第九章人机系统功能匹配及安全防护装置设计

第九章人机系统功能匹配

及安全防护装置设计安全人机系统主要由人、机、环境这三部分组成。人－机－环境系统工程的设计，重点是解决系统中人的效能、安全、身心健康以及人机匹配最优化的问题。必须做到机宜人，人适机，使人机之间达到最佳匹配，这是一条基本的原则。处理好人-机关系，才可能确保人机环系统总体性能的实现。9.1

人机功能关系人机系统

在一定的环境条件下，人机系统包括人和机两个基本组成部分，它们互相联系构成一个整体。

人机系统模型对于一个复杂的人-机-环境系统，一方面对人的功能进行适当开发和利用，对操作人员进行必要的系统训练；另一方面在机、环技术上采取措施，保证人员能力的发挥。更重要的是采用系统分析方法对人机环系统的研究与设计，合理的进行人与机之间任务的科学分配。举一个宇宙航行中飞船的例子，对于绕月球飞船飞行的成功率来讲，国外文献分析显示：如果采用全自动化飞行时成功率仅为22%；如果采用有人参与时则为70%；如果在飞行中航天员还能承担维修任务时则为93%；对于登月飞行的成功率来讲，这时后者为前者的4.2倍，充分说明了合理的功能分配对完成人机系统的成功设计非常重要。一、人的主要功能人在操作活动中的基本功能示意图

下图给出了人在操作活动中的基本功能示意图，它集中体现在信息输入（即感受刺激（S））、信息处理（即意识或称大脑信息加工（O））以及行为输出（即作出反应（R））这三个过程中。上述过程，心理学家称之为行为反应的S－O－R模式。一、人的主要功能一、人的主要功能人的主要功能感受器（传感器）：感受信息，感知工作和机器情况信息处理器：对信息处理分析、判断控制器（操纵器）：通过动作进行操纵刺激与行为关系的示意图行为的基本模式人的信息加工模型人机系统模型

机的子系统分为C－M和M－D系统。

C－M系统由控制器和机器的转换机构（或计算机主板）组成。这个系统的任务是使机器接受操作者的指令，实现机器的运转与调控，把输入转换为输出。

M－D系统由机器的转换机构和显示器组成。

二、机的主要功能二、机的主要功能机的主要功能接受信息:通过传感器接受信息储存信息:通过储存装置储存信息处理信息:对信息加工处理执行功能:1机器本身产生控制功能，2借助信号把指令从这个环节传递到下个环节三、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。三、人机特性比较项目机器人速度占优势时间延时为1s逻辑推理擅长演绎而不易于改变演绎程序擅长于归纳，容易改变其推理程序计算快且精确，但不擅于纠正误差慢且易产生误差，但擅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。可靠性与成本有关就人脑而言，其可靠性远远超过机械，但在极度疲劳与紧急事态下，很可能变得极不可靠，人的技术水平、经验以及生理和心理状况对可靠性有较大影响，可处理意外紧急事态三、人机特性比较项目机器人连续性耐久性高，能长期连续工作，但需要适当维护容易产生疲劳，不能长时间的连续工作，且受年龄，性别与健康状况等因素的影响灵活性如果是专用机械，不调整则不能改变其作业用途通过教育训练，具有多方面的应变能力，适应和应付突发事件能力强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，善于鉴别图像，能够从高噪声中分辨信号，易受超过限度的外界环境刺激的影响三、人机特性比较项目机器人智力无（智能机除外）拥有观察力、注意力、记忆力、思维力、想象力、创造力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、固体方面比人强，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功率输出恒定不能长时间地保持恒定功率，必须适当休息，不能适应恶劣的环境记忆最适用于文字的再现和长期存储可存储大量信息，并进行多种途径存取，擅长于对原则和策略的记忆三、人机特性比较可以看出，人具有智能、复杂感觉能力、综合判断能力、随机应变能力，对各种情况的决策和处理能力等。而人的功能限度是准确性、体力、速度和知觉能力；机的优点是作用力大、速度快、高阶运算能力和存储能力强、连续作业能力和耐久性能好。机的功能限度是性能维持能力、正常动作、判断能力、造价及运营费用。四、人机功能匹配人与机的几种结合形式劳动者-工具操作者-机器监控者-自动化机器监督者-智能机器1、人机功能匹配的含义人机功能匹配：静态的功能匹配动态人机功能匹配对人和机的特性进行权衡分析，将系统的不同功能恰当地分配给人或机，叫人机功能分配。对人和机的特性进行权衡分析，将系统的不同功能以固定的方式恰当地分配给人或机，而且系统在运行中不随时加以调整，叫静态人机功能分配。考虑作业时变性及人的响应可变性的条件。系统功能的分配依据作业定义、工作环境和当前系统组成要素的能力等条件，随时作出相应的分配。

