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2023/3/301第七章 人机系统设计与评价1 人机系统概述2 人机系统设计3 人机系统的可靠性4 人机系统的评价5 人机系统标准 第1页/共46页2023/3/3021 1 人机系统概述一、系统和人机系统的概念二、人机系统的功能和类型三、人机系统中人的地位第2页/共46页2023/3/303一、系统和人机系统的概念 系统由相互作用、相互依赖的若干部分构成的具有特定功能的有机整体。人机系统人和机组合形成的集合体。第3页/共46页2023/3/304二、人机系统的功能和类型系统功能:信息接受；信息储存；信息处理；执行系统类型 按人机系统自动化程度分 人工操作系统；半自动系统；自动操作系统 按有无反馈控制作用分 闭环人机系统；开环人机系统 第4页/共46页2023/3/305手工、半自动、自动系统效果比较手工、半自动、自动系统效果比较系统种类系统种类自动化自动化程度程度操作操作可靠性可靠性费用费用创造能力创造能力维护能力维护能力手工低低低高好半自动自动高高高低差第5页/共46页2023/3/306三、人机系统中人的地位三、人机系统中人的地位 人是主体，起主导作用。人机系统中人起决策作用 人设计、制造、控制机，“人适机”机服务于人，“机宜人”机不能取代人 以人为本，人性化设计第6页/共46页2023/3/307 2 2 人机系统设计一、人机系统设计的基本思想和要求二、人机系统设计的一般程序第7页/共46页2023/3/308一、人机系统设计的基本思想和要求一、人机系统设计的基本思想和要求1.系统设计思想：将系统的性能、可靠性、费用、时间和适应性作为设计所追求的目标，从功能分析入手，合理地将系统各项功能分配给人和机器，从而达到系统的最佳匹配。第8页/共46页2023/3/309第9页/共46页2023/3/3010 2、设计要求能达到预定目标，完成预定任务；人、机能充分发挥各自的作用并协调地工作；人机系统接受输入和输出的功能必须符合设计能力；人机系统设计要考虑环境因素的影响；系统具有完善的反馈闭环回路。第10页/共46页2023/3/3011 3、人机系统设计的总目标 根据人的特性设计出符合人操作的机器，最适合手动的工具、最方便使用的控制器、最醒目的显示器、最舒适的工作姿势和操作程序、最有效经济的作业方法和预定标准时间、最舒适的工作环境，使整个人机系统保持安全可靠、效益最佳。安全、高效、舒适、健康、经济第11页/共46页2023/3/3012二、人机系统设计的一般程序二、人机系统设计的一般程序人机系统目标的建立功能分析机的设计人机界面设计系统综合、评价作业规范工作描述人员设计功能分配正式投产试制评价第12页/共46页2023/3/30132 2、人机功能分配 人、机的主要功能：感觉功能（传感器）信息处理功能（信息处理器）操纵功能（操纵器）接受信息储存信息处理信息执行功能第13页/共46页2023/3/3014人与机器的特性比较人与机器的特性比较项项 目目 机机人人速度占优延时1s逻辑推理擅长演绎擅长归纳计算快，精确；不会修正慢，易错，善于修正可靠性较高；变化高；变化；应变强连续性长期易疲劳灵活性取决于设计高检测物理量的检测范围广而准；能检测到人不能检测的电磁波 具有同认识直接联系的高度检测能力；没有固定的标准值，易产生飘移；具有味觉、嗅觉和触觉 接下表第14页/共46页2023/3/3015项项 目目机机人人输入灵敏度某些感觉超人（如电离辐射）受某些因素影响智力无操作处理能力操作力、速度、范围等及处理固、液、气方面强自由度大，灵巧功率输出恒定，可极大、极小大小与时间有关记忆适于文字再现、长期储存擅长原则、策略的记忆视觉能感受和利用红外线等电磁波有限成本购置、运转、保养费工资、福利、照顾、保险等，生命续上表第15页/共46页2023/3/3016人机功能分配原则：人机功能分配原则：通过人与机器的特性比较，进行客观的和符 合逻辑的分配。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。以经济效益为原则，合理恰当地进行人机 功能分配。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。即系统的某些功能可以同时分配给人或机 器，人可以自由选择参与系统行为的程度。比较分配原则剩余分配原则经济分配原则弹性分配原则宜人分配原则第16页/共46页2023/3/3017适宜人承担的工作适宜人承担的工作适宜机器承担的工作适宜机器承担的工作由于各种干扰需要判断信息时要求判断变化的图形时要求判断各种各样的输入对发生频率非常低的事态进行判断解决问题需要归纳、判断预测不测事件的发生时重复性操作、计算；大量资料储存迅速施加大力或长时间施力或须严格控制施力大小大量数据处理根据某特定范围多次重复作出判断对人有危险或容易误操作第17页/共46页2023/3/3018 3 3、人员设计 包括作业描述和作业规范，为人机系统的运行提供合适的操作人员。