或旋转开关）。

14.2控制器设计——按钮

①分类——闭锁式：按—开、断—开——瞬时式：按—开、断—关——间歇式：按—开、按—关。

②大小

——食指用：Φ10-20mm

——拇指用：Φ30mm

——手掌用：Φ50mm

③阻力

——食指用：≮2N——手掌用：≯50N

14.2控制器设计

——开关

①分类——旋转开关：可有多档，重点考虑调节位置的指示方式——扳动开关：ON、OFF

——操纵杆

①特点

——可用较大的操纵力（前后、左右、推拉）

——在较小范围内快速精确调节

②设计要求

——操纵杆长度：根据位移量与操纵力决定——操纵角度：30°

-60°

——操纵杆把手位置：

14.2控制器设计（2）脚动控制器——不如手动控制器的用途广泛，多用于坐姿。——脚踏板：整脚踏板和脚尖踏板——脚踏扭：脚尖和脚跟。

14.2控制器设计14.3控制—显示组合设计通常显示器与控制器是联合使用的，因此对于显示器和控制器的设计，不仅应使其各自的性能最优，而且应使它们彼此之间的配合最优。

（1）控制—显示比——指控制器的位移量与对应的显示器可动元件的位移量之比。

14.3控制—显示组合设计（2）控制—显示空间相合性

——控制器与其相对应的显示器在空间位置上有明显的联系。

AB

14.3控制—显示组合设计Whichoneisthebetter？14.3控制—显示组合设计（3）控制—显示运动相合性

——控制器运动能使与其对应的显示器在产生符合人的习惯模式的运动。——在同一平面上的旋转式控制器与旋转式显示器最佳运动兼容——在同一平面上的旋转式控制器与直线型显示器最佳运动兼容(瓦里克原则)——在不同平面上的控制器与显示器的最佳运动兼容

——在较复杂的控制室中，控制器可布置在操作者的前方、上方、左方、右方等位置。此时，控制器的运动方向，应根据其所在位置按下图确定。14.3控制—显示组合设计14.4累计损伤疾病与工具的设计（1）累计损伤原因

——受力：是产生累计损伤的必要条件。挤压使软组织、肌肉或关节的运动无法保持在舒适的状态。——重复：会产生更多的肌肉施力，致使肌肉收缩得更快、更频繁，引起组织的紧张。——姿势：是产生累计损伤的重要原因。作业姿势决定关节的位置避免超负荷、操作关节不平衡、静态施力。——休息：疲劳会增加软组织损伤的可能性，充分的休息可以使肌肉恢复自然状态。

14.4累计损伤疾病与工具的设计——避免静肌负荷（2）手握式工具设计——保持手腕伸直14.4累计损伤疾病与工具的设计——使组织压迫最小——减小手指的重复运动14.4累计损伤疾病与工具的设计第十五章劳动安全与事故预防

15.2

事故产生的原因

15.1

人机系统的安全性分析与评价

15.3

事故预测与预防15.1

人机系统的安全性分析与评价（1）含义——从安全的角度对人-机-环境系统中的危险因素进行的分析，它通过揭示可能导致系统故障或事故的各种因素及其相互关系来查明系统中的危险源，以便采取措施消除或控制它们。15.1.1人机系统安全分析15.1

人机系统的安全性分析与评价（2）系统安全分析的内容——可能出现的初始的、诱发的及直接引起事故的各种危险源及其相互关系。——与系统有关的环境条件、设备、人员及其它有关因素。——利用适当的设备、规程、工艺或材料控制或根除某种特殊危险源的措施。——对可能出现的危险源的控制措施及实施这些措施的最好方法。——对不能根除的危险源失去或减少控制可能出现的后果。——一旦对危险源失去控制，为防止伤害和损害的安全防护措施。15.1

人机系统的安全性分析与评价（2）系统安全分析的方法——检查表法(Checklist)——预先危害分析(PreliminaryHazardAnalysis，PHA)。——故障类型和影响分析(FailureModelandEffectsAnalysis，FMEA)——危险性和可操作性研究（HazardandOperabilityAnalysis，HAZOP）；——事件树分析(EventTreeAnalysis，ETA)。——故障树分析(FaultTreeAnalysis，FTA)

——因果分析(Cause-ConsequenceAnalysis,CCA)15.1

人机系统的安全性分析与评价（1）概述——是一种描述事故因果关系的有方向的“树”，是安全系统工程中重要的分析方法之一。它能对各种系统的危险性进行识别评价，既适用于定性分析，又能进行定量分析。——事故树是从结果到原因描绘事故发生的有向逻辑树，是用逻辑门联接的树图。15.1.2故障树分析法15.1

人机系统的安全性分析与评价（2）分析步骤——确定所要分析的系统：确定系统中所包含的内容及其边界范围，明确影响系统安全的主要因素。——熟悉系统：详细了解系统状态及各种参数，绘出工艺流程图或布置图。

——调查系统发生的事故：调查所要分析的系统过去和现在所发生过的各类事故，收集国内外同类系统曾发生过的所有事故，找出本系统事故发生的规律，设想给定系统可能要发生的事故。

