安全人机工程学-人机系统事故分析及安全设计

8.1人机系统事故成因分析8.2事故发生规律模型8.3人机系统事故控制基本策略8.4人机系统安全设计人机系统事故分析及安全设计

8.1人机系统事故成因分析

8.1.1事故致因的逻辑

引发事故的原因非常复杂，但依据安全人机工程学理论，从事故原因的角度可将事故的基本成因归纳为人的原因、物的原因、环境条件的原因这三大因素的多元函数，当然，系统安全管理、事故发生机理也构成事故发生与否的关键因素。由此观点得出的事故致因逻辑关系，如图8-1所示。图8-1事故致因逻辑关系图8-2事故原因综合分析思路8.1.2人的不安全行为

1.人的失误行为

人的行为是指人在社会活动、生产劳动和日常生活中所表现的一切动作。人的一切行为都是由人脑神经辐射，产生思想意识并表现于动作。图8-3人的失误行为发生过程

2.人失误的主要原因

按人机系统形成的阶段，人的失误可能发生在设计、制造、检验、安装、维修和操作等各个阶段。但是，设计不良

和操作不当往往是引发人失误的主要原因，可由表8-1加以

说明。8.1.3物的不安全状态

生产过程中涉及的物质包括原料、燃料、动力、设备、设施、产品及其他非生产性的物质。这些物质的本身固有属性及其潜在的破坏能力构成的不安全因素，是诱发事故的物质基础，因而物的不安全状态是事故发生的客观原因。8.1.4管理失误

1.管理失误的主要内容

(1)技术管理缺陷。

(2)人员管理缺陷。

(3)劳动组织不合理。

(4)安全监察、检查和事故防范措施等方面存在问题。

2.管理失误的事故模式

图8-4所示为以管理失误为主因的事故模式，它描述了事故发生的本质原因与社会、环境、人的不安全行为及物的不安全状态等各原因的逻辑关系。管理失误事故的发生，是因为客观上存在不安全因素和众多的社会因素和环境条件。人的不安全行为可促成物的不安全状态；而物的不安全状态又是诱发人的不安全行为的背景因素。图8-4管理失误的事故模式

8.2事故发生规律模型

8.2.1以人失误为主因的事故模型

1.人失误一般模型

研究认为，从初始原因开始到最后结果为止的事故动态过程中，将所有因素联系在一起的理论体系或模型具有很大的实用价值。图8-5经典的以人失误为主因的事故模型

2.人失误扩展模型

根据该模型得出事故的发生主要原因为人失误的产生，进而才导致了事故的发生，因此为了预防事故，应从防止人失误方面考虑。

防止人失误取决于以下三个方面：

(1)人机功能的合理分配(职业适应、机代人、冗余系统、耐失误设计)。

(2)安全、友好的人机界面(容易、省力、方便、警示)。

(3)有效的安全教育与技能培训。图8-6以人失误为主因的事故改进模型

3.人机工程学与防止人失误的关系

在对事故原因深入剖析的基础上，进一步归纳、整理可得到防止人失误与人机工程学理论的关系，如表8-4所示。

4.内在因素分析

1)行为因素分析

(1)训练与技能。

(2)记忆疏漏。

(3)年龄和经验。

(4)生活压力。

2)生理与心理因素分析

(1)性格。

(2)生理节律。

(3)作业疲劳。图8-7人体机能变化与错误率8.2.2事故发生顺序模型

事故发生顺序模型如图8-8所示。该模型把事故过程划分为几个阶段，在每个阶段，如果运用正确的能力与方式进行解决，则会减少事故发生的机会，并且过渡到下一个防避阶段。如果作业者按图示步骤作出相应反应的话，虽然不能肯定会完全避免事故的发生，但至少会大大减少事故发生的概率；如不采取相应的措施，则事故发生的概率必会大大增加。图8-8事故发生阶段顺序图

8.3人机系统事故控制基本策略

8.3.1事故控制基本思路

事故控制是安全决策的核心问题。由于事故与成因之间存在着一定的因果关系，因而在确定事故控制的方针时，总是先分析事故成因。依据设计的安全标准，从分析事故直接原因入手，进而寻找事故间接原因，然后找出基础原因。对照事故发生规律的典型模型，进而可提出事故控制的主要措施，这是事故控制的基本思路。图8-9事故控制图8.3.2事故控制主要方法

