人机系统及其界面

1、5 人机系统及其界面本章学习目标：1. 掌握人、机主要功能特性比较；掌握人机功能分配的一般原则；能对一般性的人机功能进行匹配；掌握显示装置的可识别性要求和控制装置的可控性要求。2. 理解人机系统的组成；理解机械设计的一般要求；理解人、机的主要功能。3. 了解人机系统的类型；了解机械安全防护装置；了解人机界面的信息交换模型及方式。5.1 人机系统 人机系统定义人机系统是相互作用、相互联系的人和机两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。而安全人机系统是立足于安全的基础之上，具有相互联系和相互作用的人和机两个子系统组成的，能完成特定功能的有机整体。人：是指机械的操作者或使用者。机：即机械，

2、是指人所操纵或使用的各种机器、设备、机构、工具等的总称。研究人机系统时，既要研究子系统各自的特点和功能，还要研究他们之间相互形成的有机整体的功能。研究人机系统的设计和改进，都是以具体的人机系统为对象的，例如由人和汽车、人与机床、人与计算机、人与家电、人与工具等构成特定的人机系统。由于人的工作能力和效率随周围环境因素而变化，任何人机系统又都处于特定环境之中，所以在研究人机系统时，应当把环境当作一个重要因素来考虑。把人、机、环境三者之间相互联系、相互作用构成的整体系统称为人-机-环境系统。环境因素包括照明、噪声、震动、温度、湿度、空气、颜色、工作地、工作空间以及一切影响人机系统的因素。5.1.2

3、人机系统的组成1）人机系统基本模式人机系统由人的子系统、机的子系统和人机界面所组成，其基本模式如图5-1所示。人的子系统可概括为S-O-R（感受刺激大脑信息加工做出反应）；机的子系统可概括为C-M-D（控制装置机械运转显示装置）。在人机系统中，人与机械之间存在着信息环路，人机相互具有信息传递的性质。系统能否正常工作，取决于信息传递过程能否持续有效地进行。感受刺激显示装置大脑信息加工做出反应机械运转控制装置人机界面图5-1 人机系统的基本模式2）人的子系统人的子系统又分为S-O系统和O-R系统。S-O系统由各种感觉器官（视觉、听觉、触觉等）与大脑中枢组成，由传入神经作为联络纽带。这个系统的任务是

4、收集信息、发现问题，并传递到大脑进行加工整理，即判断和决策。对输入的信息，有的只需要存储记忆或分析判断，不必启动O-R系统而做出直接反应；有的则要求动用O-R系统做出相应反应。O-R系统由大脑中枢与运动器官（手、脚、肢体、声带等）组成，由传出神经作为联络纽带。3）机的子系统机械子系统分为C-M系统和M-D系统。C-M系统由控制和机器的转换机构（或计算机主机板）组成。这个系统的任务是使机械接收操作者的指令，实现机械运转、调控，把输入转换为输出。M-D系统由机械的转换机构和显示装置组成，这个系统的任务是反映机械运行过程和状态的信息。有些功能简单的机械子系统，不一定都具备C-M系统和M-D系统。有的

5、只有C-M系统，如自行车等，M-D系统可以看作是借助于人的直观感觉或测试工具实现的。有的只有M-D系统，如某种信息显示仪表等，C-M系统可以看作是人获得显示信息后的某种反应行为。4）人机界面如图5-1中所示，人机信息交流发生的作用面（虚线所示），通常称为人机界面。显示器将机械工作的信息传递给人，人通过各种感觉器官接收信息，实现机人信息传递。大脑对信息进行加工、决策，然后做出反应，通过控制装置传递给机械，实现人机信息传递。人机界面的设计，主要是指显示装置、控制装置以及它们之间关系的设计。人机界面安全设计的目的是实现人机系统优化，即实现系统的安全、效率、舒适、健康和经济五个指标的总体优化，尤其强调

6、以人为本，有益于人的安全、舒适和健康。因此，人机界面必须符合人机信息传递的规律和特性，设计的主要依据始终是系统中的人的因素。 人机系统的类型人机系统有简单和复杂之分。简单的人机系统可由劳动者与手工工具构成，复杂的人机系统往往包含许多不同形式、不同功能的子人机系统，如核电站的中央控制室就是属于复杂的人机系统。1）按回路有无反馈控制可分为开环人机系统和闭环人机系统反馈是指系统的输出量与系统输入量结合后重新对系统发生作用。（1） 开环人机系统 开环人机系统是指系统中没有反馈回路，或输出过程虽可提供反馈的信息，但无法用这些信息进一步直接控制操作，即系统的输出对系统的控制作用没有直接影响，如操纵普通车床

7、加工工件就属于开环人机系统。（2） 闭环人机系统 闭环人机系统是指系统有封闭的反馈回路，输出对控制作用有直接影响。若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，如在普通车床加工工件，再配上质量检测构成反馈，则称为人工闭环人机系统；若由自动控制装置来代替人的工作，如利用自动车床加工工件，人只起监督作用，这称为自动闭环人机系统。2）按自动化程度可分为手工操作系统、半自动化（机械化）人机系统、自动化人机系统在手工操作系统和半自动化（机械化）人机系统中，人分别是直接劳动者和机械的控制者，在自动化系统中，人执行着对系统的监督功能。（1） 手工操作系统。这类系统包括人和一些辅助机械及手工工具。由人提供作业动力

