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1、第四章 安全人机功能匹配,第一节 人机功能匹配,人机系统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。,一、人的主要功能,人在操作活动中的基本功能示意图,一、人的主要功能,二、机的主要功能,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。,三、人机特性比较,三、人机特性比较,三、人机特性比较,三、人机特性比较,可以看出，人具有智能、复杂感觉能力、综合判断能力、随机应变能力，
2、对各种情况的决策和处理能力等。而人的功能限度是准确性、体力、速度和知觉能力；机的优点是作用力大、速度快、高阶运算能力和存储能力强、连续作业能力和耐久性能好。机的功能限度是性能维持能力、正常动作、判断能力、造价及运营费用。,四、人机功能匹配,1、人机功能匹配的含义,人机功能分配,对人和机的特性进行权衡分析，将系统的不同功能恰当地分配给人或机，叫人机功能分配。,1、人机功能匹配的含义,2、人机功能分配的原则,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,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
3、持大功率的、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。,2、人机功能分配的原则,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,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。,2、人机功能分配的原则,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
4、,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。,2、人机功能分配的原则,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,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。,2、人机功能分配的原则,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,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
5、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。,3、人机功能匹配中不合理的表现,1）把适合人的功能分配给机器，把适合机器的功能分配给人，如汽车驾驶员驾驶同时判断行驶里数；2）人承担的负荷或速度超过人能力极限，如缝纫机操作速度太快；3）不能根据人执行功能的特点找出人机之间最适宜相互联系的途径和手段，如设计中没有考虑人的反应时间；,4、人机功能不匹配的影响,1)如果不考虑人和机的适应，那么人既不会舒适，也不会高效工作。2)人机不协调或协调性差是违章操作的主要原因，而违章操作可能会导致人为失误甚至安全事故；其次操纵器、显示器、报警器设计上的缺陷，未能达到最佳匹配也会造成违章操作
6、，造成事故。,5、人机功能匹配应该注意问题,1）信息由机器显示器传递给人时，应该选择适宜的信息通道，避免信息过载，同时设计符合人机学原则；2）信息从人的运动器官传递到机器时，应该考虑人的能力极限和操作范围，控制器应该高效、安全、灵活、可靠；3）设计时，应该充分利用人和机的各自优势；,5、人机功能匹配应该注意问题,4）使用人机结合面的信息通道和传递频率不能超过人的能力极限，并使机器适合大多数人；5）要考虑机器发生故障的可能性，以及简单排除故障的方法和工具；6）要考虑小概率事件的处理，对可能造成破坏的小概率事件事先安排监督和控制方法。,第二节 人机系统的安全可靠性,可靠性是指研究对象在规定条件下和
7、规定时间内完成规定功能的能力。,规定条件包括使用条件、维护条件、环境条件、贮存条件和工作方式等。某些电子元器件在实验室中使用和在火箭上使用，其可靠性就可以相差几个数量级。机器在超负荷下使用和连续不断工作都会使可靠性降低。相反，产品在减负荷（低于使用负荷）下使用，可靠性提高。,第二节 人机系统的安全可靠性,可靠性是指研究对象在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。,规定时间依据不同对象和工作目的而异，如火箭要求几秒或几分钟内工作可靠，而一台机床要求的可靠使用时间则长得多。一般地说，机器设备的可靠性随使用时间的增加而逐渐降低，使用时间越长，可靠性越低。使用时间不同，可靠性也不同。,第二节 人机
8、系统的安全可靠性,可靠性是指研究对象在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。,规定功能是指机器设备本身的性能指标和包括人方便、安全、舒适地操纵机器的使用功能。当机器和设备达到规定功能，则可靠；当产品丧失规定功能，则称其发生故障、失效或不可靠。,第二节 人机系统的安全可靠性,可靠性是指研究对象在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。,能力是指可靠性的高低，如“平均无故障时间”长，度量可靠性能力的指标很多，如：可靠度、平均寿命等。,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,
