第四章安全人机功能分配=安全人机工程学=湖南工学院

第四章安全人机功能匹配内容：第一节人机系统的基本概念第二节机械的安全特性第三节人机功能分配人机匹配人与机的合理组合，即显示器与人的感觉器官相结合；操纵控制器与人的运动器官相组合。从安全的角度出发，人机匹配主要解决以下问题：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，以及显示器的设计如何符合安全人机工程学原则。2．信息从人的运动器官传递给机器，如何考虑人的极限能力和操作范围，控制器如何设计得高效、安全、可靠、灵敏。3．如何充分运用人和机各自的优势。4．怎样使人机界面的通道数和传递频率不超过人的能力，以及机如何适合大多数人的应用。人机功能分配，应全面考虑下列因素：①人和机器的性能、特点、负荷能力、潜在能力以及各种限度；②人适应机器所需的选拔条件和培训时间③人的个体差异和群体差异；④人和机器对突然事件应激反应能力的差异和对比；⑤用机器代替人的效果，以及可行性、可靠性、经济性等方面的对比分析。上表列出了人与机器在感受能力、控制能力、工作效能、信息处理、作业可靠性和工作持久性等方面的特征比较。从特征比较可以看出，人机功能分配的一般规律是：凡是快速的、精密的、笨重的、有危险的、单调重复的、长期连续不停的、复杂的、高速运算的、流体的、环境恶劣的工作，适于由机器承担；凡是对机器系统工作程序的指令安排与程序设计、系统运行的监督控制、机器设备的维修与保养、情况多变的非简单重复工作和意外事件的应激处理等，则分配给人去承担较为合适。第一节人机系统的基本概念人机系统的类型1人机系统的功能2一、人机系统的类型(一)按有无反馈分类1．开环人机系统2．闭环人机系统一、人机系统的类型(二)按系统自动化程度分类1．人工操作人机系统2．半自动化（机械化）人机系统3．自动化人机系统一、人机系统的类型(三)按人机结合方式分类1．人机串联系统2．人机并联系统3．人与机串、并混联系统二、人机系统的功能第二节机械的安全特性机械的组成及在各状态的安全问题1机械危险的主要伤害形式和机理2机械安全设计的要求3一、机械组成及在各状态的安全问题（一）机械的组成（二）机械在各种状态的安全问题1．正常工作状态2．非正常工作状态3．故障状态4．非工作状态5．检修保养状态二、机械危险的主要伤害形式和机理（一）机器零件或工件产生机械危险的条件由机器零件(或工件)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；二、机械危险的主要伤害形式和机理（一）机器零件或工件产生机械危险的条件4．质量和速度：可控或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(弹簧)的位能或在压力或真空下的液体或气体的位能。（二）机械伤害的基本类型1．卷绕和绞缠2．卷入和碾压3．挤压、剪切和冲撞4．飞出物打击5．物体坠落打击6．切割和擦伤7．碰撞和刮蹭8．跌倒、坠落。三、机械安全设计的要求（一）合理设计机械设备的结构型式设计结构尽可能避免或减少危险：从零件材料到零部件的合理形状和相对位置，从限制操纵力、运动件的质量与速度到减少噪声和振动防止危险导致的伤害而采用一些技术措施或增加配套设施。（二）足够的抗破坏能力及环境适应能力1．足够的抗破坏能力应满足完成预定最大载荷的足够强度、刚度和构件稳定性2．对使用环境具有足够的适应能力如温湿度、风雨雪、振动、粉尘、腐蚀介质等具有足够的适应能力，特别是抗腐蚀，耐老化磨损，抗干扰的能力，不致由于电气元件产生绝缘破坏，使控制系统零部件临时或永久失效，或由于物理性、化学性、生物性的影响而造成事故。（三）尽可能使机器设备达到本质安全1．机械设备及其零部件应尽量避免设计成会引起损伤的锐边、尖角、粗糙的、凸凹不平的表面和较突出的部分。2．利用安全距离防止人体触及危险部位或进入危险区。3．限制某些可能引起危险的物理量值来减小危险。4．在爆炸环境中应采用全气动或全液压控制系统和操纵机构，或“本质安全”电气装置。（三）尽可能使机器设备达到本质安全5．应采用对人无害的材料和物质6．机械噪声、振动、过热和过低温度等指标，都必须控制在安全标准中规定的允许指标。7．易燃易爆环境中应在设计时考虑防止跑、冒、滴、漏，配置监测报警、防爆泄压装置及消防安全设施。防止火灾或爆炸危险。（四）符合安全人机工程学的要求1．合理分配人机功能。2．适应人体特性。3．友好的人机界面设计。4．作业空间的布置。（五）可靠有效的安全防护建立可靠的物质屏障，即在机械上配置一种或多种专门用于保护人的安全的防护装置、安全装置或采取其他安全措施。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，必须在出厂时配备好安全防护装置。（六）机械的可维修性及维修作业的安全1．机械的可维修性。应尽量考虑将一些易损而需经常更换的零部件设计得便于拆装和更换。2．维修作业的安全。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第三节人机功能分配人的主要功能1机的主要功能2人机特性比较3人机功能分配4图4－1人在操作活动中的基本功能示意图