由图8-9中提出的事故控制关键环节，对人、机、环境、管理四大控制措施进一步细化，可总结出事故控制方法要点，如表8-5所示。8.3.3事故控制基本对策

1. 3E原则

1)技术对策

技术对策是保障安全的首要措施之一。当设计机械装置或工程项目以及工厂时，要认真地研究、分析潜在危险，对可能发生的各种危险进行预测，从技术上解决防止这些危险的对策。进行这种分析应当和技术设计结合起来，即进行技术设计时就应当考虑安全性，两者是不可分割的。

2)教育对策

教育对策主要是指在产业部门的各个方面进行具体的安全教育和训练，教会如何对各种危险进行预测和预防。其次是指在教育机关组织的各种学校，同样有必要实施安全教育和训练。教育的目的是保持和强化在学校或进厂学习期间就懂得安全知识和养成良好的安全习惯，从而在工作中自觉地培养安全意识。

3)法制对策

法制对策是从属于各种标准的，作为标准，除了国家法律规定的以外，还有如工业标准、安全指导方针、工厂内部的工作标准等。制定有关安全的各类法规是为了有效地防止事故、保障安全。因此，法规必须具有强制性，但是法规又必须具有适用性，应使最低标准的法规可以适用于所有的场合。

2. 4M法

1)在人方面的主要对策

生产活动中的人指车间里除本人之外的其他人，包括作业伙伴或上级与下级等。没有同心协力的关系和互助，就难以执行命令、指挥或指示与联络动作。因此，人们的横向和纵向的人事关系是很重要的。

2)在机械方面的主要对策

(1)对于重要的机械，可以使用联锁装置及故障安全装置。

(2)设计设备时，要贯彻“单一最好”(SimpleIsBest)原则。

(3)要有合理的机械形状和配置，操作装置应是适当的，同时要有合理的作业条件，恰当的信息指令，以及良好的环境条件。

(4)为了易于识别而能有效地防止误操作，对于紧急操纵部件涂装荧光或醒目色彩。

(5)重视大量危险物的处理，尤其应设有防止伤人的保护装置。

(6)维修作业应当作为危险作业来对待。

3)媒体或环境对策

除了作业环境设计应符合人机工程学要求以外，还应该做到：

(1)用无线电对讲机进行通话时，必须认真研究紧急通话的有效方式。

(2)对于非正常作业，要事先制定作业指示书。

(3)对使人感到有危险的地方采用红色的标志。在要引起人们注意的地方，尽可能排除系统以外的各种不利因素的干扰。

4)管理方面的对策

应健全系统安全管理体制，强化人的安全意识，以进一步挖掘潜力，调动人的积极性，把提高人的自觉性、主动性与实施强制性的行政法律措施结合起来，以便在人—机—环境系统实现安全、高效、合理的群体和个体行为。

8.4人机系统安全设计

8.4.1人机功能分配设计

1.人机功能合理分配要点分析

人机功能分配，在人机系统设计中是指为了使人机系统达到最佳的匹配，在研究分析人和机器特性的基础上，充分发挥人和机器的潜能，将系统各项功能按照一定的分配原则，合理地分配给人和机器的过程。功能分配的合理与否直接关系着整个人机系统设计的优劣。人机功能分配应主要从以下几个方面考虑：

(1)人机特性研究：人和机器的性能、特点、负荷能力、潜在能力以及各种限度。

(2)人适应机器所需的选拔条件和培训时间。

(3)人的个体差异和群体差异。

(4)人和机器对突然事件应激反应能力的差异和对比。

(5)用机器代替人的效果，以及可行性、可靠性、经济性等方面的对比分析。

2.人机功能分配设计方法举例

1)模糊层次分析法

层次分析法(AHP)是将与总决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。运用FAHP解决问题，大体可以分为五个步骤：

(1)明确问题，建立一个多层次的递阶结构模型。

(2)构造模糊互补矩阵。

(3)一致性检验。

(4)计算单一准则下方案的优度值。

(5)总排序。

2)具体实例分析

为了说明FAHP这一方法在人机系统功能分配中的应用，我们以载人航天器复杂人机系统座舱内装置、仪器运行状态的监视这一较细层次上的操作为例进行功能分配实例分析，确定其功能分配的最优方案。

