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人机系统的设计原则和程序_5

2019-06-17 14:09栏目:案例
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一、人机系统设计的基本方法

1.系统工程方法的运用系统论认为:系统是由两个以上相互区别和相互作用的单元有机地结合起来,完成某一功能的综合体。人机系统则是由人、机、环境3个子系统有机结合构成的综合体。人机系统也应具有整体性、相关性、层次性、动态性、目的性等的系统特征。“系统或产品的设计和评价,应包括两个方面:技术方面和人机工程方面”(见 GB/T 13630/IEC 964)。人机工程的对象是人—机—环境系统,其目的按照人的特性来设计和优化系统。系统工程是为合理进行规划、研究、设计、建造、试验和应用系统而采用的思想、步骤、组织和方法等的总称。系统工程学是实现系统最优化的一门科学,适用于从系统开发、建成、运行、改进的全部过程。系统工程方法是人机系统设计的基本方法。

2.人机工程设计基本方法人机系统设计与工程技术系统设计的不同之处,在于前者强调人是系统的一个组成部分,设计需以人为核心,并应特别考虑人在系统中的主导地位。人机工程设计方法是指,在设计中把与人有关的各种因素协调地融合在一起。这些因素包括硬件、软件、环境、管理和操作实践等。在设计过程中应特别注意认知因素,它对解决问题、做出决策非常重要。(1)人机工程设计方法人机工程设计方法须与传统的功能导向设计方法有机地结合。特别是人的特性,是设计规范的基础。人的特性不仅应包括人的基本能力或限度(如感知能力),还应包括操作员如何掌握“设计对象”及其交互作用的知识。其中设计对象包括机器(硬件和软件)、环境、运行和管理。高度自动化和大型系统对人的因素的要求更高,因此,还要考虑人的心理需求,包括工作负荷、自我实现需要、动机和文化背景等。在整个设计过程中,还应全面考虑各功能目标之间及各子系统之间的联系,以及人机工程要求,包括:①使用者群体;②操作员素质;③工作组织;④工作辅助设施;⑤人员选拔;⑥培训计划;⑦协同作业;⑧来访者参观;⑨安全。(2)系统功能设计系统功能设计包括:功能分析,任务分析,人机功能分配,作业分析与设计。(3)容错设计人的失误和认知的局限无法避免,因此,有必要进行容错设计。容错设计是以适当方式给使用者提供信息,使他们了解自己所面临的情况;或提供冗余、互锁、自动操作和操作员支持系统。(4)迭代修正过程实际应用中,设计有其固有的迭代过程,需要进行重复核准,直至操作员与设计对象之间通过交互作用实现预定的目标要求。应注意,设计中各个单元的有效性并不能保证由这些单元组成的系统是有效的。有时即使是一个很小的修正也可能导致预想不到的副作用,虽然这个修正本身是合理的。虽然使用者可以有意或无意地改变其行为,以适应这些修正,但从人机工程角度来衡量,这些行为的改变并不一定都是最佳的。来自运行经验(运行反馈)的信息在迭代过程中特别重要。

二、系统的功能和任务分析

1.功能的确定(1)确定目标任务系统的基本功能目标(或最终目的)有两项:使用性目标和安全目标。1)设计者应首先将这两个目标中的每一项分解为各层次的若干子目标,并进而确定每项子目标的基本功能。这些功能通常称为重要的功能,这些功能的丧失,将改变系统运行的连续性或安全屏障的完整性。2)这个目标系统构成一个层次目标结构,即将目标系统分解为功能目标和子功能目标,构成分层次的目标结构,以表明它们之间的关系。层次目标结构一般可分为 3 个层次:其顶层是概括的高级功能;中间层是系统级功能;底层是具体的控制功能。根据一组“终止规则”分解功能,并达到足够详细的程度。(2)总目标系统总目标系统包括:①工程项目和目标系统的名称;②所有者或用户(国有、集体或民营企业);③位置和场所条件(如气候、地理资料);④社会影响和社会背景;⑤基础设施及公用设施条件;⑥目标系统的类型及其总体规格(如大小、容量);⑦控制目标(如原材料、信息、人员);⑧系统描述(如功能、运行方面的描述);⑨工程项目的框架(如组织、程序、预算);⑩时间进度;?计划修订及程序更新。(3)使用性目标1)使用性目标(主要是指运行和控制目标):运行类型和过程特征(如连续、分批、分散、间歇);控制的目标(如原材料、能源、运输、车辆、信息、人员);任务(如控制、监视、加工、指令);控制类型(如稳态控制、程序控制、序列控制);实时要求(如动态过程、火警测报点);在线要求(如网络、人的干预);控制模式(如综合式、集中式、分布式);备份模式(如冗余、混合、硬件);人员配备;轮班制度; 作息制度;应急设施。2)事件分析:对可能遇到的异常工况、紧急工况和事件进行分析,并细化系统的控制和监测功能;引起系统失效的故障形式;系统的设备故障运行史。(4)安全目标安全目标主要是指安全及防护目标,包括:①防危险或污染源(如可燃气体/液体、有毒气体/液体、电磁辐射、放射等);②防火系统;③安全报警系统;④防爆措施;⑤防地震措施;⑥设备和/或系统的诊断系统;⑦紧急情况停机系统;⑧事故处理;⑨防敌意活动(保安措施);⑩规程/法规。应将上述各项再向下分解为具体的基本功能。