8、，并作为生产过程的控制者。如图5-2(a)所示，由于其动力输出全部由人来承担，所以系统的效率主要取决于人。人直接把输入变为输出。 图5-2(a) 手工操作系统（2） 半自动化（机械化）人机系统。这类系统由人和机器设备或半自动化机器设备构成，人控制具有动力的机器设备，人也可能为系统提供少量的动力，对系统做某些调整或简单操作。这种系统中，人与机械之间信息交换频繁复杂。在生产过程中，人感知来自机械的信息，经人的处理成为进一步操纵机械的依据，这样不断地反复调整，保证人机系统得以正常运行，如图5-2(b)所示。图5-2(b) 半自动化（机械化）人机系统（3） 自动化人机系统。这类系统由人和自动化人机设备

9、构成，如图5-2(c)所示。系统中信息的接收、储存、处理和执行等工作，全部由机械完成，机械本身就是一个闭环系统，人只起着管理和监督作用，只有在发生意外情况时，人才采取强制措施。系统的能源从外部获得，人的具体功能是启动、制动、编程、维修和调试等。为了安全运行，系统必须对可能产生的意外情况设有预报及应急处理功能。值得注意的是，不应脱离现实的技术、经济条件，过分地追求自动化，把本来适合于人操作的功能也自动化了，其结果会引起系统的可靠性和安全性下降，人与机械不协调。图5-2(c) 自动化人机系统3）按人机结合方式可分为人机串联系统、人机并联系统和人机混联系统（1） 人机串联系统。人机串联结合的方式，如

10、图5-3(a)所示。在作业时，人直接介入工作系统，操纵工具和机器。在人机串联系统中，人通过机械的作用产生输出，这种人机结合使人的长处和作用增大了，但是也存在人机特性相互干扰的一面。由于人的能力特性的制约，机器设备的特长不能充分发挥，而且还会出现种种问题。例如，当人的能力下降时，机械的效率也随之降低，甚至由于人的失误而发生事故。所以，采用人机串联系统时，必须进行人机功能的合理分配，使人成为控制主体，并尽量提高人的可靠性。图5-3(a) 人机串联系统（2） 人机并联系统。人机并联结合方式，如图5-3(b)所示。作业时，人间接介入工作系统，人的作用以监视、管理为主，手工作业为辅，人通过显示装置和控制

11、装置，间接地作用于机械，产生输出。这种结合方式，人与机的功能有互相补充的作用，如机器的自动化运转可弥补人的能力特性的不足。但是人与机结合不可能是恒常的，当系统正常时，机器以自动运转为主，人不受系统的约束；当系统出现异常时，机器由自动变为手动，人必须直接介入到系统之中，人机结合从并联变为串联，要求人迅速而正确地判断和操作。图5-3(b) 人机并联系统（3） 人机混联系统。人机混联是最常用的结合方式，如图5-3(c)所示。这种结合方式有多种多样，实际上都是人机串联和人机并联的两种方式的综合，往往同时具有这两种方式的基本特性。图5-3(c) 人机混联系统5.1.4 人机关系形式及变化趋向人机关系是指

12、人机环境系统中人与机械这两个主要要素之间的相互关系。影响人机关系的因素是多方面的，以手动为主的作业形式，其人机关系要求工具得心应手，操作者有一定的体力和技能，以达到机宜人和人适机；而对于机械化作业，要求人机共动，密切协调，对机宜人和人适机的要求更苛刻。1）人机关系形式人机关系经历了由手工作业到机械化、自动化和智能化作业形式的发展过程，各种形式的操作特点、操作过程中人的作用以及动力源如表5-1所示。表5-1 人机关系变化形式形式操作特点人的作用动力源劳动者工具人动为主发挥技能人为动力操作者机械人机共动操纵作业人与外部动力监控者自动化机械几乎全部机动监控管理为主外部动力监督者智能化机械全部机动监督

13、管理为主外部动力2）人机关系变化趋向及特点随着人机关系由手工作业向自动化智能化发展，人机关系具有以下的变化趋向和特点：（1） 随着机械的功能和技术装备水平的提高，使人对机械运行状况的了解和操纵变得越来越复杂；（2） 技术进步大大减轻了作业者的体力消耗，但在脑力和心理上的负担加重了；（3） 生产过程中信息在时间和空间上密集程度提高了；（4） 要求作业者的工作反应速度和准确性越来越高；（5） 人直接参与自然物质的加工过程减少；（6） 远离加工客体的监视和管理的工作增多。5.2 机械的安全特性 通常我们认为事故是由人的不安全行为或物的不安全状态引发的，按照能量的意外转移理论，如果物没有蓄积超过人体接

14、受极限的能量，即使人有不安全行为，也不会导致事故对人体的损害。因而，从这点来讲，物是导致生产安全事故发生并带来损害的根本原因。在人机系统中，了解机械的不同状态下安全问题，研究机械的安全特性和安全防护装置，对于预防事故发生或减轻事故损失具有重要意义。5.2.1 机械的组成及在各状态的安全问题机械设备是现代化生活中各行各业不可缺少的生产设备。不仅在工业生产中要用到各种机械设备，其他行业也在不同程度上用到各种机械设备，如炊事机械、农用机械、林业机械、渔业机械、建筑机械等等。机械是指“由若干个零部件组合而成，其中至少有一个零件是可运动的，并且有适当的机器制动机构、控制和动力系统等辅助部分。它们的组成具