2、静态人、机功能匹配的原则与方法

人机功能匹配的内容显示器与人的信息感觉通道特性匹配控制器与人体运动特性的匹配显示器与控制器的匹配环境条件与人心理生理及生物力学特性的匹配人机功能分配的原则1）比较分配原则

2）剩余分配原则3）经济分配原则4）宜人分配原则5）弹性分配原则

通过人与机器的特性比较，进行客观的和符合逻辑的分配。如笨重的、快速的、精细的、规律性的、单调的、高阶运算的、支持大功率的、操作复杂的、环境条件恶劣的作业以及需要检测人不能识别的物理信号的作业，分配给机器承担。指令和程序的安排，图形的辨认或多种信息输入时，机器系统的监控、维修、设计、创造、故障处理及应付突然事件等工作，由人承担。人机功能分配的原则1）比较分配原则

2）剩余分配原则3）经济分配原则4）宜人分配原则5）弹性分配原则

在功能分配时，首先考虑机器所能承担的系统功能，然后将剩余部分功能分配给人。在这当中，必须掌握和了解机器本身的可靠度，如果盲目地将功能强加于机器，则会造成系统的不安全性。人机功能分配的原则1）比较分配原则

2）剩余分配原则3）经济分配原则4）宜人分配原则5）弹性分配原则

以经济效益为原则，合理恰当地进行人机功能分配。如对某一特定功能．由机器承担时，需要重新设计、生产和制造；由人来承担时，则需要培训、支付费用等。这两者的经济效益通过比较和计算来确定功能的分配。人机功能分配的原则1）比较分配原则

2）剩余分配原则3）经济分配原则4）宜人分配原则5）弹性分配原则

系统的功能分配要适合于人的生理和心理的多种需求，有意识地发挥人的技能。人机功能分配的原则1）比较分配原则

2）剩余分配原则3）经济分配原则4）宜人分配原则5）弹性分配原则

系统的某些功能可以同时分配给人或机器，这样人可以自由选择参与系统行为的程度。例如许多控制系统可以自动完成，也可手动完成，尤其现代计算机的控制系统，要有多种人机接口，从而实现不同程度的人机对话。人优于机器的七个方面1.在感觉与知觉方面,人的某些感官的感受能力比机器优越。2.人能运用多种通道接受信息，当一种信息通道有障碍时可用其它通道补偿。而机器只能按设计的固定结构和方法输入信息。人优于机器的七个方面3.人具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，能应付意外事故和排除故障。而机器应付偶然事件的程序往往是非常复杂的。4.人能长期大量储存信息，并且能随时综合利用记忆信息进行分析与判断。人优于机器的七个方面5.人具有总结和学习功能而机器无论多么复杂，都只能按照人预先编好的程序工作。6.人能进行归纳推理，在获得实际观察资料的基础上归纳出一般结论，形成概念并能创造发明。人优于机器的七个方面7.人是有感情、意识和个性的，人具有能动性，人在社会活动中具有明显的社会性。机器优于人的七个方面（1）机器能平稳准确地运用巨大动力，其功率、强度和负荷大小可随需要而定。人体要受人体结构和生理特性的限制。（2）机器动作速度快、信息传递快、加工和反应速度快。（3）在感受外界的作用时，机器的精度高机器优于人的七个方面（4）机器的稳定性好，可终日不停重复工作而不降低效率，人就存在疲劳问题（5）机器的感受和反应能力一般比人高（6）机器可同时完成多种操作而人一般只能同时完成1-2项操作，且难以持久（7）机器能在恶劣环境下（如高温、高压、超重、缺氧、辐射）工作，人则无法忍受。3、动态人、机功能匹配的方法