2.每项功能的信息和信息处理要求(1)一般方法分析并确定:①指示功能状态的可观察参数;②完成功能所要求的控制过程和性能测量;③如何确定功能在正确执行;④如果功能不能正确执行,可用哪些替代功能,如何选择替代功能。例如,依据系统的某一工况,应有几种冗余的途径可供选择。(2)确定一组有代表性的事件该事件包括:①鉴于数据的解释与控制的复杂性、控制速度等,操作员难以就要求的操作做出主观判断的事件;②要求操作员确信无疑地做出正确反应的事件,如某些事故工况;③在概率风险评价中属重要的事件;④除非及时采取纠正动作,否则很可能导致系统停运的事件;⑤出现的概率很高的事件。可把与安全有关的、与使用性有关的事件作为一种典型的选择,设计者应知道某个功能的丧失相当于某一事件的发生,并能估计到它如何沿着层次结构从底部向顶部扩散,影响较高一级功能。(3)性能测量是为了保证功能的实现,直接的物理测量是理想的方法。但是,不是所有的性能测量都可以用这种方法来决定。有时不得不利用设计基准事件下所获得的信息。

3.系统任务分析(1)任务分析内容1)详细描述操作员的工作(为实现某个功能目标,由人或机器所执行的一系列动作),根据任务的组成,确定人的活动细节,以及这些活动的功能与时间的关系。2)设计者使用功能分析(信息流与处理要求)中制定的基本数据进行任务分析。这种任务分析的目的,是为了确定所需执行的任务的详细内容和它的特性要素,以步骤 2 中确定的满足系统的性能和功能要求。这些任务应根据定量测量、逻辑性或任何其他的描述来确定,它将成为概念设计阶段拟定设计规范的依据。3)在任务分析中,还要描述一系列预计的系统工况下所可能采取的行为。(2)系统工况的工作1)子功能的组合。设计者将密切相关的各子功能组合为一体,以便将它们作为一个单元来处理。它们也可以具有层次结构。2)各项子功能(任务)的内容:①要求它实现的逻辑(为什么要求它实现?);②实现它所需的控制动作(怎样才能实现?);③控制动作所需的参数;④评价控制动作结果的准则;⑤评价所需的参数;⑥评价准则;⑦选择替代功能的准则。3)确定各项特性要素:①工作负担;②准确性;③时间因素(如速率、时间裕度和限制);④动作逻辑的复杂性;⑤做判断的类型和复杂性(如模式识别);⑥由于功能丧失和相关的时间因素所产生的后果。

三、人机系统功能分配准则

功能分配以任务分析为基础,以便确定哪些功能分配给人,哪些功能分配给机器。1.人与机器的特性分析人机功能分配是一个复杂的问题,人和机器都有各自的长处和短处,在进行人机功能分配之前,必须对人和机器的特性有深刻的了解。表4-1所示为人和机器的特长。概括地说,机器适合于承担笨重的、快速的、精细的、规律性的、单调的、高阶运算的、操作复杂的工作;人适合于承担监控、维修、设计、创造、故障处理及应付突然事件等工作。

表1 人和机器的特长

2.人机功能分配的基本原则(1)功能分配的一般原则功能分配在任务分析和人机特性比较的基础上,主要考虑的是系统的效能、可靠性和成本。(2)功能分配需要考虑的因素功能分配考虑的事项包括:①人与机器的性能、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使用者群体的特点:年龄、性别、技术水平、文化背景、教育水平、心理因素(如注意力、厌倦)和协同作业等,人的个体差异的统计;⑤机械代替人的效果和成本等;⑥一般认为,用机器代替人,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]

四、作业分析与设计

1.作业分析的基本方法作业分析(又称作业研究或工作研究)是作业设计的基础。它以作业系统为对象,对各项作业和工作方法进行系统分析,找出一种合理的、经济的作业方法,达到有效利用资源、增进系统功效之目的。作业分析包括方法研究和时间研究两大类技术,如图1所示。方法研究与时间研究二者互为因果:前者以后者为依据;后者则以前者为基础。作业分析是一种适用范围相当广泛的科学管理技术。尽管作业分析起源于制造业,但其观点和方法不仅仅适用于制造业,也适用于其他行业乃至行政管理部门。作业分析常是确定工作组织、协同作业、操作规程(尤其是处理紧急工况)和人员培训的基础。