9、心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,体力、耐力、疾病、饥渴、环境承受能力,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,情绪水平、注意力水平等,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,不正确的指令不恰当的指导人际关系不融洽工作岗位不称心,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,温度、照明、振动、噪声、粉尘、毒物等,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因
10、素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,训练程度、经验、操作熟练度、技术水平高低、责任心强弱等,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,人际关系,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,生理因素,心理因素,管理因素,环境因素,社会因素,个人素质,操作因素,操作的连续性反复性、持续时间操作速度操作频率,一、人的可靠性1、影响人的可靠性的因素,大脑意识水平与人的可靠性,2、人为失误分析,人为失误是在规定时间内和规定条件下，人没有完成分配给它的功能。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，
11、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。,（1）失误类型,1)没有执行分配给他的功能2)执行了没有分配给他的功能3)错误地执行了分配给他的功能4)按错误的程序或错误的时间执行了分配给他的功能,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3)组装失误4)检验失误5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,如不恰当的人机功能分配，没按安全人机工程原理设计，载荷拟定不当，计算用的数学模型错误，选用材料不当，机构或结构形式不妥，计算差错，经验参数选择不当，显示器与控制器距离太远，使操作感到不便等。,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3)组装失误4)检验失误
12、5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,如使用不合适的工具，采用了不合格的零件或错误的材料，不合理的加工工艺，加工环境与使用环境相差较大，作业场所或车间配置不当，没有按设计要求进行制造等。,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3)组装失误4)检验失误5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,如错装零件，装错位置，调整错误，接错电线等。,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3)组装失误4)检验失误5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,如安装了不符合要求的材料、不合格配件及不合理的工艺方法，或允许有违反安全工程要求的情况存在等。,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3
13、)组装失误4)检验失误5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,如未严格按照规定全面检修保养等。,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3)组装失误4)检验失误5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,操作中除了使用程序差错、使用工具不当、记忆或注意失误外，主要是信息的确认、解释、判断和操作动作的失误。,（2）失误种类,1)设计失误 2)制造失误3)组装失误4)检验失误5)维修保养不正确6)操作失误7)管理失误,如管理出现松懈现象。,（3）失误后果,人为失误的后果，取决于人失误的程度及机器安全系统的功能。其失误后果可归纳为五种情况：失误对系统未发生影响，因为发生失误时作了及时纠正，或机
14、器可靠性高，具有较完善的安全设施，如冲床上的双按钮开关；失误对系统有潜在的影响，如削弱了系统的过载能力；为纠正失误，须修正工作程序，推迟了作业进程；失误造成事故，但系统可修复；失误导致重大事故，造成机毁人亡，系统失效。,（4）失误原因,1）设计原因2）操作原因3）管理原因,设计机器时，对人机结合面的一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性。如由于显示和操纵控制装置不符合安全人机工程要求，不适宜人的生理心理及人体生物力学特性，产生错觉失误；操纵不便，易产生疲劳；作业环境恶劣，如空间不足，温湿度不适，照明不足，振动及噪声过大等，这些都是诱发人产生失误的因素。,（