15、有一定的应用目的，如物料的加工、处理、搬运或包装等”。机械这一术语也包括为了同一个应用目的，将其安排、控制得像一台完整机器那样发挥它们功能的若干台机器的组合。在生产的人机环境系统中，机械与人相比，具有劳动生产率高，能量大，误差小，灵敏度好，可靠性、耐用性和适应性强等优点。1）机械的组成机械的种类繁多，形状大小差别很大，应用目的也各不相同。从机械最基本的特征入手，把握机械组成的基本规律后可发现，从简单的千斤顶到复杂的现代化机床，机械组成的一般规律是：由原动机将各种形式的动力能变为机械能输入，经过传动机构转换为适宜的力或速度后传递给执行机构，通过执行机构与物料直接作用，完成作业或服务任务，而组成机

16、械的各部分借助支撑装置连接成一个整体，其组成结构如图5-4所示。控制系统传动机构支撑机构原动机执行机构图5-4 机械的组成2）机械安全定义机械安全是指机械在按使用说明书规定的预定使用条件下，执行其功能和在对其进行运输、安装、调试、运行、维修、拆卸和处理时对操作者不发生损伤或危害其健康的能力。包括两方面的内容：（1） 在机械产品预定使用期间执行预定功能和在可预见的误用时，不会给人身带来伤害；（2） 机械产品在整个寿命周期内，发生可预见的非正常情况下任何风险事故时机械是安全的。3）机械安全特性 现代机械安全应具有以下几方面的特性：（1） 系统性。现代机械的安全应建立在心理、信息、控制、可靠性、失效

17、分析、环境学、劳动卫生、计算机等学科技术基础上，并综合与系统地运用这些科学技术。（2） 防护性。通过对机械危险的智能化设计，应使机械器在整个寿命周期内发挥预定功能，包括误操作时，其机械和人身均是安全的，使人对劳动环境、劳动内容和主动地位的提高得到不断改善。（3） 友善性。机械安全设计涉及到人和人所控制的机械，它在人与机之间建立起一套满足人的生理特性、心理特性，充分发挥人的功能的、提高人机系统效率的安全系统，在设计中通过减少操作者的紧张和体力来提高安全性，并以此改善机械的操作性能和提高其可靠性。（4） 整体性。现代机械的安全设计必须全面、系统地对导致危险的因素进行定性、定量分析和评价，整体寻求降

18、低风险的最优设计方案。4）机械在各种状况下的安全问题 机械的构造不同，它所带来的危险性也不同。为了预防机械事故，必须首先了解机械本身在不同状况下存在的危险因素。（1） 正常工作状态。在机械完好的情况下，机械完成预定功能的正常运转过程中，存在着各种不可避免的但却是执行预定功能所必须具备的运动要素，有些可能产生危害后果。例如，大量形状各异的零部件的相互运动、刀具锋刃的切削、起吊重物、机械运转的噪声等，在机械正常工作状态下就存在着碰撞、切割、重物坠落、使环境恶化等对人身安全不利的危险因素。对这些在机械正常工作时产生的危险的某种功能，称为危险的机械功能。（2） 非正常工作状态。在机器设备运转过程中，由

19、于某种原因（如人员的操纵失误、动力突然丧失或外界干扰等）引起的意外状态。例如，意外启动、运动或速度变化失控，外界磁场干扰使信号失灵，瞬时大风造成起重机倾覆倒地等。机械的非正常状态往往没有先兆，会直接导致或轻或重的事故危害。（3） 故障状态。故障状态是指机器设备（系统）或零部件丧失了规定功能的状态。设备的故障，哪怕是局部故障，有时都会造成整个设备的停转，甚至整个流水线、自动化车间的停产，给企业带来经济损失。而故障对安全的影响可能会有两种结果：一种是故障的出现对所涉及的安全功能影响很小，不会出现大的危险（例如，机器的动力源或某零部件发生故障时，使机器停止运转，处于故障保护状态）；一种是故障会导致危

20、险状态（例如，由于电气开关故障，会产生不能停机的危险，又如砂轮轴的断裂，会导致砂轮飞甩的危险等）。（4） 非工作状态。机械停止运转处于静止状态时，在正常情况，机械基本是安全的，但不能排除由于环境条件不够，导致人员与机械悬凸结构的碰撞、结构垮塌、室外机械在风力作用下的滑移或倾覆、堆放的易燃易爆原材料的燃烧爆炸等。（5） 检修保养状态。检修保养状态是指对机械进行维护和修理作业时（包括保养、修理、改装、翻建、检查、状态监控和防腐润滑等）机械的状态。尽管检修保养一般在停机状态下进行，但其作业的特殊性往往迫使检修人员采用一些超常规的做法，如攀高、钻坑、将安全装置短路、进入正常操作不允许进入的危险区等，使

21、维护或修理容易出现在正常操作不存在的危险。 机械危险的基本类型机械危险是指由于机器零件、工具、工件或飞溅的固体、流体物质的机械作用可能产生伤害的各种物理因素的总称。有些危险是显现的，有些是潜在的，有些是单一的，有些交错在一起并表现为复杂、动态、随机的特点。因此，必须把人、机、环境这个机械加工系统作为一个整体研究对象，用安全系统的观点和方法，识别和描述机械在使用过程可能产生的各种危险、危险状态以及预测可能发生的危险事件，为机械的安全设计以及制定有关机械安全标准和对机械系统进行安全风险评价提供依据。机械危险的危害实质，是机械能的非正常做功、流动或转化，导致对人员的接触性伤害。无论机械危险以什么形式

