第五章--人机关系及人机界面设计

第5章人-机关系及人机界面设计飞行器人-机-环境工程王奕首[e-mail]:13478903087航空航天学院第5章人-机关系及人机界面设计第5章人-机关系及人-机界面设计概述5.1人-机功能关系5.1.1静态人-机功能分配原则与方法5.1.2动态人-机功能分配方法5.1.3人-机功能分配效能的综合评价方法5.2人-机信息关系5.2.1人-机信息交互5.2.2人-机界面设计5.3人-机空间关系第5章人-机关系及人机界面设计概述人-机系统的基本概念一、系统与人机系统定义系统：由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体人-机系统：由相互作用、相互依存的人和机两个子系统组成的、且能完成特定任务或功能的整体系统机器的操作者或使用者人机器人操作（使用）的机器、设备、工具的总称第5章人-机关系及人机界面设计二、人机系统基本模式系统组成人的子系统机器的子系统人机界面人的子系统可概括为感受刺激—大脑信息加工—做出反应机器的子系统可概括为控制装置—机器运转—显示装置ROSDMC第5章人-机关系及人机界面设计三、人-机系统分类1.按有无反馈控制分类2.按系统自动化程度分类3.按人机结合方式分类4.按人机关系分类按有无反馈控制开环闭环闭环式系统往往比开环式系统更有效。人机系统设计通常采用闭环式系统。第5章人-机关系及人机界面设计按系统自动化程度人工操作系统半自动系统自动化系统第5章人-机关系及人机界面设计7按人机结合方式人机串联人机并联串、并混合第5章人-机关系及人机界面设计静态人-机关系动态人-机关系人-机功能关系人-机信息关系人-机空间关系人机界面按人机关系分类第5章人-机关系及人机界面设计第5章人-机关系及人机界面设计5.1人-机功能关系四大功能：信息接受、信息储存、信息处理和执行等，其关系如图5-5所示图5-5人-机系统的功能第5章人-机关系及人机界面设计1、人机功能分析(1)、人的主要功能l、人的第一种功能——传感器通过感觉器官（视觉、听觉、触觉等）接受信息，感知系统的作业情况和机器的状态2、人的第二种功能——信息处理器将接受的信息和已储存在大脑中的经验和知识信息进行比较分析后，作出决定，如作出继续、停止或改变操作的决定3、人的第三种功能——操纵器根据决定采取相应行动，如开关机器或增减其速度等第5章人-机关系及人机界面设计图5－7人在操作活动中的基本功能示意图（2）机的主要功能接受信息储存信息处理信息执行功能第5章人-机关系及人机界面设计5.1.1静态人-机功能分配原则与方法定义：系统功能分析与设计人员根据系统的任务要求，进行系统功能分解与系统各功能技术规范的安排设计。特点是以固定的方式将某功能指定给系统中的某部件完成，系统在运行中不能随时加以调整。要求准备分析定义功能决策假设测试与评估反复么？设计反馈设计数据库第5章人-机关系及人机界面设计(1)人-机功能分配决策的基本准则分配流程采用系统分析的方法，定义系统及子系统的功能对功能的属性和重要性进行分类以某一功能最佳实现为目标进行人-机功能分配分配特点功能与其产生机制分离提供抽象通用的设计语言提供理论方法基础第5章人-机关系及人机界面设计15功能分配的内容由“人”承担的工作程序设计意外事件处理变化频繁的作业“机”的维修研究、决策、设计人能完成并能胜过机器的工作：发觉微量的光和声，接受和组织声、光的型式，随机应变和应变程度，长时间大量储存信息并能回忆有关的情节，进行归纳推理和判断并形成概念和创造方法等。第5章人-机关系及人机界面设计16功能分配的内容枯燥、单调、笨重的作业危险性较大的作业，如放射业粉尘作业喷漆、涂料、电镀等作业自动校正、自动检测高阶运算快速操作高精度的、程序固定的作业由“机器”承担的工作目前机器能完成并胜过人的工作：对控制信号迅速作出反应，平稳而准确地产生“巨大力量，做重复的和规律性的工作，短暂地储存信息然后废除这些信息，快速运算，同一时间执行多种不同的功能。