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當前位置: 首頁 > 新聞頻道 > 應用設計 > 人機系統的設計原則和程序
人機系統的設計原則和程序
來源:中國數控機床網   發表時間:2019/7/26 6:20:00  瀏覽次數:
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一、人機系統設計的基本方法

1.系統工程方法的運用系統論認為:系統是由兩個以上相互區別和相互作用的單元有機地結合起來,完成某一功能的綜合體。人機系統則是由人、機、環境3個子系統有機結合構成的綜合體。人機系統也應具有整體性、相關性、層次性、動態性、目的性等的系統特征。“系統或產品的設計和評價,應包括兩個方面:技術方面和人機工程方面”(見 GB/T 13630/IEC 964)。人機工程的對象是人—機—環境系統,其目的按照人的特性來設計和優化系統。系統工程是為合理進行規劃、研究、設計、建造、試驗和應用系統而采用的思想、步驟、組織和方法等的總稱。系統工程學是實現系統最優化的一門科學,適用于從系統開發、建成、運行、改進的全部過程。系統工程方法是人機系統設計的基本方法。

2.人機工程設計基本方法人機系統設計與工程技術系統設計的不同之處,在于前者強調人是系統的一個組成部分,設計需以人為核心,并應特別考慮人在系統中的主導地位。人機工程設計方法是指,在設計中把與人有關的各種因素協調地融合在一起。這些因素包括硬件、軟件、環境、管理和操作實踐等。在設計過程中應特別注意認知因素,它對解決問題、做出決策非常重要。(1)人機工程設計方法人機工程設計方法須與傳統的功能導向設計方法有機地結合。特別是人的特性,是設計規范的基礎。人的特性不僅應包括人的基本能力或限度(如感知能力),還應包括操作員如何掌握“設計對象”及其交互作用的知識。其中設計對象包括機器(硬件和軟件)、環境、運行和管理。高度自動化和大型系統對人的因素的要求更高,因此,還要考慮人的心理需求,包括工作負荷、自我實現需要、動機和文化背景等。在整個設計過程中,還應全面考慮各功能目標之間及各子系統之間的聯系,以及人機工程要求,包括:①使用者群體;②操作員素質;③工作組織;④工作輔助設施;⑤人員選拔;⑥培訓計劃;⑦協同作業;⑧來訪者參觀;⑨安全。(2)系統功能設計系統功能設計包括:功能分析,任務分析,人機功能分配,作業分析與設計。(3)容錯設計人的失誤和認知的局限無法避免,因此,有必要進行容錯設計。容錯設計是以適當方式給使用者提供信息,使他們了解自己所面臨的情況;或提供冗余、互鎖、自動操作和操作員支持系統。(4)迭代修正過程實際應用中,設計有其固有的迭代過程,需要進行重復核準,直至操作員與設計對象之間通過交互作用實現預定的目標要求。應注意,設計中各個單元的有效性并不能保證由這些單元組成的系統是有效的。有時即使是一個很小的修正也可能導致預想不到的副作用,雖然這個修正本身是合理的。雖然使用者可以有意或無意地改變其行為,以適應這些修正,但從人機工程角度來衡量,這些行為的改變并不一定都是最佳的。來自運行經驗(運行反饋)的信息在迭代過程中特別重要。

