第九章 人机系统功能匹配及安全防护装置设计

4、人机功能匹配中不合理的表现
1）把适合人的功能分配给机器，把适合 机器的功能分配给人，如汽车驾驶员驾驶 同时判断行驶里数； 2）人承担的负荷或速度超过人能力极限， 如缝纫机操作速度太快； 3）不能根据人执行功能的特点找出人机 之间最适宜相互联系的途径和手段，如设 计中没有考虑人的反应时间；
一、人的主要功能
人的主要功能
感受器（传感器）：感受信息， 感知工作和机器情况
信息处理器： 对信息处理分析、判断
控制器（操纵器）： 通过动作进行操纵
刺激与行为关系的示意图
行为的基本模式
人的信息加工模型
人机系统模型
二、机的主要功能
机的子系统分为C－M和 M－D系统。 C－M系统由控制器和机 器的转换机构（或计算机 主板）组成。这个系统的 任务是使机器接受操作者 的指令，实现机器的运转 与调控，把输入转换为输 出。 M－D系统由机器的转换 机构和显示器组成。
人优于机器的七个方面
3.人具有高度的灵活性和可塑性，能随 机应变，能应付意外事故和排除故障。 而机器应付偶然事件的程序往往是非 常复杂的。 4.人能长期大量储存信息，并且能随时 综合利用记忆信息进行分析与判断。
人优于机器的七个方面
5.人具有总结和学习功能而机器无论多 么复杂，都只能按照人预先编好的程 序工作。 6.人能进行归纳推理，在获得实际观察 资料的基础上归纳出一般结论，形成 概念并能创造发明。
第九章 人机系统功能匹配 及安全防护装置设计
安全人机系统主要由人、机、环境这三部分组 成。 人－机－环境系统工程的设计，重点是解决系 统中人的效能、安全、身心健康以及人机匹配 最优化的问题 。 必须做到机宜人，人适机，使人机之间达到最 佳匹配，这是一条基本的原则。

处理好人-机关系，才可能确保人机环系统总体 性能的实现。
人机功能分配的原则
1）比较分配原则 2）剩余分配原则 3）经济分配原则 4）宜人分配原则 5）弹性分配原则

在功能分配时，首先考 虑机器所能承担的系统 功能，然后将剩余部分 功能分配给人。在这当 中，必须掌握和了解机 器本身的可靠度，如果 盲目地将功能强加于机 器，则会造成系统的不 安全性。
环境条件与人心理生理及生物力学特性的匹配
人机功能分配的原则
1）比较分配原则 2）剩余分配原则 3）经济分配原则 4）宜人分配原则 5）弹性分配原则

通过人与机器的特性比 较，进行客观的和符合 逻辑的分配。如笨重的、
快速的、精细的、规律性的、单 调的、高阶运算的、支持大功率 的、操作复杂的、环境条件恶劣 的作业以及需要检测人不能识别 的物理信号的作业，分配给机器 承担。指令和程序的安排，图形 的辨认或多种信息输入时，机器 系统的监控、维修、设计、创造、 故障处理及应付突然事件等工作， 由人承担。
系统的总体目标
人与机的结合方式
9.2.1 设计的原则与要点
ISO6385－1981（E）国际标准规定了人 机工程学的一般指导原则，其中包括： 1.工作空间和工作设备的一般设计原则 2.工作环境的一般设计原则 3.工作过程的一般设计原则
三、人机特性比较
项目
智力
机器
无（智能机除外）
人
拥有观察力、注意力、记忆力、思维 力、想象力、创造力
操作处理 能力
操纵力、速度、精密度、操作量、操 作范围等均优于人的能力，在处理液 体、气体、固体方面比人强，但对柔 软物体的处理能力比人差
恒定 最适用于文字的再现和长期存储
可进行各种控制，手具有非常大的自 由度，能极巧地进行各种操作。从视 觉、听觉、变位和重量感觉上得到的 信息可以完全反馈给控制器
二、机的主要功能
机的主要功能
接受信息: 通过传感器接受信息 储存信息: 通过储存装置储存信息 处理信息: 对信息加工处理 执行功能:1机器本身产生控制功能， 2借助信号把指令从这个环节传递到下个环节
三、人机特性比较
在人机系统设计中，首先要按照科学
的观点分析人和机器各自的不同特点， 以便研究人与机器的功能分配，从而 扬长避短，各尽所长，充分发挥人与 机器的各自优点；从设计开始就尽量 防止产生人的不安全行动和机器的不 安全状态，做到安全生产。
人优于机器的七个方面
7.人是有感情、意识和个性的，人具有 能动性，人在社会活动中具有明显的 社会性。
机器优于人的七个方面
（1）机器能平稳准确地运用巨大动力，其 功率、强度和负荷大小可随需要而定。人 体要受人体结构和生理特性的限制。 （2）机器动作速度快、信息传递快、加工 和反应速度快。 （3）在感受外界的作用时，机器的精度高

