人机系统(2012新版)

联系旺旺联系旺旺 sddxhcfsddxhcf 第第十十一一节节 人人 机机 系系 统统 一 人机信息及能量交换系统模型 人机系统的任何活动实质上是信息及能量的传递和交换 人机之间在进行信息及能量的传递和 交换中 首先是人的感觉器官 眼 耳等 从显示装置上感受到机器及环境作用于人的信息 经 大脑中枢神经的综合 分析 判断做出决策 然后命令运动器官 手或脚 向机器的控制器发 出控制信息 即操纵机器相应的执行机构 手柄或按钮等 完成各种相应的运动机能 移动或 转动 且将控制的效果反映在显示器上 构成一个信息及能量传递的闭环系统 到此 人机系 统完成了一次功能循环 如图1 11所示 图1 11 人机系统模 型 在这个循环过程中 人机系统完成了人所希望的功能 达到人的预期目的 二 人机功能分配 一 人在人机系统中的主要功能 人在人机系统中主要有 3种功能 1 传感功能 通过人体感觉器官的看 听 摸等感知外界环境的刺激信息 如物体 事件 机器 显示器 环境或工作过程等 将这些刺激信息作为输入传递给人的中枢神经 2 信息处理功能 大脑对感知的信息进行检索 加工 判断 评价 然后做出决策 3 操纵功能 将信息处理的结果作为指令 指挥人的行动 即人对外界的刺激作出反应 如操纵 控制器 使用工具 处理材料等 最后达到人的预期目的 如机器被开动运转 零件被加工成形 机器的故障已被排除 缺陷零件已被修复或者更换等 二 人机特性的比较 人体本身就是一部复杂的 特殊的机器 人与机器的特性包括许多内容 但就从人机系统中信息 及能量的接受 传递 转换过程来讲 我们可以归纳为以下4个方面来比较 即信息感受 信息 处理和决策 操作反应 工作能力等 详见表1 10 由表1 10可见 人优于机器的能力主要有 信号检测 图像识别 灵活性 随机应变 归纳 推理 判断 创造性等 机器优于人的能力主要有反应 操作速度快 精确性高 输出功率大 耐久力强 重复性好 短期记忆 能同时完成多种操作 演绎推理以及能在恶劣环境下工作等 表1 10 人与机器的特性比较 能 力 种 类 人 的 特 性机器的特性 信 息 感 受 感觉范围有限 能感觉微小刺激 敏感性高 绝对 域低 对刺激反应时间较长 最小值为 200ms 能在高噪声环境下检出需要的信号 抗干扰性低 有主观倾向性 识别图形的能力强 能阅读和接受口头指令 灵活性很 强 接受信息只能单通道 能在人不能感觉的领域里工作 在感 觉范围外 红外线 超声波 电磁波等 工作 没有像人那样低的感觉阈限 敏感性 比人低 反应时间可达微秒级 较难检出噪声掩盖下的信号 抗干扰性高 重复性好 识别图形的能力弱 学习能力较低 灵活性很差 能够多通道同时接受信息 信 息 处 理 与 决 策 计算速度慢 易出差错 能实现大容量的 长期的记忆 并 能实现同时和几个对象联系 但短时 记忆相对较差 有随机应变的能力 可利用不同的 方法达到相同的目的 有归纳思维的能力 但不易得到战 略的最佳效果 计算速度快 且准确 重复性好 但 不会修正错误 能进行大容量短期的数据记忆和取出 无随机应变的能力 但对常规重复机 能有很高的可靠性 只能理解特定的事物 但能用程序使 事件得到最佳方案 没有自发的创造推理能力 只能作出 有创造能力 对尚未接触的事物可 诱发进入决策 能处理完全出乎预料之外的紧急事 件 适应性强 有一定的预测能力 难以监控偶然发生的事件 是与否的简单决策 只能处理已知的事件 适应性弱 预 测能力有很大的局限性 监控能力强 操 作 能 力 超精密重复操作差 可靠性较低 能够进行复杂的艺术性工作 有从 经验中发现规律 利用经验改变操作 的能力 易疲劳 对简单的重复动作厌烦 不能容忍长时间 大负荷的操作 输出功率有限 效率低 但能做精 细调整 通用性强 要求环境舒适 但对特定的环境能 很快适应 能连续进行超精密重复操作和按程序 进行常规操作 可靠性较高 只能进行特定的工作 不能利用经验 数据 不疲劳 可不厌其烦地重复简单或复 杂动作 能胜任长时间 大负荷的操作 输出功率可大可小 效率高 但较难 进行精细调整 缺乏通用性 有的只能专用 可在恶劣环境下工作 但不能随意改 变工作条件 工 作 能 力 短期内可在超负荷下坚持工作 但 耐久性差 易疲劳 技术水平 熟练程度 生理状态 心理状态等的不稳定性均会影响可靠 性 耐久性好 维持保养良好时 可长期 