人机系统设计与范例分析

• ②座位装置应适合于人的解剖生理特点。 • ③应为身体的活动，特别是头、手臂、腿和脚活动提供足够的空间。 • ④各种操作器应布置在人的功能可及的范围内。 • ⑤把手和手柄应适合手的功能解剖学要求。 • 2.有关身体姿势、肌力和身体动作的设计 • 工作设备的设计应避免肌肉、关节、韧带，以及呼吸和循环系统必要
• 12.4.1人机功能分配
• 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。
• 人机功能分配必须建立在对人和机械特性充分分析比较的基础上，见 表12-2。一般地说，灵活多变、指令程序编制、系统监控、维修排除 故障、设计、创造、辨认、调整，以及应付突然事件等工作应由人承 担。速度快、精密度高、规律性的、长时间的重复操作、高阶运算、 危险和笨重等方面的工作，则应由机械来承担。随着科学技术的发展， 在人机系统中，人的工作将逐渐由机械所替代，从而使人逐渐从各种 不利于发挥人的特长的工作岗位上得到解放。
• 12.1.3人机系统的目标
• 由于人机系统构成复杂、形式繁多、功能各异，无法一一列举具体人 机系统的设计方法。但是，结构、形式、功能均不相同的各种各样的 人机系统设计，其总体目标都是一致的。因此，研究人机系统的总体 设计就具有重要的意义。
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12.2人机系统设计的原则
• 在人机系统设计时，必须考虑系统的目标，也就是系统设计的目的所 在。由图12-4可知，人机系统的总体目标也就是人因工程学所追求的 优化目标，因此，在人机系统总体设计时，要求满足安全、高效、舒 适、健康和经济五个指标的总体优化。
• 1.检查表编制方法 • 应根据评价对象和要求，有针对性地编制检查表，要求尽可能系统和
详细。 • 表12-4是提问式检查表的格式。
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12.5人机系统设计的评价
• 2.系统分析检查表 • 系统分析检查表是指对整个人机系统(包括人、机、环境)进行检查。 • 由于篇幅所限，这里仅介绍其中几个主要部分的检查内容供评价时参
行配置。其配置方法与信号的配置相同，可以根据控制器在过程中的 功能和使用顺序等，把它们分成若干部分。 • ⑥关键的控制器应有防止误动作的保护装置。
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12.2人机系统设计的原则
• 12.2.2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。
• 12. 2.1工作空间和工作设备的设计
• 1.与身体尺寸有关的设计 • 对工作空间和工作设备的设计应考虑到工作过程中对人身体尺寸所产
生的约束条件。 • 工作空间应适合于操作者，在设计时要特别注意下列各点; • ①工作高度应适合于操作者的身体尺寸及所要完成的工作类型。
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12.2人机系统设计的原则
的和过度的应变，力的要求应在生理上所期望的范围内，身体动作应 遵循自然节奏。身体姿势、力的使用，以及身体的动作应互相协调。
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12.2人机系统设计的原则
• (1)身体姿势主要应注意下列各点: • ①操作者应能交替采用坐姿和立姿。如果必须两者择一，则通常坐姿
优于立姿;然而工作过程也可能要求立姿。 • ②如果必须施用较大的肌力，那么应该采取合适的身体姿势和提供适
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12.1人机系统设计的目标
• 12.1.2人机系统的类型
• 1.按系统自动化程度分类 • (1)人工操作系统这类系统包括人和一些辅助机械及手工工具。如图
12-2 (a)所示，人直接把输入转变为输出。 • (2)半自动化系统这类系统由人来控制具有动力的机器设备，人也可 • 能为系统提供少量的动力，对系统进行某些调整或简单操作。在闭环
当的身体支撑，使通过身体的一连串力或扭矩不致损伤身体。 • ③身体姿势不应由于长时间的静态肌肉紧张而引起疲劳，应该可以变
换身体姿势。 • (2) 肌力主要应注意以下各点: • ①力的要求应与操作者的体力相一致。 • ②所涉及的肌肉群必须在肌力上能满足力的要求。如果力的要求过大，
