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家具生产中数字化人-机界面特征对人因失误的影响研究

摘要：传统的家具生产模式日渐被家具智能制造所代替，家具智能制造系统中的数字化控制，使技术系统、人-机界面、规程等影响人因可靠性的情境环境发生变化，改变了操纵员的认知行为模式，出现了新的失误机理。因此，对家具生产中数字化人-机界面特征对人因失误的影响进行研究，揭示生产过程的薄弱环节和人因失误有可能对生产产生的影响，为相关部门采取预测措施提供依据，进而达到提高生产效率和产品可靠性的最终目的。主要是通过对家具生产中数字化控制系统观察调研，分别从信息显示、用户界面交互与管理、控制系统、报警系统、规程系统等方面分析，识别数字化人-机界面特征。结果显示，数字化人-机界面新特征对人因失误产生的不利影响主要表现为操纵员的认知负荷和操作负荷的增加，容易产生模式混淆、情境意识丧失等。针对上述不利的影响，提出了相应的人因失误预防对策，为人因失误的预防和人-机界面的优化设计提供决策支持。

关键词：家具生产；数字化人-机界面；人因失误；影响分析

Research on the Influence of Digital Human-Machine Interface Characteristics on Human Errors in Furniture Production

Abstract: The traditional furniture production model is gradually being replaced by furniture intelligent manufacturing. The digital control in the furniture intelligent manufacturing system changes the situational environment that affects human reliability such as technical systems, man-machine interfaces, and procedures, and changes the operators. There is a new mechanism of failure in the cognitive behavioral model.Therefore, research on the impact of digital human-machine interface characteristics on human error in furniture production, reveal the weak links in the production process and the possible impact of human error on production, and provide a basis for relevant departments to take predictive measures to achieve The ultimate goal of improving production efficiency and product reliability.Mainly through the observation and investigation of the digital control system in the furniture production, respectively from the analysis of information display, user interface interaction and management, control system, alarm system, regulation system, etc., to identify the characteristics of digital man-machine interface.The results show that the adverse effects of the new features of the digital human-machine interface on human errors are mainly manifested in the increase of the operator’s cognitive load and operating load, which are prone to pattern confusion and loss of situational awareness.In response to the above-mentioned adverse effects, corresponding human error prevention countermeasures are proposed to provide decision support for the prevention of human error and the optimization design of human-machine interface.

Keywords: furniture production; digital human-machine interface; human error; impact analysis

随着科学技术的进步和人类社会的快速发展，家具生产设备的可靠性和稳定性在一次又一次的变革中得到快速提高，家具生产系统越发智能化，技术手段日趋优化[1]，直接由机械故障导致的生产效率低、产品损坏、生产事故比例已经降到较低水平，这说明单纯提高设备系统（硬件和软件）的可靠性是不能完全保证家具生产的整体水平。人在家具生产中的角色发生了变化，由提供动力者渐渐转换为控制者，成为了家具生产系统的主体。数字化控制系统在家具生产中的运用，使人的可靠性的情境环境因素发生显著变化，进而改变了操纵员的心理认知过程、行为模式及任务特征[2]，主要表现在信息显示、人-机界面交互与管理、操作规程、控制和输入设施，以及报警系统、操纵员的决策和支持系统等方面。数字化控制系统使人因失误出现新的失误机理、失误模式和新的人因失误分布。数字化仪表控制系统的设计是在借鉴其他领域的经验和教训的基础上发展和完善起来的[3]，其设计尽可能依照人的行为特征和习惯进行总体规划。但是新技术的出现，特别是在紧急情况下，数字化人-机界面仍会对操纵员的行为可靠性产生一定影响。本文对家具生产中数字化控制系统进行观察研究，分别从信息显示、用户界面交互与管理、控制系统、报警系统、规程系统等方面进行分析，通过识别数字化人-机界面的特征对人因失误的影响，为人因失误的预防和人-机界面的优化设计提供决策支持，提高生产效率、减少生产事故、优化家具生产作业、帮助管理层选择有效的组织手段，以减少生产失误复发。

