第六章-人机环境系统工程

系统工程,沈阳工业大学机械工程学院,2,第六章人-机-环境系统工程,第一节概述第二节人-机-环境系统规划设计第三节人-机-环境系统分析评价方法,3,1981年，在著名科学家钱学森教授的亲自指导下，一门综合性边缘技术科学人-机-环境系统工程(Man-Machine-Environment，简称为MME)在我国诞生。,第一节概述,一、人-机-环境系统工程,4,在各种特殊环境下，如何用科学的办法来使人和机器（或计算机）进行有机结合，以发挥其最大效能？人-机-环境系统工程正是适应这方面的需要而登上科学技术舞台的。人-机-环境系统工程从总体观念出发，将人、机器、环境看作是一个相互作用、相互依赖的超巨系统，并运用系统工程的方法，合理地安排系统中每一个布局，以获得系统的整体最优化。,一、人-机-环境系统工程,5,系统中的“人”，是指作为工作主体的人（如操作人员或决策人员），“机”是指人所控制的一切对象（如汽车、飞机、轮船、生产过程等）的总称；“环境”是指人、机共处的特定工作条件（如温度、噪声、震动、有害气体等）。最优组合的目标是“安全、高效、经济”。“安全”是指不出现人体的生理危害，尽量减少事故的发生；“高效”是指系统具有最好的工作性能或最高的工作效率；“经济”是在满足系统技术要求的前提下，系统的建立要投资最少。,二、人-机-环境系统工程的要素,6,人-机-环境系统工程不仅把人的因素、人体工程学、工程心理学、工效学、人的因素工程、人-机系统等学科纳入统一的科学框架，避免概念和术语的混乱，而且从系统的高度研究人-机-环境系统各种组合方案的优劣；人-机-环境系统工程的提出，并不是对上述各学科的否定或取代，而是把这些大致相近或相辅相成的研究范畴提到一个更高的层次、更广的视野去分析和综合，从而把该领域的研究水平推进到一个崭新阶段。,三、人-机-环境系统工程的研究范畴,7,三、人-机-环境系统工程的研究范畴,8,(一)人的特性的研究:主要包括人的工作能力研究，人的基本素质的测试评价，人的体力负荷、脑力负荷和心理负荷研究，人的可靠性研究，人的数学模型（控制模型和决策模型）研究，人体测量技术研究，人员的选拔和训练研究。（二）机器特性的研究：主要包括机器的可操作性和可维护性研究，被控对象动力学的建模技术，机器的防错设计研究。,三、人-机-环境系统工程的研究范畴,9,（三）环境特性的研究：主要包括环境检测技术的研究、环境控制技术的研究、环境建模技术的研究。（四）人机关系的研究：主要包括静态人机关系研究、动态人机关系研究和多媒体技术在人机关系研究中的应用等三个方面。静态人机关系研究主要有人、机功能分配研究(人、机功能比较研究，人、机功能分配方法研究，人工智能研究)和人机界面研究(显式和控制技术研究，人机界面设计及评价技术研究)。,三、人-机-环境系统工程的研究范畴,10,(五)人环境关系的研究这主要包括环境因素对人的影响、个体防护措施的研究。(六)机环境关系的研究这主要包括环境因素对机器性能的影响、机器对环境的影响。(七)人机环境系统总体性能的研究这主要包括人机环境系统总体数学模型的研究，人机环境系统全数学模拟、半物理模拟和全物理模拟技术的研究，人机环境系统总体性能(安全、高效、经济)的分析、设计和评价。,三、人-机-环境系统工程的研究范畴,11,三、人-机-环境系统工程的研究范畴,12,四、人-机-环境系统工程的应用领域,13,四、人-机-环境系统工程的应用领域,14,第二节人-机-环境系统规划设计,一、人-机-环境系统设计分析流程,15,二、人-机-环境系统设计目标体系,16,人机环境系统设计的总目标是：根据人的特征，设计出最符合人操作的机械、最适合手动工具、最方便使用的控制器、最醒目的显示器、最舒服的座椅、最舒适的工作姿势和操作程序、最经济有效的作业方法和标准时间、最宜人的工作环境等，以保证整个系统安全可靠、效益最佳。,三、人-机-环境系统设计,17,一般认为用机器代替人操作，在相同效率、相同质量的条件下，满足式才是经济可行的：设备原值折旧率大修费率设备能耗费设备维修保养费设备原值的银行利息人工工资工资附加费社会保险费但此公式可操作性差，在经济合理的情况下，应尽可能让“机”更多的代替人的工作，以减轻人的劳动强度，确保操作安全和健康。,三、人-机-环境系统设计,18,1.通常应由“机”承担的作业枯燥、单调的作业和笨重的作业；危险性较大的作业，如救火、空间技术、放射性环境作业，以及有毒作业等；粉尘作业；喷漆、涂料、电镀、焊接、铆接等作业；自动校正，自动检测，高精度装备等；特殊目的作业，高阶运算；快速操作；高可靠性的、高精度的和程序固定的作业。,三、人-机-环境系统设计,19,通常应有人完成的作业程序设计；意外事件处理；变化频繁的作业；“机”的维修；长时期非程序化处理信息；研究、决策、设计等。,三、人-机-环境系统设计,20,人的构成信号接触器视、听、触、味、嗅、肤、体信号分析器大脑效应器手、脚、口、体、腺、生物电机的构成：操纵；运转；显示环境的构成：自然环境；社会环境；技术环境,三、人-机-环境系统设计,21,人能通过感觉器官十分敏感地接受综合信息，识别物体的状态、大小、颜色、阅读文件，分别声音，并且将这些信息通过大脑进行分析和决策。