使用 在保证设计质量 材料 加工质量等 情况下 一般比人可靠 三 人机功能分配原则 根据人机特性的比较 为了充分发挥各自的优点 人机功能合理分配的原则应该是 笨重的 快 速的 持久的 可靠性高的 精度高的 规律性的 单调的 高价运算的 操作复杂的 环境条 件差的工作 适合于机器来做 而研究 创造 决策 指令和程序的编排 检查 维修 故障处 理及应付不测等工作 适合于人来承担 例题 40 根据人机特性的比较 为了充分发挥各自的优点 需要进行人机功能的合理分配 下列 关于人机功能合理分配的说法中 正确的是 08 A 指令和程序的编排适合于机器来做 B 故障处理适合于机器来做 C 研究 决策适合于人来承担 D 操作复杂的工作适合于人来承担 答案 C 例题 36 根据人机特性和人机功能合理分配的原则 适合于机器做的是 工作 07 A 快速 高可靠性 高精度的 B 单调 复杂 决策性的 C 持久 笨重 维修性的 D 环境条件差 规律性 创造性的 答案 A 例题 人优于机器的能力主要有 A 通用性强 B 精确性高 C 图像识别能力强 D 反应 操作速度快 E 随机应变能力强 答案 ACE 三 人机系统可靠性计算 一 系统中人的可靠度计算 由于人机系统中人的可靠性的因素众多且随机变化 因此人的可靠性是不稳定的 人的可靠度计 算 定量计算 也是很困难的 1 人的基本可靠度 系统不因人体差错发生功能降低和故障时人的成功概率 称为人的基本可靠度 用r表示 人在进行作业操作时的基本可靠度可用下式表示 r a1a2a3 1 26 式中 a1 输入可靠度 考虑感知信号及其意义 时有失误 a2 判断可靠度 考虑进行判断时失误 a3 输出可靠度 考虑输出信息时运动器官执行失误 如按错开关 上式是外部环境在理想状态下的可靠度值 a1 a2 a3 各值如表 1 11所示 表 1 11 可靠度计算 作业类别内 容a1 a3a2 简 单 一 般 复 杂 变量在 6 个以下 已考虑人机工程学原则 变量在 10 个以下 变量在 10 个以上 考虑人机工程学不充分 0 9995 0 9999 0 9990 0 9995 0 990 0 999 0 999 0 995 0 990 人的作业方式可分为两种情况 一种是在工作时间内连续性作业 另一种是间歇性作业 下面分 别说明这两种作业人的可靠度的确定方法 1 连续作业 在作业时间内连续进行监视和操纵的作业称为连续作业 例如控制人员连续观察仪 表并连续调节流量 汽车司机连续观察线路并连续操纵方向盘等 连续操作的人的基本可靠度可以用时间函数表示如下 r t exp 0 l t dt 1 27 式中 r t 连续性操作人的基本可靠度 t 连续工作时间 l t t时间内人的差错率 2 间歇性作业 在作业时间内不连续地观察和作业 称为间歇性作业 例如 汽车司机观察汽车 上的仪表 换挡 制动等 对间歇性作业一般采用失败动作的次数来描述可靠度 其计算公式为 r l p n N 1 28 式中 N 总动作次数 n 失败动作次数 p 概率符号 2 人的作业可靠度 考虑了外部环境因 素的人的可靠度 RH为 RH 1 bl b2 b3 b4 b5 1 r 1 29 式中 b1 作业时间系数 b2 作业操作频率系数 b3 作业危险度系数 b4 作业生理和心理条件系数 b5 作业环境条件系数 1 r 作 业 的 基 本 失 效 概 率 或 基 本 不 可 靠 度 r 可 根 据 表1 1 及 式 1 2 6 求 出 b 1 b 5 可 根 据 表1 1 2 来 确 定 表1 12 可靠度RH的系数 bl b5 系数作业时间 系数 b1 操作频率 系数 b2 危险度系数 b3 生理心理 条件 系数 b4 环境条件 系数 b5 1 0 1 0 3 0 3 0 10 0 宽余时间 充分 宽余时间 不充分 无宽余时 间 适当 继续进行 极少进行 人身安全 有人身危险 可造成重大 恶性事故 良好 不好 非常不好 良好 不好 非常不好 二 人机系统的可靠度计算 人机系统组成的串联系统可按下式表达 Rs RH RM 1 30 式中 Rs 人机系统可靠度 RH 人的操作可靠度 RM 机器设备可靠度 人机系统可靠度采用并联方法来提高 常用的并联方法有并行工作冗余法和后备冗余法 并行工 作冗余法是同时使用两个以上相同单元来完成同一系统任务 当一个单元失效时 其余单元仍能 