二、系統的功能和任務分析

1.功能的確定(1)確定目標任務系統的基本功能目標(或最終目的)有兩項:使用性目標和安全目標。1)設計者應首先將這兩個目標中的每一項分解為各層次的若干子目標,并進而確定每項子目標的基本功能。這些功能通常稱為重要的功能,這些功能的喪失,將改變系統運行的連續性或安全屏障的完整性。2)這個目標系統構成一個層次目標結構,即將目標系統分解為功能目標和子功能目標,構成分層次的目標結構,以表明它們之間的關系。層次目標結構一般可分為 3 個層次:其頂層是概括的高級功能;中間層是系統級功能;底層是具體的控制功能。根據一組“終止規則”分解功能,并達到足夠詳細的程度。(2)總目標系統總目標系統包括:①工程項目和目標系統的名稱;②所有者或用戶(國有、集體或民營企業);③位置和場所條件(如氣候、地理資料);④社會影響和社會背景;⑤基礎設施及公用設施條件;⑥目標系統的類型及其總體規格(如大小、容量);⑦控制目標(如原材料、信息、人員);⑧系統描述(如功能、運行方面的描述);⑨工程項目的框架(如組織、程序、預算);⑩時間進度;?計劃修訂及程序更新。(3)使用性目標1)使用性目標(主要是指運行和控制目標):運行類型和過程特征(如連續、分批、分散、間歇);控制的目標(如原材料、能源、運輸、車輛、信息、人員);任務(如控制、監視、加工、指令);控制類型(如穩態控制、程序控制、序列控制);實時要求(如動態過程、火警測報點);在線要求(如網絡、人的干預);控制模式(如綜合式、集中式、分布式);備份模式(如冗余、混合、硬件);人員配備;輪班制度; 作息制度;應急設施。2)事件分析:對可能遇到的異常工況、緊急工況和事件進行分析,并細化系統的控制和監測功能;引起系統失效的故障形式;系統的設備故障運行史。(4)安全目標安全目標主要是指安全及防護目標,包括:①防危險或污染源(如可燃氣體/液體、有毒氣體/液體、電磁輻射、放射等);②防火系統;③安全報警系統;④防爆措施;⑤防地震措施;⑥設備和/或系統的診斷系統;⑦緊急情況停機系統;⑧事故處理;⑨防敵意活動(保安措施);⑩規程/法規。應將上述各項再向下分解為具體的基本功能。

2.每項功能的信息和信息處理要求(1)一般方法分析并確定:①指示功能狀態的可觀察參數;②完成功能所要求的控制過程和性能測量;③如何確定功能在正確執行;④如果功能不能正確執行,可用哪些替代功能,如何選擇替代功能。例如,依據系統的某一工況,應有幾種冗余的途徑可供選擇。(2)確定一組有代表性的事件該事件包括:①鑒于數據的解釋與控制的復雜性、控制速度等,操作員難以就要求的操作做出主觀判斷的事件;②要求操作員確信無疑地做出正確反應的事件,如某些事故工況;③在概率風險評價中屬重要的事件;④除非及時采取糾正動作,否則很可能導致系統停運的事件;⑤出現的概率很高的事件。可把與安全有關的、與使用性有關的事件作為一種典型的選擇,設計者應知道某個功能的喪失相當于某一事件的發生,并能估計到它如何沿著層次結構從底部向頂部擴散,影響較高一級功能。(3)性能測量是為了保證功能的實現,直接的物理測量是理想的方法。但是,不是所有的性能測量都可以用這種方法來決定。有時不得不利用設計基準事件下所獲得的信息。

3.系統任務分析(1)任務分析內容1)詳細描述操作員的工作(為實現某個功能目標,由人或機器所執行的一系列動作),根據任務的組成,確定人的活動細節,以及這些活動的功能與時間的關系。2)設計者使用功能分析(信息流與處理要求)中制定的基本數據進行任務分析。這種任務分析的目的,是為了確定所需執行的任務的詳細內容和它的特性要素,以步驟 2 中確定的滿足系統的性能和功能要求。這些任務應根據定量測量、邏輯性或任何其他的描述來確定,它將成為概念設計階段擬定設計規范的依據。3)在任務分析中,還要描述一系列預計的系統工況下所可能采取的行為。(2)系統工況的工作1)子功能的組合。設計者將密切相關的各子功能組合為一體,以便將它們作為一個單元來處理。它們也可以具有層次結構。2)各項子功能(任務)的內容:①要求它實現的邏輯(為什么要求它實現?);②實現它所需的控制動作(怎樣才能實現?);③控制動作所需的參數;④評價控制動作結果的準則;⑤評價所需的參數;⑥評價準則;⑦選擇替代功能的準則。3)確定各項特性要素:①工作負擔;②準確性;③時間因素(如速率、時間裕度和限制);④動作邏輯的復雜性;⑤做判斷的類型和復雜性(如模式識別);⑥由于功能喪失和相關的時間因素所產生的后果。

