安全人机工程第4章  人机功能匹配

2025/8/5第四章

安全人机工程匹配第一节人机系统中人的传递函数第二节人机功能匹配第三节人机系统的安全可靠性2025/8/5第一节人机系统中人的传递函数

“人的传递函数”是人机工程中的一个技术概念，用来表示一个自动调整系统输出与输入之间的函数关系，用一定的数学形式表示出来。在生产活动中，人的输入一般是指他的感觉信息，如仪表的指示量值、目标的运动速度和距离等；人的输出一般是指人的操作及反应，如摇把的操作速度和幅度、油门推移量的大小等。2025/8/5一、人机系统建模系统中基本上有两种人一机关系：首先是控制对象通过显示系统同人的联系，然后是人通过控制系统与被控对象的联系。这两种相互作用关系都是通过人的活动联系在一起的。2025/8/5人机系统简化结构2025/8/5二、人的传递函数的试验建模人的自适应能力将扩展到机器与显示器的动力学模型上，因而对同一类型的输入信号r（t），将根据机的传递函数Wcm而使用不同形式和数值的人的传递函数。由于机的动态特性所具有的实际约束和人体自身的限制而限定了的范围，对这个范围进行研究，可得到相当简单的普性模型，并能获得为适应具体的r（t）和所需的Wcm而改变系统参数的调节规律。2025/8/5人的传递函数模型解析式2025/8/5三、人的传递函数的求解方法1.计算法：拉普拉斯变换2.实测法：一般来说，对于比较复杂的操纵，是根据人在操纵活动中的某些特点，如预计、时迟、时滞、决策等，结合实测参数，按上述推导法来确定人的传递函数·而对于比较简单的操纵，则可采用实测法予以确定，即通过简单输入和简单输出之间实际表现出来的函数关系来确定人的传递函数。2025/8/5四、人的传递函数的应用把“人的传递函数”和“机的传递函数”配合，以便选择最合理的参数，使整个“人机系统”工作效率达到最优。比如，飞机总有一个时迟和阻尼，那么时迟常数多大，阻尼系数多大，对人的操作效率来说最为合适呢？当把“人的传递函数”与“机的传递函数”合成为整个“人机系统的传递函数”之后，可以用自动化技术中常用的一些方法，来判别整个人机系统操作性能上的优劣。2025/8/5

在一定的环境条件下，人机系统包括人和机两个基本组成部分，它们互相联系构成一个整体。第二节人机匹配2025/8/51.人的主要功能人的主要功能传感器：感受信息，感知工作和机器情况信息处理器：对信息处理分析、判断操纵器：通过动作进行操纵2025/8/52025/8/52.机的主要功能机的主要功能接受信息:通过传感器接受信息储存信息:通过储存装置储存信息处理信息:对信息加工处理执行功能:1机器本身产生控制功能，2借助信号把指令从这个环节传递到下个环节2025/8/53.人机特性比较

在人机系统设计中，首先要按照科学的观点分析人和机器各自的不同特点，以便研究人与机器的功能分配，从而扬长避短，各尽所长，充分发挥人与机器的各自优点；从设计开始就尽量防止产生人的不安全行动和机器的不安全状态，做到安全生产。2025/8/5项目人机器1感受能力能够识别物体的大小、形状、位置和颜色等特征，能够分辨不同音色和某些化学物质气味能够接受超声、辐射、微波、磁场等人不能感知的信号，且在感觉速度方面优于人2操纵能力能够进行各种控制，在自由度、调节和联系能力等方面优于机器，能“独立运行”操纵力、速度、精密度、操作数量和范围等方面优于人，但不能“独立运行”3处理能力有智力和主观能动性，有创造、辨别、归纳、演绎、综合、分析、记忆、联想、判断、抽象思维等能力，能发现事物运动规律，对问题提出见解和决策措施无智力（智能机例外）和主观能动性，没有创造能力，只能按照程序设计机械地辨别、归纳、演绎、综合、分析、记忆、判断，不能对问题提出见解2025/8/5项目人机器4学习能力具有很强的学习能力，能阅读、归纳和判断，形成概念和方法无学习能力5计算能力计算慢且容易产生误差，不能进行高阶运算，但善于修正误差计算快而精确，可进行高阶运算，但不善于修正误差6记忆能力能够记忆大量信息，并进行多途径存取，擅长对原则和策略的记忆能够迅速存取信息，信息传递能力、记忆速度和保持能力都比人高很多7工作效能能够依次完成多种功能作业，但不能同时完成多种操纵和在恶劣条件下作业能够在恶劣环境下工作，可同时完成多种操纵控制，单调、重复的工作也不降低效率2025/8/5项目人机器8可靠性就人脑而言，可靠性高于机器。但在疲劳与紧急事态下，可能极不可靠，人的技术高低，生理及心理状况等对可靠性都有影响，能够处理意外的紧急事件按照恰当设计制造的机器，能保持高可靠性，但在超负荷情况下可靠性可能突降，其本身的检查和维修能力非常薄弱，不能处理意外的紧急事件9连续性容易产生疲劳，不能长时间的连续工作，且受年龄，性别与健康状况等因素的影响耐久性高，能长期连续工作，但需要适当维护10灵活性通过教育训练，能够具有多方面的应变能力，适应和应付突发事件能力强如果是专用机械，不调整则不能改变其作业用途2025/8/5可以看出，人在复杂感受能力、信息处理能力、智力、综合判断能力、对情况的决策处理能力、灵活应变能力等方面优于机器；但在准确度、体力、速度和知觉能力方面有限。机器在操纵力、速度、精确度、高阶运算能力、存储能力、连续作业能力和耐久性等方面优于人；但在性能维持能力、正常动作、判断能力、造价、运营费用方面受限。2025/8/54.人机功能匹配1)人机功能分配:对人和机的特性进行权衡分析，将系统的不同功能分配给人或机。2)人机相互配合:

根据人机各自的能力，使人机相互配合、协调、适应，实现人监控机器和机器监控人。1.人机匹配的概念2025/8/5人与机器结合的几种形式劳动者-工具操作者-机器监控者-自动化机器监督者-智能机器视频：京东全球首个全流程无人仓2025/8/5人机功能匹配的内容显示器与人的信息感觉通道特性匹配控制器与人体运动特性的匹配显示器与控制器的匹配环境条件与人心理生理及生物力学特性的匹配2025/8/52.人机功能匹配的一般原则1）比较分配原则

通过人与机器的特性比较，进行客观的和符合逻辑的分配。如笨重的、快速的、精细的、规律性的、单调的、高阶运算的、支付大功率的、操作复杂的、环境条件恶劣的作业以及需要检测人不能识别的物理信号的作业，分配给机器承担。指令和程序的安排，图形的辨认或多种信息输入时，机器系统的监控、维修、设计、创造、故障处理及应付突然事件等工作，由人承担。2025/8/52）剩余分配原则在功能分配时，首先考虑机器所能承担的系统功能，然后将剩余部分功能分配给人。在这当中，必须掌握和了解机器本身的可靠度，如果盲目地将功能强加于机器，则会造成系统的不安全性。2025/8/53）经济分配原则以经济效益为原则，合理恰当地进行人机功能分配。如对某一特定功能．由机器承担时，需要重新设计、生产和制造；由人来承担时，则需要培训、支付费用等。这两者的经济效益通过比较和计算来确定功能的分配。2025/8/54）宜人分配原则

系统的功能分配要适合于人的生理和心理的多种需求，有意识地发挥人的技能。5）弹性分配原则系统的某些功能可以同时分配给人或机器，这样人可以自由选择参与系统行为的程度。例如许多控制系统可以自动完成，也可手动完成，尤其现代计算机的控制系统，要有多种人机接口，从而实现不同程度的人机对话。2025/8/53.人机功能匹配对人机系统的影响由于不明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。

2025/8/5视频：汽车人工智能2025/8/54.人机功能匹配不合理的表现可以由人很好执行的功能分配给机器而把设备能更有效地执行的功能分配给人不能根据人执行功能的特点而找出人机之间最适宜的相互联系的途径与手段让人承担超过其能力所能承担的负荷或速度2025/8/55.人机功能分配应注意问题(1)信息由机器的显示器传递到人，选择适宜的信息通道，避免信息通道过载而失误，以及显示器的设计应符合安全人机工程的原则。(2)信息从人的运动器官传递给机器，应考虑人的权限能力和操作范围，控制器设计要安全、高效、可靠、灵敏。(3)充分适用人和机的各自优势。2025/8/5(4)使人机结合面的信息通道数和传递频率不超过人的能力，以及机适合大多数人的应用。(5)一定要考虑到机器发生故障的可能性，以及简单排除故障的方法和使用的工具。(6)要考虑到小概率事件的处理，有些偶发性事件如果对系统无明显影响，可以不必考虑，但有的事件一旦发生就会造成功能的破坏，对这种事件就要事先安排监督和控制方法。2025/8/51.可靠性定义及其度量第三节人机系统的安全可靠性