22、存在，总是与质量、位置、速度和力等物理量及运动形式有关。1）机器零件产生机械危险的条件由机器零件产生的机械危险是有条件的，主要由以下因素产生：（1） 形状。切割要素、锐边、角形部分，即使它们是静止的。（2） 相对位置。机器零件运动时可能产生挤压、剪切、缠绕等区域的相对位置。（3） 质量和稳定性。在重力的影响下可能运动的零部件的位能。（4） 质量和速度。可控不可控运动中的零部件的动能。（5） 加速度。（6） 机械强度不够。可能产生危险的断裂或破裂。（7） 弹性元件的位能或在压力或真空下的液体或气体的位能。2）机械伤害的基本类型（1） 卷绕和绞缠。引起这类伤害的是作回转运动的机械部件，包括联轴节、

23、主轴、丝杠等回转件上的突出物和开口，例如轴上的突出键、调整螺栓或销、圆轮形状零件的轮辅、手轮上的手柄等，在运动情况下，将人的头发、饰物、衣袖或下摆卷缠引起的伤害。（2） 卷入和碾压。引起这类伤害的主要危险是相互配合的运动部件，例如，相互啮合的齿轮之间以及齿轮与齿条之间，皮带与皮带轮、链与链条进入啮合部位的夹紧点，两个作相对回转运动的辊子之间的夹口引发的卷入；滚动的旋转件引发的碾压等。（3） 挤压、剪切和冲撞。引起这类伤害的是作往复直线运动的零部件，如相互运动的两部件之间，运动部件与精致部件之间由于安全距离不够产生的夹挤，作直线运动部件的冲撞等。（4） 飞出物打击。由于发生断裂、松动、脱落或弹性

24、位能等机械能释放，使失控的物件飞甩或反弹出去，对人造成伤害。例如，轴的破坏引起装配在其上的皮带轮、飞轮、齿轮或其他运动零部件坠落或飞出；螺栓的松动或脱落引起被它紧固的运动零部件脱落或飞出；高速运动的零件破裂碎块甩出；切削废屑的迸甩；弹性元件的位能引起的弹射；在压力、真空下的液体或气体位能引起的高压流体喷射等。（5） 物体坠落打击。处于高位置的物体具有势能，当它们意外坠落时，势能转化为动能，造成伤害。如高处掉下的零件、工具或其它物体；悬挂物体的吊挂零件破坏或夹具不牢引起的物体坠落；由于质量分布不均衡，中心不稳，在外力作用下发生倾覆、滚落；运动部件运行超行程脱轨导致的伤害等。（6） 切割与擦伤。切

25、削刀具的锋刃，零件表面的毛刺，工件或废屑的锋利飞边，机械设备的尖棱、利角和锐边、粗糙的表面等。无论这些物体的状态是运动的还是静止的，这些由于形状产生的危险都会构成伤害。（7） 碰撞和刮蹭。机械结构上的凸出、悬挂部分，长、大加工件伸出机床的部分等。这些物件无论是静止的还是运动的，都可能产生危险。（8） 跌倒、坠落。由于地面堆物无序或地面凸凹不平导致的磕绊跌伤，接触面摩擦力过小造成打滑、跌倒。机械危险大量表现为人员与可运动物件的接触伤害，各种形式的机械危险、机械危险与其他非机械危险往往交织在一起。在进行危险识别时，应该从机械系统的整体出发，考虑机器的不同状态、同一危险的不同表现形式、不同危险因素之

26、间的联系和作用，以及显现或潜在的不同形态等。 机械设计的安全要求无论多么先进的机械都是人设计、制造和安装的，在使用中是由人操作、维护和管理的因此引发机械事故的是人。造成机械事故的原因可以分为直接原因和间接原因。机械的不安全状态和操作者的不安全行为都属于直接原因。机械的不安全状态，如防护、保险、信号装置缺乏或有缺陷；设备、设施、工具、附件有缺陷；个人防护用品缺少或有缺陷；生产场所环境不良或作业场所狭窄；操作工序设计或配置不安全；地面有油或其他易滑物；物品堆放过高不稳等；操作者的不安全行为，如忽视安全、操作错误等人为失误。设计、制造、安装或维修上的缺陷或失误，以及管理上的失误等都属于间接原因。机械

27、设备安全应考虑其“寿命”的各个阶段，即整个寿命周期，包括设计、制造、安装、调整、使用、故障维修、拆卸及报废处理各个阶段，还应考虑机械的各种状态，包括正常作业、非正常作业和其它一切可能的状态。决定机械产品安全性的关键是设计阶段采用安全措施。无论是机械预定功能的设计还是安全防护的设计，都应该遵循以下两个基本途径：一是选用适当的设计结构，尽可能避免危险或减小风险；二是通过减少对操作者涉入危险区的需要，限制人们面临危险。机械安全设计应考虑以下几个因素：1）合理设计机器设备的结构型式机械设备的结构型式一定要与其执行的预定功能相适宜，不能因结构设计不合理而造成机械正常运行时的障碍、卡塞或松脱；不能发生任何

28、能够预计到的机械设备的设计不合理的有关事件。机械的结构要连接可靠，通过限制操纵力和运动速度或其他辅助手段以减少生产性噪声和振动的产生。对于人员易于接近的可动零件、部件，应尽量设计成密闭型；如必须接近其操作、调整和维护时，必须配置防护罩或防护装置。对行程有危险的零件、部件应装“行程限制防护器”。为避免可动部件及其载荷具有动能或势能所引起的危险时，必须有防坠、限速、防逆转装置，以防可动部件的意外运动。在设备运行中，如果工具、工件、切屑存在飞甩危险，应设置防护罩或防护网。具有高速旋转且存在断裂危险的零部件，必须配置高强度的防护罩。作为安全控制的离合器或连锁机构应与工程程序同时起作用，或控制装置起作用

