安全人机工程学-人机系统安全评价

9.1人机系统分析方法9.2人机系统的可靠性分析9.3人机系统评价人机系统安全评价

9.1人机系统分析方法

9.1.1连接分析法

连接分析法(LinkAnalysis)是一种描述系统各组件之间相互作用的简单图解技术，是一种对已设计好的人、机、过程和系统进行分析、评价的简便方法。连接分析的目的是合理配置各子系统的相对位置及其信息传递方式，减少信息传递环节，使信息传递简捷、通畅，提高系统的可靠性和工作效率。

1.连接的类型

1)对应连接

对应连接是指作业者通过感觉器官接收他人或机器发出的信息，或作业者根据获得的信息进行操作而形成的作用关系。对应连接有显示指示型和反应动作型两种。以视觉、听觉或触觉来接受指示形成的对应连接称为显示指示型对应连接。

2)逐次连接

人在进行某一作用过程中，往往不是一次动作便能达到目的，而需要多次逐个的连续动作。这种逐次动作达到一个目的而形成的连接称为逐次连接。

2.连接分析法的步骤

1)绘制连接关系图

连接分析通过连接关系图进行。将人机系统中操作者和机器设备的分布位置绘制成平面布置图，人机系统中的各种要素均用符号表示，各种要素之间的对应关系根据不同连接形式用不同的线型表示，连接关系图中的要素符号、线型的含义如表9-1所示。图9-1控制系统设计图9-2控制系统设计中的连接分析图

2)调整连接关系

为了使各子系统之间达到相对位置最优化，在调整连接关系时常使用以下三个优化原则：

(1)减少交叉。为了使连接不交叉或减少交叉环节，通过调整人机关系及其相对位置来实现。图9-3连接方案的优化(a)初步方案；(b)修改后的方案

(2)综合评价。对于较为复杂的人机系统，仅使用上述图解很难达到理想的效果，必须同时引入系统的“重要程度”和“使用频率”两个因素进行分析优化。确定链的形态、重要度和频率，求出每一个链的链值。

①相对重要性。

②使用频率。

③综合评价。

图9-4采用综合评价的连接分析(a)初始方案；(b)改进后的方案

(3)运用感觉特性配置系统的连接。从显示器获得信息或操纵控制器时，人与显示器或人与控制器之间形成视觉连接、听觉连接或触觉连接(控制、操纵连接)。视觉连接或触觉连接应配置在人的前面，由人的感觉特性所决定。而听觉信号即使不来自人的前面也能被感知，因此，连接分析还应考虑运用感觉特性配置系统的连接方式。图9-5运用感觉特性配置系统连接(a)初始方案；(b)改进后的方案

3.连接分析法的应用

1)对应连接分析

图9-6(a)所示为某雷达室的初始平面图。为了减少交叉和缩短行走距离，运用连接分析法优化雷达室内的人机间的连接。利用连接图将图9-6(a)简化为图9-6(b)。图9-6(c)所示为改进方案的连接图，改进方案的人机间连接关系与旧方案完全相同，但平面布置不同。改进方案的平面布置如图9-6(d)所示。图9-6雷达室平面布置设计(a)初始平面图；(b)初始连接图；(c)改进连接图；(d)改进平面图

2)逐次连接分析

连接分析可用于控制盘的布置。在实际控制过程中，某项作业的完成需对一系列控制器进行操纵才能完成。这些操纵动作往住按照一定的逻辑顺序进行，如果各控制器安排不当，各动作执行路线交叉太多，会影响控制的效率和准确性。运用逐次连接分析优化控制盘布局，可使各控制器的位置得到合理安排，减少动作线路的交叉及控制动作所经过的距离。图9-7机载雷达的控制盘示意图(a)初始方案连接图；(b)改进后方案连接图

4.连接分析法的特点

连接分析方法以硬件为导向，所以该方法不一定依据对从事任务的操作人的观测，可能不需要操作人员的参与。通常情况下，对过程的描述可以提供绘制连接分析图的基础信息。

不过，对于特定分析可能需要通过观测和收集数据来获取一些信息。9.1.2作业分析法

作业分析法是以作业系统为对象，对现行各项作业、工艺和工作方法进行系统分析，从中找出不合理、浪费的因素并加以改进，以达到有效利用现有资源、增进系统功效的目的。作业分析法包括方法研究和时间研究两大类技术(如图9-8所示)，它们紧密联系、相辅相成。作业分析始于被誉为科学管理之父的美国人泰勒。图9-8作业分析法

