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中国地质大学安全工程系人机工程学安全工程系中国地质大学安全工程系第九章安全人机系统及其设计人机工程学中国地质大学安全工程系第九章安全人机系统及其设计人机系统的设计人机系统的可靠性人机系统检查与评价人机工程学中国地质大学安全工程系本章重难点分析本章重点在于了解把握人机系统的概念与人机系统的设计程序；重点掌握人机系统的设计中功能分配的一般原则，熟悉作业分析；人机系统的可靠性。把握人机系统中“人的可靠性”和“机的可靠性”；掌握机器的故障率与时间的关系；掌握如何对机器进行可靠性分析和提高机器可靠性的方法。了解人机系统检查表以及人机系统评价的几个方面。“人的可靠性”和“机的可靠性”作为高起专学生了解的内容不做要求。人机工程学中国地质大学安全工程系第一节人机系统的设计人机系统设计是在环境因素适应的条件下，重点解决系统中人的效能、安全、身心健康及人机匹配优化的问题。人机系统设计是多学科联合设计的一部分，这也是由人机系统的设计性质所决定的。因此，只有采用系统科学的方法，才能综合各学科的观点，实现设计的优化。系统科学的设计方法可概括为：人机工程学中国地质大学安全工程系系统科学的设计方法①明确系统的目的，亦即系统的必要性和依据一定的分析明确其目的性；②明确系统分配制约条件；③建立系统的数学模型；④研究和分析数学模型；⑤提出新系统的方案；⑥对新系统进行分析评价。这一方法，同样也适用于人机系统。人机工程学中国地质大学安全工程系1.人机系统人机系统作为一个完整的概念，表达了人机系统设计的对象和范围，从而建立解决劳动主体和劳动工具之间矛盾的理论和方法。系统中的人是主要研究对象，但又并非孤立地研究人，它同时研究系统的其他组成部分，并根据人的特性和能力来设计和改造系统。人机工程学中国地质大学安全工程系1.1人机系统的组成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。图9－1为人机系统的模型。该图表明，人机之间存在着信息环路，人机互相联系。这个系统能否正常工作，取决于信息传递过程能否持续有效地进行。人机工程学中国地质大学安全工程系图9－1人机系统模型在人机系统中，人起着主导作用。这主要反映在人的决策功能上，因为人的决策错误是导致事故发生的主要原因之一。人机工程学中国地质大学安全工程系1.2人机界面如图9-l所示，人与机之间存在一个互相作用的“面”，所有人机交流的信息都发生在这个作用面上，通常称为人机界面。显示器将机器的工作信息传递给人，实现人一机的信息传递；人通过控制器将自己的决策信息传递给机器，实现人一机的信息传递。因此，人机界面主要指显示和控制系统。合理的人机界面要符合人机信息交流的规律和特性。人机工程学中国地质大学安全工程系1.3人与机的不同特点3．人与机的不同特点在人机系统设计中，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。人与机器的不同特点见表9－1。人机工程学中国地质大学安全工程系表9－1人与机的不同特点(a)表9－1人与机的不同特点机器人检测物理量的检测范围广泛而准确；能够检测到人所不能检测的电磁波。感觉器官：具有同认识直接联系的高度检测能力。没有固定的标准值，易产生飘移。具有味觉、嗅觉和触觉。操作速度、精度、力与功率的大小、操作范围和耐久性比人远为优越；对液体的、气体的、粉状体的处理技巧比人优越，但是对于柔软物体的处理不及人。操作器官：特别是手具有非常多的自由度，并且各自由度能够极其巧妙地协调控制，可做多种运动。来自视觉、听觉、变位和重量的感觉等高级信息，被完美地反射到操作器官的控制，从而进行高级的运动。人机工程学中国地质大学安全工程系表9－1人与机的不同特点(b)信息处理按照预先安排的程序，对于精度、正确的操作数据处理而言，人不如机器；记忆准确，经久不忘；记忆不太多的时候，取出速度快。