29、后，工作和运动程序才能开始，或接近危险区时，先行强制停止工作和运动程序。调节部分的设计，必须有能防止能源的误接通和误断开功能。动力传动机器与设备，遇到下列情况之一时应配置紧急事故开关： 遇有意外，不能迅速终止运行开关； 危险运动单元多，又不能迅速切断总开关； 切断某单元开关能出现其他危险时； 在控制台上无法看到所控制的全部单元。此外，还应有预防意外启动设计。在检修区域或必须用手伸进危险区的设备，如压力机，为防止误启动，必须切断机械的控制与能源，用多重闭锁的开关来阻止“停止”状态的意外启动。2）足够的抗破坏能力及环境适应能力（1） 足够的抗破坏能力。机械的各组成受力零部件及其连接，应满足完成预定

30、最大荷载的足够强度、刚度和构件稳定性，在正常作业期间不应发生由于应力或工作循环次数产生断裂或疲劳破坏、过度变形或垮塌。另外还必须考虑在此前提下机械设备的整体抗倾覆或防风抗滑的稳定性，特别是那些由于有预期载荷作用或自身质量分布不均的机械，以及那些在轨道或路面行驶的机械，应保证在运输、运行、振动或有外力作用下不致发生倾覆，防止由于运行失控而产生不应有的位移。（2） 对使用环境应有足够的适应能力。机械设备必须对其使用环境（如温度、湿度、气压、风载、雨雪、振动、负载、静电、磁场、辐射、粉尘、微生物、腐蚀介质等）具有足够的适应能力，特别是抗腐蚀或空蚀，耐老化磨损，抗干扰的能力。3）符合安全人机工程学的要

31、求显示装置、操纵装置、人的作业空间和位置以及作业环境，是进行安全人机学设计要求集中体现之处，应满足人体测量参数、人体的结构特性和技能特性以及生理和心理条件。在机械设计中，通过合理分配人机功能、适应人体特性、人机界面设计、作业空间布置等方面履行安全人机工程学原则，提高机器的操作性能和可靠性，使操纵者的体力消耗和心理压力尽量降到最低，从而减小操作差错。因此，机械设计时应考虑如下的安全人机工程学要求：（1） 合理分配人机功能。在机械的整体设计阶段，要分析、比较人和机的各自特性、合理分配人机功能。在可能条件下，尽可能通过实现机械化、自动化，减少操作者干预或介入危险的机会。随着微电子技术的发展，人机功能

32、分配出现向机器转移，人从直接劳动者向监控或监视转变的趋势，向安全化生产迈进。（2） 适应人体特性。在确定机械的有关尺寸和运动时，应考虑人体测量参数、人的感知反应特性以及人在工作中的心理特征，避免干扰、紧张、生理或心理上的危险。（3） 安全友好的人机界面设计。人、机相互作用的所有要素，如操纵器、信号装置和显示装置，都应使操作者和机械之间的相互作用尽可能清楚、明确，信息沟通快捷、无误、顺畅。（4） 作业空间的布置。作业空间的布置详见第6章人机系统的安全设计中6.5.2作业空间布置的基本原则部分的内容。4）本质安全设计机器设备依靠自身的安全设计，防止因人出现操作失误而发生的事故。而且设备本身也可以防

33、止人的操作失误。当设备的个别部件发生故障，或运行参数发生不正常地突然变化时，也会由于完善的安全装置而避免伤亡事故的发生，从本质上防止机械伤人。电气设备的防爆结构能使正常状态或发生事故时所产生的电气火花、电弧和高热都不会点燃易燃易爆气体，从设备本质上防止电气引燃易燃易爆气体。使用连锁保护装置控制机器设备运转系统的操纵机构，使其只有在防护装置先起作用后才能启动设备，一旦误开防护装置，即自动停机，锁定启动机构，保证操作者与危险区域、危险点隔离开来。本质安全不仅能保证人与机械的安全，还可以使操作者轻松平和地作业，缓和心理紧张，提高人机系统的工作效率。5）可靠有效的安全防护任何机械都有这样那样的危险，当

34、机器设备投入使用时，生产对象、环境条件以及操作人员处于不断的变化之中，这种动态结合情况下的危险性就更大。只要存在危险，即使操作者受过良好的技术培训和安全教育，有完善的规程，也不能完全避免机械伤害事故的发生。因此，必须建立可靠的物质屏障，即在机械上配套一种或多种专门用于保护人身安全的防护装置、安全装置或采取其它安全措施。当设备或操作的某些环节出现问题时，靠机械自身的各种安全技术措施来避免事故的发生，保障人员和设备安全。危险性大或事故率高的生产设备，必须在出厂时配备安全防护装置。安全防护装置应满足下列要求：首先，操作者不可能接近可动部件，如果操作者一旦接近危险部件，应立即停机；其次，安全防护装置应

35、便于检查、维修，使其不成为危险源；最后，作为固定防护装置应设计成只有用专用工具才能打开，对于可动式防护装置未关闭罩好时机械不能启动，并且在运行过程中，可动式防护装置一旦开启，应立即自动停机。常见的安全防护装置的种类及设计详见第6章人机系统的安全设计中6.4.2安全防护装置的设计一节内容。6）故障安全设计当系统、设备的一部分发生故障或失效时，在一定时间内能够保证整个系统或设备安全的技术性设计称为故障安全设计。故障安全设计确保一个故障不会影响整个系统或使整个系统处于不会可能导致伤害或损伤的工作模式。其设计的原则是：首先，保护人员安全；其次，保护环境，避免污染；再次，防止设备损伤；最后，防止设备降低

