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1、1,第9章 人机系统安全评价,9.1 人机系统分析方法9.2 人机系统的可靠性分析9.3 人机系统评价,掌握连接分析法、作业分析法等人机系统分析方法的步骤及应用；充分理解人机系统可靠性的内涵及人机系统可靠度的计算与评价方法；掌握常用的人机系统评价方法，并能应用于实践。,2,学习目标,9.1.1 连接分析法连接分析法（link analysis）是一种描述系统各组件之间相互作用的简单图解技术，是一种对已设计好的人、机、过程和系统进行分析评价的简便方法。连接链分析的目的是合理配置各子系统的相对位置及其信息传递方式，减少信息传递环节，使信息传递简捷、通畅，提高系统的可靠性和工作效率。连接是指人机系统
2、中，人与机、机与机、人与人之间的相互作用关系。,3,9.1 人机系统分析方法,1.连接的类型连接形式有：人-机连接、机-机连接和人-人连接。人-机连接是指作业者通过感觉器官接受机器发出的信息或作业者对机器实施控制操作而产生的作用关系；机-机连接是指机械装置之间所存在的依次控制关系；人-人连接是指作业者之间通过信息联络，协调系统正常运行而产生的作用关系。连接分析是指综合运用感知类型(视、听、触觉等)、使用频率、作用负荷和适应性，分析评价信息传递的方法。连接分析涉及到人机系统中各子系统的相对位置、排列方法和交往次数。因此，按连接的性质，人机系统的连接方式主要有对应连接和逐次连接两种。,4,1）对应
3、连接对应连接是指作业者通过感觉器官接受他人或机器发出的信息或作业者根据获得的信息进行操作而形成的作用关系。对应连接有显示指示型和反应动作型两种。以视觉、听觉或触觉来接受指示形成的对应连接成为显示指示型连接。例如，操作人员观察显示器后，进行相应操作。即人的视觉与显示信号形成一个连接。操作人员得到信息后，以各种反应动作来操纵各种控制装置而形成的连接称为反应动作型对应连接。2）逐次连接人在进行某一作用过程中，往往不是一次动作便能达到目的，而需要多次逐个的连续动作。这种逐次动作达到一个目的而形成的连接称为逐次连接。,5,2.连接分析法的步骤连接分析可分为绘制连接关系图和调整连接关系两步。1）绘制连接关
4、系图连接分析通过连接关系图进行。将人机系统中操作者和机器设备的分布位置绘制成平面布置图，人机系统中的各种要素均用符号表示，各种要素之间的对应关系根据不同连接形式用不同的线型表示，连接关系图中的要素符号、线型的含义如表9-1所示。,6,7,2）调整连接关系为了使各子系统之间达到相对位置最优化，在调整连接关系时常使用以下三个优化原则。（1）减少交叉。为了使连接不交叉或减少交叉环节，通过调整人机关系及其相对位置来实现。图9-3（a）为某人机系统的初步配置方案，图9-3（b）为修改后的方案。修改后交叉点消失，显然（b）方案比（a）方案合理。这样经过多次作用分析，直至取得简单、合理的配置为止。,8,（2
5、）综合评价。对于较为复杂的人机系统，仅使用上述图解很难达到理想的效果。必须同时引入系统的“重要程度”和“使用频率”两个因素进行分析优化。确定链的形态、重要度和频率，求出每一个链的链值。每一链的链值为链的重要度分值与频率分值的乘积，系统的链值等于各个链值之和。相对重要性。请有经验的人员确定连接的重要程度，根据“重要就近”原则进行配置。使用频率。按使用频率的大小对连接进行评价。综合评价。将相对重要性和使用频率两者相对值之乘积的大小作为综合评价值，进行优化配置。,9,10,（3）运用感觉特性配置系统的连接。从显示器获得信息或操纵控制器时，人与显示器或人与控制器之间形成视觉连接、听觉连接或触觉连接（控
6、制、操纵连接）。视觉连接或触觉连接应配置在人的前面，这由人的感觉特性所决定。而听觉信号即使不来自人的前面也能被感知。因此，连接分析还应考虑运用感觉特性配置系统的连接方式。,11,1）对应连接分析减少交叉和缩短行走距离。,12,3.连接分析法的应用,2）逐次连接分析连接分析可用于控制盘的布置。在实际控制过程中，某项作业的完成需对一系列控制器进行操纵才能完成。这些操纵动作往住按照一定的逻辑顺序进行，如果各控制器安排不当，各动作执行路线交叉太多，会影响控制的效率和准确性。运用逐次连接分析优化控制盘布局，可使各控制器的位置得到合理安排，减少动作线路的交叉及控制动作所经过的距离。,13,4.连接分析法的