三、人機系統功能分配準則

功能分配以任務分析為基礎,以便確定哪些功能分配給人,哪些功能分配給機器。1.人與機器的特性分析人機功能分配是一個復雜的問題,人和機器都有各自的長處和短處,在進行人機功能分配之前,必須對人和機器的特性有深刻的了解。表4-1所示為人和機器的特長。概括地說,機器適合于承擔笨重的、快速的、精細的、規律性的、單調的、高階運算的、操作復雜的工作;人適合于承擔監控、維修、設計、創造、故障處理及應付突然事件等工作。

表1 人和機器的特長

2.人機功能分配的基本原則(1)功能分配的一般原則功能分配在任務分析和人機特性比較的基礎上,主要考慮的是系統的效能、可靠性和成本。(2)功能分配需要考慮的因素功能分配考慮的事項包括:①人與機器的性能、負荷能力、潛力及局限性;②人進行規定操作所需的訓練時間和精力限度;③對異常情況的適應性和反應能力的人機對比;④使用者群體的特點:年齡、性別、技術水平、文化背景、教育水平、心理因素(如注意力、厭倦)和協同作業等,人的個體差異的統計;⑤機械代替人的效果和成本等;⑥一般認為,用機器代替人,在等效等質條件下,符合下列公式才是經濟可行的:[設備原值×(折舊率+大修率)+設備能耗+設備維修保養費+設備原值的銀行利率]<[人工工資+工資附加費+社會保險費]

四、作業分析與設計

1.作業分析的基本方法作業分析(又稱作業研究或工作研究)是作業設計的基礎。它以作業系統為對象,對各項作業和工作方法進行系統分析,找出一種合理的、經濟的作業方法,達到有效利用資源、增進系統功效之目的。作業分析包括方法研究和時間研究兩大類技術,如圖1所示。方法研究與時間研究二者互為因果:前者以后者為依據;后者則以前者為基礎。作業分析是一種適用范圍相當廣泛的科學管理技術。盡管作業分析起源于制造業,但其觀點和方法不僅僅適用于制造業,也適用于其他行業乃至行政管理部門。作業分析常是確定工作組織、協同作業、操作規程(尤其是處理緊急工況)和人員培訓的基礎。

圖1 作業分析

1)方法研究。尋求經濟合理的工作程序和操作方法,其主要研究內容:工作程序分析、操作分析、動作分析。將優化后的作業方法,形成作業規范。2)時間研究。根據方法研究所確定的作業方法、作業順序(作業規范),運用一些技術來確定操作者按規定的作業規范、完成作業所需要的時間,并形成相應的時間規范。時間研究著眼于減少與作業無關的無效時間。

2.作業設計要求作業設計的目的,是在明確系統和操作人員之間關系的基礎上,確定分配給每個操作員的工作任務;確定控制室工作人員結構、操作規程和培訓大綱的基本要求。作業設計應明確下述問題:①工作組織(如操作員的組織結構、人數和操作人員之間的關系);②通信要求:操作員之間的通信要求,操作員與系統各方面的通信要求;③對操作員的技能要求;④操作員的操作職責、操作員之間的操作配合及操作程序要求(包括緊急工況處理程序);⑤操作員的非操作任務(如匯報)。

3.重要工作分析對可能影響系統安全運行的工作和方法應重點地進行分析,以確定以下內容:①操作員要求的信息及可利用的信息;②信息評估過程及得出的決策;③采取的行動及所要求的身體運動和工作空間范圍;④可利用的工作空間;⑤工作環境位置和條件;⑥行動頻率和容許極限;⑦時間基礎和時間裕度(時間裕度必須足以考慮人的反應變化);⑧向操作員指明已采取的行動的適當的反饋信息;⑨工具和設備要求及工作輔助手段或參考資料要求;⑩人數及其專業和經驗要求;通信及其類型要求;有關的特別危害;在涉及一個以上操作員時,操作員間的相互影響;人員運行限值;機械和系統運行限值。重要工作分析也應包括異常(運行惡化)的工況和事故工況。

