安全人机工程学-2-人机系统

安全人机工程学-2-人机系统第一页，共58页。课程回顾人机工程学：人机工程学是运用生理学、心理学、生物力学和其它有关学科知识，使机器和人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而提高工效的一门科学。人机工程学的发展：经验人机工程学、科学人机工程学、现代人机工程学人机工程学的研究内容：人的因素、机的因素、环境因素、人机系统的综合研究安全人机工程学：是从安全的角度和着眼点研究人和机的关系，运用人机工程学的原理和方法去解决人机结合面的安全问题的一新兴学科。是人机工程学的一个应用学科的分支，并称为安全工程学的一个重要分支学科人机结合面：人与机在信息交换和功能上接触或互相影响的领域（或称“界面”）第二页，共58页。人机系统主要内容人机系统的类型及其功能人机系统的基本模式和人机关系人机功能分配人机系统的事故模式及应用第三页，共58页。人机系统学习目标了解人机系统的类型掌握人的功能和机的功能及功能特性比较，能进行简单的人机功能分配设计充分理解人机系统事故模式和安全人机系统事故模型的作用理解人机关系和人机系统基本模式第四页，共58页。2.1人机系统概述基本概念系统：是指相互联系、相互制约的事物，以某种形式结合在一起并具有特定功能的有机整体。整体系统的组成部分称为子系统。整体系统与子系统之间既有相对性也有统一性。第五页，共58页。2.1人机系统概述基本概念人机系统：是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能够完成特定目标的一个整体系统。人：机器的操作者或使用者机器：人所操作或使用的各种机器、设备、工具的总称。ABCD第六页，共58页。2.1人机系统概述基本概念人机系统：是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能够完成特定目标的一个整体系统。人：机器的操作者或使用者机器：人所操作或使用的各种机器、设备、工具的总称。YesOrNo?第七页，共58页。2.1人机系统概述基本概念人机环境系统：由于人的工作能力和效率随周围环境因素而变化，任何人机系统又都处于特定环境之中，因此在研究人机系统时，环境因素也是其中一项很重要的因素。把人、机、环境三者之间相互联系、相互作用构成的整体系统称为人—机—环境系统。气温风速路面强光第八页，共58页。2.2人机系统类型及功能按照有无反馈控制分类开环人机系统指系统中没有反馈回路或输出过程也可提供反馈的信息，但无法用这些信息进一步直接控制操作，即系统的输出对系统的控制作用没有直接影响。如操纵普通车床加工工件。闭环人机系统指系统有封闭的反馈回路，输出对控制作用有直接影响。若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，如在普通车床加工工件时，再配上质量监测构成反馈，则称为人工闭环人机系统。若由自动控制装置来代管人的工作，如利用自动车床加工工件，人只起监督作用，则称为自动闭环人机系统开环还是闭环?开环闭环第九页，共58页。2.2人机系统类型及功能按系统自动化程度分类人工操作系统人工操作系统包括人和相应的辅助机械及手工工具。人负责提供作业动力，并作为生产过程的控制者。信息储存感觉信息处理和决策动作人（动力源和控制者）信息反馈输入输出第十页，共58页。2.2人机系统类型及功能按系统自动化程度分类半自动化系统半自动化系统由人和机器设备或半自动化机器设备构成，人控制具有动力的机器设备，也可以为系统提供少量的动力，以对系统做某些调整或简单操作。在这种系统中，人与机器之间的信息交换频繁、复杂。人感知来自机器、产品的信息，经处理后称为进一步操作机器的依据。信息储存感觉信息处理和决策动作人（控制者）信息反馈机器输入输出过程控制第十一页，共58页。2.2人机系统类型及功能按系统自动化程度分类自动化系统自动化系统由人和自动化设备构成。机器负责系统中信息的接收、储存、处理和执行等工作；人只起到管理和监督的作用，只有在发生意外情况时，人才采取强制措施。系统从外部获得所需的能源，人的具体功能是启动、制动、编程、维修和调试系统必须对可能发生的意外情况设有预报及应急处理的功能信息储存感觉信息处理和决策动作机信息反馈机器输入输出过程控制信息储存感觉信息处理和决策动作人（监视者）第十二页，共58页。2.2人机系统类型及功能第十三页，共58页。2.2人机系统类型及功能按人机结合方式分类人机串联作业时人直接介入工作系统，操作工具和机器。能够突出人的长处和作用，但是也存在人机特性互相干扰的一面。由于受人的能力特性的制约，机器特长不能充分发挥，而且还会出现种种问题。人机第十四页，共58页。2.2人机系统类型及功能按人机结合方式分类人机并联作业时人间接介入工作系统，人的作用以监视、管理为主，手工作业为辅。当系统正常时，人管理、监视系统的运行，系统对人几乎无操作要求，人与机的功能有互相补充的作用，机器的自动化运转可弥补人的能力特性的不足。当系统出现异常时，机器由自动变为手动，人必须直接介入到系统中，人机结合从并联变为串联，要求人迅速而正确地判断和操作。