认识、思维和判断；具有发现、归纳特征的本领，特性的认识、联想和发明创造等高级思维活动；丰富的记忆、高度的经验。耐久性、维修性、持续性有必要适当地维修；对于连续的、单调的操作作业也能持久。必须适当地休息、休养、保健和娱乐，难以长时间地维持一定的紧张程度，不宜于做缺乏刺激及无用的单调作业。人机工程学中国地质大学安全工程系表9－1人与机的不同特点(c)可靠性与成本有关。按照适当的设计而制造的机器完成预先规定作业的可靠性高，但对于预想之外的情况则完全无能为力；特性一定、完全没有变化。在突然紧急状态下完全不能应付的可能性大。作业因意欲、责任心、体质或精神上的健康情况等心理或生理条件而变化；易于出现意外的差错；不仅在个性上有差别，而且在经验上也不相同，并且能影响他人；若时间富裕、精力充沛，则处理预想之外的事情也就多。联络和人之间的联络及其方法极其有限。和人之间的联络容易；人与人之间关系的管理很重要。人机工程学中国地质大学安全工程系表9－1人与机的不同特点(d)效率若具备复杂功能，则重量增加并要有大的功率；应按照适用的目的设计必要机能，避免浪费；即使万一发生损坏也没有关系，因此可在危险环境下使用。相当于一台轻小型的机器，功率在100W以下；必须饮食；必须进行教育和训练；对于安全必须采取万无一失的处置。柔软性、适应能力对于专用机器而言，不可能改变用途；容易做合理化的处理。由于教育、训练能够适应处理多方面困难。人机工程学中国地质大学安全工程系表9－1人与机的不同特点(e)成本购置费和运行维修费；机器一旦不能使用时，失去的仅仅是这台机器的价值。除了工资之外，必须考虑福利卫生和家属等；意外时可能失去生命。其他人具有独特的欲望，希望被人重视；必须生活在社会之中，不然，由于孤独感、疏远感就会影响工作能力；个人之间差别大；人的尊严、人道主义。人机工程学中国地质大学安全工程系2.人机系统设计程序人机系统设计是按照系统论的方法而进行的一种总体设计，亦即将整个人机系统划分为一系列具有明确定义的设计阶段，而每个阶段的设计活动和任务必须是明确的。人机工程学中国地质大学安全工程系2.1“总体”的意义“总体”的意义是强调人机系统的各个成分，如人、硬件、软件，都要给予全面考虑，以克服长期以来工程设计中忽视人和人的效能问题，其设计的目标是使系统的每个成分都为实现系统目标而能够协调一致地发挥各自的功能。人机工程学中国地质大学安全工程系2.2人机系统的分为几个阶段人机系统设计的每一阶段都是由互相联系的一系列设计活动组成，而各个阶段之间具有时间上的顺序性，即只有上一阶段的设计活动完成后，才能进行下一阶段的设计活动。这就构成了人机系统的设计程序，通常可分为以下几个阶段。人机工程学中国地质大学安全工程系2.2.1设计阶段(1)(2)(3)（1）定义系统目标和参数阶段，包括确定使用者的需求，确定使用者的特性，确定群体的组织特性，确定作业方式，确定作业效能的测量参数及测试方法。（2）系统定义阶段，包括定义功能要求，定义操作（作业）要求。（3）初步设计阶段，包括功能分配、作业流程设计和作业反馈机制设计。人机工程学中国地质大学安全工程系2.2.2设计阶段(4)(5)(6)（4）人机界面设计阶段，包括显示装置设计、控制装置设计和作业空间设计。（5）作业辅助设计阶段，包括制定使用者素质要求、设计操作手册、设计作业辅助手段和设计培训方案。（6）系统评价阶段，包括制定评价标准、实施评价和做评价结论。人机工程学中国地质大学安全工程系表9-2人一机系统的设计步骤(a)系统开发的各阶段各阶段的主要内容人一机系统设计应该考虑的事项人机工程学专家的工作事例明确系统的重要性目标的设定关于人员的要求及制约使命的确认系统运用的制约、环境的制约、组成系统人员的数量和质量从安全和舒适性方面对系统的必要条件进行复核以及对人员的士气进行预测等运用条件的确认能够确保数量和质量的人员，能够到手的训练设备等以上为人机系统设计过程中的总体程序，具体的设计步骤见表9－2。