1.方法研究

1)方法研究的步骤

方法研究的步骤及实施如表9-2所示。

2)程序图

程序图是在方法研究中，用于观察记录与现行作业方法有关的全部事实的一组图表。通过这些图表所记录的整个生产过程中的各个程序，可以分析、研究生产系统和生产子系统中的各种关系。目前国际上通用的程序图有6种：操作程序图、流程程序图、流程线图、人机程序图、工组程序图和双手操作程序图。绘制程序图时，通常用一套符号记录生产过程中的全部事件。常用的基本符号如表9-3所示。

3)考查和开发

用提问的方法对程序图所记录的全部事实做进一步分析，称为考查。考查清楚基本情况之后，即可优化现行方案，开发新的方法。可用ECSIRR法，它是删减(Elimination)、合并(Combination)、简化(Simplification)、改进(Improvement)、替换(Replacement)、重排(Rearrangement)等6种方法的统称。

2.程序分析

1)操作程序图

操作程序图是以图表形式表示从原料投入生产直至加工成零件或装配成产品为止所经历的各种操作及检验。该图只反映操作和检验两种活功，运输、等待、储存在图中不作记录。图中用竖线表示操作程序的流程，用横线表示物料的投入。图9-9操作程序图(a)摇杆的装配图；(b)摇杆的操作程序图

2)流程程序图和流程线图

流程程序图是一种按时间顺序记录操作、检验、运输、等待、储存等5种活动的图表。它反映了生产过程中包括经过时间、移动距离以及等待在内的整个活动，是方法研究中最有用的工具。根据研究对象不同，流程程序图可分为物料型、人员型和设备型。图9-10物料型流程程序图流程线图是用来补充流程程序图的一种图表。它按照实际尺寸，采用一定比例，将流程程序图所涉及的工作区域、设备、工作台、检验台、原材料、制品或成品存放位置等画成平面布置图。流程线图一般与流程程序图结合使用，主要分析生产过程中物料和人员运动的路线。流程线图9-11(a)(现行方法)和图9-11(b)(改进方法)是流程程序图9-10方法的补充。图9-11流程线图(a)现行方法；(b)改进方法

3.操作分析

操作分析是研究一道工序的运行过程，分析到操作为止，而程序分析是分析到工序为止的。操作分析常用的工具为人机程序图、工组程序图和双手操作程序图。

1)人机程序图

人机程序图是记录在同一时间坐标上，人与机之间协调与配合关系的一种图表，如图9-12所示。通过对图9-12分析，可以减少人机空闲时间，提高人机系统效率。图9-12人机程序图

2)工组程序图

工组程序图是记录在同一时间坐标上，一组工人共同操作一台机器或不同工种的工人共同完成一项工作时，他们之间的配合关系如图9-13所示。图9-13工组程序图

3)双手操作程序图

双手操作程序图是按操作者双手动作的相互关系记录其手(或上、下肢)的动作的图表。双手操作程序图一般用来表示重复相同操作时的一个完整工作循环。它着眼于工作地点布置的合理性和零件摆放位置的方便性，如图9-14所示。图9-14双手操作程序图

4.动作分析和动作经济原则

1)动作分析

动作分析是方法研究中的一种微观分析。它以操作过程中操作者的手、眼和身体其他部位为研究对象，按动作的目的分解为一系列的动素加以分析、研究。人体动作可划分为18种动素，如表9-4所示。