图1 作业分析

1)方法研究。寻求经济合理的工作程序和操作方法,其主要研究内容:工作程序分析、操作分析、动作分析。将优化后的作业方法,形成作业规范。2)时间研究。根据方法研究所确定的作业方法、作业顺序(作业规范),运用一些技术来确定操作者按规定的作业规范、完成作业所需要的时间,并形成相应的时间规范。时间研究着眼于减少与作业无关的无效时间。

2.作业设计要求作业设计的目的,是在明确系统和操作人员之间关系的基础上,确定分配给每个操作员的工作任务;确定控制室工作人员结构、操作规程和培训大纲的基本要求。作业设计应明确下述问题:①工作组织(如操作员的组织结构、人数和操作人员之间的关系);②通信要求:操作员之间的通信要求,操作员与系统各方面的通信要求;③对操作员的技能要求;④操作员的操作职责、操作员之间的操作配合及操作程序要求(包括紧急工况处理程序);⑤操作员的非操作任务(如汇报)。

3.重要工作分析对可能影响系统安全运行的工作和方法应重点地进行分析,以确定以下内容:①操作员要求的信息及可利用的信息;②信息评估过程及得出的决策;③采取的行动及所要求的身体运动和工作空间范围;④可利用的工作空间;⑤工作环境位置和条件;⑥行动频率和容许极限;⑦时间基础和时间裕度(时间裕度必须足以考虑人的反应变化);⑧向操作员指明已采取的行动的适当的反馈信息;⑨工具和设备要求及工作辅助手段或参考资料要求;⑩人数及其专业和经验要求;通信及其类型要求;有关的特别危害;在涉及一个以上操作员时,操作员间的相互影响;人员运行限值;机械和系统运行限值。重要工作分析也应包括异常(运行恶化)的工况和事故工况。

4.工作站作业分析应根据每一个工作站的监控任务,分析操作员行为的时间顺序和交换或传递信息的时间要求;验证操作员是否能完成所有工作,并验证这一工作站的设计是否能完成所有工作。

5.操作顺序分析应对系统的操作顺序、决策流程、数据和信息的传送、信息的接收和储存、系统监测、运行班组成员间的相互影响、工作站和系统等,进行分析和评价。分析的目的是从时间和空间两方面证实系统具有成功地实现设计功能的能力。这种分析是复杂的,但是对于几乎同时出现几件工作的分析特别有用。

6.工作负荷分析1)为了评价操作员的工作负荷程度,对所有重要的功能都要进行工作负荷分析。分析应基于工作时间的顺序累积。如果证实了运行人员的能力,就可以确定硬件的工作要求。如果分析暴露了局限性,就要修改相应设计,如进行新的功能分配或新的工作分析。2)操作员的工作负荷定义为对工作人员的职业要求的总和。要求的行动可能是体力上的、认识上的、感知上的、语言上的、具体的或抽象的,或者可能是所有这些的结合。3)详细的工作负荷分析,应将操作员的工作按感觉渠道分类,如视觉、左手、右手、脚、认知、听觉和声音渠道。这样详细的目的,是为了保证操作员不需要同时执行一个以上的工作。两个以上的工作可能要100%地同时用一个单一感觉器官,适当的工作负荷分析将暴露这一情况。4)剩余智力分析:剩余智力是指操作员的总的工作负荷能力与执行某工作所需要的能力之差。分析如下:①对于所有预期的或潜在的系统运行方式,操作员应具有剩余智力;②为了发现并对新的紧急情况做出反应,需要剩余智力。假设操作员获得和处理信息的能力有一个上限。操作员的工作负荷增加,剩余智力减少,直到达到超负荷点,在这一点处理信息要求的工作量超过了操作员总的工作负荷能力。例如,存在这种情况,就应考虑用增加操作员、增加工作辅助装置或增加自动化程度,来重新设计操作员与工艺过程之间的接口。对于许多与军事有关的工作已成功地用试验方法进行了智力工作负荷的度量。

7.人的失误分析对每一个工作负荷分析所得出的感官通道的工作负荷,等于或大于 75%的都要进行人的失误分析。人的失误分析的目的是研究高工作负荷情况下失误概率,并估价这些失误引起的后果。对于那些人的失误概率很高、并且人的失误具有不可容许的后果的情况,应采取诸如增加机器、增加人员、增加培训,或修改规程这样的改进,以降低操作员的工作负荷。