第5章人-机关系及人机界面设计表5—2采用人机时有利点采用机器时的有利点采用人时的有利点1、重复性的操作、计算，大量的情报资料存储1、由于各种干扰，需要判断信息时2、迅速施加大的物理力时2、在图形变化情况下，要求判断图形时3、大量的数据处理3、要求判断各种各样的输入时4、根据某一特定范围，多次重复作出判断4、对发生频率非常低时的事态需要进行判断时5、由于环境约束，对人有危险或操作容易犯错误时5、解决问题需要归纳、判断时6、当调节、操作速度非常重要，具有决定意义时6、预测不测事件的发生时7、控制力的施加要求非常严格时8、必须长时间地施加控制力时第5章人-机关系及人机界面设计功能是关于系统的工作的描述，功能分配是指把已定义的系统功能，按照一定的分配原则，“分配”给人、硬件或软件。“分配”给人实现的系统功能要考虑：★人是否有“能力”实现该功能，★预测人是否乐意长时间从事这一功能。功能分配的一般原则：1）、比较分配原则比较分配是指，关于人与机的特性比较，并据此进行“客观、逻辑”的功能分配。适合人做的就分配给人；适合机器做的就分配给机器。2）、剩余分配原则剩余分配是指把尽可能多的功能分配给机，剩余的功能分配给人。3）、经济分配原则经济分配原则以经济效益为根本依据，一项功能分配给人还是机完全视经济与否而定。这里的经济概念是设计、制造、使用的总费用，特别强调使用的效率。5.1.1.1功能分配第5章人-机关系及人机界面设计4）、宜人分配原则宜人分配是适应现代人观念的一种分配方法。现代人要求一项工作要更多的地体现个人的价值和能力。功能分配要有意识地多发挥人的智力和技能，同时注意补偿能力限度。5）、弹性分析原则它的基本思想是由人（使用者、操作者）自己选择参与系统行为的程度，这种分配方法一般只适用于计算机控制系统。人机功能分配应考虑的问题：人与机械的性能、负荷能力、潜力及局限性。人进行规定操作所需的训练时间和精力限度。对异常情况的适应性和反应能力的人机对比。人的个体差异的统计。机械代替人的效果和成本。第5章人-机关系及人机界面设计人机特性比较在人机系统设计中，首先要按照科学的观点分析人和机器各自所具有的不同特点，以便研究人与机器的功能分配，从而扬长避短，各尽所长，充分发挥人与机器的各自优点；从设计开始就尽量防止产生人的不安全行动和机器的不安全状态，做到安全生产。人和机各有自己的能力和长处，归纳起来各表现在四个方面：人的功能的限度是准确性、体力、速度和知觉能力；机器功能的限度是性能维持能力、正常动作、判断能力、造价及运营费用。第5章人-机关系及人机界面设计表5—1人与机的优缺点比较项目机器人速度占优势时间延时为1s逻辑推理擅长于演绎而不易改变其演绎程序擅长于归纳，容易改变其推理程序计算快且精确，但不善于修正误差慢且易产生误差，但善于修正误差可靠性按照恰当设计制造的机器，在完成规定的作业中可靠性很高，而且保持恒定，不能处理意外的事态。在超负荷条件下可靠性突降人脑可靠性远超过机械，但极度疲劳与紧急事态下很可能变成极不可靠，人的技术水平、经验以及生理和心里状况对可靠性很有影响，可处理意外紧急事态连续性能长期连续工作，适应单调专业，需要适当维护容易疲劳，不能长时间连续工作，且受性别、年龄和健康状态等影响，不适应单调作业灵活性如果是专用机械，不经调整则不能改作其它用途通过教育训练，可具有多方面的适应能力第5章人-机关系及人机界面设计表5—1人与机的优缺点比较（续）项目机器人输入灵敏度具有某些超人的感觉，如有感觉电离辐射的能力在较宽的能量范围内承受刺激因素，支配感受器适应刺激因素的变化，如眼睛能感受各种位置、运动和颜色，善于鉴别图象，能够从高噪声中分辨信号，易受（超过规定限度的）热、冷、噪声和振动的影响智力无（智能机例外）能应付意外事件和不可能预测事件，并能采取预防措施操作处理能力操纵力、速度精密度、操作量、操作范围等均优于人的能力。