安全人機(jī)工程學(xué)-人機(jī)系統(tǒng)

2.1人機(jī)系統(tǒng)概述2.2人機(jī)系統(tǒng)類型及功能2.3人機(jī)系統(tǒng)的基本模式2.4人機(jī)功能分配2.5人機(jī)系統(tǒng)事故模式與應(yīng)用

人機(jī)系統(tǒng)

2.1人機(jī)系統(tǒng)概述

所謂系統(tǒng)是指由具有相互聯(lián)系、相互制約的事物，以某種形式結(jié)合在一起并具有特定功能的有機(jī)整體。把整體系統(tǒng)的組成部分稱為子系統(tǒng)。整體系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間既有相對(duì)性也有統(tǒng)一性。2.2人機(jī)系統(tǒng)類型及功能

人機(jī)系統(tǒng)的分類方法多種多樣，有些簡單，有些復(fù)雜。下面主要介紹三種分類方法。

2.2.1按有無反饋控制分類

1.開環(huán)人機(jī)系統(tǒng)

2.閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)2.2.2按系統(tǒng)自動(dòng)化程度分類

1.人工操作系統(tǒng)

人工操作系統(tǒng)包括人和相應(yīng)的輔助機(jī)械及手工工具。人負(fù)責(zé)提供作業(yè)動(dòng)力，并作為生產(chǎn)過程的控制者。如圖2-1所示，人直接把輸入轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵?，是影響系統(tǒng)效率的主要因素。圖2-1人工操作系統(tǒng)

2.半自動(dòng)化系統(tǒng)

半自動(dòng)化系統(tǒng)由人和機(jī)器設(shè)備或半自動(dòng)化機(jī)器設(shè)備構(gòu)成，人控制具有動(dòng)力的機(jī)器設(shè)備，也可以為系統(tǒng)提供少量的動(dòng)力，以對(duì)系統(tǒng)做某些調(diào)整或簡單操作。在這種系統(tǒng)中，人與機(jī)器之間的信息交換頻繁、復(fù)雜。在生產(chǎn)過程中，人感知來自機(jī)器、產(chǎn)品的信息，經(jīng)處理后成為進(jìn)一步操縱機(jī)器的依據(jù)，如圖2-2所示。這樣不斷地反復(fù)調(diào)整，保證人機(jī)系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。圖2-2半自動(dòng)化人機(jī)系統(tǒng)

3.自動(dòng)化系統(tǒng)

自動(dòng)化系統(tǒng)由人和自動(dòng)化設(shè)備構(gòu)成，如圖2-3所示。機(jī)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)中信息的接收、儲(chǔ)存、處理和執(zhí)行等工作；人只起管理和監(jiān)督作用，只有在發(fā)生意外情況時(shí)，人才采取強(qiáng)制措施。系統(tǒng)從外部獲得所需的能源，人的具體功能是啟動(dòng)、制動(dòng)、編程、維修和調(diào)試等。圖2-3自動(dòng)化人機(jī)系統(tǒng)2.2.3按人機(jī)結(jié)合方式分類

1.人機(jī)串聯(lián)

人機(jī)串聯(lián)結(jié)合方式如圖2-4(a)所示。作業(yè)時(shí)人直接介入工作系統(tǒng)，操縱工具和機(jī)器。

2.人機(jī)并聯(lián)

人機(jī)并聯(lián)結(jié)合方式，如圖2-4(b)所示。作業(yè)時(shí)人間接介入工作系統(tǒng)，人的作用以監(jiān)視、管理為主，手工作業(yè)為輔。圖2-4人與機(jī)的結(jié)合方式(a)人機(jī)串聯(lián)；(b)人機(jī)并聯(lián)；(c)人與機(jī)串/并聯(lián)混合

3.人與機(jī)串/并聯(lián)混合

人與機(jī)串/并聯(lián)又稱混合結(jié)合方式，也是最常用的結(jié)合方式，如圖2-4(c)所示。這種結(jié)合方式的表現(xiàn)形式很多，實(shí)際上都是人機(jī)串聯(lián)和人機(jī)并聯(lián)兩種方式的綜合，往往同時(shí)兼有這兩種方式的基本特性。2.2.4人機(jī)系統(tǒng)的功能

人機(jī)系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)安全與高效的目的而設(shè)計(jì)的，也是由于能滿足人類的需要而存在的。在人機(jī)系統(tǒng)中，雖然人和機(jī)器各有其不同的特征，但在系統(tǒng)中所表現(xiàn)的功能卻是類似的。完整的人機(jī)系統(tǒng)都有六種功能，這些功能是連續(xù)進(jìn)行的，是由人和機(jī)共同作用實(shí)現(xiàn)的，其關(guān)系如圖2-5所示。圖2-5人機(jī)系統(tǒng)的功能