通过作业描述可提出功能要求、考察功能分配是否合理；编制作业规范的目的是进行人力资源分析，决定该系统的某项功能需要多少操作人员及应达到的技能标准、如何通过选拔、教育、培训，使人适应机的特性。第18页/共46页2023/3/3019 4 4、人机界面设计人机界面是人和机在信息交换和功能上接触或相互影响的领域。主要是显示器和控制器，包括作业空间设计解决好人控制机器、人接受信息的问题显示器、控制器的布置 （参见第四章内容）第19页/共46页2023/3/3020 5 5、机的设计 如机械、电气、电子等设备 建筑、公共设施 环境、商业广告的设计 包括机、环（广义）等的 性能要求 结构设计 总体设计 施工设计 详见各专业设计第20页/共46页2023/3/3021 6 6、系统评价 系统设计是 设计 评价 不断循环发展的过程评价方法：人失误分析法 功能分析法 操作顺序图法 人机可靠性分析法 时间线图法 环境指数评价法 连接分析法 人机系统信息传递法 功能流程图法 人机安全性分析法 定性分析法定量分析法第21页/共46页2023/3/3022 3 3 人机系统的可靠性一、可靠性及其度量指标二、人的可靠性三、机器的可靠性四、环境因素五、人机系统的可靠性第22页/共46页2023/3/3023一、可靠性及其度量指标一、可靠性及其度量指标 1、可靠性系统在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。2、可靠性度量指标 可靠度可靠度，不可靠度不可靠度 可靠度指系统在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的概率，R（t）。0R（t）1 不可靠度，F（t）=1-R（t）故障概率（失效概率故障概率（失效概率），），=-lnR(单位时间，为定值时)平均寿命平均寿命t第23页/共46页2023/3/3024二、人的可靠性二、人的可靠性 影响人的可靠性的因素:生理：体力、疾病、耐力等 心理：情绪、注意、错觉等 管理：工作安排不合理、误指挥等 环境：高低温、照明等 社会：家庭关系、人际关系紧张等 作业：连续作业、单调重复操作等 个体：经验、训练培训、技术水平、文化水平、感觉阈限等第24页/共46页2023/3/3025三、机器的可靠性三、机器的可靠性 如何提高机械设备可靠性？减少机器本身故障，延长使用寿命利用可靠性高的元件利用备用系统采用平行的并联配置系统对处于恶劣环境下的运行设备采取一定的保护措施降低系统的复杂程度加强预防性维修 提高使用安全性加强安全装置的设计 第25页/共46页2023/3/3026四、环境因素四、环境因素 优良、舒适、合理的环境条件可使作业人员减轻疲劳、心情舒畅、减少失误可以提高机器设备、元器件的使用寿命，降低故障率。反之，恶劣的环境条件，给人和机器设备带来不利影响，降低系统的可靠性。第26页/共46页2023/3/3027五、人机系统的可靠性五、人机系统的可靠性 1、人机系统的可靠度RS RS=R人 R机 串联系统 RS=R1R2R3 Rn *串联系统单元越多，其可靠度就越低；*RSRi 并联系统（并联冗余）RS=1-(1-R1)(1-R2)(1-Rn)*并联系统单元越多，系统可靠度就越高*RSRi 121n2n第27页/共46页2023/3/3028 备用冗余系统有若干个部件组成并联系统，其中部分为备用。（也称待机冗余）RS=e-t1+t+(t)2/2!+(t)n-1/(n-1)!式中 失效概率，t时间 备用冗余系统的可靠度最高。12n待机备用(n1)个第28页/共46页2023/3/3029例】某系统由5个部件A、B、C、D、E串联而成,可靠度分别为RA0.90、RB0.99、RC0.70、RD0.75,RE0.95。求系统可靠度。连接方式C或C0.700.9730（提高（提高 39%）0.9942（提高（提高 42%）D或D0.750.9375（提高（提高 25%）0.9658（提高（提高 28.8%）系统0.440.77（提高（提高 75%）0.8128（提高（提高 84.7%）A AE ED DC CB BD DD DC CC CC CB BA AE ED DD DC CC CC CB BA AE E不 同 联 接 方 式 时 系 统 可 靠 度 的 比 较备用第29页/共46页2023/3/3030提高人机系统安全可靠性的途径提高人机系统安全可靠性的途径 合理进行人机系统功能分配，建立高效可靠的人机系统 减少人为失误 对机械产品进行可靠性设计 加强机械设备维修保养第30页/共46页2023/3/3031 4 4 人机系统的评价一、人机系统评价的分类二、连接分析法三、失效树（故障树）分析法四、作业分析五、检查表法六、环境指数评价法七、系统经济性分析第31页/共46页2023/3/3032一、人机系统评价的分类一、人机系统评价的分类人失误分析法操作顺序图法时间线图法连接分析法功能流程图法功能分析法人机可靠性分析环境指数评价法人机系统信息传递法人机安全性分析法第32页/共46页2023/3/3033 评价人机系统，需要注意以下几项要求：1、明确评价目的，正确规定评价的内容；2、确定评价标准；3、选择评价方法。