1研究现状

1.1人因失误方面的研究现状

在进入20世纪90年代，人因失误研究已经成为多学科交叉渗透的面向21世纪的重点研究领域。国外许多研究者已经将人工智能、随机模拟、心理学、认知工程学、神经网络、信息论、突变论、模糊集合论等学科的思想综合应用到人的可靠性分析中[4]。其中具有代表性的人物有Swain, Guttmann，Kirwan, Hollnagel, Spurgin, Hannaman等，研究领域主要有核电站、航天航空、交通运输等,他们也是HRA领域的领军人物[5]。我国在这领域的研究起步比较晚，20世纪90年代初期才开始人的可靠性研究，在这一阶段的主要研究是对国外的人的可靠性模型、研究方法以及一些文献的翻译和介绍。近年来，我国在人的可靠性领域的研究也取得了一定成绩,主要代表有清华大学的黄某某教授、沈某某教授、赵某某教授，北京科技大学的高某某教授以及南华大学的张力教授等，他们对我国的HRA技术的发展作出了重大贡献，并且对核电站操作员的可靠性进行了大量研究[6]，对我国的岭澳核电站、秦山核电站、大亚湾核电站进行人的可靠性分析。北京理工大学的王某某教授对交通运输中的人的可靠性进行了研究，对驾驶员的可靠性进行了评价。此外，还有许多其他研究人员在人的可靠性方面也做了大量研究，研究领域主要是核工业、航空航天、机械仪表、土木建筑、交通运输、海洋工程等[7]。到目前为止，从已经公开和发表的文献和书籍来看，目前国内外还很少有人对制造业中的人因失误及人的可靠性问题进行研究。

1.2家具生产中数字化人-机界面特征对人因失误的影响研究现状

家具行业中对于人因失误的问题研究相对较少，仅有对家具生产以及生产车间布局的研究。2004年，刘培义通过生产过程的工序分析和产品结构分析，改进生产车间布置，着重研究在现有生产条件和投入不变的情况下提高家具配料工段的生产效率[8]。2007年，姚浩然对家具JIT生产计划管理方法进行了研究，通过产能负荷分析，确定生产周期、把生产计划细化到工序的日计划[9]。2010年，吕玉翠采用启发式算法对板式家界生产作业排序进行了研究[10]，得到了理想的结果。2011年，陶涛对基于约束理论的MTO型家具生产优化进行了具体研究[11]，以MTO型家具生产作为研究对象，创建了适应家具产业发展要求的MTO型家具生产优化理论体系。

综上所述，迄今为止，有关制造业中的人因失误的研究还处于起步阶段，相关研究甚少，也不够深入，同时，家具产业也正处于转型升级。因此，对家具生产中数字化人-机界面特征对人因失误的影响进行研究，通过此研究起到抛砖引玉的作用，促进人因可靠性分析技术在制造业更广泛的应用，也为家具企业的生产管理提供有效的组织手段，提高其生产效率。

2家具智能制造对人因失误的影响

2.1 信息显示的影响

家具智能制造的显示系统是图形化的信息显示系统，通过屏幕显示生产信息。基于计算机的信息显示，其信息具有全面性、可靠性等，并且大量信息可通过卷动 显示、重叠的画面和分层显示，因此信息显示不会受限于物理空间。但是，信息的超负荷将给操纵员在信息过滤、筛选、分类、重组、整合等方面带来比较大的认知负荷和干扰，使其容易产生感知失误。传统的家具制造控制面板其仪表显示对于操纵员理解及实施生产简单，而智能制造中控制系统的显示在这方面存在局限性，即使提供了大屏幕总貌显示[12]。在数字化控制系统中，操纵员为了获取整个生产或者系统的状态，必须通过“界面管理 任务”进入许多单个画面以获取所需的全部信息[13]，同时需对信息进行检索、记忆、整合，在很大程度上增加了操作员的工作负荷，并且干扰和分散了操纵员的注意力。繁重的工作容易引起操纵员忽略、过滤一些重要的信息，降低了分析的精度。其次，单个画面信息过多，且同一信息在不同画面上显示的位置不同，易引起记忆错误、视觉疲劳和误判断。