完成工作的并联系统 后备冗余法也是配备两个以上相同单元来完成同一系统的并联系统 它与 并行工作冗余法不同之处在于后备冗余法有备用单元 当系统出现故障时 才启用备用单元 1 两人监控人机系统的可靠度 当系统由两人监控时 控制如图 4 8所示 一旦发生异常情况应立即切断电源 该系统有以下两 种控制情形 图4 8 两人监视系统 1 异常状况时 相当于两人并联 可靠度比一人控制的系统增大了 这时操作者切断电源的可靠 度为RHb 正确操作的概率 RHb 1 1 R1 1 R2 1 31 R1是上面那个人可靠断电的可靠度 1 R1 是他没有断电的概率 R2是下面那个人可靠断电 的可靠度 1 R2 是他没有断电的概率 只要有一个人能可靠断电 就可以保证系统安全 逻辑 关系是 或 的关系 或 的关系不好用数学公式表示 而用 与 的关系可以直接用数学 公式 乘 表示 所以用 1 R1 1 R2 表示他俩都没有 同时 断电的概率 被1减去 得两人 可靠断电的可靠度 2 正常状况时 相当于两人串联 可靠度比一人控制的系统减小了 即产生误操作的概率增大了 操作者不切断电源的可靠度为 RHc 不产生误动作的概率 RHc Rl R2 1 32 正常状况时 需要两人同时不切断电源 Rl是上面那个人不切断电源的可靠度 R2是下面 那个人不切断的可靠度 是 与 的逻辑关系 可以用数学公式表示为 乘 从监视的角度考虑 首要问题是避免异常状况时的危险 即保证异常状况时切断电源的可靠度 而提高正常状况下不误操作的可靠度则是次要的 因此这个监控系统是可行的 所以两人监控的 人机系统的可靠度度 Rsr为 异常情况时 Rsr RHb RM 1 1 R1 1 R2 RM 1 33 正常情况时 Rsr RHc RM Rl R2 RM 1 34 五 人机系统可靠性设计基本原则 1 系统的整体可靠性原则 从人机系统的整体可靠性出发 合理确定人与机器的功能分配 从而设计出经济可靠的人机系统 一般情况下 机器的可靠性高于人的可靠性 实现生产的机械化和自动化 就可将人从机器的危 险点和危险环境中解脱出来 从根本上提高了人机系统可靠性 2 高可靠性组成单元要素原则 系统要采用经过检验的 高可靠性单元要素来进行设计 3 具有安全系数的设计原则 由于负荷条件和环境因素随时间而变化 所以可靠性也是随时间变化的函数 并且随时间的增加 可靠性在降低 因此 设计的可靠性和有关参数应具有一定的安全系数 4 高可靠性方式原则 为提高可靠性 宜采用冗余设计 故障安全装置 自动保险装置等高可靠度结构组合方式 1 系统 自动保险 装置 自动保险 就是即使是外行不懂业务的人或不熟练的人进行操作 也 能保证安全 不受伤害或不出故障 这是机器设备设计和装置设计的根本性指导思想 是本质安全化追求的目标 要通过不断完善结 构 尽可能地接近这个目标 2 系统 故障安全 结构 故障安全 就是即使个别零部件发生故障或失效 系统性能不变 仍 能可靠工作 系统安全常常是以正常的准确的完成规定功能为前提 可是 由于组成零件产生故障而引起误动 作 常常导致重大事故发生 为达到功能准确性 采用保险结构方法可保证系统的可靠性 从系统控制的功能方面来看 故障安全结构有以下几种 消极被动式 组成单元发生故障时 机器变为停止状态 积极主动式 组成单元发生故障时 机器一面报警 一面还能短时运转 运行操作式 即使组成单元发生故障 机器也能运行到下次的定期检查 通常在产业系统中 大多为消极被动式结构 5 标准化原则 为减少故障环节 应尽可能简化结构 尽可能采用标准化结构和方式 6 高维修度原则 为便于检修故障 且在发生故障时易于快速修复 同时为考虑经济性和备用方便 应采用零件标 准化 部件通用化 设备系列化的产品 7 事先进行试验和进行评价的原则 对于缺乏实践考验和实用经验的材料和方法 必须事先进行试验和科学评价 然后再根据其可靠 性和安全性而选用 8 预测和预防的原则 要事先对系统及其组成要素的可靠性和安全性进行预测 对已发现的问题加以必要的改善 对易 于发生故障或事故的薄弱环节和部位也要事先制定预防措施和应变措施 9 人机工程学原则 从正确处理人一机一环境的合理关系出发 采用人类易于使用并且差错较少的方式 10 技术经济性原则 不仅要考虑可靠性和安全性 还必须考虑系统的质量因素和输出功能指标 其中还包括技术功能 和经济成本 11 审查原则 既要进行可靠性