但是人的能力也受到多种因素的限制：信息通道小，内存信息数量有限，大脑的计算、思维、决策速度不及计算机；感觉器官信息接受能力有限，不能看到红外线、紫外线，不能听到次声与超声波，对仪表的认读速度慢。受生理和心理因素的影响，功能发挥可靠性，尤其是人会疲劳，不可能长时间的工作;对环境敏感。,三、人-机-环境系统设计,22,机与人的缺点相比，机具有自己的特长与优点：机能远远超出人的生理和心理极限，发出工作所需要的力和功，达到所需要的速度，并长时间运转；工作稳定，抗干扰能力强，对环境的承受力强；可以在更大的范围内感知信号。内存信息量大，通过计算机系统可记忆大量数据资料，运算速度快。,三、人-机-环境系统设计,23,环境从如下五方面承担自己的功能：在系统运转过程中不断提供物资与能源。接受系统的排放，并予以消化。创造人机良好工作的周边环境。用环境设施来承担机械群体的某些共性功能。从社会角度解决系统运行问题。,三、人-机-环境系统设计,24,人与机的功能特性比较,25,功能分配原则（1）比较分配原则（2）剩余分配原则（3）经济分配原则（4）宜人分配原则（5）弹性分配原则,三、人-机-环境系统设计,26,(1)比较分配原则对人、机、环境的特性作比较，据此进行客观、逻辑的功能分析。将系统的各功能分配给适合的子系统承担。(2)剩余分配原则即把尽可能多的功能分配给机，尤其是计算机，剩余的功能分配给人，因为人将承担更有意义的工作。,三、人-机-环境系统设计,27,（3）经济分配原则：以经济效益为根本依据，一项功能分配给人还是机或环境，完全视经济分析来决定。具体地讲就是判断和估计这样一个问题：是挑选、培训、支付人地工资来承担这项工作经济？还是设计、生产、维护机械做这项工作经济？这里经济概念是指设计、制造、使用的总费用，特别强调使用效率，在某些场合使用人明显经济。,三、人-机-环境系统设计,28,(4)宜人分配原则把你的利益放在首位：要把人从繁重的体力劳动中解放出来;要虑及人的承受限度；要使人仅承受最关键的工作；要考虑人比较容易上手，以降低培训消耗；要让人的物质和精神文明需要从中得到最大的满足。(5)弹性分配原则由人在系统运行中选择和参与系统运行的程度。如民航客机设有手控和自动飞行两套操作系统，一般情况下自动飞行，关键场合由人控制,三、人-机-环境系统设计,29,对人和机器进行功能分配主要考虑：人与机器的性能、负荷能力、潜力及局限性；人进行规定操作所需的训练时间和精力限度；对异常情况的适应性和反应能力的人机对比；人的个体差异的统计；机器代替人的效果和成本。除合理分配人与机器的功能外，实现人和机器的相互配合也很重要，一方面需要人监控机器，另一方面，机器一旦出现异常，必须由人来手动操作。,三、人-机-环境系统设计,30,环境设计与控制：研究机器对环境的影响，主要目的是尽量减小机器对环境产生的不利影响，实现环境控制和机器正常运转。对于有害气体排放控制，需要技术及工艺革新，在很多特定场合需要为人的生存和活动提供必要的环境保障，如地下煤矿、航天器等需要设计、建造一定规模的系统来实现人工的环境控制与保障。,三、人-机-环境系统设计,31,控制特殊作业场区的环境因素对人体有害的环境因素有温度、压力、噪声、振动、辐射、粉尘、化学物质、生物物质对大气的污染，对待这些因素主要用工程技术的方法来控制，提供调温与温控手段、调压手段、控制污染源、噪声源、辐射源，提供供氧手段或建立综合性人造生活小环境等。,三、人-机-环境系统设计,32,人-机-环境系统工程的实施方法可以概括为四句话、24个字，也即：基于三个理论（控制论、模型论、优化论）、分析三个要素（人、机、环境）、历经三个步骤（方案决策、研制生产、实际使用）、实现三个目标（安全、高效、经济）。,三、人-机-环境系统设计,33,总的趋势1）人使不断从繁重的体力劳动中解脱出来，在大系统中更多地发挥智力强项地功能。2）使人的一部分有明显规律性的思维转由机去执行，即由计算机或自控系统执行。3）系统的宜人性要求日益受到重视，人不承担系统分配的功能，而且使物质和精神文明的享受者。,三、人-机-环境系统设计,34,4）机对环境设施的要求也越来越高，很多机械需要公共设施的支持，与社会环境的关系也日益紧密。5）人们已从的全寿命周期考虑“人机环境”大系统的运转，以及贯穿各阶段的功能分配。6）自然环境供给资源和接受排放的功能应符合可持续发展战略。,三、人-机-环境系统设计,35,第三节人-机-环境系统分析评价方法,一、定性方法二、定量方法三、定性与定量相结合的评价方法,36,（一）定性目标的定量处理1、定性目标的价值谱,一、定性方法,37,2、计算总价值,一、定性方法,38,（二）检查表法人-机-环境系统分析检查表对整个系统进行检查时使用的，有提问式和叙述式。