第八章 人机系统设计、分析与评价

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； 1.47 kw的功率输出，人只能维持10秒钟； 0.37 kw的功率输出，人大约可维持几分钟； 只有在0.15 kw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。
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。
8.2
一.连接的概念与类型
连接分析法
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。
输入 指示器 控制器 机器或过程 输出
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。
人（动力源和控制者）
输入
信息储存 感觉 信息处理和决策 信息反馈 动作
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。 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。
输入
机 过程 信息储存 控制 感觉 信息处理和决策 动作
人（监测者） 信息储存 感觉 信息处理和决策 动作 信息反馈
机械
输出
3．按人机结合方式分类 （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。
（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。
输出
（2）半自动化、机械化作业系统 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。 例如：司机驾驶汽车、工人开机床等。
人（控制者）
输入
信息储存
感觉 信息处理和决策 动作 信息反馈
过程 控制
机械
输出
（3）自动化系统
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。 例如：水力发电站、自动机床等。
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。
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Baidu Nhomakorabea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。
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。
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。
（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。
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：
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。 例如：作业指导书、操作说明书就是一种作业规范。 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。
（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。
人 机
（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。
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。
人 机 机
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。
人
接受信息
显示器
（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。
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
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。
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。 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。
第八章 人机系统设计、分析与评价
本章内容提要
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
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
二．人机系统的类型 统。
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。
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。
输入 控制器 机器或过程 输出
（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。
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。
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