人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及程序

一、人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法

1.系統(tǒng)工程方法的運(yùn)用系統(tǒng)論認(rèn)為：系統(tǒng)是由兩個(gè)以上相互區(qū)別和相互作用的單元有機(jī)地結(jié)合起來，完成某一功能的綜合體。人機(jī)系統(tǒng)則是由人、機(jī)、環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的綜合體。人機(jī)系統(tǒng)也應(yīng)具有整體性、相關(guān)性、層次性、動(dòng)態(tài)性、目的性等的系統(tǒng)特征?！跋到y(tǒng)或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，應(yīng)包括兩個(gè)方面：技術(shù)方面和人機(jī)工程方面”（見 GB/T 13630/IEC 964）。人機(jī)工程的對(duì)象是人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)，其目的按照人的特性來設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)。系統(tǒng)工程是為合理進(jìn)行規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)和應(yīng)用系統(tǒng)而采用的思想、步驟、組織和方法等的總稱。系統(tǒng)工程學(xué)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的一門科學(xué)，適用于從系統(tǒng)開發(fā)、建成、運(yùn)行、改進(jìn)的全部過程。系統(tǒng)工程方法是人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。

2.人機(jī)工程設(shè)計(jì)基本方法人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同之處，在于前者強(qiáng)調(diào)人是系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，設(shè)計(jì)需以人為核心，并應(yīng)特別考慮人在系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位。人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法是指，在設(shè)計(jì)中把與人有關(guān)的各種因素協(xié)調(diào)地融合在一起。這些因素包括硬件、軟件、環(huán)境、管理和操作實(shí)踐等。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)特別注意認(rèn)知因素，它對(duì)解決問題、做出決策非常重要。（1）人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法須與傳統(tǒng)的功能導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法有機(jī)地結(jié)合。特別是人的特性，是設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)。人的特性不僅應(yīng)包括人的基本能力或限度（如感知能力），還應(yīng)包括操作員如何掌握“設(shè)計(jì)對(duì)象”及其交互作用的知識(shí)。其中設(shè)計(jì)對(duì)象包括機(jī)器（硬件和軟件）、環(huán)境、運(yùn)行和管理。高度自動(dòng)化和大型系統(tǒng)對(duì)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(fù)荷、自我實(shí)現(xiàn)需要、動(dòng)機(jī)和文化背景等。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)全面考慮各功能目標(biāo)之間及各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，以及人機(jī)工程要求，包括：①使用者群體；②操作員素質(zhì)；③工作組織；④工作輔助設(shè)施；⑤人員選拔；⑥培訓(xùn)計(jì)劃；⑦協(xié)同作業(yè)；⑧來訪者參觀；⑨安全。（2）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括：功能分析，任務(wù)分析，人機(jī)功能分配，作業(yè)分析與設(shè)計(jì)。（3）容錯(cuò)設(shè)計(jì)人的失誤和認(rèn)知的局限無法避免，因此，有必要進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)。容錯(cuò)設(shè)計(jì)是以適當(dāng)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(dòng)操作和操作員支持系統(tǒng)。（4）迭代修正過程實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)有其固有的迭代過程，需要進(jìn)行重復(fù)核準(zhǔn)，直至操作員與設(shè)計(jì)對(duì)象之間通過交互作用實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)要求。應(yīng)注意，設(shè)計(jì)中各個(gè)單元的有效性并不能保證由這些單元組成的系統(tǒng)是有效的。有時(shí)即使是一個(gè)很小的修正也可能導(dǎo)致預(yù)想不到的副作用，雖然這個(gè)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(yīng)這些修正，但從人機(jī)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)（運(yùn)行反饋）的信息在迭代過程中特別重要。