2.3人機(jī)系統(tǒng)的基本模式

人機(jī)系統(tǒng)基本模式由人的子系統(tǒng)、機(jī)器的子系統(tǒng)和人機(jī)界面所組成。圖2-6所示為人機(jī)系統(tǒng)的基本模式。圖2-6人機(jī)系統(tǒng)的基本模式

2.4人機(jī)功能分配

2.4.1人的主要功能

人在人機(jī)系統(tǒng)的操縱過程中所起的作用，可通過心理學(xué)提出的帶有普通意義的規(guī)律：“刺激(S)→意識(shí)(O)→反應(yīng)(R)”來加以描述，即在信息輸入、信息處理和行為輸出三個(gè)過程中體現(xiàn)出人在操作活動(dòng)中的基本功能，如圖2-7所示。圖2-7人在操作活動(dòng)中的基本功能示意圖2.4.2機(jī)的主要功能

本書所指的機(jī)是廣義的，包含機(jī)器及人和機(jī)器所處的環(huán)境。但為了說明問題，此處的機(jī)側(cè)重于機(jī)器。機(jī)器是按人的某種目的和要求而設(shè)計(jì)的，雖然機(jī)器與人的特征不同，但在人機(jī)系統(tǒng)工作中所表現(xiàn)的功能都是類似的，自動(dòng)化的機(jī)器更是如此，它具有接收信息、儲(chǔ)存信息、處理信息和執(zhí)行等主要功能。2.4.3人與機(jī)功能分配

1.人機(jī)特性比較

設(shè)計(jì)和改進(jìn)人機(jī)系統(tǒng)，首先必須考慮人和機(jī)器各自的特性，根據(jù)兩者的長處和弱點(diǎn)，確定最優(yōu)的人機(jī)功能分配。表

2-1是人與機(jī)器的特性(簡稱人機(jī)特性)對(duì)照比較表。

2.人機(jī)功能分配的含義

對(duì)人機(jī)特性進(jìn)行權(quán)衡分析，將系統(tǒng)的不同功能恰當(dāng)?shù)胤峙浣o人或機(jī)，稱為人機(jī)功能分配。人機(jī)功能分配就是通過合理的功能分配，將人與機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，從而構(gòu)成高效與安全的人機(jī)系統(tǒng)。從人機(jī)特性比較可以看出，人和機(jī)各有所長，根據(jù)兩者特性利弊進(jìn)行分析，將系統(tǒng)的不同功能合理地分配給人或機(jī)器，既能提高人機(jī)系統(tǒng)效率，同時(shí)又能確保系統(tǒng)的安全性。

3.人機(jī)功能分配的一般原則

美國人機(jī)學(xué)家麥克考米克總結(jié)出，人能完成并能勝過機(jī)器的工作有：發(fā)覺微量的光和聲，接收和組織聲、光的型式，隨機(jī)應(yīng)變和應(yīng)變程度，長時(shí)間大量儲(chǔ)存信息并能回憶有關(guān)的情節(jié)，進(jìn)行歸納推理和判斷并形成概念和創(chuàng)造方法等。

4.人機(jī)功能匹配對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的影響

在設(shè)備(機(jī)器)的設(shè)計(jì)中，必須考慮人的因素，如果不考慮人與機(jī)器的適應(yīng)，那么人既不舒適也無法高效工作，圖2-8所示就說明了這個(gè)問題。圖2-8設(shè)備設(shè)計(jì)中人的因素工程(a)正確；(b)錯(cuò)誤

5.人機(jī)分工不合理的表現(xiàn)

(1)把可以由人很好執(zhí)行的功能分配給機(jī)器，而把設(shè)備能更有效地執(zhí)行的功能分配給人。

(2)讓人承擔(dān)超過其能力所能承擔(dān)的負(fù)荷或速度。

(3)不能根據(jù)人執(zhí)行功能的特點(diǎn)而找出人和機(jī)之間最適宜的相互聯(lián)系的途徑與手段。

6.人機(jī)功能分配應(yīng)注意的問題

為達(dá)到人機(jī)系統(tǒng)的安全、衛(wèi)生、高效、舒適，在進(jìn)行人機(jī)功能分配時(shí)必須注意以下幾個(gè)問題：

(1)信息由機(jī)器的顯示器傳遞到人，選擇適宜的信息通道，避免信息通道過載而失誤。同時(shí)，顯示器的設(shè)計(jì)應(yīng)符合安全人機(jī)工程的原則。