人机第十五页，共58页。2.2人机系统类型及功能按人机结合方式分类人与机串/并联混合人与机串并联混合结合方式，最常用的结合方式。人机机第十六页，共58页。2.2人机系统类型及功能人机系统的功能信息接收信息加工信息储存执行功能信息反馈输入与输出第十七页，共58页。2.3人机系统的基本模式人机系统基本模式由人的子系统、机器的子系统和人机界面组成。第十八页，共58页。2.3人机系统的基本模式人的子系统可概括为：刺激（Stimulus）—大脑信息加工（Organism）—反应（Response）S—O—RS—O系统组成部分：感觉器官和大脑中枢组成，由传入神经作为联络纽带任务：收集信息、发现问题，传递到大脑进行加工整理，即判断和决策O—R系统组成部分：大脑中枢与运动器官，由传出神经作为联络纽带任务：执行大脑发出的指令，去改变客体的状态。第十九页，共58页。2.3人机系统的基本模式机器的子系统可概括为：控制装置（Controller）—机器运转（Machine）—显示装置（Display）C—M—DC—M系统组成部分：控制器和机器的转换机构（或计算机主机）任务：接受操作者的指令，实现及其运转、调控，把输入转化为输出M—D系统组成部分：机器的转换机构和显示器组成任务：反映机器运行过程和状态的信息第二十页，共58页。2.3人机系统的基本模式人机界面：人与机器之间存在一个相互作用的“面”，所有的人机信息交流都发生在这个作用面上，通常称为人机界面。人机界面的设计主要是指显示器、控制器以及他们之间的关系的设计。目的是实现人机系统优化第二十一页，共58页。2.4人机功能分配2.4.1人的主要功能人在人机系统的操纵过程中所起的作用：刺激(S)意识(O)反应(R)(1)人的第一功能——传感器(2)人的第二功能——信息处理器(3)人的第三功能——操纵器第二十二页，共58页。2.4人机功能分配2.4.1人的主要功能人在人机系统的操纵过程中所起的作用：刺激(S)意识(O)反应(R)人在操作活动中的基本功能示意图第二十三页，共58页。2.4人机功能分配2.4.2机的主要功能机在人机系统中所表现的功能是类似的，特别是自动化机器，具有接受信息、存储信息、处理信息和执行等主要功能。（1）接受信息（2）储存信息（3）处理信息（4）执行功能第二十四页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配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，才能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；以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。第二十五页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机特性比较机器人监测物理量的监测范围广，而且精确；可监测如电磁波等一些人不能监测的物理量具有与认知直接联系的监测能力，凭感官接收信号，掌握标准困难，易出错；具有味觉、嗅觉和触觉操作在力量、速度、精确、操作范围、耐久性等方面远比人优越；对处理液体、气体、粉状体等比人优越，但处理柔软物则不如人肢体具有许多自由度，可在三维空间进行多种运动，可进行微妙的协调，但人的力量、速度有限；可通过获取视觉、听觉、位移和重量等信息控制运动器官灵活地操作信息处理按预先编程可进行快速、准确的数据处理；记忆正确并能长时间储存，调出速度快；反应速度快；学习能力较低，灵活性差具有抽象、归纳能力以及模式识别、联想、发明创造等高级思维能力；善于积累经验并运用经验判断；记忆力有限；需要反应时间；具有很强的学习能力，灵活性强第二十六页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机特性比较机器人持续性可连续、稳定、长期运转，也需要适当的维修保养；可进行单调的重复性作业易疲劳，很难以长时间保持紧张状态，需要休息、保健和娱乐；不适合从事负荷刺激小，单调乏味的作业可靠性与成本有关；设计合理的机器对设定的作业有很高的可靠性；无法处理意外事件；特性是固定不变的；不易出错，如出错不易修正在紧急突发的情况下，可靠性差；可靠性与机动、责任感、身心状态、意识水平等心理和生理条件有关；有个体差异，与经验有关，并受别人影响；应变性强；容易出差错，但易修正错误；如有时间和精力，可处理意外事件信息交流与人之间的信息交流只能通过特定的方式进行人际之间很容易进行信息交流，组织管理很重要第二十七页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机特性比较机器人效率功率可大可小；可以根据目的设计必要的功能，避免浪费；功能简单的机器速度快而且准确；新机器从设计、制造到运转需要一定的时间适于功率小于100W的轻巧的作业；人是综合整体，多多种功能，需要补充能耗，还必须适应处理必要功能以外的时间；必须采取绝对的安全措施；需要教育和训练。