第7章 人机系统设计

第7章人机系统设计7.1 人机系统设计概述7.1.1 人机系统及其设计所谓系统，是指由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。

可见系统具有这样一些特点：①由若干基本要素（或子系统）组成；②这些要素以一定形式、方法、结构组成一个整体；③这一整体具有不同于各组成要素的新的功能。

人机系统即是由“人”与“机”两个子系统构成的（这两个子系统又分别由各自的要素构成）的一个整体系统。

在这个系统中，“人”与“机”相互联系、相互作用，共同完成完成特定的目标；同时，这个系统还受到外界环境的影响和作用。

人机系统设计就是在研究“人”、“机”子系统各自的功能和特点的基础上，研究它们在环境因素的影响和作用下，之间相互联系、相互作用形成有机整体并实现功能的方式。

7.1.2 人机系统设计的要素（一）系统目标分析人机系统，首先从系统的总目标开始，明确系统总的目标性能，进一步分析系统应具备的功能以及实现这些功能的途径。

人机系统的功能分析往往是属于多层次的，必须逐层分析到各个子系统的每个组成部分的零部件及每个操作人员的有关生理、心理特点。

具体人机系统的功能一般是特定的，如工人与车床构成的系统是为了完成某个零件的加工；驾驶员与汽车构成的系统是为了完成人或货物的运输。

此外，人机系统还有对安全、舒适、经济和效率的要求。

安全，是指不出现对人体的生理危害或伤害，保障人的健康，并避免严重事故的发生；舒适，是指满足人的生理和心理要求，使人处于最佳的工作状态；经济，是在满足系统技术要求的前提下，尽可能使制造、使用和维护的成本降到最低，创造更大的利益；效率，是指提高人的工作效率与质量，在尽可能短的时间和小的投入下，完成尽可能数量多和质量好的任务。

（二）人与机肯定人机系统中人的主导地位和作用，是人机工程学的一个基本思想前提。

人机系统设计主要是对处理系统中的人和人机界面等关系的，而不是系统的全部硬件。

强调人的特性和限度，为人设计，让人的因素贯穿设计的全过程，是人机工程学的重要实践原则。

（三）人机界面人与机通过人机界面联系在一起。

如显示器将机器工作的信息传递给人，实现机－人信息传递；人通过控制器将自己的决策信息传递给机器，实现人－机信息传递。

因此，人机界面的设计主要是指显示、控制以及它们之间的关系的设计，要使人机界面符合人机信息交流的规律和特性。

（四）环境“环境”往往被作为人机系统的干扰因素来理解。

一般说，当环境不对人产生干扰时，则人对环境无异常感觉，表明环境是宜人的。

排除环境的不利影响，是设计工作的主要任务之一。

而人机工程学在发展过程中，也开始主动地设计系统环境，以使人更加感到舒适和愉悦，调动人的情绪，提高作业质量和效率。

7.1.3 人机系统设计的范畴（一）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。

（表7.1）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、笨重等方面的工作，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。

表7.1 人机特性比较功能分配也称为划定人机界限，通常应考虑：①人与机械的性能、负荷能力、潜力及局限性。

②人进行规定操作所需的训练时间和精力限度。

③对异常情况的适应性和反应能力的人机对比。

④人的个体差异的统计。

⑤机械代替人的效果和成本等。

一般认为，用机械代替人，在等效等质条件下，符合下列公式才是经济可行的：[设备原值×（折旧率＋大修率）＋设备能耗＋设备维修保养费＋设备原值的银行利率]<[人工工资＋工资附加费＋社会保险费]人机功能分配的结果形成了由人、机共同作用而实现的人机系统功能。

现代人机系统的功能包括信息接受、贮存、处理、反馈和输入、输出以及执行等。

（二）人机匹配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配合，即达到最佳人机匹配。

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，环境与操作者适应性的匹配，人、机、环境要素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。

应充分考虑到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。

在产品设计中，必须基于人的因素，使人既舒适又高效地工作。

随着科技的不断发展，将会使人机配合、人机对话进入新的阶段，使人机系统形成一种新的组成形式：人与智能机的结合，人类智能与人工智能的结合，从而使人在人机系统中处于新的地位。