——确定顶上事件：顶上事件就是要分析的对象事件。一般来说要确定那些易于发生且后果严重的事故作为事故树分析的顶上事件。15.1

人机系统的安全性分析与评价——调查原因事件：从人、机、环境出发调查与事故有

关的所有原因事件和各种因素。——绘制事故树图：采用规定的符号，从顶上事件起，一级一级找出直接原因事件，按其逻辑关系，绘制出事故树图。

——定性分析：按事故树结构，利用布尔代数化简事故树，求取事故树最小割集或最小径集，分析基本事件的结构重要度，根据定性分析的结论，确定预防事故发生的措施。

——定量分析：确定各基本事件发生的失误率，并计算其发生的概率，标在事故树上，并求出顶上事件发生的概率，分析各基本事件的概率重要度。

——进行安全评价：根据损失率的大小评价该类事故的危险性。15.1

人机系统的安全性分析与评价（3）故障树的编制

15.1

人机系统的安全性分析与评价

斜巷跑车矿车箕斗掉道斜巷运输事故

故障状态

安全设施失效效

设备故障

操作失误

缺少信号装置安全保护装置失效无安全保障装置违章操作操作方法错误操作信号错误人员位置错误

不走人行巷道巷道断面不合适

人行巷道太窄无人行巷道设备失修

钢丝绳破损矿车连接装置破损指挥监护者失职抢救不及时＋

带手套整形卷扬机碾绞工人死亡事故手与旋转中的机件接触现场指挥监护未起作用违章作业＋＋未看见看见未制止疏忽蛮干缺乏安全知识无指挥监护整绳未停机ABDCEF15.1

人机系统的安全性分析与评价15.1

人机系统的安全性分析与评价（3）布尔代数运算法则及事故树的数学表达式

15.1

人机系统的安全性分析与评价15.1

人机系统的安全性分析与评价15.2

事故产生的原因多米诺骨牌论——认为伤害是由五因素的事件链造成的。五因素事件链——社会环境和管理欠缺→人为的过失→不安全动作或机械、物质危害→意外事件→人身伤亡的事件。4M法——从人、设备、环境与媒介、管理等四个方面进行分析。15.2

事故产生的原因（1）含义——在某一具体的人机系统中，人为失误是指人实际完成的职能与系统已设定的应该完成的职能之间发生偏差，从而对系统的目标、构造、模式、运行发生影响，使之逆转运行或遭受破坏。（2）五种情况

——未执行分配给他的职能。——错误地执行了分配给他的职能。——执行了未赋予他的份外职能。——按错误的程序或错误的时间执行了职能。——执行职能不全面。15.2.1人为失误15.2

事故产生的原因（3）人为失误的表现——操作错误，忽视安全、警告。——人为造成安全装置失效。——使用不安全设备。——手代替工具操作。——物体（指成品、半成品）存放不当。——冒险进入危险场所。——攀坐不安全位置，在起吊物下作业。——机器运转时加油、修理、检查、调整、焊接、清扫等。——有分散注意力的行为。——在必须使用个人防护用品用具的场合中忽视使用，或穿不安全装束。——对易燃易爆危险品处理错误。15.2

事故产生的原因（4）人为失误的分类

①按作业要求分类

——遗漏差错：遗漏了必须做的事情或任务、步骤。——代办差错：把规定的任务做错了。——无关行动：工作中导入无关的、不必要的任务或步骤。——顺序差错：把完成任务的顺序做错了。——时间差错：没有按规定的时间完成任务。

②按发生人为失误的工作阶段分类——设计失误：发生在设计阶段的人为失误，如：电梯设计时的超负荷限制器。。——操作失误：指操作者在作业操作中违反安全操作规程的不安全行为——检查或监测差错：发生在检查、检验、监视、控制等作业工作中的人为失误。。——制造失误：是影响产品加工质量的认为失误。15.2

事故产生的原因（4）人为失误的分类

③按人体因素和环境因素分类

——操作者个人特有的因素造成的人为失误——环境因素造成的人为失误

④按大脑信息处理程序分类

——认知、确认失误指从接受外界信息到大脑感觉中枢认知过程所发生为失误。——判断、记忆失误指从判断状况并在运动中枢做出相应行动决定到发出指令的大脑活动过程所发生的人为失误。——动作、操作失误：指从大脑运动中枢发出动作指令到动作完成过程中所发生的人的误操作。

15.2

事故产生的原因（5）人为失误产生的原因

①生理方面的原因

——大脑意识水平是不断变化的——大脑意识水平与人为失误发生概率直接相关——大脑生理机能的潮汐节奏

②心理方面的原因

——注意的心理特性——主观臆测：个人无根据地推测所做的随意性判断。是发生人为失误的重要原因。——心理环境——急迫时的行动——忘却意图——其他心理因素

15.2

事故产生的原因（4）人为失误的分类

③按人体因素和环境因素分类

——操作者个人特有的因素造成的人为失误——环境因素造成的人为失误

④按大脑信息处理程序分类

——认知、确认失误指从接受外界信息到大脑感觉中枢认知过程所发生为失误。——判断、记忆失误指从判断状况并在运动中枢做出相应行动决定到发出指令的大脑活动过程所发生的人为失误。——动作、操作失误：指从大脑运动中枢发出动作指令