二、系統(tǒng)的功能和任務(wù)分析

1.功能的確定（1）確定目標(biāo)任務(wù)系統(tǒng)的基本功能目標(biāo)（或最終目的）有兩項(xiàng)：使用性目標(biāo)和安全目標(biāo)。1）設(shè)計(jì)者應(yīng)首先將這兩個(gè)目標(biāo)中的每一項(xiàng)分解為各層次的若干子目標(biāo)，并進(jìn)而確定每項(xiàng)子目標(biāo)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(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性或安全屏障的完整性。2）這個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)層次目標(biāo)結(jié)構(gòu)，即將目標(biāo)系統(tǒng)分解為功能目標(biāo)和子功能目標(biāo)，構(gòu)成分層次的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，以表明它們之間的關(guān)系。層次目標(biāo)結(jié)構(gòu)一般可分為 3 個(gè)層次：其頂層是概括的高級(jí)功能；中間層是系統(tǒng)級(jí)功能；底層是具體的控制功能。根據(jù)一組“終止規(guī)則”分解功能，并達(dá)到足夠詳細(xì)的程度。（2）總目標(biāo)系統(tǒng)總目標(biāo)系統(tǒng)包括：①工程項(xiàng)目和目標(biāo)系統(tǒng)的名稱；②所有者或用戶（國有、集體或民營企業(yè)）；③位置和場(chǎng)所條件（如氣候、地理資料）；④社會(huì)影響和社會(huì)背景；⑤基礎(chǔ)設(shè)施及公用設(shè)施條件；⑥目標(biāo)系統(tǒng)的類型及其總體規(guī)格（如大小、容量）；⑦控制目標(biāo)（如原材料、信息、人員）；⑧系統(tǒng)描述（如功能、運(yùn)行方面的描述）；⑨工程項(xiàng)目的框架（如組織、程序、預(yù)算）；⑩時(shí)間進(jìn)度；?計(jì)劃修訂及程序更新。（3）使用性目標(biāo)1）使用性目標(biāo)（主要是指運(yùn)行和控制目標(biāo)）：運(yùn)行類型和過程特征（如連續(xù)、分批、分散、間歇）；控制的目標(biāo)（如原材料、能源、運(yùn)輸、車輛、信息、人員）；任務(wù)（如控制、監(jiān)視、加工、指令）；控制類型（如穩(wěn)態(tài)控制、程序控制、序列控制）；實(shí)時(shí)要求（如動(dòng)態(tài)過程、火警測(cè)報(bào)點(diǎn)）；在線要求（如網(wǎng)絡(luò)、人的干預(yù)）；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(yīng)急設(shè)施。2）事件分析：對(duì)可能遇到的異常工況、緊急工況和事件進(jìn)行分析，并細(xì)化系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)功能；引起系統(tǒng)失效的故障形式；系統(tǒng)的設(shè)備故障運(yùn)行史。（4）安全目標(biāo)安全目標(biāo)主要是指安全及防護(hù)目標(biāo)，包括：①防危險(xiǎn)或污染源（如可燃?xì)怏w/液體、有毒氣體/液體、電磁輻射、放射等）；②防火系統(tǒng)；③安全報(bào)警系統(tǒng)；④防爆措施；⑤防地震措施；⑥設(shè)備和/或系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)；⑦緊急情況停機(jī)系統(tǒng)；⑧事故處理；⑨防敵意活動(dòng)（保安措施）；⑩規(guī)程/法規(guī)。應(yīng)將上述各項(xiàng)再向下分解為具體的基本功能。

2.每項(xiàng)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(tài)的可觀察參數(shù)；②完成功能所要求的控制過程和性能測(cè)量；③如何確定功能在正確執(zhí)行；④如果功能不能正確執(zhí)行，可用哪些替代功能，如何選擇替代功能。例如，依據(jù)系統(tǒng)的某一工況，應(yīng)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(shù)據(jù)的解釋與控制的復(fù)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(yīng)的事件，如某些事故工況；③在概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中屬重要的事件；④除非及時(shí)采取糾正動(dòng)作，否則很可能導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的事件；⑤出現(xiàn)的概率很高的事件?？砂雅c安全有關(guān)的、與使用性有關(guān)的事件作為一種典型的選擇，設(shè)計(jì)者應(yīng)知道某個(gè)功能的喪失相當(dāng)于某一事件的發(fā)生，并能估計(jì)到它如何沿著層次結(jié)構(gòu)從底部向頂部擴(kuò)散，影響較高一級(jí)功能。（3）性能測(cè)量是為了保證功能的實(shí)現(xiàn)，直接的物理測(cè)量是理想的方法。但是，不是所有的性能測(cè)量都可以用這種方法來決定。有時(shí)不得不利用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件下所獲得的信息。

3.系統(tǒng)任務(wù)分析（1）任務(wù)分析內(nèi)容1）詳細(xì)描述操作員的工作（為實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能目標(biāo)，由人或機(jī)器所執(zhí)行的一系列動(dòng)作），根據(jù)任務(wù)的組成，確定人的活動(dòng)細(xì)節(jié)，以及這些活動(dòng)的功能與時(shí)間的關(guān)系。2）設(shè)計(jì)者使用功能分析（信息流與處理要求）中制定的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)分析。這種任務(wù)分析的目的，是為了確定所需執(zhí)行的任務(wù)的詳細(xì)內(nèi)容和它的特性要素，以步驟 2 中確定的滿足系統(tǒng)的性能和功能要求。這些任務(wù)應(yīng)根據(jù)定量測(cè)量、邏輯性或任何其他的描述來確定，它將成為概念設(shè)計(jì)階段擬定設(shè)計(jì)規(guī)范的依據(jù)。3）在任務(wù)分析中，還要描述一系列預(yù)計(jì)的系統(tǒng)工況下所可能采取的行為。（2）系統(tǒng)工況的工作1）子功能的組合。設(shè)計(jì)者將密切相關(guān)的各子功能組合為一體，以便將它們作為一個(gè)單元來處理。它們也可以具有層次結(jié)構(gòu)。2）各項(xiàng)子功能（任務(wù)）的內(nèi)容：①要求它實(shí)現(xiàn)的邏輯（為什么要求它實(shí)現(xiàn)?）；②實(shí)現(xiàn)它所需的控制動(dòng)作（怎樣才能實(shí)現(xiàn)？）；③控制動(dòng)作所需的參數(shù)；④評(píng)價(jià)控制動(dòng)作結(jié)果的準(zhǔn)則；⑤評(píng)價(jià)所需的參數(shù)；⑥評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；⑦選擇替代功能的準(zhǔn)則。3）確定各項(xiàng)特性要素：①工作負(fù)擔(dān)；②準(zhǔn)確性；③時(shí)間因素（如速率、時(shí)間裕度和限制）；④動(dòng)作邏輯的復(fù)雜性；⑤做判斷的類型和復(fù)雜性（如模式識(shí)別）；⑥由于功能喪失和相關(guān)的時(shí)間因素所產(chǎn)生的后果。

審核編輯 黃昊宇