(2)信息從人的運(yùn)動(dòng)器官傳遞給機(jī)器，應(yīng)考慮人的權(quán)限能力和操作范圍，控制器設(shè)計(jì)要安全、高效、可靠、靈敏。

(3)充分考慮人和機(jī)各自的優(yōu)勢。

(4)使人機(jī)結(jié)合面的信息通道數(shù)和傳遞頻率不超過人的能力，以及機(jī)適合大多數(shù)人的應(yīng)用。

(5)一定要考慮到機(jī)器發(fā)生故障的可能性，以及簡單排除故障的方法和使用的工具。

(6)要考慮到小概率事件的處理，有些偶發(fā)性事件如果對(duì)系統(tǒng)無明顯影響可以不必考慮，但有的事件一旦發(fā)生就會(huì)造成功能的破壞，對(duì)這種事件就要事先安排監(jiān)督和控制方法。2.4.4人機(jī)系統(tǒng)功能分配方法

1．人機(jī)能力比較分配法

人機(jī)能力比較分配法是最初的功能分配方法，例如著名的FittsLists分配方法，也是迄今為止應(yīng)用最為普遍的方法，在早期的簡單工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用。表2-3即為Fitts所列出人機(jī)各自的優(yōu)勢特性，也稱為MABA-MABA方法。

2.?Price決策圖法

Price決策圖法對(duì)任意一個(gè)功能，從人和機(jī)兩方面的特性

做出比較，然后根據(jù)效能、速度、可靠性、技術(shù)可行性等做出評(píng)估，評(píng)估結(jié)果為一個(gè)復(fù)數(shù)值(人的績效值為實(shí)部，機(jī)器的績效值為虛部)。這個(gè)復(fù)數(shù)值落在決策圖的某一區(qū)域，如圖2-9

所示。圖2-9Price決策圖

3.?Sheffield法

Sheffield法是由英國Sheffield大學(xué)在對(duì)海軍的艦艇控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所開發(fā)的一種功能分配方法。它在分配過程中共需要考慮100多項(xiàng)決策準(zhǔn)則，將其分為8組，其中不僅考慮了人機(jī)能力特性，而且從工程的角度考慮了人員的作業(yè)設(shè)計(jì)、社會(huì)性、訓(xùn)練、安全等因素，另外還包括自動(dòng)化的精度、費(fèi)用等。它的主要流程如圖2-10所示。圖2-10Sheffield法流程圖

4.自動(dòng)化分類與等級(jí)設(shè)計(jì)法

自動(dòng)化分類與等級(jí)設(shè)計(jì)法由英國科學(xué)家Parasuraman和Sheridan提出，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)如核電站監(jiān)控中。該方法認(rèn)為任何人機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的工作過程類似于人類的信息處理，可分為四個(gè)步驟，即獲取、分析、決策、行動(dòng)。而機(jī)器的自動(dòng)化程度分為連續(xù)的10個(gè)級(jí)別，如表2-4所示。在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)功能分別按上述的四個(gè)步驟進(jìn)行分類，并對(duì)屬于每一個(gè)分類的功能確定其自動(dòng)化程度，然后建立多級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，逐步對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行修改，直到最終確定系統(tǒng)應(yīng)該采用的自動(dòng)化類型和等級(jí)。自動(dòng)化分類與等級(jí)設(shè)計(jì)流程圖如圖2-11所示。圖2-11自動(dòng)化分類與等級(jí)設(shè)計(jì)流程圖

5.?York法

York法是由英國York大學(xué)Dearden等人提出的一種基于場景(Scenario)的功能分配方法，它最初是為海軍艦艇的設(shè)計(jì)而開發(fā)的，由于取得了比較好的效果，之后又被成功地用于單座飛機(jī)的功能分配設(shè)計(jì)中。圖2-12York法流程圖

2.5人機(jī)系統(tǒng)事故模式與應(yīng)用

2.5.1人機(jī)系統(tǒng)事故模式

人機(jī)系統(tǒng)事故模式是指從人機(jī)關(guān)系上研究事故致因的模式。人是在特定的空間環(huán)境里進(jìn)行生產(chǎn)勞動(dòng)的。他們?cè)诓僮鲘徫簧喜僮饔赏獠抗┙o能量的機(jī)械，以達(dá)到所要求的目的。