1）可靠性的定义可靠性是指研究对象在规定条件下、规定时间内、完成规定功能的能力。

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2）可靠性度量指标

可靠性度量指标是指对系统或产品的可靠程度作出定量表示。常用的基本度量指标有可靠度、不可靠度（或累积故障概率）、故障率（或失效率）、平均无故障工作时间（或平均寿命）、维修度、有效度等。2025/8/5可靠度

可靠度是在规定条件下、规定时间内，系统或产品能完成规定功能的概率。若把它视为时间的函数，就称为可靠度函数。就概率而言，可靠度是累积分布函数，它表示时间t内不出故障的系统或产品数[N－Nf(t)]占全部工作的系统或产品数N的百分率。狭义可靠度R(t)为

R(t)=[N－Nf(t)]/N

显然t=0，Nf(0)=0，R(0)=1；t→∞，Nf(∞)→N

，R(∞)→0。

2025/8/5不可靠度不可靠度，也叫累积故障概率，它是指系统或产品在规定条件和时间t内发生故障的概率，不可靠度为F(t)为F(t)=1-R(t)=Nf(t)/N显然t=0，Nf(0)=0，F(0)=0；t→∞，Nf(∞)→N，F(∞)→1。2025/8/5故障率（失效率）故障率是指工作到t时刻尚未发生故障的产品Ns(t)，在t时刻后单位时间内发生故障的概率ΔNf(t)。失效率定义为工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻t后的单位时间内发生失效的概率。故障率

(t)的观测值等于t时刻后单位时间内发生故障的产品数(ΔNf(t)/Δt)与尚未发生故障的产品数Ns(t)之比：

(t)=(ΔNf(t)/Δt)/Ns(t)=(ΔNf/Δt)/[N-Nf]2025/8/5平均故障率入(t)是指在某一规定的时间内故障率的平均值。其观测值，对于非维修产品是指在一个规定的时间内失效数r与累积工作时间∑t之比；对于维修产品是指在它的使用寿命内的某个观测期间一个或多个产品的故障发生次数r与累积工作时间之比，两种情况均可用下式表示：2025/8/5浴盆曲线1.早期故障期2.偶发故障期3.磨损故障期2025/8/5平均寿命（平均无故障时间）也叫平均无故障工作时间θ=<t>=

t/n

t—总工作时间；n—故障（或失效）次数或试验产品数。故障率

=1/平均无故障时间=1/θ

2025/8/5维修度产品发生故障后，在规定条件、维修工具、维修方法、维修技术水平下，在规定时间内能够修复的概率叫维修度M(τ)。设在τ=0时处于故障状态的产品Nf，经过维修时间τ修复的产品数为Nτ，则M(τ)=Nτ/Nf2025/8/5有效度狭义可靠度和维修度的综合称有效度，也叫广义可靠度。其定义为：对于可维修产品，在规定条件下使用，在规定维修条件下修理，在规定时间内具有或维持起规定功能处于正常状态的概率。有效度是工作时间t和维修时间τ的函数，用A(t，τ)表示A(t，τ)=R(t)+F(t)M(τ)有效度的观测值

A=U/(U+D)U——可工作时间；D——不可工作时间。2025/8/51）影响人的可靠性的因素2.人的可靠性生理因素：体力、疾病等；心理因素：情绪、注意力等；管理因素：指导、放任等；环境因素：照明、噪声等；个人因素：熟练程度、经验等；社会因素：家庭、人际关系等；操作因素：操作速度、反复性等；大脑的意识水平：醉酒、清醒等；2025/8/5人因失误的主要表现

通过S-O-R的行为模型考察

S（刺激）方面

由信号源的刺激能力低所造成，其中包括人机系统设计不合理及外部环境干扰，使作业者对输人刺激S的反应下降。O（机体）方面

即人本身的生理和心理原因对信息的误判断所致，如人的年龄、体力、精神状态、作业技能等，都会影响到对信息的处理能力。R（反应）方面

即输出行动的错误所造成的失误，其中包括人机系统设计不合理、违章操作、环境干扰等因素。2025/8/52）人为失误分析人为失误是在规定时间内和规定条件下，没有完成分配的功能。人的失误导致灾害事故占有相当大的比例（有的占70%-80%）。因此，必须重视和认真研究人为失误的原因，从而找出防止失误的措施，提高人机系统的安全性。2025/8/52025/8/53)人为失误的种类设计失误制造失误组装失误检验失误设备的维修保养不正确操作失误管理失误2025/8/5人为失误的原因机器设计时，对人机结合面设计没有很好地进行安全人机工程研究，致使机器系统本身潜在着操作失误的可能由于操作者本身的因素，使之不能与机器系统协调而导致失误安全管理方面的缺陷