,一、定性方法,39,信息显示：信息量合适否；作业面的亮度能否满足视觉判断对象及所进行作业的必要照明；警报显示装置是否配置在引人注意的地方；仪表控制台上的事故信号灯是否位于操作者的视野中；标志记号是否简洁、意思明确；信号和显示装置的种类和数量是否符合信息特性；最重要的仪表是否布置在最有利于认读的视区里；仪表刻度能否十分清楚地分辨等等。,（二）检查表法,40,操纵装置：操纵装置是否设置在手容易达到的范围内；快而准的操作动作是否需要用手来完成。操纵装置是否按不同功能和不同系统分组；不同操纵装置在形状、大小、颜色上是否有区别；操纵极快、使用频繁的操纵装置是否用按钮；从生理上考虑，施力大小是否合理？是否有静态肌肉施力？脚踏板是否必要；紧急制动装置设置的位置是否合理？操纵装置的布置是否能保证操作者以最佳体位进行操作。,（二）检查表法,41,作业空间：作业地点是否足够宽敞；如果坐姿工作，是否有容膝空间？对可能产生渗漏的生产设备，是否设有收集和排放设施？设备布置是否考虑到进入作业姿势及退出作业姿势的充分空间；环境要素：作业区的环境温度是否适宜；全区照明和局部照明之比是否适当；作业区湿度是否适宜，粉尘怎样，通风条件，噪声是否超过卫生标准，是否有放射性物质，电磁波的辐射量怎样，是否有出现可燃、有毒气体的可能，原材料、半成品、工具及边角废料放置是否可靠，是否有刺眼不协调的颜色出现等等。,（二）检查表法,42,某生产线人因工程评价检查表,（二）检查表法,43,（三）操作顺序图分析法,操作顺序图分析法也称运营图法，或OSD，重视信息、意志决定和动作三要素之间的关系，将信息-意志决定-动作组成的作业顺序用图式表示的方法。圆圈表示接受信息，方块表示动作，三角表示信息传递。,a）,b）,44,人操作失误时的操作顺序图,（三）操作顺序图分析法,45,将操作顺序图表现方法扩展，进行反应时间分析,对灯亮立刻做出反应对灯亮长时间没有做出反应,（三）操作顺序图分析法,46,（三）操作顺序图分析法,47,二、定量方法,（一）人为差错和可靠性逻辑推演法(HERALD),也称海洛德法,用来分析评价仪表、控制设备的配置和安装位置对人是否适当。,1、人的最佳视野水平视线上下各15度的区域在最佳视野内设置仪表或控制器时，误读率或误操作率极小；离开该范围越远，则误读率或误操作率将增大。,最佳视野,48,2、劣化值即不可靠的概率。根据人的视野，把向外的区域每隔15度划分为一个区域，在各个扇形区域内规定相应的劣化值。,（一）人为差错和可靠性逻辑推演法(HERALD),49,在配置仪表时，应该研究如何使其劣化值尽量地小。有效作业概率为：,式中，P为有效作业概率，Dei各仪表放置位置对应的劣化值,（一）人为差错和可靠性逻辑推演法(HERALD),50,练习：仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有3种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线250的位置上，1种仪表装在水平视线500的位置上，求操作人员的有效工作概率。,（一）人为差错和可靠性逻辑推演法(HERALD),51,解：3种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在250位置上的1种仪表的劣化值为0.0010，在500位置上的1种仪表的劣化值为0.0020。操作者的有效工作概率为：P=(1-0.0001)3*(1-0.0010)*(1-0.0020)=0.99993*0.999*0.998=0.9967,（一）人为差错和可靠性逻辑推演法(HERALD),52,人一自行车系统设计分析,53,一、人一自行车系统组成,54,1人与支撑部件关系支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系。,一、人一自行车系统组成,55,2人与动力接受部件关系动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，需要研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。,一、人一自行车系统组成,56,3人与传动部件关系传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。,一、人一自行车系统组成,57,4人与工作部件关系工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。,一、人一自行车系统组成,58,在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。,一、人一自行车系统组成,59,二、影响自行车性能的人体因素,60,3输出功率一般成年男子的最大输出功率约为0.7马力（0.51kw），能持续10s左右。如果持续时间长，其值要小得多。4脚踏速度人的心率一般为70次min，一般脚踏以60r/min节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。