8.工作站的联系分析对于每一个执行重要任务的工作站的设计,要进行工作站联系分析。分析应确立操作员与设备之间以及操作员相互之间出现的相互影响的频率和重要性。然后用该分析结果对工作站在时间和空间上的布置的恰当性进行评价。工作站的设计可能要求对操作员成功地执行重要工作的时间和空间进行最佳化。例如,“仪表和控制”中要求的向操作员提供反馈信息的显示器和控制器之间的空间关系。

9.规程和大纲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,应用于发现、记录并验证控制室紧急运行规程和培训大纲的内容。

五、人机系统的人机联系分析

欲提高系统的工作效率与安全,应使人的工作位置与设备的安装位置间的布置合理,以达到操作简便、准确,视线无阻碍,走动距离最短,动作最经济,尽量减轻人的体力和精力消耗。绘制和分析人机联系图,有助于做出科学的布局。人机联系图也是评价系统布局合理性的有效方法。人机连接分析法或称人机联系环分析法,是一种传统的比较简易、直观的分析、评价方法。“连接”(联系)是指人与机器、人与人之间的任何一种关系。连接分析法:①对应连接:是指作业过程中,人与机器之间的相互对应联系关系,如视觉联系等;②逐次连接:作业过程中,需多次逐个的连续动作才能达到目的,由此构成的连接称为逐次连接;③按人机间各种关系特征可分为操作连接(环)、视觉连接(环)、听觉连接(环)和行走连接(环)。 对应连接分析法的概要如下。

图2 对应连接分析图

图2所示为操作员对4 个设备监控的对应连接分析图。分析图由下述要素构成:①矩形表示机器;②圆形表示人(操作者);③正方形表示这种连接的“重要性”;④三角形表示这种连接的“频次”;⑤细实线表示操作连接(操作环);⑥虚线表示视觉连接(视觉环);⑦点画线表示行走连接(行走环);⑧双点画线表示听觉连接(听觉环)。其中,“重要性”和“频次”均用4级记分:“4”表示“极重要”或“频次极高”;“3”表示“重要”或“频次高”;“2”表示“一般”;“1”表示“不重要”或“频次低”。(2)连接值统计排序计算各连接(环)的连接值(环值)。连接值=重要性值×频次值。图2所示各连接(环)的连接值,见表2。

表2 人机对应连接值分析评价表

(3)人机位置布置与评价根据表2中环值的高低来确定或评价人机之间的位置,环值低的机器可设置在离操作者较远的地方,而环值高的应布置在最佳区,例如:①操作连接(环):机器处于人的最佳操作区,操作省力、方便、手脚负荷分配合理,动作协调;②视觉连接(环):机器处于人的最佳视区,视距适当,视线不受阻挡,清晰度高,照明良好;③听觉连接(环):各类报警信号清晰,人与人之间对话声音清晰可辨,可以准确传达信息;④行走连接(环):行走路线最短,障碍物最少。图3所示为查伯尼斯把“连接分析法”(人机联系图)的观点,应用于某雷达室布局的分析。图3(a)所示为雷达室的原布局图;图3(b)所示为其简化图,即把设备以字母表示,把作业人员以1~4表示,由图可见作业人员1、2需作较长距离的行走,一则影响作业效率,二则为提供行走通道而使整个空间变得狭小。图3(c)所示为改进后的联系图,尽管人机之间的对应关系与原设计完全相同,但人员流动量减至最低,由此导出雷达室布局的改进方案如图3(d)所示。在控制室布局设计中,可做出多种布置方案,直到取得最简便、最合理的布置方案为止。

图3 雷达室的连接分析

六、人机工程设计过程

设计过程应按图4所示的设计框图进行。该设计框图由5 个阶段组成,每一阶段又包含一个或若干个步骤。图中的几个反馈回路表示设计中的迭代过程。设计中的所有设计步骤(包括迭代过程),都应形成文件并存档备案,以便查询。应成立一个由多学科专家组成的设计组,以便对设计项目进行组织及指导。设计组所包括的学科应根据目标系统而定。

图4 控制中心的人机工程设计过程(DL/T 575.5/ISO 11064)

1.第一阶段——阐明问题目的是阐明运行目标,并确定与控制中心设计有关的限制条件。一个控制中心是主控制室与其配套设施及就地控制站的集成,它们共同控制一个目标系统或一组目标系统。一个目标系统应由若干子系统构成。2.第二阶段——功能设计根据系统性能要求,确定任务要求,进行人机功能分配,确定操作员的作业(分配给人的任务),确认作业规范。3.第三阶段——概念设计目的在于制定出一套初步设计规范,它应基于前述步骤的结果,如使用者要求,法规要求,标准、作业分派及相关的性能要求,工作组织等。4.第四阶段——详细设计5.第五阶段——运行反馈目的是在控制中心的使用寿命期内不断地检查其有效性。在目标系统开始运行后,收集并检查运行反馈信息。这些信息有益于未来的工程项目和现有控制室的改造。