四、人机功能匹配
人与机的几种结合形式
劳动者-工具
操作者-机器
监控者-自动化机器
监督者-智能机器
1、人机功能匹配的含义
人机功能匹配： 静态的功能匹配 动态人机功能匹配

对人和机的特性进行权衡分 析，将系统的不同功能恰当 地分配给人或机，叫人机功 对人和机的特性进行权衡分析， 考虑作业时变性及人的响应可变性的 能分配。 将系统的不同功能以固定的方式


举一个宇宙航行中飞船的例子，对于绕月 球飞船飞行的成功率来讲，国外文献分析 显示：如果采用全自动化飞行时成功率仅 为22%；如果采用有人参与时则为70%； 如果在飞行中航天员还能承担维修任务时 则为93%；对于登月飞行的成功率来讲， 这时后者为前者的4.2倍，充分说明了合 理的功能分配对完成人机系统的成功设计 非常重要。
动态人、机功能匹配：考虑作业时变性及 人的响应可变性的条件。系统功能的分配 依据作业定义、工作环境和当前系统组成 要素的能力等条件，随时作出相应的分配。
作业要求与可利用能力失配示意图
动态人、机功能匹配，要求作业不是以一 个固定的实体来设置，作业的构造能随着 系统的目标要求而变化，需要引进智能适 应界面系统或者辅助智能界面系统适应上 述变化，反应作业的重新构造与重新分配。
不能长时间地保持恒定功率，必须适 当休息，不能适应恶劣的环境 可存储大量信息，并进行多种途径存 取，擅长于对原则和策略的记忆
功率输出 记忆
三、人机特性比较
可以看出，人具有智能、复杂感觉能力、综合 判断能力、随机应变能力，对各种情况的决策 和处理能力等。而人的功能限度是准确性、体 力、速度和知觉能力； 机的优点是作用力大、速度快、高阶运算能力 和存储能力强、连续作业能力和耐久性能好。 机的功能限度是性能维持能力、正常动作、判 断能力、造价及运营费用。
通过教育训练，具有多方面的应变能 力，适应和应付突发事件能力强 在较宽的能量范围内承受刺激因素， 支配感受器适应刺激因素的变化，如 眼睛能感受各种位置、运动和颜色， 善于鉴别图像，能够从高噪声中分辨 信号，易受超过限度的外界环境刺激 的影响
灵活性
如果是专用机械，不调整则不能改 变其作业用途
输入灵敏度 具有某些超人的感觉，如有感觉电 离辐射的能力
机器优于人的七个方面
（4）机器的稳定性好，可终日不停重复工 作而不降低效率，人就存在疲劳问题 （5）机器的感受和反应能力一般比人高 （6）机器可同时完成多种操作而人一般只 能同时完成1-2项操作，且难以持久 （7）机器能在恶劣环境下（如高温、高压、 超重、缺氧、辐射）工作，人则无法忍受。
3、动态人、机功能匹配的方法
9.1 人机功能关系

人机系统 在一定的环境条件下，人机系统包括人和机两个 基本组成部分，它们互相联系构成一个整体。
人 机 系 统 模 型
对于一个复杂的人-机-环境系统，一方面 对人的功能进行适当开发和利用，对操作 人员进行必要的系统训练；另一方面在机、 环技术上采取措施，保证人员能力的发挥。 更重要的是采用系统分析方法对人机环系 统的研究与设计，合理的进行人与机之间 任务的科学分配。
1）信息由机器显示器传递给人时，应该 选择适宜的信息通道，避免信息过载，同 时设计符合人机学原则； 2）信息从人的运动器官传递到机器时， 应该考虑人的能力极限和操作范围，控制 器应该高效、安全、灵活、可靠； 3）设计时，应该充分利用人和机的各自 优势；