4.工作站作業分析應根據每一個工作站的監控任務,分析操作員行為的時間順序和交換或傳遞信息的時間要求;驗證操作員是否能完成所有工作,并驗證這一工作站的設計是否能完成所有工作。

5.操作順序分析應對系統的操作順序、決策流程、數據和信息的傳送、信息的接收和儲存、系統監測、運行班組成員間的相互影響、工作站和系統等,進行分析和評價。分析的目的是從時間和空間兩方面證實系統具有成功地實現設計功能的能力。這種分析是復雜的,但是對于幾乎同時出現幾件工作的分析特別有用。

6.工作負荷分析1)為了評價操作員的工作負荷程度,對所有重要的功能都要進行工作負荷分析。分析應基于工作時間的順序累積。如果證實了運行人員的能力,就可以確定硬件的工作要求。如果分析暴露了局限性,就要修改相應設計,如進行新的功能分配或新的工作分析。2)操作員的工作負荷定義為對工作人員的職業要求的總和。要求的行動可能是體力上的、認識上的、感知上的、語言上的、具體的或抽象的,或者可能是所有這些的結合。3)詳細的工作負荷分析,應將操作員的工作按感覺渠道分類,如視覺、左手、右手、腳、認知、聽覺和聲音渠道。這樣詳細的目的,是為了保證操作員不需要同時執行一個以上的工作。兩個以上的工作可能要100%地同時用一個單一感覺器官,適當的工作負荷分析將暴露這一情況。4)剩余智力分析:剩余智力是指操作員的總的工作負荷能力與執行某工作所需要的能力之差。分析如下:①對于所有預期的或潛在的系統運行方式,操作員應具有剩余智力;②為了發現并對新的緊急情況做出反應,需要剩余智力。假設操作員獲得和處理信息的能力有一個上限。操作員的工作負荷增加,剩余智力減少,直到達到超負荷點,在這一點處理信息要求的工作量超過了操作員總的工作負荷能力。例如,存在這種情況,就應考慮用增加操作員、增加工作輔助裝置或增加自動化程度,來重新設計操作員與工藝過程之間的接口。對于許多與軍事有關的工作已成功地用試驗方法進行了智力工作負荷的度量。

7.人的失誤分析對每一個工作負荷分析所得出的感官通道的工作負荷,等于或大于 75%的都要進行人的失誤分析。人的失誤分析的目的是研究高工作負荷情況下失誤概率,并估價這些失誤引起的后果。對于那些人的失誤概率很高、并且人的失誤具有不可容許的后果的情況,應采取諸如增加機器、增加人員、增加培訓,或修改規程這樣的改進,以降低操作員的工作負荷。

8.工作站的聯系分析對于每一個執行重要任務的工作站的設計,要進行工作站聯系分析。分析應確立操作員與設備之間以及操作員相互之間出現的相互影響的頻率和重要性。然后用該分析結果對工作站在時間和空間上的布置的恰當性進行評價。工作站的設計可能要求對操作員成功地執行重要工作的時間和空間進行最佳化。例如,“儀表和控制”中要求的向操作員提供反饋信息的顯示器和控制器之間的空間關系。

9.規程和大綱要求上述人因工程分析得出的源于人因的工效、功能和工作,應用于發現、記錄并驗證控制室緊急運行規程和培訓大綱的內容。

五、人機系統的人機聯系分析

欲提高系統的工作效率與安全,應使人的工作位置與設備的安裝位置間的布置合理,以達到操作簡便、準確,視線無阻礙,走動距離最短,動作最經濟,盡量減輕人的體力和精力消耗。繪制和分析人機聯系圖,有助于做出科學的布局。人機聯系圖也是評價系統布局合理性的有效方法。人機連接分析法或稱人機聯系環分析法,是一種傳統的比較簡易、直觀的分析、評價方法。“連接”(聯系)是指人與機器、人與人之間的任何一種關系。連接分析法:①對應連接:是指作業過程中,人與機器之間的相互對應聯系關系,如視覺聯系等;②逐次連接:作業過程中,需多次逐個的連續動作才能達到目的,由此構成的連接稱為逐次連接;③按人機間各種關系特征可分為操作連接(環)、視覺連接(環)、聽覺連接(環)和行走連接(環)。 對應連接分析法的概要如下。