表9－2人－机系统的设计步骤人机工程学中国地质大学安全工程系表9－2人一机系统的设计步骤(b)系统分析与系统计划系统必要条件的明细化系统必要条件划分的明细化统性能的判定系统机能的分析分析各种可能的构思，并比较研究系统的机能分配实施系统的总体轮廓系统构思的发展（各种可能构思的分析与评价）有关设计的必要条件为了人的必要条件之机能分析人员的配备与训练方案的制订人与机的任务分配与各种方案系统性能变化的调研与评价关联各个性能的作业分析调查决定必要的信息，确定显示与控制的种类人机工程学中国地质大学安全工程系表9－2人一机系统的设计步骤(c)系统设计预备设计（大纲的设计）为了人，在设计上应该考虑的事项准备适用的可能的人机工程学资料细节设计设计细节与人的作业之关系人机工程学的设计标准提示等。关于信息与控制必要性的研究与实现方法的选择及开发。（潜在的要求及最繁忙异常时的要求）作业性（工作方便）的研究居住性的研究人机工程学中国地质大学安全工程系表9－2人一机系统的设计步骤(d)系统设计具体的设计当系统最终构成时确认人机系统的协调操作与维修的详细分析合和研究（提高可靠性和安全性）宜人性高的机器的设计考虑适于人的空间设计决定构成系统的最终方案及其实现步骤的意见最终决定人机间的机能分配各作业中为了正确判断而必须的信息、联络、执行等对安全性的考虑防止士气、情绪下降的措施显示、控制装置的选择与设计控制板的配置计划提高安全性的措施空间设计、人员与机器的布置决定照明、温度、防噪等环境条件人员的培训计划人员的指导训练及配备计划其他专业组的协定决定编写手册的内容与样式，决定系统运转与维修的必要人员的数量与质量、训练计划、训练器材的开发事故的预测、效率的预测等人机工程学中国地质大学安全工程系表9－2人一机系统的设计步骤(e)系统的考核与评价计划阶段的评价模型制作阶段原始样式判断考核模型的缺陷变更设计的意见根据人机工程学的考核评价从考核资料的分析等决定变更设计设计图阶段的评价模型或操纵训练用模拟装置的人机关系评价评价基准的设定（包含考核方法、资料的种类、分析法等）安全性、舒适性、对士气意志的影响等的评价机械的设计变更，使用顺序的变更人的作业内容的变更，人员、设备和训练方式的改善等的建议，系统计划内的调整生产生产以上几项为准以上几项为准运用运用、维护以上几项为准以上几项为准人机工程学中国地质大学安全工程系3.人机系统的设计方法三、人机系统的设计方法人机系统的设计方法包括自成体系的设计思想和与之相应的设计技术，好的设计方法和策略使设计行为科学化、系统化。人机工程学中国地质大学安全工程系3.1功能分配1．功能分配在人机系统中，把已定义的系统功能按照一定的分配原则，合理地分配给人和机器。这当中，有的系统功能分配是直接的、自然的，但也有些系统功能的分配需更详尽的研究和更系统的分配方法。人机工程学中国地质大学安全工程系3.1.1人的基本界限系统功能的分配要充分考虑人和机器的基本界限。人的基本界限包括：准确度的界限、体力的界限、知觉能力的界限、动作速度的界限。机器的基本界限包括：机器性能维持能力的界限、机器正常动作的界限、机器判断能力的界限、成本费用的界限。人机工程学中国地质大学安全工程系3.1.2人和机器各有局限性人和机器各有局限性，所以人机间应当彼此协调，互相补充。如笨重、重复的工作，高温剧毒等条件，对人有危害的操作以及快速有规律的运算等都适合于机器（机器人、计算机）承担，而人则适合于安排指令和程序，对机器进行监督管理、维修运用、设计调试。革新创造、故障处理等。人机工程学中国地质大学安全工程系3.1.3系统功能分配的一般原则在长期的实践中，人们总结了系统功能分配的一般原则。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。人机工程学中国地质大学安全工程系3.1.3.1比较分配原则_例例如在信息处理方面，机器的特性是按预定程序可高度准确地处理数据，记忆可靠且易于提取，不会“遗忘”信息；人的特性是有高度的综合、归纳、联想创造