（三）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。

例如，采用坐姿脚动的控制器，其配置必须考虑脚的最佳活动空间，而采用手动控制器，则必须考虑手的最佳活动空间。

后者主要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，判断迅速淮确。

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，作业分析等也是人机界面设计的内容。

（四）系统的评价人机系统设计完成后要进行分析评价，评价的方法很多，通常分为三类：实验法、模拟装置法和实际运行测定法。

（1）实验法一般在设计或开发过程的初期阶段进行，通过分析各种装置和操作者的特性，进行评价，确定系统的功能。

实验法可限定实验条件和实验范围，实验因素可作各种组合，在大体相同的实验条件下可再现，实验中可准确记录数据、把握现象，探求因果关系，判定问题焦点，费用较低。

但由于实验室的作业条件是人为的，在许多场合下，不能再现人的不安、应激、异常环境和辅助条件等。

（2）模拟法模拟法是在一个系统完成之前，通过计算机或实物模型，或两者组合进行系统评价，以谋求系统最佳化。

模拟法能在实际的或逼真的装置上进行真实作业模拟，能较真实地进行交互作用研究，能有效地模拟系统特有的问题，以此对各种设计进行修改。

但由于模拟装置是为特定系统设计的，因此不能在很宽的范围内改变变量，难以得出一般性结论。

（3）实际运行测定法实际运行测定法，是在系统能够操作使用的阶段，通过试验性操作、运转进行评价，以发现设计上的差错。

实际运行测定法是在实际运行状态下观察到的行动，其真实性高。

但该法难以设定控制的要素与偶然性要素两者相容的条件，不能重复设定环境条件和试验条件，因此有一定风险。

从工效学角度对系统进行分析、评价的方法还有很多。

定性的分析方法有：人的失误分析法、时间线图法、连接分析法、操作顺序图法、功能流程图等；定量分析方法有：功能分析法、人机可靠性分析法、人机信息传递法、人的因素可靠性分析法、环境指数评价法等。

7.2 人机系统设计的基本原则GB/T 16251—1996《工作系统设计的人类工效学原则》中规定了与人的生活质量、安全和健康有关的工作系统设计的一般指导原则。

7.2.1 工作空间和工作设备的设计（一）与身体尺寸有关的设计对工作空间和工作设备的设计，应考虑到在工作过程中身体尺寸的因素。

工作空间应适合于操作者，特别是下列各点：a）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。

座位、工作面和／或工作台应设计得能保证适宜的身体姿势，即身体躯干自然直立，身体重量能适当地得到支撑，两肘置于身体两侧、前臂呈水平状。

b）座位装置应调节到适合于人的解剖、生理特点。

c）应为身体的活动，特别是头、手臂、手、腿和足的活动提供足够的空间。

d）操纵器应设置在机体功能可及的范围内。

e）把手和手柄应适合于手功能的解剖学特性。

（二）有关身体姿势、肌力和身体动作的设计工作设计应避免肌肉、关节、韧带以及呼吸和循环系统不必要的或过度的紧张，力的要求应在生理条件所允许的范围内。

身体的动作应遵循自然节奏。

身体姿势、力的使用与身体的动作应互相协调。

（1）身体姿势主要应注意下列各点：a）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。

b）如果必须施用较大的肌力，则应通过采取合适的身体姿势和提供适当的身体支撑，使通过身体的力链或力矩矢量最短或最简单。

c）避免因身体姿势造成长时间静态肌紧张所致的疲劳。

应该可以变换身体姿势。

（2）肌力主要应注意下列各点：a）力的要求应与操作者的肌力相适合。

b）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，则应在工作系统中引入助力装置。

c）应该避免同一肌肉群处于长时间静态性紧张状态。

（3）身体动作主要应注意下列各点；a）身体各动作间应保持良好的平衡，为了长时间能维持稳定，最好能变换动作。

b）动作的幅度、强度、速度和节拍应相互协调。

c）对高精度要求的动作，不应要求使用很大的肌力。

d）如适当的话，应设置引导装置，以便于动作的实施和明确其先后顺序。

（四）有关信号、显示器和操纵器设计（1）信号与显示器信号和显示器应以适合于人的感知特性的方式来加以选择、设计和配置。

尤其应注意下列各点：a）信号和显示器的种类和数量应符合信息的特性。

b）当显示器数量很多时，为了能清楚地识别信息，其空间配置应保证能清晰、迅速地提供可靠的信息。

对它们的排列可根据工艺过程或特定信息的重要性和使用频度进行安排，也可依据过程的功能、测量的种类等来分成若干组。

c）信号和显示器的种类和设计应保证清晰易辨，这一点对于危险信号尤其重要。

应考虑例如强度、形状、大小、对比度、显著性和信噪比。

d）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。

e）在以观察和监视为主的长时间的工作中，应通过信号和显示器的设计和配置来避免超负荷和负荷不足的影响。

（2）操纵器操纵器的选择、设计和配置应与人体操作部分的特性（特别是动作）相适合，并应考虑到技能、准确性、速度和力的要求。

特别是下列各点：a）操纵器的类型、设计和配置应适合于控制任务。

应考虑到人的各项特性，包括习惯的和本能的反应。

b）操纵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加以选择。

c）控制动作、设备响应和信息显示应相互适应。

d）各种操纵器的功能应易于辨别，避免混淆。

e）在操纵器数量很多的场合，其配置应能确保操作的安全、明确和迅速，并可根据操纵器在过程中的作用和使用的顺序等将它们分组，其方法与信号的配置相似。

f）关键的操纵器应有防误操作保护装置。

7.2.2 工作环境设计工作环境的设计应以客观测定和主观评价为依据，保证工作环境中物理的、化学的和生物学的因素对人无害，以保证工作者的健康、工作能力及便于工作。