圖2 對應連接分析圖

圖2所示為操作員對4 個設備監控的對應連接分析圖。分析圖由下述要素構成:①矩形表示機器;②圓形表示人(操作者);③正方形表示這種連接的“重要性”;④三角形表示這種連接的“頻次”;⑤細實線表示操作連接(操作環);⑥虛線表示視覺連接(視覺環);⑦點畫線表示行走連接(行走環);⑧雙點畫線表示聽覺連接(聽覺環)。其中,“重要性”和“頻次”均用4級記分:“4”表示“極重要”或“頻次極高”;“3”表示“重要”或“頻次高”;“2”表示“一般”;“1”表示“不重要”或“頻次低”。(2)連接值統計排序計算各連接(環)的連接值(環值)。連接值=重要性值×頻次值。圖2所示各連接(環)的連接值,見表2。

表2 人機對應連接值分析評價表

(3)人機位置布置與評價根據表2中環值的高低來確定或評價人機之間的位置,環值低的機器可設置在離操作者較遠的地方,而環值高的應布置在最佳區,例如:①操作連接(環):機器處于人的最佳操作區,操作省力、方便、手腳負荷分配合理,動作協調;②視覺連接(環):機器處于人的最佳視區,視距適當,視線不受阻擋,清晰度高,照明良好;③聽覺連接(環):各類報警信號清晰,人與人之間對話聲音清晰可辨,可以準確傳達信息;④行走連接(環):行走路線最短,障礙物最少。圖3所示為查伯尼斯把“連接分析法”(人機聯系圖)的觀點,應用于某雷達室布局的分析。圖3(a)所示為雷達室的原布局圖;圖3(b)所示為其簡化圖,即把設備以字母表示,把作業人員以1~4表示,由圖可見作業人員1、2需作較長距離的行走,一則影響作業效率,二則為提供行走通道而使整個空間變得狹小。圖3(c)所示為改進后的聯系圖,盡管人機之間的對應關系與原設計完全相同,但人員流動量減至最低,由此導出雷達室布局的改進方案如圖3(d)所示。在控制室布局設計中,可做出多種布置方案,直到取得最簡便、最合理的布置方案為止。

圖3 雷達室的連接分析

六、人機工程設計過程

設計過程應按圖4所示的設計框圖進行。該設計框圖由5 個階段組成,每一階段又包含一個或若干個步驟。圖中的幾個反饋回路表示設計中的迭代過程。設計中的所有設計步驟(包括迭代過程),都應形成文件并存檔備案,以便查詢。應成立一個由多學科專家組成的設計組,以便對設計項目進行組織及指導。設計組所包括的學科應根據目標系統而定。

圖4 控制中心的人機工程設計過程(DL/T 575.5/ISO 11064)

1.第一階段——闡明問題目的是闡明運行目標,并確定與控制中心設計有關的限制條件。一個控制中心是主控制室與其配套設施及就地控制站的集成,它們共同控制一個目標系統或一組目標系統。一個目標系統應由若干子系統構成。2.第二階段——功能設計根據系統性能要求,確定任務要求,進行人機功能分配,確定操作員的作業(分配給人的任務),確認作業規范。3.第三階段——概念設計目的在于制定出一套初步設計規范,它應基于前述步驟的結果,如使用者要求,法規要求,標準、作業分派及相關的性能要求,工作組織等。4.第四階段——詳細設計5.第五階段——運行反饋目的是在控制中心的使用壽命期內不斷地檢查其有效性。在目標系統開始運行后,收集并檢查運行反饋信息。這些信息有益于未來的工程項目和現有控制室的改造。

 

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