2.2 用户界面交互与管理的影响

用户界面交互与管理或称人-机交互，是指操纵员通过人-机交互的方式从界面中获取信息、向人-机界面输入指令控制信息、以及管理输入和输出信息相关的任务。传统的家具生产模式下，操纵员之间交流频率高；并且，操纵员是通过走动获取生产状态信息，获取的信息比较直观。而数字化控制系统中，操纵员是在计算机上执行任务和获取信息，操纵员之间并不清楚各自在做什么，因此，较难监控、检查和发觉失误（除非有信息反馈），同时也增加了界面管理任务。通常，为了获取详细的信息，操纵员必须从有限宽度的显示屏通过反复的导航来实现[14]，这种情境下，会产生所谓的小孔效应，影响操纵员对整个任务和生产状态的情境意识。界面管理任务主要有2类不良的影响：①该任务占据了操纵员的注意力资源，弱化了操纵员对第一类任务的认知；②在高负荷期间, 操纵员为了减少界面管理任务的操作，可能放弃访问和检索一些对第一类任务重要的信息。另外，在数字化控制系统中，操纵员只是根据规程中规定的指示才进行交流，相对弱化了交流频率，增加了失误的可能性。

2.3 操作控制的影响

传统的家具生产是基于实物的按钮、调节旋钮或操纵杆等对生产设备进行控制；而数字化的控制是通过鼠标对虚拟的图标进行软操作。但是数字化的控制器相对传统生产模式的控制器，操作比较复杂，需打开设备操作窗口、点击操作指令（开/关，启 /停等）、确认操作指令（安全设备）、执行操作指令、关闭操作窗口等。这种频繁的操作增加了操纵员的认知负荷和时间压力，且操作后的状态信息反馈指示与控制器的空间相合性对应程度差，特别是在紧急情况下，容易产生失误操作[15]。有些控制器的设计与操纵员的习惯性思维不符，增加了操纵员的认知负荷。另外，鼠标的定位速度和精度有待提高，最好将其与键盘配合使用快速定位，以节省操作时间。在执行软操作时，软控制的弹出窗口有时会覆盖一些重要参数的显示，对信息的查看带来影响，有些***被覆盖，需托动才能操作，因此，影响操作速度，软控制的设计有些不规范，易使操纵员产生混淆。

2.4规程系统的影响

家具生产中，设备的操作规程对生产的安全至关重要。传统的家具上产中，控制系统基于纸质的规程，而在数字化控制系统中纸质规程被计算机电子化，可在计算机工作站中的显示屏上直接调用和认读[16]。规程计算机化后，存在以下诸多不足：①尽管规程在执行过程中可以在计算机画面上通过“打勾”来确认规程执行到具体的步骤，但是，应急情况下，规程的打勾易某某，从而容易遗漏重要的操作步骤；②规程画面的设计和状态显示等画面中的设计一致性不是很好（如单位、导航混淆等问题）；③规程中有些步骤没有相应的信息对应来帮助操作员判断；④某些规程设计不符合人的正常认读习惯（从左到右，从上到下），是从右到左来布置；⑤规程中有太多的操作模式，增加了人的眼动距离和容易产生视觉疲劳，由于程序结构的复杂性增加了执行程序跳项或错误的风险[17]。设计的操作规程应该符合我国操纵员认知习惯，规程中需要提示操纵员未完成或遗漏掉的规程步骤，尽量减少操作模式单和操作单的数量，避免操纵员丧失情境意识等。