2025/8/53）人的可靠性分析方法最主要的有：人的差错概率预测方法（THERP）人的认知可靠性模型（HCR）操作员动作树分析法（OAT）通用失误模型系统（GEMS）2025/8/5人的差错概率预测方法（THERP）主要用于：评估与某些因素有关的人为差错引起系统变坏的结果。如人的动作、操作程序和设备的可靠性。基本量度方法：一个差错或一组差错所引起的系统故障的概率和一种操作引起的高级差错的概率。2025/8/5

基本步骤

调查被分析的系统和操作程序；研究人员可能导致差错的事件；把整个操作程序分解成各个操作步骤和单个动作；建造人的可靠性分析事件树；根据经验或实验得出每个动作的可靠度；求出各个动作和各个操作步骤的可靠度，如果每个动作中事件相容，则按概率计算；求出这个操作程序的不可靠度，即人的差错概率。2025/8/5人的认知可靠性模型（HCR）

人的认知过程是人脑反映客观事物的特性与联系，并揭示事物对人的意义与作用的复杂的心理活动。

人的认知可靠性模型在分析人的可靠性时，以认知心理学为基础，着重研究人在应激情景下的动态认知过程，包括探查、诊断、决策等意向行为，探究人的失误机理并建立模型。人的认知可靠性模型是由Hannaman等人提出的，主要用于时间紧迫的应急条件下操作者不反应概率的定量评价。2025/8/5人的认知可靠性模型（HCR）

HCR模型是在Rasmussen提出的行为的三种类型的假定基础上形成的，即技能型、规则型和知识型。

2025/8/52025/8/5

对应于上述三种类型，根据核电厂模拟机实验的结果可以得到相应的三条时间一人员不反应概率曲线。2025/8/53.机械的可靠性产品的可靠性指标与产品的故障分布类型有关，如果知道产品的故障分布函数就可以求出R(t)、λ(t)等。常见的故障分布函数有指数分布、正态分布、威布尔分布等。2025/8/5许多电子产品的寿命分布一般服从指数分布。有些系统的寿命分布也可用指数分布来近似。这里用随机变量T代表产品的寿命，如果T的分布密度函数满足f(t)=e-t，则称T服从指数分布。其累积分布函数F(t)=∫f(t)dt=1-e-t1）指数分布2025/8/51)可靠度R(t)=1-F(t)=e-t2)故障率(t)=f(t)/R(t)=

3)平均寿命τ=1/

指数分布的部分可靠性指标2025/8/52）正态分布正态分布是在机械产品和结构工程中，研究应力分布和强度分布时，最常用的分布形式。它对于因腐蚀、磨损、疲劳而引起的失效分布特别有用。正态分布曲线的观测值在平均值附近出现的机会最多；大小相等、符号相反的偏差发生的频率大致相等；特大正偏差和特大负偏差趋近于零。2025/8/5如果随机变量T的密度函数满足上式则称T服从均值μ和标准差σ的正态分布。其中t是随机变量的取值；μ为正态分布的均值；σ是正态分布的标准差。正态分布记为T~N(μ，σ2)。t∈(-∞，+∞)，(σ＞0)2025/8/5当μ=0；σ=1，称标准正态分布。记为X~N(0，1)。其累积分布函数：Φ(x)=∫φ(x)dx正态分布的累积分布函数：分布密度函数：2025/8/5为了计算F(t)，令x=(t-μ)/σ，则dx=dt/σ，故2025/8/5正态分布的部分可靠性指标1)可靠度R(t)=1-F(t)=…2)故障率(t)=f(t)/R(t)=…2025/8/53）威布尔分布Weibullpro威布尔分布在可靠性工程中被广泛应用，尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布。瑞典工程师威布尔研究轴承寿命、结构强度和疲劳等问题时假设一个结构是由n个小元件串联而成，可形象地将结构看成是由n个环构成的一链条，其强度(或寿命)取决于最薄弱环的强度(或寿命)。设各环强度(或寿命)相互独立，分布相同，则求链强度(或寿命)的概率分布就变成求极小值分布问题，由此给出威布尔分布函数。2025/8/53）威布尔分布Weibullpro1943年苏联格涅坚科指出，不管随机变量的原始分布如何，它的极小值的渐近分布只能有三种，而威布尔分布就是第Ⅲ种极小值分布。2025/8/52）正态分布T的分布密度函数满足：则称T服从的威布尔分布。式中：m—形状参数;ν—位置参数：产品的最低寿命，t≥ν;t0—尺度参数(对图形起放大或缩小作用).其累积分布函数：2025/8/5威布尔分布的部分可靠性指标1)可靠度R(t)=1-F(t)=…2)故障率(t)=f(t)/R(t)=…当m=1时，