7、特点连接分析方法以硬件为导向，所以该方法不一定依据对从事任务的操作人的观测，可能不需要操作人员的参与。通常情况下对过程的描述可以提供绘制连接分析图的基础信息。不过，对于特定分析可能需要通过观测和收集数据来获取一些信息。该方法相对来讲比较客观，是一种直接的技术，对于前期培训很少的分析人员也可以操作。不需要贵重的设备或者资源，只需分析人员的时间。对于多人系统的交流是一种比较有用的技术。该技术需要通过其他途径进行原始数据收集，以建立作为绘制连接分析基础的任务过程。由于分析图的复杂性，只有相对简单的子系统可以应用此技术。,14,作业分析法是以作业系统为对象，对现行各项作业、工艺和工作方法进行系统分析，
8、从中找出不合理的、浪费的因素并加以改进，以达到有效利用现有资源、增进系统功效的目的。作业分析法包括方法研究和时间研究两大类技术，它们紧密联系、相辅相成。,15,9.1.2 作业分析法,（一）方法研究,定义,在一定条件下，运用系统分析，研究资源的合理运用，把作业中的不合理、浪费、混乱的因素排除，寻求一种最经济有效的工作方法。即：对旧的和新的作业方法加以分析和检验，去除不必要的作业动作和作业时间，只保留必要的功能，按此原则进行作业的组合。（吉尔伯雷斯：将18个动作简化为5个，速度由120提高到350块/小时）,类型,过程分析作业分析动作分析,16,17,考查提问表（4W1H),过程分析记录符号,2
9、0,生产流程程序分析,对生产现场的整个制作过程做详细的记录，以便对整个制造过程中的“操作”、“检验”、“搬运”、“等待”等做详细的研究与分析。,1.流程分析,21,22,2.动作分析,动素分析,美国机械工程师学会（ASME）,第一类（1-8）是完成作业所必须的基本动素。对这类动素改进的重点是取消不必要的动作，可通过工位器具的设计、调整工件的摆放位置等进行研究改进。第二类（9-14）是为完成第一类动素作准备的辅助动素。对于这类动素通常可以采用改进工作地的布置来减少或取消。第三类（15-18）是与工作无关或无益的动素。这类动素是动作分析的重点，可以采用设计简单的夹具、调整操作的顺序等措施加以改进，
10、对于休息应制定合理的标准。,动作分析与研究的任务是：在构成操作的动素系例中尽可能把第二、第三类基本动素取消掉，并把第一类动素合理配成系列，使操作合理高效。,23,动作经济原则,基本思想是：以尽可能减少工人的疲劳、能发挥工人最高效率为准则制定操作方法，再配备有效的加工工具、机械设备和合理的工作地布置。,吉尔布雷斯首创了动作经济与效率法则（Rules for motion economy and efficiency），后经加州大学巴恩斯（Ralph MBarnes）综合为22项，称为动作经济原则（The Principles of motion economy）。这些原则包括与人体动作、工作地布
11、置和工具设备有关的三大类。,24,与人体动作有关的原则双手应同时开始并同时结束动作；除规定的休息时间外，双手不应同时空闲；两臂的动作应对称、反向并同时进行；手的动作应尽可能用最低等级且又能获得满意结果的动作来完成；应尽可能利用动力来完成作业。如果必须用体力时，则应将其减少到最低限度；手的动作以圆滑连续的曲线运动为好，避免采用折线或直线、突然或急剧改变方向的运动；自然带弧线的运动比受限制或受约束的运动更轻快和准确；动作应尽可能具有轻松自然的节奏性，以使动作流畅和协调。,25,与工作地布置有关的原则工具、物料应放置于固定的场所；工具、物料及操作装置应布置在工作者前方的近处；零件、物料应尽量利用其重
12、量（重力）送到靠近用料的地方；尽可能采用下滑式运送装置；工具、物料应按操作顺序放置；应有适当的照明设备，使视觉舒服；工作台和椅子的高度应使工作者坐、立方便适宜；工作椅的形状和高度应使工作者保持良好姿势。,26,与工具设备有关的原则尽量解除手的工作负担，代之以夹具或脚踏装置进行工作；尽可能用两个或两个以上功能的组合工具；工具和物料应尽可能预放在工作位置；手指分别工作时，各指的负荷应按照其固有能力分配；手柄的设计，应尽可能扩大它与手的接触面；机器的手柄、手轮及操纵杆应安置在很少转动身体就能进行操作的位置，且能得到最大的机械效率。,27,系统的可靠性研究对象即为人、机器、环境三方面。如果人在规定的时