36、等级使用或功能丧失。按照系统、设备发生故障后所处的状态，故障安全设计分别为3种类型，见表5-2所示。表5-2 故障安全设计的类型类型特点应用实例故障安全消极设计当系统发生故障时，能使系统停止工作，并将其能量降低到最低值直至系统采取纠正措施，不会由于导致不工作的危险产生更大的损伤电路保险，当系统出现短路时，电路保险动作，系统断电，正在工作的系统会立即停止工作，保证安全故障安全积极设计故障发生后，在系统采取纠正或补偿措施前，或启动备用系统前，保持系统以一种安全的形式带有正常能量，直至采取措施，以消除事故发生的可能性交通信号灯发生信号系统故障，信号将转化为红灯或黄灯闪烁灯，以避免发生事故，达到控制交

37、通的目的故障安全可工作设计保证在采取纠正措施前，系统、设备能正常发挥其功能。它是故障安全设计中最可取的类型锅炉的缺水补水设计，即使阀瓣从阀杆上脱落，也能保证锅炉正常进水，确保正常运行7）故障最小化设计采用故障安全设计使故障不会导致事故，但是这样的设计在有些情况下并不一定是最佳选择。因为故障安全设计可能会频繁地中断系统的运行，当系统需要连续运行的时候，这种设计对系统的运行是相当不利的。所以，在故障安全设计不可行的情况下，故障最小化设计可作为设计的主要方法。故障最小化设计有3种方法。（1） 降低故障率。这种方法是可靠性工程中延长元件和系统寿命的一种方法。利用可靠性高的元件和设计降低使用中的故障率，

38、是整个系统的期望使用寿命大于所提出的使用期限，从而减少事故发生的可能性。安全系数和余量设计是降低故障率的核心。（2） 监控。利用监控系统对某些参数进行检测，保证这些参数无法达到导致意外事件的危险水平。监控系统分为检知、判断和响应3部分。检知部分由传感元件组成，用以感知特定物理量的变化。判断部分把检知部分感知的参数值与预先规定的参数值进行比较，判断被检测对象的状态是否在正常范围内。响应部分在判明存在异常时，采取适当的措施，如停止设备运行、停止装置运转、启动安全装置、向有关人员发出警告等。（3） 报废和修复。这种技术是针对意外事故设计的。在一个故障、错误或其他不利的状况已发展成危险状态，但还未导致

39、伤害或损伤时，能够修复或值得修复的进行系统修复，无法修复或不值得修复的应立即报废。8）机械可维修性及维修作业的安全（1） 机械的可维修性。机器出现故障后，在规定的条件下，按规定的程序或手段实施维修，可以保持或恢复其执行预定功能状态，这就是机械的可维修性。因此，在设计机械时，应尽量考虑将一些易损需经常更换的零部件设计得便于拆卸和更换。设备的故障会造成机器预定功能丧失，给工作带来损失，而危险故障还会引发事故。从这个意义上讲，解决了危险故障，恢复安全功能，就等于消除了安全隐患。（2） 维修作业的安全。在按规定程序实施维修时，应能保证人员的安全。由于维修作业是不同于正常操作的特殊作业，往往采用一些超常

40、规的做法，如移开防护装置，或是使安全装置不起作用。为了避免或减少维修伤害事故，应在控制系统设置维修操作模式；从检查和维修角度，在结构设计上考虑内部零件的可接近性；必要时，应随设备提供专用检查、维修工具或装置；在较笨重的零部件上，还应考虑方便吊装的设计。5.3 人机功能比较和分配在人机系统中，人和机械各自担负着不同的功能，一般情况下，在人机系统中还通过控制装置和显示装置将人和机械联系起来，共同完成系统所担负的任务。为使整个人机系统安全、高效、可靠以及操作方便就必须了解人和机的功能特点、长处和短处，并进行合理的功能分配。5.3.1 人的主要功能人在人机系统的操纵过程中所起的作用，可通过心理学提出的

41、带有普遍意义的公式：刺激(S)®意识(O)®反应(R)来加以描述，即在信息输入、信息处理和行为输出3个过程中体现出人在操作活动中的基本功能，如图5-5所示。外界环境信息输入信息处理行为输出外界环境刺激信息来源感知过程信息检索加工和决策人的反应行动结果外界刺激物体事件显示器工作过程机器环境看听触尝闻作出判断作出决策数据加工作出评价体力活动操纵控制器使用工具处理材料组装语言指令物理变化材料已加工机器已开动程序已发出服务工作已完成图5-5 人在操作活动中的基本功能示意图从图5-5可知，人在人机系统中主要有3种功能：1）人的第一种功能传感器人在人机系统中首先是感觉功能，或叫信息发现

42、器。通过感觉器官接受信息，即用感觉器官作为联系渠道，通常是指声和光、味的传递、感知工作情况和机的使用情况，这时感觉器官便成了联系人机之间的枢纽和信息接受者。2）人的第二种功能信息处理器人的判断可分为相对判断和绝对判断。相对判断即有条件的判断，是在已有的两种或两种以上事物中进行比较后作出的。绝对判断是在没有任何标准或比较对象的情况作出的。据估计，在相对判断的基础上，大多数人可以分辨出130万种不同的颜色，而绝对判断仅能有1115种，因此，一个系统总能建立在相对判断上。3）人的第三种功能操纵器人的第三种功能是操纵器，即通过机械的控制装置进行操作，控制装置的安全设计就像显示装置的安全设计一样，目的就