第33页/共46页2023/3/3034人机系统评价要点人机系统评价要点1、人、机系统功能分配是否合理2、手、脚负荷是否合理3、手操纵时的动作距离、顺序是否合理4、操作范围的尺度按第几百分位数设计5、人的作业舒适性6、是否采取了防止误操作的措施7、系统安全性、可靠性分析评价8、环境条件是否利于作业顺利进行第34页/共46页2023/3/3035二、连接分析法二、连接分析法 连接分析法是综合应用感知类型、使用频率、作业负荷和适应性，分析评价信息传递的方法。是一种对已设计好的人、机、过程和系统进行评价的简便方法。表达人-机、人-人、机-机间的操作、视觉、听觉、行走等关系 目的：根据视看频率、重要程度，合理配置各子系统的相对位置及其信息传递方式，减少传递环节，使信息传递简洁畅通，操作便利，提高系统可靠性和工作效率 步骤：绘制连接关系图调整连接关系第35页/共46页2023/3/3036三、失效树（故障树）分析法三、失效树（故障树）分析法 失效树分析(Fault Tree Analysis,简称FTA)是对既定的系统可能出现的故障条件及可能导致的后果，按作业流程、先后次序和因果关系绘制程序图，以表示导致故障的各因素间的逻辑关系。是提高系统可靠行、对系统进行安全评价的一种方法。设计阶段帮助寻找潜在故障 使用阶段帮助进行事故分析第36页/共46页2023/3/3037四、作业分析四、作业分析 是以作业系统为对象，对现行各项作业、工艺和工作方法进行系统分析，找出不合理因素，以达到有效利用现有资源、增进系统功效的目的。包括方法研究和时间研究 方法研究方法研究对现行的或拟议的工作方法进行系统记录、严格考查，从而提出改进技术。目的在于改进工艺和程序、改进设计、改进功能分配。时间研究时间研究在方法研究的基础上，确定操作者按规定的作业标准完成作业所需的时间。目的在于消除无效时间，制定合理的作业时间标准。第37页/共46页2023/3/3038五、检查表法五、检查表法 利用人机工程学原理检查构成人机系统各因素及作业过程中操作人员的能力、心理和生理反应状况的评价方法。国际人机工程学会“人机工程学系统分析检查表”的主要内容：作业空间分析 作业方法分析 环境分析 作业组织分析 负荷分析 信息输入、输出分析第38页/共46页2023/3/3039六、环境指数评价法六、环境指数评价法空间指数视觉环境综合评价指数S会话指数密集指数(03)可通行指数(03)S 等级 意义 0 1 毫无问题 0S10 2 稍有问题10S50 3 问题较大 S50 4 问题很大 最大距离最大距离,mdB 正常正常 大声大声35 7.5 1540 4.2 8.445 2.3 4.650 1.3 2.4 70 0.13 0.26语言干扰极满意进行语言交流的最大距离第39页/共46页2023/3/3040七、系统经济性分析七、系统经济性分析 经济分析的目的是实现人、机、环境三者的最佳效益。第40页/共46页2023/3/3041 经济效益评价指标：效能/费用100%，比值经济性 (效能费用)(效能费用)/效能100%第41页/共46页2023/3/3042系统合理费用的确定系统合理费用的确定制约因素 经济发展水平 科学技术水平 生产技术水平等以实现人、机、环境三者的最佳组合、实现系统功能目标、使系统经济效益与功能实现相统一为依据。保证人、机、环境系统所确定的功能目标实现的费用就是合理投入量。第42页/共46页2023/3/3043 5 5 人机系统标准 人机学标准化始终围绕人体尺寸、生理机能、心理特征等方面进行。人机系统作业标准人的效果标准如：产品质量、生产率、设备利用率、产品合格率等主要包括人的生理、心理反应、应激、工作效率、适应程度等第43页/共46页2023/3/3044 国际标准化组织(ISO)-国际人机工程学标准化委员 会(代号ISO/TC-159)制定颁布的国际技术标准、标准草案、建议，如：ISO-6385-1981工作系统设计的人类工效学中国人类工效学标准化技术委员会成立于1980年，下设8个分委员会：基础分委员会 人体测量和生物力学 控制与显示 劳动环境 工作系统的工效学要求 颜色 照明 劳动安全 如：GB/T 13547-1992工作空间人体尺寸机械、建筑、轻工、环境等的技术标准中关于人机学的标准如：GB12265.2-2000机械安全 防止下肢触及危险区的安全距离第44页/共46页2023/3/3045本章结束，谢谢观看！第45页/共46页2023/3/3046感谢您的观看！第46页/共46页