那么应在工作系统中引人辅助能源。
第12章人机系统设计与范例分析
• 12.1人机系统设计的目标 • 12.2人机系统设计的原则 • 12.3人机系统设计的程序 • 12.4人机系统设计的要点 • 12.5人机系统设计的评价 • 12.6控制中心设计要点分析
12.1人机系统设计的目标
• 12.1.1人机系统的组成
• 人机系统中，一般的工作循环过程可由图12-1所示来加以说明，人在 操作过程中，机器通过显示器将信息传递给人的感觉器官(如眼睛， 耳朵等)，经中枢神经系统对信息进行处理后，再指挥运动系统(如手、 脚等)操纵机器的控制器，改变机器所处的状态。由此可见，从机器 传来的信息，通过人这个“环节”又返回到机器，从而形成一个闭环 系统。人机所处的外部环境因索(如温度、照明、噪声和振动等)也将 不断影响和干扰此系统的效率。因此，从广义来讲，人机系统又称人 -机-环境系统。
• ⑥人与机的整体配合关系的优化，如分析人与机之间作业的合理分工， 人机共同作业时关系的适应程度等配合关系。
• ⑦人、机、环境各要索的确定。 • ⑧利用人因工程学标准对系统的方案进行评价，如选定合适的评价方
法，对系统的可靠性、安全性、高效性、完整性，以及经济性等方面 作出综合评价，以确定方案是否可行。
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12.2人机系统设计的原则
• 3.有关信号、显示器和控制器设计 • (1)信号与显示器信号和显示器应以适合人的感受特性的方式选择、 • 设计和配置。尤其应注意下列各点: • ①信号和显示器的种类和数量应符合信息的特性。 • ②当显示器数量很多时，为了能清楚地识别信息，应以能够清晰、迅
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12.4人机系统设计的要点
• 12.4.3人-机界面设计
• 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-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、作业分析等也是人-机界面设计的内容。有关人-机界 面的设计内容，在前面各有关章节中已做过详细的介绍，在此仅以一 例来说明人-机界面设计的分析方法。
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12.4人机系统设计的要点
• 12.4.2人机匹配
• 在复杂的人机系统中，人是一个子系统，为使人机系统总体效能最优， 必须使机械设备与操作者之间达到最佳的配合，即达到最佳的人机匹 配。人机匹配包括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(气温、噪声、 振动和照明等)与操作者适应性的匹配，人、机、环境要索与作业之 间的匹配等。要选用最有利于发挥人的能力、提高人的操作可靠性的 匹配方式来进行设计。应充分考虑有利于人能很好地完成任务，既能 减轻人的负担，又能改善人的工作条件。
考。
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12.6控制中心设计要点分析
• 12.6.1以人为中心的设计方法
• 近年来，控制室或者控制中心在一些新领域得以应用。监控中心与安 全控制室是一个正迅速成长的应用实例。它们扮演的角色甚至要超过 在城市中商业区、居住区的保安。另一个应用领域是财政控制与贸易 中心，并正以超过前10年的整体速度迅猛发Hale Waihona Puke Baidu。如今，大多数大公司 已拥有了属于自己的控制中心，以提高财务计划的质量和提供市场变 化的实时数据。
分析构成执行上障碍的内部环境。
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12.3人机系统设计的程序
• ④进行系统分析，即利用人因工程学知识对系统的组成、人机联系、 作业活动方式等内容进行方案分析。
• ⑤分析构成系统的各要索的机能特性及其约束条件，如人的最小作业 空间，人的最大操作力，人的作业效率，人的可靠性和人体疲劳、能 量消耗，以及系统费用、输入输出功率等。
• ④信号显示的变化速率和方向应与主信息源变化的速率和方向相一致。 • ⑤在以观察和监视为主的长时间工作中，应通过信号和显示器的设计
与布置来避免过载及负载不足的影响。 • (2)控制器控制器的选择、设计和配置应与人体操作部分的特性(特 • 别是动作)相适应。应该考虑到技能、准确性、速度和力的要求，特