13、间内和规定的条件下没有完成规定的任务，就称为人为差错，相应地用人的差错率来度量。机器在规定时间和规定的条件下丧失功能，就称为故障，相应地用机器的故障率来度量。环境如果没有达到规定的指标要求，就称为环境故障，相应地用环境故障率来度量。,28,9.2 人机系统的可靠性分析,9.2.1人的可靠性人的可靠性可定义为：在规定条件下，在最短的时间内，由人成功地完成作业任务且能实现人机系统合理有效运行功能的能力。1.人的失误2.人的可靠性分析3.人的操作可靠度人的操作可靠度是指作业者在规定条件下、规定时间内正确完成操作的概率，用RH表示。人的操作不可靠度（人体差错率）用FH表示，两者关系：(9-1),29,
14、人的可靠性也包括人的信息接受的可靠性、信息判断的可靠性、信息处理的可靠性。（1）间歇性操作的操作可靠度计算间歇性操作的特点是在作业活动中，作业者进行不这种操作可能是有规律的，有时也可能是随机的。因此，对于这种操作不宜用时间来表达其可靠度，一般用次数、距离、周期等来描述其可靠度。若某人执行某项操作N次，其中操作失败n次，则当N足够大时，则此人的操作不可靠度为：人在执行此项操作中，其操作可靠度为：（9-3）,30,(9-2),（2）连续性操作的操作可靠度计算连续性操作是在作业活动过程中，作业者在作业时间里进行连续的操作活动。连续性操作可直接用时间进行描述。对连续性操作的操作可靠度，可用人的操作可靠
15、性模型来描述，即：（9-4）式中：t连续工作时间；(t)t时间内人的差错率。,31,9.2.2 机的可靠性就机器设备而言，可靠性是指机器、部件、零件在规定条件下和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。设备规定的工作可靠时间依据不同对象和工作目的而异。规定功能是指机器设备本身的性能指标和包括人能方便、安全、舒适地操纵机器的使用功能。,32,度量可靠性指标的特征量称为可靠度。可靠度是在规定时间内，机器设备或部件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。设可靠度为R(t)，不可靠度为F(t)，则：R(t)=1-F(t)(9-5
16、)若F(t)对时间微分，即可得函数f(t)，称为故障密度函数，即：(9-6),33,34,1.机器故障（1）初期故障，发生于机器试制或投产早期的试运转期间。（2）随机故障，是在机器处于正常工作状态下的偶发故障。（3）耗损故障，也即后期磨损故障。随着时间的增长故降率迅速增加。图9-17 故障率与时间的关系,35,2.机器的可靠性分桥（1）串联配置方式如图9-18所示，系统能量的输入按顺序依次通过功能上独立的单元，然后才输出。,36,对于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。,（2）并联配置方式如图9-19所示，它是由一系列平行工作的单元组成系统。该系统中只要不是全部单元发生故障
17、，系统仍可以正常工作。,37,并联配量方式运行的可靠性比串联方式高得多，但经济性差。,3.提高机器的可靠性有两个目的：一是延长机器设备的使用寿命，另一个是保证人机系统的安全性。用下面几种方法减少机器故障：（1）利用可靠性高的元件。（2）利用备用系统。（3）采用平行的并联配置系统，当其中一个部件出现故障，机器设备仍能正常工作。（4）对处于恶劣环境下的运行设备应采取一定的保护措施。（5）降低系统的复杂程度。（6）加强预防性维修。,38,9.2.3 环境因素就人、机、环境的总系统而言，人与环境、机与环境可以作为子系统来对待。1.提高人-环境系统的可靠性温度、湿度：高温防护的措施可以采用通风降温、空调
18、装置、防护服装等方式。低温防护主要是保持工作环境的温度，通常用加温设备即可做到。照明度：尽量设法利用日光。以作业特点和作业环境舒适和减少事故为原则。环境噪声：降低源噪声，包括更换装置，改善噪声源；控制有源噪声，包括隔声、吸声、消声、减振等；调整总体布局；加强个人防噪措施等，将噪声控制在国家规定的标准以内。环境污染：通风、除尘和净化,39,2.提高机-环境系统的可靠性温度利用传导散热、对流散热、辐射散热的主要措施。在机器设备升温过高的工作环境里，需采取降温通风措施，如强迫通风、液体冷却、蒸气冷却以及半导体致冷等。腐蚀（1）为了防潮，可以将金属件电镀和表面涂覆；（2）为了防霉，可以选用不生霉和经防