43、是让使用它的人使用方便和少出差错。在人机系统中，控制装置的作用被认为是对能得到的刺激的一种反应。任何显示反应，如果要求违背原有的习惯，很可能出现差错。不论在什么特殊情况，设计人员总要求操作者改变其已成为习惯的行为方式，都是错误的。5.3.2 机的主要功能安全人机工程学中所指的机是狭义的，机械是按照人的某种目的和要求设计的，机械虽然与人相比有其不同的特征，但在人机系统工作中所表现出来的功能都是类似的，尤其是自动化的机器更是如此，具有接受信息，储存信息、处理信息和执行等主要功能。1） 接受信息对机械而言，信息的接受是通过机械的感应装置，如电子、光学或机械的传感装置来完成。当某种信息从外界输入系统时

44、，系统内部对信息进行加工处理，这些加工处理的信息可能被储存或被输出，也可能反馈到输入端而被重新输入，使人或机械接受新的反馈信息。接受的信息也可不经处理，而直接存储起来。2） 储存信息机械一般靠磁带、磁盘、磁鼓、打孔卡、凸轮、模板等存储系统储存信息。3） 处理信息对接受的信息或储存的信息，通过某种过程进行处理。4） 执行功能一是机械本身产生控制作用，如车床自动加深或减少铣削深度；二是借助于声光等信号把指令从这个环节输送到另一个环节。5.3.3 人机特性比较随着科学技术的发展，机器设备逐渐地代替了手工劳动。然而机器设备终究不能全部承担人的劳动，而且大多数机械仍需由人来操纵，即使是完全自动化的机器设

45、备，其信号输入、调整、维修也是由人来进行的，因此是“人机共存（同工）”的。对于人机共存的人机系统来说，设计的主要困难已不在于产品的本身，而在于能否找出人与技术之间最适宜的相互联系的途径与手段，在于是否能全面考虑到操作者在人机系统中的功能作用特点和机械与人的特性吻合的程度。因此，设计者对人机特性比较的重视是至关重要的。从科学的角度，人与机的不同特性应从相当多的方面加以区别，表5-3是人和机的特性对照比较表。表5-3 人机特性比较4项目人的特性机的特性检测能力 灵敏度随时间变化，易受环境和感情的影响 有主观倾向性 虽然味觉和嗅觉无法定量表示，但比机械灵敏度高 难以监测偶然发生的事件 只能单通道 能

46、在高噪声环境下检出需要的信号 固定性良好、稳定 灵敏度、准确度、检测范围良好 重复性好 线性良好者多 监控能力很强 专用，缺乏通用性 能够进行多通道的复杂动作 无错觉 在高噪声环境下很难正确无误地接收信号操作能力 由于熟练而能发挥机械不能及的巧劲 训练一般需要较长时间，有时短时也可训练好，若训练不妥会成为误操作的根源 能进行高精度操作和复杂的艺术性工作 10 s内能输出1.5 kW功率，以0.15 kW的输出能连续工作24 h，并能精细调整 通用 重复性、准确度、线性度良好 能输出极大和极小的功率 不能像人那样进行精细的调整 反应快、高效率 专用判断能力 有智能、有特殊判断能力 人与人之间信息

47、交流效率低 需要训练，否则易出错误 高速 定量记忆良好 能同时高效协调地运转两个意识以上的装置感觉能力 可识别物体形状、大小、位置和颜色 对不同音色及某些化学物质有一定的分辨能力 能感觉到最低强度的光和声 对各种刺激的感觉比机械灵敏 能通过直觉从许多目标中找到真正的目标 识别图形能力差 能接受人所不能感觉的刺激。如红外线、超声波、辐射、微波、电磁波、磁场等信号的能力，并作出记忆和反应 能对给出的信号迅速作出反应 只能发现特定的目标信息处理能力 接受语言和表情等信息，但容量少 接受信息速度慢，约20个/秒 每次只能处理一个信息 传递信息速度一般为6 bit/s 工作记忆容量小(5 bit)，存取

48、时间0.025 s；长期记忆容量很大(106 bit)，存取时间0.2 s，反应时间最小值为10-3 s 微机主机容量约2×106，外存储容量无限，存取速度快 能长期存储信息，短时间内能储存和回忆大量信息 传递能力、记忆速度、保持能力比人强得多 能同时处理多种信息 能以各种形式表示输出的信息 反应时间为微秒级控制能力 可进行各种控制，在自由度、调节和联系能力等方面均优于机械 本身具有各种运动的动力 操纵力、速度、精确度、操作频率等方面均优于人 需外加动力才能发挥作用创造能力 具有创造性，能对各种问题具有全新的见解，具有发现特殊原理或关键措施的能力 有思考、分析、归纳、推理的能力 有根

49、据经验改变操作的能力 对意外事件有作出反应的能力 有随机应变的能力 对事件的发展能作出相应的预测 没有创造力，但可以在程序功能的范围内进行一定的创造性工作 只能处理已知的事件 无随机应变的能力 预测能力有很大局限性耐久性 不能长时间连续工作，易产生疲劳，有短时间内超负荷工作的能力 记忆力、熟练程度受年龄、性别、健康状况等因素的影响 有自我恢复能力 不善于从事单调工作，不能自我保持紧张 耐久性好，可长期保持良好使用 能长期连续、快速精确地重复工作，而不像人那样会产生疲劳可靠性 错觉多 决定于熟练程度 发生紧急情况时，情绪会影响可靠性 技术水平、生理状态、心理状态、社会因素对可靠性有影响 有善于排

50、除故障的能力 决定与设计质量、材料、加工、装配、维修保养质量 本身无维修能力 一般不能处理意外的紧急情况 一般比人可靠适应性 可依次完成多种功能作业 不能在恶劣环境下工作 不能进行高阶运算 具有很强的学习能力，能阅读和接受口头指令，灵活性很强 可同时完成多种作业 进行简单而重复的工作不会降低效率 能进行高阶运算 可耐恶劣的环境，能在放射线、尘埃、有毒气体、高噪声、黑暗、强风大雨等条件下工作 能进行笨重的工作其他 成才的时间长，约20年 人的智慧可不断可发和提高，但也可能退化 受社会环境、家庭生活等因素的影响 可大量生产同一规格产品 功能一般可长期保持 能24 h连续工作 不受社会条件的影响5.

