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。

審核編輯 黃昊宇