• 图12-6是一种控制仪表板的人-机界面设计程序示例。
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12.5人机系统设计的评价
• 12.5.1人机系统评价方法
• 人机系统的评价方法通常分为3类:实验法、模拟装置法和实际运行测 定法。它们各自的优缺点见表12-3。
• 12.5.2检查表法(检核表法)
• 用检查表进行评价是一种较为普遍的、初步定性的评价方法。该方法 既可用于系统评价，也可用于单元评价。
• 12.2.3工作过程设计
• 工作过程设计特别应避免工人劳动超载和负载不足，以保护工人的健 康和安全，增进福利和便于完成工作。超越操作者的生理或心理功能 范围的上限或下限，都会形成超载或负载不足，产生不良后果。
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12.3人机系统设计的程序
• 12.3.1人机系统设计的程序
• 一般来说，人机系统设计具有如图12-5所示的程序，该程序包括以下 几个方面:
• ①了解整个系统的必要条件，如系统的任务、目标，系统使用的一般 环境条件，以及对系统的机动性要求等。
• ②调查系统的外部环境，如构成系统执行上障碍的外部大气环境，外 部环境的检验或监测装置等。
• ③了解系统内部环境的设计要求，如采光、照明、噪声、振动、温度、 • 湿度、粉尘、气体、辐射等作业环境，以及操作空间等要求，并从中
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12.1人机系统设计的目标
• 2.按人机结合方式分类 • 按人机结合方式可分为人机串联，人机并联和人与机串、并联混合三
种方式: • (1)人机串联人机串联结合方式，如图12-3(a)所示。 • (2)人机并联人机并联结合方式，如图12-3(b)所示。 • (3)人与机串、并联混合人与机串、并联的示意图如图12-3(c)所示。
系统中反馈的信息，经人的处理成为进一步操纵机器的依据，如图 12-2 (b)所示。这样不断地反复调整，保证人机系统得以正常运行。 • (3)自动化系统这类系统中信息的接受、储存、处理和执行等工作， • 全部由机器完成，人只起管理和监督作用，如图12-2(c)所示，系统 的能源从外部获得，人的具体功能是启动、制动、编程、维修和调试 等。
速地获得可靠的方位来配置它们。对它们的排列可以根据工艺流程或 使用特定信息的重要性和频率来确定。这种排列还可依据过程的机能、 测定种类等，划分为若干部分。
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12.2人机系统设计的原则
• ③信号的显示器的种类和设计应保证清晰易辨。这一点对危险信号尤 其重要。应考虑到如强度、形状、大小、对比度、显著性和信噪比等 各个方面。
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12.2人机系统设计的原则
• ③应该避免同一肌肉保持长时间的静态紧张。 • (3)身体动作主要应注意下列各点: • ①应在身体动作间保持良好的平衡，最好能选择长时间固定不变的动
作。 • ②动作的幅度、强度、速度和节拍应互相协调。 • ③对精度要求较高的动作不应使用很大的肌力。 • ④如适当的话，可设置引导装置，以便于动作的实施和明确它的先后 • 顺序。
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12.3人机系统设计的程序
• 12.3.2人机系统开发的步骤
• 按人因工程学要求，在人机系统开发的全过程中，均应有人因工程学 专家参与，而且在不同的开发阶段，所参与的工作是不同的。人机系 统综合开发的步骤及应考虑的人因工程学问题可参见表12-1。
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12.4人机系统设计的要点
别应注意下列各点: • ①控制器的类型、设计和配置应适合于控制的任务。应考虑到人的各
项特性，包括学会的和本能的动作。
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12.2人机系统设计的原则
• ②控制器的行程和操作阻力应根据控制任务和生物力学及人体测量数 据来选择。
• ③控制动作、设备的应答和显示信息应相互适应和协调。 • ④各种控制器的功能应易于辨认，避免混淆。 • ⑤在控制器数量很多的地方，应以能确保安全、明确、迅速地操作进