2011版注册安全工程师《生产技术》教材--第十一节-人机系统

第十一节 人机系统一、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（跟、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。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人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。从该表可见，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和操作速度快、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、进行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 感觉的信息种类和范围有限 能感觉微小刺激，敏感性高，绝对阈低 对刺激反应时间较长，最小值为200 ms 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、超声渡、电磁渡等）工作 很少有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，并能实现同时和几十对象联系，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 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 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 没有自发的创造理能力，只能作出是与否的简单决策 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，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、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。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。作业类别内容a1a3a2简单变量在6个以下，已考虑人机工程学原则0.99950.99990.999一般变量在10个以下0.99900.99950.995复杂变量在10个以上，考虑人机工程学不充分0.9900.9990.990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。(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： (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=1 - p(n/N) (1-28)式中N总动作次数： n失败动作次数； p-失败概率。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=1b1b2b3b4b5(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1-11及式1-26求出。b1b5可根据表1-12来确定。表1-12 可靠度RH的系数(b1b5)良好不好非常不好良好不好非常不好人身安全有人身危险可造成重大恶性事故适当继续进行极少进行宽余时间充分宽余时间不充分无宽余时间1.01.03.03.010.0环境条件系数b5生理心理条件系数b4危险度系数b3操作频率系数b2作业时间系数b1系数（二）人机系统的可靠度计算人机系统组成的串联系统的可靠度可表达为： RS=RHRM (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。人体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。l.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1-12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1-12两人监视系统 (a)系统结构； (b)系统简图(l)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=l （1 R1）（1- R2） (1-31)(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RHc（不产生误动作的概率）： RHc= R1R2 (1-32)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绕的可靠度度Rsr,为：正常情况时： Rsr= RHcRM=R1.R2RM (1-33)异常情况时： Rsr =RHbRM =1-(1- R1)(1- R2) RM (1-34)2.多人表决的冗余人机系统可靠度上述两人监控作业是单纯的并联系统，所以正常操作和误操作两种概率都增加了，而由多数人表决的人机系统就可以避免这种情况。若由几个人构成控制系统，当其中r个人的控制工作同时失误时，系统才会失败，我们称这样的系统为多数人表决的冗余人机系统。设每个人的可靠度均为拧，则系统全体人员的操作可靠度RHn为： RHn = (1-35)式中的Ci为n个人中有i个人同意时事件数， =n!i! (ni)!，且规定， =1。多数人表决的冗余人机系统可靠度的计算公式为： RSd= (1-36)3.控制器监控的冗余人机系统可靠度设监控器的可靠度为月RMk，则人机系统的可靠度RSk为： RSk=1-(1 - RMkRH)(1- RH) RM ( 1-37)4.自动控制冗余人机系统可靠度设自动控制系统的可靠度为RMZ，则人机系统的可靠度RSZ为： RSZ=1-(1-RMZRH)(1-RMZ) RM (1-38) 四、人机系统可靠性设计基本原则l.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、准确地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陕速修复，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。1O.技术经济性原则不仅要考虑可靠性