2)动作经济原则

(1)利用人体原则：

①双手应同时开始，并同时完成动作。

②除休息时间外，双手不应同时闲着。

③双臂的动作应对称，方向应相反。

④双手和身体的动作应尽量利用最低等级(如表9-5所示)，以减少不必要的体力消耗。

⑤应当利用力矩协助操作。

⑥动作过程中，使用流畅而连续的曲线运动(如抛物线运动)，比用方向突然发生急剧变化的直线运动要好。

⑦作业时眼睛的活动应处于舒适的视觉范围内，避免经常改变视距。

⑧动作既要从容、自然、有节奏和有规律，又要避免单调。

(2)布置工作地点的原则：

①应给固定的工作地点提供全部工具和材料。工具材料应有固定位置，以减少寻找造成人力和时间的浪费。

②工具、物料和操纵装置应放在操作者的最大工作范围之内，并尽可能靠近操作者，但应避免放在操作者的正前方。应使操作者手的移动距离和次数越少越好。

③应利用重力进给，利用料箱和容器传送物料。

④工具和材料应按最佳动作顺序排列布置。

⑤应尽量利用下滑运动传送物料，以避免操作者用手处理已完工的工件。

⑥应提供充足的照明；提供与工作台高度相适应并能保持良好姿势的座椅。工作台与座椅的高度应使操作者可以变换操作姿势，可以坐、站交替，具有舒适感。

(3)设计工具和设备的原则：

①应尽量使用钻模、夹具或脚操纵的装置，将手从所有的夹持工件的工作中解放出来，以便做其他更为重要的工作。

②尽可能将两种或多种工具组合为一种。

③用手指操作时，应按各手指的自然能力分配负荷。

④工具中各种手柄的设计，应尽量增大与手的接触面，以便于施较大的力。

⑤机器设备上的各种杠杆、手轮和摇把等，应放置在操作者使用时尽量不改变或极少改变身体的位置(粗大费力的操作除外)，并应最大限度地利用机械力。

5.时间研究

时间研究是在方法研究的基础上，运用一些技术来确定操作者按规定的作业标准，完成作业所需的时间。

9.2人机系统的可靠性分析

在现实生活和生产工作中，每时每刻都在发生各式各样的事故，以致夺走人宝贵的生命。这主要归结于人、机、环境之间关系不相协调的结果。于是，以减少事故、提高系统安全性为目的的人、机、环境系统的可靠性研究，日益被人们所重视。9.2.1人的可靠性

人的可靠性在人机系统的可靠性中占主要作用，现代科学技术的发展使得机器的可靠性越来越高。相比而言，人的可靠性就显得越来越重要。图9-15所示是人、机器和系统可靠性之间的关系图。图9-15人、机器的可靠性与人机系统可靠性的关系

1.人为失误

人为失误是人为地使系统发生故障或发生机能不良事件，是违背设计和操作规程的错误行为。人为失误也是影响可靠性的一个很重要的因素。在作业过程中，人首先会通过感觉器官接收外界信息，感知系统的作业情况和机器的状态；其次，大脑会自动处理接收的信息并做出决定，如停止或改变操作；最后，根据决定采取相应的行动，如关闭机器或增、减其速度等。

2.人的可靠性分析

人的可靠性对人机系统的安全性起着至关重要的作用，其研究贯穿于人机系统的设计、制造、使用、维修和管理的各个阶段。对人的可靠性研究是为了在人发生失误时，确保人身安全，不致严重影响到系统的正常功能。因此，人的可靠性可定义为：在规定条件下、在最短的时间内，由人成功地完成作业任务且能实现人机系统合理、有效运行功能的能力。

3.人的操作可靠度

1)定义

人的操作可靠度是指作业者在规定条件下、规定时间内正确完成操作的概率，用RH表示。人的操作不可靠度(人体差错率)用FH表示，两者关系为

(9-1)

2)人的操作可靠度计算

(1)间歇性操作的操作可靠度计算。

若某人执行某项操作N次，其中操作失败n次，则当N足够大时，此人的操作不可靠度为

(9-2)人在执行此项操作中，其操作可靠度为

(9-3)

例如，汽车司机操纵刹车5000次，其中有1次失误项操作的可靠度为

(2)连续性操作的操作可靠度计算。连续性操作是在作业活动过程中，作业者在作业时间里进行连续的操作活动。

例如对运行仪表的全过程监视，汽车在行驶中司机对方向盘的操纵、对道路情况的监视等。连续性操作可直接用时间进行描述。对连续性操作的操作可靠度，可用人的操作可靠性模型来描述，即