15、4）失误原因,1）设计原因2）操作原因3）管理原因,由于操作者本身的因素，不能与机器系统协调而导致失误。这里包括人的不稳定因素，如疲劳、体质差等生理因素和注意力不集中、情绪不稳定、单调等心理因素，使大脑觉醒水平下降；人的技术素质较低，缺乏实践经验；由于训练不足，操作技术不熟练；对设备或工具的性能、特点掌握不充分等。,（4）失误原因,1）设计原因2）操作原因3）管理原因,安全管理不当也是产生失误的原因之一。如计划不周，决策错误；操作规程不周密，决策错误，操作规程不健全，作业管理混乱，相互配合不好；监督检查不力；要求不当；信息传达错误；劳动组织不严密；安全教育、培训措施不力等。,（5）产生不安全动
16、作的原因,缺乏对危险性的认识，由于安全教育训练不够、不懂危险，从而进行不安全作业；在操作方法上不合理、不均衡或做无用功；准备不充分、安排不周密，仓促作业导致危险动作；作业程序不当、监督不严格，致使违章作业自由泛滥；,（5）产生不安全动作的原因,取下安全装置，使机器、设备处于不安全状态；走捷径、图方便，忽略了安全程序；不安全地放置物件，使工作环境存在不安全因素；在运行的机器和设备上检修、清扫、注油等；接近危险场所时无防护装置。,（6）不安全行为分析,A 因循守旧，弃难就易图省力、走捷径而造成违章作业某热轧车间，一挂吊工与吊车司机配合进行钢管的包装，即将已捆绑好的钢管吊运到小车上。这是一个较简单的
17、作业，且长时间形成一种习惯性的配合作业。一次，挂吊工在完成挂吊之后，突然发现小车上的隔杠窜动，即上车拔隔杠，这时司机将刚挂吊好的一捆钢管吊起，恰好落在挂吊工的后背上，挂吊工重压而死。,（6）不安全行为分析,A 因循守旧，弃难就易图省力、走捷径而造成违章作业本例中，挂吊工和司机都是受习惯作业的影响，司机没有认真了望和确认被吊物下是否有人就盲目落钩，挂吊工认为人在小车上，司机不能落钩，也没有进行正常的联系。同时，挂吊工与司机都疏漏了安全工序。因为吊车司机应服从挂吊工的指挥，而挂吊工必须正确地发出信号。,（6）不安全行为分析,B 忘记、看错、念错、想错造成记忆与判断的失误有一伏案设计的电气工程师，突
18、然想测一下变电站电机的某个尺寸。没有换工作服，穿着宽松的长袖衫到低矮的变电间屈身实测。正当测量时长袖衫脱卷，他下意思地举起右手，并用左手去卷右衣袖，结果右手指触及电线死亡。这实在完全应急的情况下忘了危险的不安全行为。防止的方法是连锁断电或禁止进入这种带电场所。,（6）不安全行为分析,C 选错操纵装置、记错操纵方向和错误调整而引起操作失误选错操纵装置的原因有：操纵器的编码不明显以及操纵人员对操纵器不了解。失去方向性，搞错开关的正反方向，如要“前进”却按下了“后退”。设备运行方向与人的习惯相反，易引起误操作。由于技术不熟练，对复杂操作可能产生调整错误。,（6）不安全行为分析,D 体力不支、疲劳和异
19、常状态下也易发生事故年龄高、身体动作迟缓、反应迟钝的老工人，在矿山露天开采中受到滚石伤害的概率要比身轻敏捷的工人大。人在疲劳时，判断能力下降，动作不准确易产生不安全行为。异常状态下，人瞬间紧张，对信息的方向性不能选择和过滤，只能将注意力集中于眼前的事物之一而无暇它顾，产生行为失误，造成危险。,二、人机系统的可靠度计算,串联系统 并联系统,系统中的下属几个组件全部工作正常时，系统才正常；当系统中有一个或以上的组件失效时，系统就失效，这样的系统称串联系统。串联系统中正常事件是“交”的关系，逻辑上为“与”的关系，系统要正常工作，必须各子系统都正常。设系统下属组件的可靠度分别为 R1,R2,R3Rn，
20、则系统可靠度Rs=R1R2R3Rn 可见部件越多，可靠性越差。,二、人机系统的可靠度计算,串联系统 并联系统,系统下属组件中只要一个工作正常，系统就正常工作，只有全部组件都失效，系统才失效，这样的系统称并联系统。并联系统中不正常事件是“交”的关系，逻辑上为“与”的关系，系统要不正常工作,必须各子系统都不正常。设系统下属组件的可靠度分别为 R1,R2,R3Rn，相应组件的不可靠度分别为1-R1,1-R2,1-R31-Rn，则系统不可靠度Fs=1-Rs=(1-R1)(1-R2)(1-R3)(1-Rn)可见部件越多，可靠性越大。这种允许一个或若干个部件失效而系统能够正常工作的系统称冗余系统。,串联系
21、统例人机系统,人机系统通常看作串联系统，其可靠度Rs=R人R机=RHRM,1、简单人机系统可靠度的计算,简单人机系统的可靠度Rs=R人R机=RHRM日本的井口雅一提出人的可靠度r出来取决于信息输入、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r=r1r2r3RH=1-bcdef(1-r),2、二人监控人机系统可靠度,二人监控系统，以切断电源为例：(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)可见异常状况时两人控制的可靠度比一人控制大；(2)正常状况时，操
22、作者不切断电源的可靠度(不产生误动作的概率）：RHb=R1R2可见正常状况时两人控制的可靠度比一人控制的小，即产生误操作的概率大。,2、二人监控人机系统可靠度,二人监控的人机系统的可靠度Rsr为：异常情况，Rsr=RHbRM=1-(1-R1)(1-R2)RM 正常情况，Rsr=RHbRM=R1R2RM,表决系统(n中取r系统),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。,3、多人表决的人机系统可靠度,若由n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，这样的系统称多数人表决的冗余人机系统。设每个人的可靠