适应性专用机械的用途不能改变，只能按程序运转，不能随机应变；比较用以进行改造和革新通过教育训练，有多方面的适应能力，有随机应变能力；改变习惯定型比较困难环境能适应各种环境条件，可在放射性、有毒气体、粉尘、噪声、黑暗、强风暴雨等恶劣和危险环境下工作要求环境条件对人是安全、健康和舒适的，但对特定环境能较快适应第二十八页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机特性比较机器人成本包括购置费、运转和保养维修费；一旦出现事故，也只失去机器本身价值包括工资、福利和教育培训费；如果万一发生事故，可能失去宝贵生命其他具有特定的动机，渴望在集体中工作和生活，得到集体保护，否则会产生孤独感、疏远感，影响作业效能第二十九页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机特性比较可见，人在复杂感受能力、信息处理能力、智力、综合判断能力、对情况的决策处理能力、灵活应变能力等方面优于机器；但在准确度、体力、速度和知觉能力方面有限。机器在操纵力、速度、精确度、高阶运算能力、存储能力、连续作业能力和耐久性等方面优于人；但在性能维持能力、正常动作、判断能力、造价、运营费用方面受限。第三十页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能分配的含义对人和机的特性进行权衡分析，将人机系统的不同功能分配给人或机，叫人机功能分配。第三十一页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能分配的含义人与机的结合形式：劳动者——工具操作者——机器监控者——自动化机器监督者——智能机器第三十二页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能分配的含义人机结合的原则改变了传统的只考虑机器设计的思想，提出了同时考虑人与机器两方面因素，即在机器设计的同时把人堪称是有知觉、有技术的控制机、能量转换机、信息处理机。从安全的角度出发，人机匹配主要解决的问题是：信息由机器的显示器传递到人，需要选择适宜的信息通道，避免信息通道过载而失误，以及显示器的设计如何符合安全人机工程学原则；信息从人的运动器官传递给机器，如何考虑人的极限能力和操作范围，控制器如何设计得高效、安全、可靠、灵敏；如何充分运用人和机各自的优势；怎样使人机界面的通道数和传递频率不超过人的能力，以及机器如何适合大多数人的应用第三十三页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能分配的一般原则美国人机学家麦克考米克总结：人能完成并能胜任机器的工作有：发觉微量的光和声，接收和组织声、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，进行归纳整理和判断并形成概念和创造方法等。目前机器能完成并胜任人的工作有：对控制信号迅速做出反应，平稳而准确地产生“巨大力量”，做重复和规律性的工作，短暂地储存信息然后删除这些信息，快速运算，同一时间执行多种不同的功能。笨重、快速、精细、规律性、单调、高阶运算、支付大功率、操作复杂、环境条件恶劣的作业以及需要监测人不能识别的物理信号的作业。指令和程序的安排，图形的辨认或多种信息的输入，机器系统的监控、维修、设计、创造、故障处理及应付突发事件等工作。第三十四页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能匹配对人机系统的影响人机功能匹配是指人机相互配合、相互协调、相互适应，实现人配合机器和机器适应人。如果不考虑人机的相互适应，那么人就既不会舒适，也不会高效安全地工作。人机不协调或协调性差会造成违章操作；操纵器、显示器、报警器未能达到最佳匹配也会造成违章操作，造成事故。第三十五页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机分工不合理的表现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；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；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；第三十六页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能匹配应该注意问题设计时应该按照人机功能分配原则，充分利用人和机的各自优势；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，同时设计要符合人机学原则；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；第三十七页，共58页。