(9-4)例如，汽车司机操纵方向盘的恒定差错率为λ(t)＝0.0001，若司机驾车300h，其可靠度为9.2.2机的可靠性

在人机系统中，由于机器设备本身的故障以及人机系统设计的协调性差而导致了许多事故的发生。度量可靠性指标的特征量称为可靠度。可靠度是在规定时间内，机器设备或部件完成规定功能的概率。若把它视为时间的函数，就称为可靠度函数。就概率而言，可靠度是累积分布函数，它表示在该时间内成功完成功能的机器或部件占全部工作的机器或部件的百分率。设可靠度为R(t)，不可靠度为F(t)，则

(9-5)若F(t)对时间微分，即可得函数f(t)，称为故障密度函数，即

(9-6)

故障率可用下式表示：

(9-7)如已知，可将上式变为积分形式，即可求得与R(t)的关系：

(9-8)

当是常数时，即，则有

(9-9)其中故障率等于机器或部件平均无故障时间的倒数，即

(9-10)

所以可靠度R(t)也可写为

(9-11)显然，随着使用时间的增加，机器或部件的可靠度不断降低，如图9-16所示。根据上式，当机器或部件使用时间等于平均无故障间隔时间时，即时，机器或部件的可靠度为图9-16机器的可靠度与时间的关系

1.机器故障

机器或部件的故障率是随使用时间的递增按不同使用阶段变化。通常可分为三个阶段：

(1)初期故障，发生于机器试制或投产早期的试运转期间。

(2)随机故障，是在机器处于正常工作状态下的偶发故障。

(3)磨损故障，也即后期磨损故障。图9-17故障率与时间的关系

2.机器的可靠性分析

(1)串联配置方式。如图9-18所示，系统能量的输入按顺序依次通过功能上独立的单元Ai

= 1，2，3，…，n，然后才输出。图9-18串联配置系统如果每个单元的可靠度为R1，R2，R3，…，Rn，则系统的可靠度为

(9-12)

(2)并联配置方式。如图9-19所示，并联配置系统是由一系列平行工作的单元组成的系统。该系统中只要不是全部单元发生故障，系统仍可以正常工作。因为系统中没有发生故障的单元照样保持能量的输入和输出。实际上，所有单元同时发生故障的概率极低，所以并联配量方式保持系统正常，运行的可靠性比串联方式高得多，但经济性差，因此，选择并联配置方式时要根据系统的重要程度而定。图9-19并联配置系统并联配置方式的系统可靠性按概率公式可表示为

(9-13)

3.提高机器的可靠性

提高机器设备可靠性有两个目的：一个是延长机器设备的使用寿命；另一个是保证人机系统的安全性。用下面几种方法可减少机器故障：

(1)利用可靠性高的元件。

(2)利用备用系统。

(3)采用平行的并联配置系统，当其中一个部件出现故障时，机器设备仍能正常工作。

(4)对处于恶劣环境下的运行设备应采取一定的保护措施，如通过温度、湿度和风速的控制来改善设备周围的条件，对有些机器设备以至零部件要采用防振、防浸蚀、防辐射等相应措施。

(5)降低系统的复杂程度，因为增加机器设备的复杂程度就意味着其可靠性降低，同时机器设备的复杂操作也容易引起人为失误，增高故障率。

(6)加强预防性维修。预防性检查和维修是排除事故隐患、消除机器设备潜在危险、提高机器设备可靠性的重要手段。通过检修查明，有的部件仍可继续使用；有的部件已达到使用寿命的耗损阶段，必须进行更换，否则会因为存在隐患而导致更严重的事故发生。9.2.3环境因素

1.提高人—环境系统的可靠性

1)温度、湿度

在作业环境中温度和湿度的变化，除来自机器、装置和人的热能通过传导、对流和辐射产生影响外，主要是季节变化带来的影响。

2)照明度

人在作业场所从事的各种生产活动，是通过光来观察环境并做出判断而进行的。然而，如果作业环境的光照条件不好，作业人员就不能清晰地识别物体，从而容易接收错误信息，产生行动失误，导致事故发生。同时，因照明度不足，作业人员在识别显示装置和操纵装置的过程中，就会产生疲劳，引起心理上的变化，使思考能力和判断能力迟缓，也增加了发生事故的潜在危险。

3)环境噪声

噪声是人们不需要的声音，是一种公害。在工业生产中，各种机器和装置由于振动、冲击、摩擦而产生的各种杂乱频率交织在一起的声波，就形成作业环境的噪声。随着噪声的升高，会给人的各种生理机能带来危害。