(1)确定指标因素，建立层次递阶结构模型。图8-10多层次的递阶结构模型

(2)模糊互补矩阵的建立。模糊互补矩阵R表示针对上一层次某元素，本层次与之有关的元素之间相对优度的比较。假定上层次的元素B同下一层次中的元素C1，C2，…，Cn有联系，则模糊互补矩阵可表示为根据上面的数量标度理论，方案层元素Ci相对于准则层

元素Bk重要程度进行两两比较，可得到模糊互补矩阵R1～R6

如下：准则层元素Bk相对于目标层元素A重要程度进行两两比较，得模糊互补矩阵R：

(3)模糊互补矩阵一致性检验。这里由于研究问题的复杂性和人们认识上可能产生的片面性，使构造出来的模糊互补矩阵往往不具有一致性。这时可应用模糊一致矩阵的充要条件进行调整。

(4)单一准则下方案的优度值。根据模糊一致判断矩阵的元素与权重的关系式给出的排序方法，即

i=1，2，…，n，k=1，2，…，m(8-1)

①计算方案Ci在目标准则Bk下的优度值wik：

式(8-1)中α =

(3 - 1)/2 = 1，则

②计算因素Bk在目标层A下的优度值wk：

式(8-1)中α = (6 - 1)/2 = 5/2，则

wk

=(0.18，0.14，0.26，0.1，0.22，0.1)

(5)层次总优度排序。在单一准则优度值排序的基础上，计算诸方案的总体优度值Ti：

(8-2)

按Ti的大小可对诸方案进行总优度排序，即若T1≥T2≥…≥Tn，则方案从优到劣的次序为

C1≥C2≥…≥Cn

计算结果如表8-7所示。8.4.2人机界面匹配设计

1.人机界面设计要点分析

既然人与机器在完成系统目标上有合理分工，那么随之而来的问题便是人机界面合理设计问题—主要解决人与机之间的信息交换问题。在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称之为人机界面。人与机之间的信息交换和决策后的控制活动都发生在人机界面上，机的各种显示都“作用”于人，实现机—人的信息传递；人通过视觉和听觉等感官接收来自机的信息，经过人脑的加工、决策，然后做出反应，实现人—机的信息传递。

2.人机界面合理性评估

考虑到外界因素影响可能引起人机界面设计失误，应该对人机界面的合理性进行有效的评估。8.4.3机的本质安全化设计

1.安全防护装置概述

1)安全防护装置的作用

安全防护装置的作用是杜绝或减少机械设备在正常或故障状态，甚至在操作者失误情况下发生人身或设备事故。

2)安全防护装置的分类

(1)当操作者处于危险区或设备处于不安全状态时，安全防护装置能直接起安全保护作用，因此可以分为以下几类：

①隔离防护装置。

②连锁控制防护装置。

③超限保险装置。

④紧急制动装置。

⑤报警装置。

(2)当操作者一旦进入危险区，则安全防护装置可以使机械不能启动或自动停止，或将人从危险区排出，控制人体不能进入危险区，此类安全防护装置称为安全防护控制装置，它对人身安全起间接防护作用。这种装置有双手按钮式开关、光电式安全防护装置等。

2.安全防护装置的设计原则

安全防护装置的设计应遵循以下原则：

(1)坚持以人为本的设计原则。

(2)安全防护装置必须遵循安全、可靠的原则。

(3)与机械装备配套设计的原则。

(4)简单、经济、方便的原则。

(5)自组织的设计原则。

3.典型设计举例

1)隔离防护安全装置的设计

保证人的安全是解决人机系统安全的首要问题。

(1)防护罩。

①固定式防护罩。

②可动式防护罩。

③联锁式防护罩。

(2)防护屏及防护栅栏。

2)联锁控制防护安全装置的设计

连锁防护安全装置的特点主要体现在“连锁”两字上，它表示既有联系，又相互制约(互锁)的两种运动或两种操作动作的协调动作，实现安全控制。

(1)机械式联锁装置。

(2)电气联锁线路：

①顺序联锁。

②按钮控制的正、反转联锁线路。

③欠电压、