2.4人机功能分配2.4.3人与机功能分配人机功能匹配应该注意问题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；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；要考虑小概率事件的处理，对可能造成破坏的小概率事件要事先安排监督和控制方法。第三十八页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法人机能力比较分配法最初的功能分配方法，也是迄今为止应用最普遍的方法，在早期的简单工业自动化监控系统中得到大量的应用。Fitts人机能力对比表人擅长（MenAreBetterAt）机器擅长（MachineAreBetterAt）能够探测到微小范围变化的各种信号对控制信号的快速反应对声音和光的模式感知能够精确和平稳地运用能量创造或运用灵活的方法执行重复、程序性的任务长期存储大量的信息并在适当的时候运用能够存储简短的信息，并能完全删除他们运用判断能力计算和演绎推理能力归纳推理能力能够应付复杂的操作任务第三十九页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法Price决策图法Price决策图对任意一个功能，从人和机器两方面的特性做出比较，然后根据效能、速度、可靠性、技术可行性等做出评估，评估结果为一个复数值（人的绩效个实部，机器的绩效值为虚部）。人的绩效劣优机的绩效劣优①②③④⑤⑥缺点：绩效值的计算第四十页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法Sheffield法系统整体结构分析系统需求分析系统功能辨识与分析系统的强制功能分配人机之间的暂时功能分配人员之间的暂时功能分配动态功能分配对所有分配结果的检查建议的功能分配结果输入分配选择输出Sheffield法流程图第四十一页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法Sheffield法优点：考虑的因素比较全面，包含了系统的静态和动态功能分配过程，同时考虑了操作人员之间的功能分配。缺点：考虑的因素太多，使得设计任务由于缺乏相关信息而无法操作；Shellield法必须将功能分解到能够完全分配给人或机器，也就是足够细的粒度才能实施操作。第四十二页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法自动化分类与等级设计法自动化等级低高计算机不提供任何帮助计算机提供整套的决策或行动方案缩小选择范围建议一个方案如果人同意则执行这个方案在执行前允许人在短时间内否决自动执行，仅在必要时通知人如果人需要则告知他是否通知人全由计算机决定计算机决定所有的工作，拒绝人的干预第四十三页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法自动化分类与等级设计法哪些功能需要自动化对自动化的类型进行分类确定自动化的类别应用首要评价准则（人的表现）脑力负荷技能降级情景意识满足感自动化的初始类型与等级划分应用次要评价准则自动化的可靠性代价……最终的自动化类型与等级设计自动化分类与等级设计流程图第四十四页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法York法：是一种基于场景（Scenario）的设计方法。系统根据环境、目标和主要功能（任务）的不同，将任务进行分组，并将某一组相关联的功能（任务）放在相应的环境中，这种功能（任务）组和环境的结合体称为场景。一个系统可分为若干个场景，每一个场景中都包含一组相互关联的功能（任务）。一个场景中至少包含一个功能，同时某一个功能也有可能被包含在多个相关的场景中。在不同的场景中，即使是同意功能其属性参数也是不相同的，与所处的场景有关。通过场景机制，迫使设计者将功能运行时的环境因素也考虑进去。第四十五页，共58页。2.4人机功能分配2.4.4人机系统功能分配方法York法：第四十六页，共58页。2.5人机系统事故模式与应用2.5.1人机系统事故模式人机系统事故模式是指从人机关系上研究事故致因的模式。能量系统的平衡被打破，导致事故；作业空间的环境第四十七页，共58页。2.5人机系统事故模式与应用2.5.1人机系统事故模式以人的行动为主体的（单人—机系统）事故模型在环境不被有害气体污染的情况下，人机系统的事故模式多以人的行为为主体，即以人为本。第四十八页，共58页。2.5人机系统事故模式与应用2.5.1人机系统事故模式机械—多人系统事故模型在现代化大生产的集体劳动中，单人—机系统的应用不是非常广泛，常见到的是机械—多人系统，即在操作过程中，在同一时间内完成同一目的，有多人操作一台机器或一个大型设备。共同修理、清扫、调整大型设备共同搬运大型重物在长电路上共同检修高压线路、电器设备第四十九页，共58页。2.5人机系统事故模式与应用2.5.1人机系统事故模式具有运动形态的人机系统事故模型在具有运动形态的人机系统的操作系统中，用到的运输工具不同于厂内加工生产用的机械，而是通过“厂外交通”工具