4)环境污染

目前，有害气体、蒸气和粉尘等所造成的污染最为普遍。人们长期处在这种环境中，日积月累，各种有害物质必将对人体产生不良的生理效应，轻则引起精神不快，感官受刺激，工作效率降低；重则造成职业病及生产事故，甚至危及生命。所以，环境污染问题越来越受到人们的重视。

2.提高机—环境系统的可靠性

1)温度

通常机器设备所处的环境温度越高，对其可靠性的影响越大。由于机器设备在运行过程中都要散热，如果作业环境的温度过高，便不利于机器和设备的散热，就会增加机器设备发生故障的可能性。因此要利用传导、对流、辐射等散热途径来降低各种热源对机器设备的不利影响。

2)腐蚀

潮气、霉菌、盐雾和环境中其他腐蚀性气体对机器设备的影响，主要表现在金属表面腐蚀、材料绝缘性能下降、其他性能劣化和失效等。由于腐蚀而造成了机器设备寿命周期的下降。防止腐蚀主要采用的方法：

(1)为了防潮，可以将金属件电镀和表面涂覆。

(2)为了防霉，可以选用不生霉和经防霉处理的材料，机器设备还须经常维修清理以保证干燥和清洁。

(3)为防止不同金属接触而造成电化腐蚀，要采用金属表面保护措施，如烧蓝和煮黑等工艺。

(4)当使用环境恶劣时，要求高的产品应采用密封和灌封结构，以防止环境中腐蚀性气体的影响。

3)振动

机器设备和装置在运行当中的变频、冲击、加速等会造成不同程度的振动。强烈的共振会导致机器设备或零部件损坏，且给作业人员带来不利影响，大大降低了系统的可靠性。因此，在设计上采取相应的防振、耐振措施，也是提高机器—环境系统可靠性的重要方面。

4)辐射

具有辐射的环境对机器和设备产生不同程度的不利影响，辐射主要有电磁辐射，如γ、X射线和电磁脉冲；粒子辐射，如电子、质子、中子和α粒子。辐射对机器设备的损伤包括瞬时的电离效应、半永久性的表面效应和永久性的位移效应以及各种热效应。9.2.4人机系统可靠度计算与评价

1.人机系统的可靠度计算

人机系统可分为串联人机系统和冗余人机系统，如表9-6所示。把多余的要素加入到系统中构成并联系统称为冗余系统。冗余系统具有冗余度，这是提高系统可靠性的一种有效方法。

2.海洛德分析评价法

海洛德分析评价法(HumanErrorandReliabilityAnalysisLogicDevelopment，HERALD)是人的失误与可靠性分析逻辑推演法。它是通过计算系统的可靠性，分析评价仪表、控制器的配置和安装位置是否适合于人的操作。操作人员有效作业概率可用下式计算：

(9-14)

例9-1

某仪表显示板安装6种仪表，其中有5种仪表安装在中心视线15°之内，有1种仪表安装在中心视线50°的位置上，求操作人员有效作业概率。

解由表9-7查得，视线15°以内仪表的劣化值为0.0001，视线50°的仪表劣化值为0.002，则如果监视该显示板的人员除去操作者外，还配备了其他

辅助人员，则该系统中操作人员有效作业概率RS可以用下式

计算：在该例中，P = 0.9975，n =

2，T1 = 60%(估计)，T2 = 100% - 60% = 40%，则RS为

9.3人机系统评价

9.3.1检查表评价法

1.定义

所谓检查表评价法，是指利用人机工程学原理检查构成人机系统各种因素及作业过程中操作人员的能力、心理和生理反应状况的评价方法。用检查表法对人机系统进行评价是一种较为普遍的评价方法。使用该方法可以对系统有一个初步的定性的评价。需要时该方法也可方便地对系统中的某一个单元(子系统)进行评价。

2.主要评价内容

1)国际人机工程学会提议内容

(1)作业空间分析。

(2)作业方法分析。

(3)环境分析。

(4)作业组织分析。

(5)负荷分析。

(6)信息输入和输出分析。

2)具体内容说明

检查表的内容包括信息显示、操纵装置、作业空间、环境要素。下面介绍人机系统检查表评价中几个主要部