,二、影响自行车性能的人体因素,61,6.人手的大小和握力据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。7人的疲劳一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分布不合适等引起的。,二、影响自行车性能的人体因素,62,影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如图3所示。着重分析与人体相关的结构要素。,三、自行车设计结构要素分析,63,三、自行车设计结构要素分析,64,1速比大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。速比要合适，如果太小，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。,三、自行车设计结构要素分析,65,2曲柄长度若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的110，相当于大腿骨长的12。,三、自行车设计结构要素分析,66,3三接点位置正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图4(a）中所示的鞍座位置A、车把位置B、脚蹬位置C。按三点调整法，一般AB=(AC-3)cm，A点略低于B点（约5cm)。,三、自行车设计结构要素分析,67,三、自行车设计结构要素分析,68,4鞍座位置设计或校正鞍座位置高低，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如图4(b)、（c）所示。,三、自行车设计结构要素分析,69,三、自行车设计结构要素分析,70,5车闸设计时，闸把开挡和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表。,三、自行车设计结构要素分析,71,理想的施闸力和减速度,注：g=9.8m/s2,三、自行车设计结构要素分析,72,1动态稳定性包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图5（a)。,四、人一车动态特性分析,73,2力学特性自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。,四、人一车动态特性分析,74,3转向特性自行车转弯时可能有三种情况：人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图5(b)；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图5（c）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转，见图5(d).,四、人一车动态特性分析,75,四、人一车动态特性分析,76,以汽车为例的“人汽车环境”系统交互作用“人汽车”“汽车自然环境”“人汽车自然环境”“人汽车社会环境”“人汽车技术环境”,“人汽车环境”系统工程,77,“人汽车”交互作用乘坐；驾驶；安全“汽车自然环境”交互作用气候环境；排放污染；资源与能源消耗“人汽车自然环境”交互作用汽车空调；汽车刮水器“人汽车社会环境”交互作用交通法规；购车环境；文化背景“人汽车技术环境”交互作用道路；交通系统；卫星定位(GPS)；回收工程,“人汽车环境”系统工程,78,系统某个因素失调不一定会造成交通事故，但发生交通事故一定是系统一个或一个以上因素不协调造成的。交通事故可以反映出道路交通系统中各个环节是否协调。,“人汽车环境”系统工程,79,交通事故频发的原因和对策分析醉酒驾驶疲劳驾驶车辆故障,80,1人：包括驾驶员及行人在交通参与过程中的心理现象的发生.发展和他(她)们的运动规律.因道路上的人.时有.时无.时多.时少.时大人.时小人.这些人.时而动.时而静.动的速度.时而快.时而慢.尤其是驾驶人随时都在变化的思维.情绪.情感.性格.行为.都会直接影响到汽车的各种行驶动态。,“人汽车环境”系统工程,81,2车：这个具有强大生命力的物体.在什么时间.什么地点.什么环境下.会发生什么样的情况变化.因道路上的车.时有.时无.时多.时少.时大.时小.时快.时慢(如:我们不知到汽车.什么时间制动失灵.方向失灵.汽车的通过性能下降.汽车的各种零部件突然损坏等等.不确定因素发生),“人汽车环境”系统工程,82,3路：我们的汽车在高速运行时.我们的视力极限以外.路面的宽窄.好.坏.是多车道.还是单车道.甚至前面还是否有路可走?左右急转弯过去后前面的道路又是什么样子?是否有障碍等等.因道路也随时都在变化.道路.时宽.时窄.时而多车道.时而单车道.路面等级.时高.时低.路面时干.时湿.,“人汽车环境”系统工程,83,4环境：每天二十四小