动态人、机功能匹配：考虑作业时变性及人的响应可变性的条件。系统功能的分配依据作业定义、工作环境和当前系统组成要素的能力等条件，随时作出相应的分配。作业要求与可利用能力失配示意图动态人、机功能匹配，要求作业不是以一个固定的实体来设置，作业的构造能随着系统的目标要求而变化，需要引进智能适应界面系统或者辅助智能界面系统适应上述变化，反应作业的重新构造与重新分配。4、人机功能匹配中不合理的表现1）把适合人的功能分配给机器，把适合机器的功能分配给人，如汽车驾驶员驾驶同时判断行驶里数；2）人承担的负荷或速度超过人能力极限，如缝纫机操作速度太快；3）不能根据人执行功能的特点找出人机之间最适宜相互联系的途径和手段，如设计中没有考虑人的反应时间；5、人机功能不匹配的影响1)如果不考虑人和机的适应，那么人既不会舒适，也不会高效工作。2)人机不协调或协调性差是违章操作的主要原因，而违章操作可能会导致人为失误甚至安全事故；其次操纵器、显示器、报警器设计上的缺陷，未能达到最佳匹配也会造成违章操作，造成事故。6、人机功能匹配应该注意问题1）信息由机器显示器传递给人时，应该选择适宜的信息通道，避免信息过载，同时设计符合人机学原则；2）信息从人的运动器官传递到机器时，应该考虑人的能力极限和操作范围，控制器应该高效、安全、灵活、可靠；3）设计时，应该充分利用人和机的各自优势；6、人机功能匹配应该注意问题4）使用人机结合面的信息通道和传递频率不能超过人的能力极限，并使机器适合大多数人；5）要考虑机器发生故障的可能性，以及简单排除故障的方法和工具；6）要考虑小概率事件的处理，对可能造成破坏的小概率事件事先安排监督和控制方法。

9.2人机系统设计的基本要求和要点

系统设计的思想和过程可由下图予以概括。系统设计绝对不是某一个单一专业领域所能胜任的事，它应该由专业工程师、人机工程学家、心理学家、人类学家等共同协作完成。人机系统设计模型人机系统设计的基本要求1.能达到预定的目标，完成预定的任务。2.要使人与机都能够充分发挥各自的作用和协调地工作。3.人机系统接受的输入和输出功能，都应该符合设计的能力。4.人机系统要考虑环境因素的影响5.人机系统应有一个完善的反馈闭环回路。系统的总体目标人与机的结合方式9.2.1设计的原则与要点

ISO6385－1981（E）国际标准规定了人机工程学的一般指导原则，其中包括：1.工作空间和工作设备的一般设计原则2.工作环境的一般设计原则3.工作过程的一般设计原则四个方面的设计与分析要点（1）注意人机功能的分配；（2）注意人机匹配，尤其要注意显示器与人的信息通道间的匹配，控制器与人体运动特性间的匹配，显示器与控制器之间的匹配，环境与操作者适应性的匹配以及人、机、环境三大要素与作业之间的匹配等；（3）注意人－机界面的设计；（4）注意完成对人机系统的评价。9.2.2人机系统的设计步骤

1.对系统的任务、目标，系统使用的环境条件以及对系统的机动性要求等要有充分的了解和掌握。2.要调查系统的外部环境。3.要了解与掌握系统内部环境的设计要求。4.进行认真的系统分析，即利用人机工程学基础知识对系统的组成、人机的联系方式、作业活动等内容进行方案分析。5.分析该系