23、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 ir-1式中Cnin个人中有i个人同意时事件数Cni=n!/n!(n-i)!且规定Cn0=1,3、多人表决的人机系统可靠度,例由三人监视作业时，有两人以上同意才能切断电源，n=3，r=2，则其可靠度为：RH3=C03R3+C31(1-R)R2=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，则在三人监视二人表决的系统中，正确操作的概率RH3及误操作的概率FH3分别为：RH3=3R2-2R3=0.972R=0.9FH3=3F2-2F3=0.06075F=0.15可见表决系统中，正常情况
24、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=RHbRM=,4、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，则人机系统人机系统为Rsk=1-(1-RHRmk)(1-RH)Rm,5、自动控制的冗余人机系统可靠度,设自动控制系统的可靠度为Rmz，则人机系统人机系统为Rsz=1-(1-RHRmz)(1-Rmz)Rm,三、提高人机系统可靠性的途径,1合理进行人机功能分配2减少人为失误3产品进行可靠性设计4.加强机械设备的维护保养5改善作业环境,合理进行人机功能分配，可建立高效可靠的人机系统1)对部件等系统宜选用并联组装。2)形成冗余的人机系统。3)系统
25、运行时其运行频率应适度。4)系统运行时应设置纠错装置。如电脑中的纠错系统。5)经过上岗前严格培训与考核，允许具有进人“稳定工作期”可靠度的人上岗操作。,三、提高人机系统可靠性的途径,1合理进行人机功能分配2减少人为失误3产品进行可靠性设计4.加强机械设备的维护保养5改善作业环境,1)使操纵者的意识水平处于良好状态。2)建立合理可行的安全规章制度与规范，并严格执行，以约束不按操作规程操作的人员的行为。3)安全教育和安全训练是消除人的不安全行为的最基本措施。4)按照人的生理特点安排工作。5)减少单调作业，克服单调作业导致人的失误。,减少单调作业的措施,1)考虑人的生理和心理2)变换单一操作3)改善
26、工作环境,作业单调的程度取决于操作的持续时间和组成作业的基本动作数。要在一定时间内保持较高的工作效率A)作业内容应包括10-12项以上的基本动作，至少不少于5-6项基本动作;B)基本动作的操作时间应不少于30s;C)每种基本动作都应留有瞬间的小歇（从零点几秒到几秒），以减轻工作紧张度;D)操作与操作之间还应留有短暂的间歇，以克服单调和预防疲劳。,人的动作要素,减少单调作业的措施,1)考虑人的生理和心理2)变换单一操作3)改善工作环境,虽然一种单一的操作变换为另一种也是单一的，但内容不同的操作，也能降低单调感觉。这两种操作之间差异越大，则降低单调感觉的效果越好。从单调感比较强的操作变换到单调感比
27、较弱的操作，效果也很明显。在单调感同样强的条件下，从紧张程度较低的操作变换为紧张程度较高的操作，效果也很好。例如，高速公路应有意地设计一定的坡度和高度，以提高驾驶员的紧张程度，就有利于交通安全。,减少单调作业的措施,1)考虑人的生理和心理2)变换单一操作3)改善工作环境,改善工作环境，科学地安排环境色彩、环境装饰及作业场所布局，可极大减轻单调感和紧张程度。A)色彩须考虑人的视觉条件、加工物品的颜色、生产性质与劳动组织形式、工人在工场逗留时间、气候、采光方式、车间污染情况、厂房的式与大小等;B)须考虑人的心理特征和民族习惯;C)作业场所的布局还须考虑当与外界隔离时产生孤独感的问题。在视野范围内若
28、看不到有表情、言语和动作的伙伴，则很容易萌发孤独感。日本一无线电厂发生过传送带作业的15名女工集体缺勤的事件，直接原因是女工对每天的单调作业非常厌烦。后采用圆形作业台等新作业布局后，女工彼此间感觉到伙伴的工作热情，结果消除了单调感，提高了工效。,三、提高人机系统可靠性的途径,1合理进行人机功能分配2减少人为失误3产品进行可靠性设计4.加强机械设备的维护保养5改善作业环境,1)确定零部件合理的安全系数；2)进行合理的冗余设计；3)耐环境设计；4)简单化和标准化设计；5)结构安全设计；6)安全装置设计；7)结合部的可靠性及其结合面的设计；8)维修性设计。,三、提高人机系统可靠性的途径,1合理进行人
29、机功能分配2减少人为失误3产品进行可靠性设计4.加强机械设备的维护保养5改善作业环境,1）机械设备的维护保养要制度化、规范化，不能头痛医头，脚痛医脚。2)维护保养要分级分类进行。操作者、班组、车间、厂部应分级分工负责，各尽其职。3）机械设备在达到原设计规定使用期时，即接近或达到固有寿命期，应予以更换，不得超期带病“服役”。,三、提高人机系统可靠性的途径,1合理进行人机功能分配2减少人为失误3产品进行可靠性设计4.加强机械设备的维护保养5改善作业环境,1)安全设施与环境保护措施应与主体工程同时设计、同时施工、同时投产。从本质上做到安全可靠。2)环境的好坏，影响人们的身心健康，影响产品质量，腐蚀损坏设备，诱发事故。因此对作业环境有害物应定期检测，及时治理，如果工人在此“花园式工厂、宾馆式车间”中生产，不仅能够保障安全生产，保障工人心身健康,还能够提高产品质量。,