一、人的主要功能一、人的主要功能人在人机系统中主要有三种功能：（一）人的第一种功能——传感器（二）人的第二种功能一一信息处理器（三）人的第三种功能——操纵器二、机的主要功能（一）接受信息如电子、光学或机械的传感装置来完成。（二）储存信息一般要靠磁盘、磁带、磁鼓、打孔卡、凸轮、模板等储存系统来储存信息。（三）处理信息（四）执行功能一是机器本身产生控制作用，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。三、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所具有的不同特点，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。人和机各有自己的能力和长处，归纳起来各表现在四个方面：

人的功能的限度是准确性、体力、速度和知觉能力；

机器功能的限度是性能维持能力、正常动作、判断能力、造价及运营费用。表4—1人与机的优缺点比较项目机器人速度占优势时间延时为1s逻辑推理擅长于演绎而不易改变其演绎程序擅长于归纳，容易改变其推理程序计算快且精确，但不善于修正误差慢且易产生误差，但善于修正误差可靠性按照恰当设计制造的机器，在完成规定的作业中可靠性很高，而且保持恒定，不能处理意外的事态。在超负荷条件下可靠性突降人脑可靠性远超过机械，但极度疲劳与紧急事态下很可能变成极不可靠，人的技术水平、经验以及生理和心里状况对可靠性很有影响，可处理意外紧急事态连续性能长期连续工作，适应单调专业，需要适当维护容易疲劳，不能长时间连续工作，且受性别、年龄和健康状态等影响，不适应单调作业灵活性如果是专用机械，不经调整则不能改作其它用途通过教育训练，可具有多方面的适应能力表4—1人与机的优缺点比较（续）项目机器人输入灵敏度具有某些超人的感觉，如有感觉电离辐射的能力在较宽的能量范围内承受刺激因素，支配感受器适应刺激因素的变化，如眼睛能感受各种位置、运动和颜色，善于鉴别图象，能够从高噪声中分辨信号，易受（超过规定限度的）热、冷、噪声和振动的影响智力无（智能机例外）能应付意外事件和不可能预测事件，并能采取预防措施操作处理能力操纵力、速度精密度、操作量、操作范围等均优于人的能力。在处理液体、气体、粉体方面比人强，但对柔软物体的处理能力比人差可进行各种控制，手具有非常大的自由度，能极巧妙地进行各种操作。从视觉、听觉、变位和重量感觉上得到的信息可以完全反馈给控制器表4—1人与机的优缺点比较（续）项目机器人功率输出恒定——不论大的，固定的或标准的1471KW的功率输出只能维持10s，367.75KW的功率输出可维持几分钟，150KW以下的功率输出能持续一天综合能力多种途径单一手段记忆最适用于文字的再现和长期存储可存储大量信息，并进行多种途径的存取，擅长于对原则和策略的记忆2005.2.1功能定位的举例由用户完成的功能●

面对不同情况所做的决定●

对不平常事件的反应●

归纳原因●

简短有效的引导功能●

在嘈杂环境下微弱信号的侦测

由机器完成的功能

对超越人类感官限制的信号的侦测

快速准确的存储和恢复信息

扩展短期储存

推论

长时间的功能实现

同时完成多个任务

计算、测量或者记录物理事件

最低响应延迟

高警觉性

反复动作

抗力性四、人机的功能分配1、人机功能分配的含义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，称为人机的功能分配。人与机器的结合形式，依复杂程度不同可分为：劳动者-工具；操作者-机器；监控者-自动化机器；监督者-智能机器等几种。机器的自动化与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器设计提出特殊要求。人机结合的原则改变了传统的只考虑机器设计的思想，提出了同时考虑人与机器两方面因素，即在机器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，要留出足够间歇时间；机器设计中，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。

2、人机功能分配的一般原则人能完成并能胜过机器的工作：发觉微量的光和声，接受和组织声、光的型式，随机应变和应变程度，长时间大量储存信息并能回忆有关的情节，进行归纳推理和判断并形成概念和创造方法等。目前机器能完成并胜过人的工作：对控制信号迅速作出反应，平稳而准确地产生“巨大力量，做重复的和规律性的工作，短暂地储存信息然后废除这些信息，快速运算，同一时间执行多种不同的功能。表4—2采用人机时有利点

采用机器时的有利点采用人时的有利点1、重复性的操作、计算，大量的情报资料存储1、由于各种干扰，需要判断信息时2、迅速施加大的物理力时2、在图形变化情况下，要求判断图形时3、大量的数据处理3、要求判断各种各样的输入时4、根据某一特定范围，多次重复作出判断4、对发生频率非常低时的事态需要进行判断时5、由于环境约束，对人有危险或操作容易犯错误时5、解决问题需要归纳、判断时6、当调节、操作速度非常重要，具有决定意义时6、预测不测事件的发生时7、控制力的施加要求非常严格时

8、必须长时间地施加控制力时

2.人机功能分配的一般原则笨重的、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

3、人机功能匹配对人机系统的影响过去，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。国外主要航天大国都在致力研究载人飞行过程中人、机功能分配方法在高负荷情况下,让人处理各种意外情况,而由计算机进行一般的判断、决策的功能分配方式所组成的人-机系统,其抗负荷水平最高。把什么任务分配给航天员,把什么任务分配给自动控制系统,这便是人、机功能分配问题。一般来说,人与机器自动操作各有特点,在实际应用中必须综合考虑。通