6、人机功能匹配应该注意问题
4）使用人机结合面的信息通道和传递频 率不能超过人的能力极限，并使机器适合 大多数人； 5）要考虑机器发生故障的可能性，以及 简单排除故障的方法和工具； 6）要考虑小概率事件的处理，对可能造 成破坏的小概率事件事先安排监督和控制 方法。
人机功能分配的原则
1）比较分配原则 2）剩余分配原则 3）经济分配原则 4）宜人分配原则 5）弹性分配原则

以经济效益为原则，合 理恰当地进行人机功能 分配。如对某一特定功 能．由机器承担时，需 要重新设计、生产和制 造；由人来承担时，则 需要培训、支付费用等。 这两者的经济效益通过 比较和计算来确定功能 的分配。
慢且易产生误差，但擅于修正误差 就人脑而言，其可靠性远远超过机械， 但在极度疲劳与紧急事态下，很可能 变得极不可靠，人的技术水平、经验 以及生理和心理状况对可靠性有较大 影响，可处理意外紧急事态
三、人机特性比较
项目 机器 人
连续性
耐久性高，能长期连续工作，但需 要适当维护
容易产生疲劳，不能长时间的连续工 作，且受年龄，性别与健康状况等因 素的影响
三、人机特性比较
项目 速度 占优势 机器 时间延时为1s 人
逻辑推理 擅长演绎而不易于改变演绎程序
计算 可靠性 快且精确，但不擅于纠正误差 按照恰当设计制造的机器，在完成规 定的作业中可靠性很高，而且保持恒 定，不能处理意外的事态。在超负荷 条件下可靠性突降。 可靠性与成本有关
擅长于归纳，容易改变其推理程序
人机功能分配的原则
1）比较分配原则 2）剩余分配原则 3）经济分配原则 4）宜人分配原则 5）弹性分配原则

系统的功能分配要适合 于人的生理和心理的多 种需求，有意识地发挥 人的技能。
人机功能分配的原则
1）比较分配原则 2）剩余分配原则 3）经济分配原则 4）宜人分配原则 5）弹性分配原则

系统的某些功能可以同 时分配给人或机器，这 样人可以自由选择参与 系统行为的程度。例如 许多控制系统可以自动 完成，也可手动完成， 尤其现代计算机的控制 系统，要有多种人机接 口，从而实现不同程度 的人机对话。
人优于机器的七个方面
1.在感觉与知觉方面,人的某些感官的 感受能力比机器优越。 2.人能运用多种通道接受信息，当一种 信息通道有障碍时可用其它通道补偿。 而机器只能按设计的固定结构和方法 输入信息。

9.2 人机系统设计的基本要求和要点
系统设计的思想和过程可由下图予以概 括。系统设计绝对不是某一个单一专业 领域所能胜任的事，它应该由专业工程 师、人机工程学家、心理学家、人类学 家等共同协作完成。
人机系统设计模型
人机系统设计的基本要求
1.能达到预定的目标，完成预定的任务。 2.要使人与机都能够充分发挥各自的作用 和协调地工作。 3.人机系统接受的输入和输出功能，都应 该符合设计的能力。 4.人机系路。
一、人的主要功能
人在操作活动中的基本功能示意图
一、人的主要功能
下图给出了人在操作活动中的基本功能示意图， 它集中体现在信息输入（即感受刺激（S））、 信息处理（即意识或称大脑信息加工（O））以 及行为输出（即作出反应（R）） 这三个过程中。 上述过程，心理 学家称之为行为 反应的S－O－R 模式。
条件。系统功能的分配依据作业定义、 恰当地分配给人或机，而且系统 工作环境和当前系统组成要素的能力 在运行中不随时加以调整，叫静 等条件，随时作出相应的分配。 态人机功能分配。
2、静态人、机功能匹配的 原则与方法
人机功能匹配的内容
显示器与人的信息感觉通道特性匹配
控制器与人体运动特性的匹配
显示器与控制器的匹配

5、人机功能不匹配的影响
1)如果不考虑人和机的适应，那么人既不 会舒适，也不会高效工作。 2)人机不协调或协调性差是违章操作的主 要原因，而违章操作可能会导致人为失误 甚至安全事故；其次操纵器、显示器、报 警器设计上的缺陷，未能达到最佳匹配也 会造成违章操作，造成事故。

6、人机功能匹配应该注意问题