51、3.4 人机功能分配1）人机功能分配的含义从表5-3的人机特性比较中可以看出，人与机相差较远。机械虽然有着比人有利的方面，但即使在高度自动化的系统中，也必须由人控制机械。因此，不管自动化程度多么高的系统，都是由人设计并为人类服务的。这样，就需要合理地分配人与机的功能，使人体特性与机械特性做到合理匹配及达到功能互补。人机功能匹配对人机系统的影响也很大。过去，由于不明白人与机的匹配关系特性，使机的设计与人的功能不适应而造成的失误的例子很多，如作战飞机的高度计等仪表的设计与人的视觉不适应是造成飞机失事的主要原因。在工作负荷过高的情况下，人往往出现应激反应（即生理紧张），导致重大事故的发生。进行合理的

52、人机功能分配，也就是使人机结合面布置得恰当，从安全人机工程学的观点出发，分析人机结合面失调导致工伤事故，进而采取改进对策。机械的自动化和智能化使操纵复杂程度提高，因而对操纵者提出了严格要求。同时操纵者的功能限制也对机械设计提出特殊要求。人机结合的原则改变了传统的只考虑机械设计的思想，提出了同时考虑人与机械两方面因素，即在机械设计的同时把人看成是有知觉、有技术的控制机、能量转换机、信息处理机，凡需要由感官指导的间歇操作，要留出足够的间歇时间；机械设计中，要使操纵要求低于人的反应速度，这便是获得最佳效果的设计思想。在这种思想指导下，机械设计同工作设计（包括动作设计、岗位设计和人员培训）结合起来了。

53、对人和机的特性进行权衡分析，将系统的不同功能恰当地分配给人或机，称为人机功能分配。人机功能分配就是通过合理的功能分配，将人与机的优点结合起来，取长补短，从而构成高效和安全的人机系统。从人机特性比较可以看出人机功能各有所长，根据两者特性利弊进行分析，将系统的不同功能合理分配给人或机，是提高人机系统效率的关键，也是确保安全的有效途径之一。2）人机功能优势分析（1） 人优于机械的功能。人在以下方面优于机械： 在感知觉方面，人的某些感官的感受能力比机械优越。例如，人的视觉器官可以发现只有几个光量子的微光，听觉器官对音色的分辨力以及嗅觉器官对某些化学物质的感受性等，都优于机械。人的感知觉还具有机械很难实

54、现的恒常性，即当距离、视觉、照度等条件改变时，人对颜色、形状、大小等的感知觉具有相对固定性，因而人对图像的识别能力远胜于机械。 人能运用多种通道接受信息，当一种信息通道有障碍时可用其他通道补偿。而机器设备只能按设计的固定结构和方法输入信息。 人具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。人能根据情境改变工作方法，能学习和适应环境，能应付意外事件和排除故障，而机械应付偶然事件的程序是非常复杂的。因此，任何高度复杂的自动系统都离不开人的参与。 人能长期储存信息，并能随时综合利用记忆信息进行分析和判断。 人具有总结和利用经验，除旧创新，改进工作的能力，而机械无论多么复杂，只能按照人预先编排

55、好的程序工作。 人能归纳推理。在获得实际观察资料的基础上，归纳出一般结论，形成概念，并能发明创造。 人的最重要特点是有感情、意识和个性，具有能动性，能继承人类历史、文化和精神遗产。人在社会生活中，接收社会的影响，有明显的社会性。（2） 机械优于人的功能。机械在以下方面优于人： 机械能平稳而准确地运用巨大动力，其功率、强度和负荷的大小可随需要而定。而人受身体结构和生理特性的限制，可使用的力量较小。 机械动作速度快，信息传递、加工和反应的速度快。人的操作活动较快的反应频率为每秒12次，对于复杂的动作反应所需时间更长，远不能与机械相比。 在感受外界作用和操作方面，机械的精度高，产生的误差可随机械精度

56、提高而减小。而人的操作精度不如机械，对刺激的感受也有限。如在一定刺激强度范围内，对重量的分辨量约为3%，对长度的分辨量约为1%。 机械的稳定性好，可终日不停的重复工作，不会降低效率，不存在疲劳和单调问题。人的工作易受身心因素和环境条件影响，因此在感受外界作用和操作的稳定性方面不如机械。 机械的感受和反应能力一般比人高。如机械可以接受超声、辐射、微波、电磁波和磁场等信号，还可以做出人做不到的反应，如发射电讯信号、发出激光等。 机械能同时完成多种操作，而且可以保持较高的效率和准确度。人一般只能同时完成12项操作，而且两项操作容易相互干扰，难以持久地进行。 机械能在恶劣的环境条件下工作。如在高压、低压、高温、低温、超重、缺氧、辐射、震动等条件下，机械可以很好地工作，而人则无法耐受。综上所述，人和机各自的突出优势见表5-4，在进行人机分配时可作参考。表5-4人或机各自的突出优点机械的突出优点人的突出优点 重复性的操作和计算 排除干扰进行判断 迅速施加较大的力 动态的变化中