在处理液体、气体、粉体方面比人强，但对柔软物体的处理能力比人差可进行各种控制，手具有非常大的自由度，能极巧妙地进行各种操作。从视觉、听觉、变位和重量感觉上得到的信息可以完全反馈给控制器第5章人-机关系及人机界面设计表5—1人与机的优缺点比较（续）项目机器人功率输出恒定——不论大的，固定的或标准的1471KW的功率输出只能维持10s，367.75KW的功率输出可维持几分钟，150KW以下的功率输出能持续一天综合能力多种途径单一手段记忆最适用于文字的再现和长期存储可存储大量信息，并进行多种途径的存取，擅长于对原则和策略的记忆第5章人-机关系及人机界面设计人机功能匹配对人机系统的影响过去，由于不明人与机的匹配关系特性，使机的设计与人的功能不适应而造成的失误很多，如作战飞机的高度计等仪表的设计与人的视觉不适应是造成飞机失事的主要原因（见图4-8）在工作负荷过高的情况下，人往往出现应激反应（即生理紧张），导致重大事故的发生。进行合理的人机功能分配，也就是使人机结合面布置得恰当，从安全人机工程学的观点出发，分析人机结合面失调导致工伤事故，进而采取改进对策。第5章人-机关系及人机界面设计陕西科技大学25人机应达到最佳匹配，使系统整体效能最优–人监控机器–机器监督人，以防止人产生失误时导致整个系统发生故障。–显示器与人的信息感觉通道特性的匹配–控制器与人体运动反应特性的匹配；–显示器与控制器之间的匹配；–环境条件与人的有关特性的匹配；–人、机、环境要素与作业之间的匹配第5章人-机关系及人机界面设计人机功能分配应注意问题信息由机器的显示器传递到人，选择适宜的信息通道，避免信息通道过载而失误，以及显示器的设计应符合安全人机工程的原则。信息从人的运动器官传递给机器，应考虑人的权限能力和操作范围，控制器设计要安全、高效、可靠、灵敏。充分适用人和机的各自优势。使人机结合面的信息通道数和传递频率不超过人的能力，以及机适合大多数人的应用。一定要考虑到机器发生故障的可能性，以及简单排除故障的方法和使用的工具。要考虑到小概率事件的处理，对系统无明显影响的偶发性事件可以不考虑，但一旦发生就会造成功能破坏的事件，就要事先安排监督和控制方法。第5章人-机关系及人机界面设计决策分配5.1.1.2使用准则的功能分配流程功能的逐步分配逐渐细化和反复过程；贯穿系统分析、设计、试验和评估评估人机优缺点评估结果与代价情感与认知支持H文件资料强制分配AN分配设想自动化系统人的作业自动化系统/人HAN返回至前一步是否第5章人-机关系及人机界面设计分配决策步骤功能分配的直接判断功能分配的直接比较功能分配的经济评估功能分配的认知决策UahUhPaPhaPhUEU’E‘人(人的工效)优劣优机的工效评估要素效能速度可靠性技术可行性Ua人-机功能分配决策矩阵/空间图第5章人-机关系及人机界面设计5.1.2动态人-机功能分配方法人的作用的不可替代性：尽管系统的自动化程度提高了，但归根结底还要由人来控制操作，要人来设计、制造、组织、维修、训练，要人来决策，即使所谓的智能系统也仅只是局部替代最终决策的前期动作，因而，人在系统中的作用不是削弱了，而是更加重要和突出了。系统自动化程度的提高带来了人因失误的迁移。由运行中操作型的直接人误转变为对自动化系统设计、维护、测试、检测、管理等间接人误。系统智能化程度的提高导致失误类型由疏忽等较低层次的认知失误向诊断、判断、决策等较高层次的认知失误类型转变。第5章人-机关系及人机界面设计控制采集信息人系统早期手工作业系统中人与系统的关系复杂社会技术系统的特征及对人的影响控制采集信息人系统机械、电子信息采集单元机械、电子控制单元智能化信息处理系统现代自动化系统中人与系统的关系第5章人-机关系及人机界面设计复杂社会技术系统的特征（Reason,1990)系统更加自动化系统更加复杂和危险系统具有更多的防御装置系统更加不透明人从以“操作”为主变为监视—决策—控制。人因失误发生的可能性及其后果及影响变得更大了。大量