19、霉处理的材料，机器设备还须经常维修清理以保证干燥和清洁；（3）为防止不同金属接触而造成电化腐蚀，要采用金属表面保护措施，如烧蓝和煮黑等工艺；（4）当使用环境恶劣时，要求高的产品应采用密封和灌封结构，以防止环境中腐蚀性气体的影响。,40,振动防振、耐振的措施是充分利用了加固技术、缓冲技术、隔离技术、去耦技术、阻尼技术和刚性化设计原理，尽量减轻振动给机器设备带来的不利因素。在要求严格的情况下，必须设置减振器。辐射合理地选择材料和元器件；进行设备本身抗辐射电路的设计；采用良好的组装工艺；采用真空密封或灌封结构来隔绝器件表面的空气，以防止电离效应的影响；采用屏蔽措施。此外，还须尽力控制辐射源，使作业环
20、境的各种辐射降低到最低限度，以保障机器设备和人正常工作的条件。,41,42,人机系统总体安全可靠度分析,挑战者号航天飞机灾难挑战者号航天飞机灾难，于美国东部时间1986年1月28日上午11时39分（格林尼治标准时间16时39分）发生在美国佛罗里达州的上空。挑战者号航天飞机升空后，因其右侧固体火箭助推器（SRB）的O型环密封圈失效，毗邻的外部燃料舱在泄漏出的火焰的高温烧灼下结构失效，使高速飞行中的航天飞机在空气阻力的作用下于发射后的第73秒解体，机上7名宇航员全部罹难，挑战者号的残骸散落在大海中，后来被远程搜救队打捞了上来。这次灾难导致美国的航天飞机飞行计划被冻结了长达32个月之久，也成为此后工
21、程安全教育中的一个常见案例。,43,O型密封圈是一种截面为圆形的橡胶圈，因其截面为O型，故称其为O型密封圈。是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种。通常在台企、日企叫做O Ring。,47,1、简单的人机系统可靠度 假设环境的可靠度为1，简单人机是串联的形式,2、两人监控人机系统的可靠度（出现异常切断电源）,48,系统有两种控制情形：1)异常状况时，相当于两人并联，即两人都不发现异常状况才出现人机系统故障，操作者切断电源的可靠度(正确操作的可靠度)比一人控制的系统增加了。,49,2)正常状况时，相当于两人串联，即一人出现误操作即（当系统正常时，其中一人错误切断电源出现人机系统故障就发生人机系统
22、故障），产生误操作的概率增加了，可靠度减小了。操作者不切断电源的可靠度为：,3.多人表决的冗余人机系统可靠度,由多人构成控制系统，当其中个人的控制工作同时失误时，系统才会失败，这种为多数人表决的冗余人机系统。设每个人的可靠度为R，则系统操作的可靠度RHn表达式如下：,例：由3人监视作业时，有两个以上同意才能切断电源，n3，r2，则其可靠度为：,例：由3人监视作业时，有两个以上同意才能切断电源，n3，r2，则其可靠度为：,若每人正确操作的概率为R0.90，误操作的概率为F0.15，则有,4.自动控制冗余人机系统可靠度（人在自动化系统发生误差时进行修正）,52,5.控制器监控的冗余人机系统可靠度,
23、人机系统可靠性设计的基本原则1.系统的整体可靠性原则从人机系统的整体可靠度出发，合理确定人与机器的功能分配。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随时间的增加，可靠性会有所降低，设计的可靠性和有关参数应具有一定的安全系数。,53,4.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的方式。（故障安全结构有消极被动式、积极主动式、运行操作式）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快速修复，同时为考虑经济
24、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。,54,7.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，然后在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-环的合理关系出发，采用人类易于使用并且差错较少的方式。,55,10.审查原则既要进行可靠性设计，又要对设计进行可靠性审查和其他专业审查，也就是要重申和贯彻各专业各行业提出的评价指标。11.整理准备资料和交流信息原则为便于设计工作者进行分析、设计和评价，应充分收集和整理设计者所需要的数据和各种资料，以有效地利用已有的实际经验。13.信息反馈原则应对实际使用的经验进行分析之后，将分析结果反馈给有关部门。14.设立相应的组织机构为实现高可靠性和高安全性的目的，应建立相应的组织机构，以便有力推进综合管理和技术开发。,56,谢 谢！,57,