3预防对策

在复杂的社会-技术系统中，人因失误的产生是一个动态的过程。人因失误的产生遵循多因素致因理论，是若干个因素（包括组织因素、情境状态因素、个体因素等）共同作用的结果。因此，预防人因失误的发生需依据上述因素综合考虑。本文主要研究数字化人-机界面的特征对人因失误的影响，因此，从以下方面探讨预防和减轻数字化人-机界面对人因失误的影响应该采取的策略。

3.1 人-机界面的设计策略

数字化人-机界面的新特征对人因失误产生的影响，除少数受限于技术瓶颈，很大一部分问题是人-机界面设计中存在的缺陷。因此，人-机界面的设计应采取以下相应对策：

人因工程设计规范化

数字化人-机界面初步设计阶段应该有详细、完整和系统化的人因工程设计标准作为设计指导，包括总则和具体的设计规范。以系统化的、统一的人因工程设计规范为指南，将使设计有章可循，避免设计的随意性、主观性，确保设计出的画面具有一致性。

（2）具备良好的人员培训

设计人员在设计前应经过严格的人因工程培训，无条件遵守设计规范，防止设计中存在诸如未遵循人的认知习惯之类的明显缺陷。

（3）执行严格的审查制度

画面设计完成之后，需要通过严格的审查程序对画面进行审查，确保设计中不出现典型的设计错误，通过审核之后形成设计文件。

3.2 人-机界面的评审

对投入使用之前的人-机界面需通过设计检查和验证，确保其可用性和可靠性。发展一种基于人因可靠性分析方法的人-机界面审查，能有效地识别人-机界面设计中影响人员绩效的潜在缺陷，有利于人因失误的预防和减少[18]。识别人因工程缺陷之后，对人-机界面进行改进。改进之后的人-机界面需再次进行评审和验证，直至达到操纵员满意的结果。

3.3 有效的组织监管

数字化控制系统中，由于操纵员基于工作站工作，其操作行为难以被其他操纵员观察（除非操作失误并有信息反馈），存在监管缺失。为防止操作失误，并在事故情境下赢得操作时间，需对重要的操作进行监管。

3.4 有效的班组合作与交流

在数字化控制系统中，操纵员依据数字化规程进行操作，往往不清楚其他操纵员在做什么，操纵员彼此之间交流与合作较少[19]。因此，需加强班组之间的交流与合作，预防人因失误及提高失误恢复的可能。

3.5 良好的操纵员培训

培训的内容有一般系统知识、安全知识和特殊专业技能等培训。只有通过不断的培训，才能提高操纵员的知识和技术，保证安全有效地完成工作，提高操作的可靠性和绩效。如通过培训，可将知识型失误向技能型失误转化，降低人因失误概率。

4结语

尽管家具制造智能化之后，提高了系统可靠性和操纵员的绩效，但是数字化的人-机界面特征对人因失误产生了影响，特别是信息过负荷、频繁的界面管理任务、复杂的软控制、报警信息难获取、规程的复杂性等给操纵员带来认知负荷、工作负荷的增加、系统状态的混淆以及情境意识的丧失等不利的影响。 操纵员的可靠性受诸多因素的影响，表现在组织因素、情境状态因素以及个体因素等。数字化人-机界面缺陷的存在，可通过人-机界面设计、人因工程评审及再设计来进行纠正和预防，减少人因失误的发生。另外，对于数字化控制系统中表现的人因失误，可通过诸如组织的监管、有效的交流与合作、良好的操纵员培训等手段进行预防和有效的恢复。尽管本文分析了家具生产中数字化人-机界面对人因失误的影响和主要的预防对策。但是，家具生产中数字化人-机界面因素之间的相互作用机理、与具体人因失误之间的因果影响关系、影响程度以及综合的系统化的人因失误预防体系的建立等，则是以后需要进一步研究的问题。

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