1.以人的行動(dòng)為主體的(單人—機(jī)系統(tǒng))事故模型

在環(huán)境不被有害氣體污染的情況下，人機(jī)系統(tǒng)的事故模式多以人的行為為主體，即以人為本。在這種事故模型中，傷亡事故多次發(fā)生在人、機(jī)械設(shè)備兩個(gè)子系統(tǒng)相交的斜線區(qū)內(nèi)，如圖2-13所示。圖2-13單人—機(jī)系統(tǒng)事故模型

2.機(jī)械—多人系統(tǒng)事故模型

在現(xiàn)代化大生產(chǎn)的集體勞動(dòng)中，單人—機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不是非常廣泛，常見到的是機(jī)械—多人系統(tǒng)，即在操作過程中，在同一時(shí)間內(nèi)為完成同一目的，由多人操縱一臺(tái)機(jī)器或一個(gè)大型設(shè)備。

這種多人在機(jī)器周圍勞動(dòng)的條件，往往由于人多動(dòng)作不易協(xié)調(diào)，信息交流不充分、不及時(shí)，加之視野局限，極有可能造成機(jī)械對(duì)人的危害而發(fā)生事故。這種機(jī)械—多人系統(tǒng)常見于共同修理、清掃、調(diào)整大型設(shè)備，共同搬運(yùn)大型重物，在長電路上共同檢修高壓線路、電氣設(shè)備等，其事故概率較高，如圖

2-14所示。圖2-14機(jī)械—多人系統(tǒng)事故模型

3.具有運(yùn)動(dòng)形態(tài)的人機(jī)系統(tǒng)事故模型

在具有運(yùn)動(dòng)形態(tài)的人機(jī)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，用到的運(yùn)輸工具不同于廠內(nèi)加工生產(chǎn)用的機(jī)械，而是通過“廠外交通”工具來移動(dòng)物質(zhì)。為完成運(yùn)輸任務(wù)，當(dāng)然是速度越快，運(yùn)輸效率越高。但是，這自然會(huì)因高速而帶來事故頻率的顯著增加。圖2-15具有運(yùn)動(dòng)形態(tài)的人機(jī)系統(tǒng)事故模型

4.人—環(huán)境物事故模型

在作業(yè)環(huán)境中，除了靜止物體所具有的潛在勢能以外，還有粉塵、毒氣、噪聲、振動(dòng)、高頻、微波、放射線等環(huán)境物的危害，這屬于具有流動(dòng)性質(zhì)的能量的危害。圖2-16人機(jī)系統(tǒng)和人—環(huán)境物的系統(tǒng)事故發(fā)生的機(jī)緣形象圖2-17人機(jī)系統(tǒng)和人—環(huán)境物系統(tǒng)發(fā)生事故的差異

5.化學(xué)能傳達(dá)于人體的事故模型

化學(xué)危害來源于生產(chǎn)現(xiàn)場的人工環(huán)境污染。它既和機(jī)械傷人的條件不同，也和自然環(huán)境的條件不同?；瘜W(xué)成套設(shè)備中有毒有害物質(zhì)的跑、冒、滴、漏，當(dāng)然與操作人員失誤有密切聯(lián)系，但它卻不取決車間直接受害的個(gè)人行為。

危害源如果是無色、無味、無嗅的有毒氣體或蒸汽，人的五感是不易查覺的。如果大量毒物侵入人體會(huì)造成突然中毒，則屬于傷亡事故。圖2-18化學(xué)能事故模型圖2-19人機(jī)系列外事故模型2.5.2安全人機(jī)系統(tǒng)事故模型的作用

安全人機(jī)系統(tǒng)事故模型是工程邏輯的一種抽象，是一種過程或行為的定性或定量的代表。它能探討形式和內(nèi)容、原則和結(jié)果、歸納和演繹、綜合和分析，它是在抽象基礎(chǔ)上產(chǎn)生的系統(tǒng)工程重要的工具之一。安全人機(jī)系統(tǒng)的事故模型用來闡明人身傷亡事故的成因，即它被用于闡明事件的事故因果，以便對(duì)事故現(xiàn)象的發(fā)生與發(fā)展有一個(gè)明確、概念上一致、因果關(guān)系清楚的分析。這對(duì)探討安全防護(hù)原理是一種有效的系統(tǒng)安全的方法論。

安全人機(jī)系統(tǒng)事故模型的重要意義在于：

(1)從個(gè)別抽象到一般，把同類事故抽象為模型，可以深入研究導(dǎo)致傷亡事故的原因和機(jī)理。

(2)事故模型化可以查明以往發(fā)生過的事故和直接原因，找出主要原因，用