(t)为常数；当m>1时，

(t)随时间增大；当m<1时，

(t)随时间减小。2025/8/54.人机系统的可靠度计算人机系统的可靠度是由人的可靠度和机的可靠度组成的。机的可靠度可以通过大量统计学数据得到。人的可靠度的确定包括：人的信息接受的可靠度、信息判断的可靠度和信息处理的可靠度。2025/8/5

构成系统的各单元之间通常可归结为串联配置方式和并联配置方式两类：

①串联配置方式系统能量的输人按顺序依次通过功能上独立的单元Ai=l，2，3，…，n，然后才输出。如果系统中的任一个单元发生故障，就会导致整个系统发生故障。2025/8/5如果每个单元的可靠度为R1

，R2

，R3

，…，Rn

，

则系统的可靠度

Rs（t）=R1R2R3…Rn

重要的和可靠性要求高的系统，应力求避免采用串联配置方式。2025/8/5

②并联配置方式并联配置方式的系统可靠性为Rs（t）＝1－（1－R1）(1－R2)…(1－Rn)2025/8/5

人机系统通常看作串联系统，其可靠度Rs=R人·R机=RH·RM③人机系统的可靠度2025/8/51）简单人机系统可靠度的计算

日本的井口雅一提出人的可靠度r取决于信息输入、信息处理、信息输出三个阶段的基本可靠度r1、r2、r3，还受作业时间b、操作频率c、危险程度d、生理心理因素e和环境因素f的影响（不可靠度）r=r1×r2×r3RH=1-b•c•d•e•f•(1-r)2025/8/52025/8/52025/8/52）二人监控人机系统可靠度

当系统由两人监控时，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：2025/8/5(1)异常状况时，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)(2)正常状况时，操作者不切断电源的可靠度（正确操作的概率）：RHb=R1R2可见异常状况时两人控制的可靠度比一人大；正常状况时两人控制的可靠度比一人小，即正常状况时产生误操作的概率大。2025/8/5二人监控的人机系统的可靠度Rsr为：异常情况正常操作概率：R'sr=RHb·RM=[1-(1-R1)(1-R2)]RM

正常情况正常操作概率：

R"sr=RHb·RM=R1·R2·RM可见二人监控作业异常情况的正常操作和正常情况的误操作概率都增加。2025/8/53）多人表决的人机系统可靠度设有一个由按n个单元组成的系统，其中任意r个或r个以上单元正常工作，系统就能正常工作。这样的系统称为n中取r系统（多数人表决的冗余人机系统）。2025/8/5在n中取r系统中，当r个人的控制工作同时失误时，系统才会失败。设每个人的可靠度均为R，则系统全体人员的操作可靠度RHn=∑Cni(1-R)iR(i-1)，0<i<r-1式中用C(i/n)表示从n个元素取i个的组合数，即n个人中有i个人同意的事件数Cni=n!/[i!(n-i)!]

且规定Cn0=12025/8/5例：三人监视作业时，有两人以上同意才能切断电源，n=3，r=2，则其可靠度为：RH3=3R2-2R3

若每人正确操作的概率为R=0.90，误操作的概率为F=0.15，则该系统中，正确操作的概率RH3及误操作的概率FH3分别为：RH3=3R2-2R3=0.972>R=0.9FH3=3F2-2F3=0.06075<F=0.15可见表决系统中，正常情况下不失误操作和异常情况下正确操作的可靠性都提高。多人表决的人机系统的可靠度Rsd=RHb·RM=…2025/8/5

例：三人监视作业时，有两人以上同意才能切断电源，n=3，r=2，则其可靠度为：若每人正确操作的概率为R=0.90，误操作的概率为F=0.15，则该系统中，正确操作的概率RH3及误操作的概率FH3分别为：RH3=3R2-2R3=0.972>R=0.9FH3=3F2-2F3=0.06075<F=0.152025/8/54）控制器监控的冗余人机系统可靠度设监控器的可靠度为Rmk，则人机系统的可靠度Rsk