第七章安全人机系统的设计与评价

安全人机工程︵第七章︶第1页2019/12/21杨立全第七章安全人机系统设计与评价•第一节人机系统的设计•第二节人机系统的可靠性与维修性•第三节人机系统的安全性分析化学工业出版社安全人机工程︵第七章︶第2页2019/12/21杨立全第一节人机系统的设计一、人机系统设计的重要性•1.系统设计在工程设计中的地位•一般工程设计，大都可分为六个设计阶段：•(1)原理设计，主要解决功能问题；•(2)初步设计或叫概略设计，具有总体设计性质；•(3)人机系统的设计，主要是解决人机关系的一些问题；•(4)结构设计，解决结构形状、尺寸和工艺问题；•(5)造型设计，主要是整体外观造型的美观设计问题；•(6)完成阶段，包括施工图设计和试制问题。安全人机工程︵第七章︶第3页2019/12/21杨立全2.人机系统设计的要求•(1)能达到预定的功能目标，完成预定的任务；•(2)在系统中人与机都能发挥各自的作用并协调地工作；•(3)系统接受输入和做出输出的功能，都必须符合设计的能力；•(4)系统要考虑环境因素的影响；•(5)系统应有完善的反馈信息回路。安全人机工程︵第七章︶第4页2019/12/21杨立全二、人机系统设计的评价分析•1.链的概念•(1)对应链•在生产作业过程中，人体部位与机械部位的关联，这种关联叫对应链。•(2)逐次连结链•人在操作某一作业过程中，往往不是一次动作便能达到目的，而是需要多次逐个的连续动作，这种由逐次动作达到一个目的而形成的链关系叫逐次连结链。安全人机工程︵第七章︶第5页2019/12/21杨立全2.链的分析程序•（1）确定链的要素•（2）确定链的形态•（3）计算链值•（4）检核结果安全人机工程︵第七章︶第6页2019/12/21杨立全3.对应链分析法•在人与设备的连接图上标明链的连接形式、频率和重要程度，然后进行链连接关系值分析比较。图7-1对应连接分析图安全人机工程︵第七章︶第7页2019/12/21杨立全4.链式作图分析法•分析步骤如下：•(1)系统中的人用圆圈表示，•使用的装置用方框表示，在其上也标上规定的文字或符号。•(2)在人与机器之间，以及有直接联系的人与人之间画上连接线，这样的图形叫链式分析图。安全人机工程︵第七章︶第8页2019/12/21杨立全(3)再对链式分析图进行修改，调整人与机器或人与人之间的相对位置关系，才能减少作业时的交叉环节和不合理的关系。图7-2链式作图分析法（a）---初步方案（b）---修改后的方案安全人机工程︵第七章︶第9页2019/12/21杨立全5.按“重要程度”和“使用频率”的作图分析法•综合分析“重要程度”和“使用频率”得出综合后的数值，然后标在连线上。这时要使高值环节之间比低值环节之间的连接线短。安全人机工程︵第七章︶第10页2019/12/21杨立全图7-3按重要性和频率的链式作图分析安全人机工程︵第七章︶第11页2019/12/21杨立全第二节人机系统的可靠性与维修性•一、可靠性定义及其度量指标•1.可靠性定义：所谓可靠性是指系统或产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。•2.可靠性度量指标：（1）可靠度(2)故障率(或失效率)（3）平均寿命(或平均无故障工作时间)（4）维修度（5）有效度NNNtf）（NNNtf）（NNNtf）（安全人机工程︵第七章︶第12页2019/12/21杨立全二、人机系统可靠度及系统效能可靠度•1.人机系统的可靠度：除了机器本身的可靠度指标要高以外，人的操作可靠度指标也要高。机器的可靠度在机械产品设计制造时就已确定了的，所以，人机系统的可靠度随人的操作可靠度的变化而变化。安全人机工程︵第七章︶第13页2019/12/21杨立全nsRRRRR3212.系统效能可靠度•一个系统由二个或二个以上的部件组成，系统的可靠度与各个部件在系统中的组合形式有关。•（1）“串联”系统的可靠度•式中——串联系统效能可靠度；•单个串联部件的可靠度。sRnRRRR321，，安全人机工程︵第七章︶第14页2019/12/21杨立全（2）“并联”系统的可靠度••式中——并联系统效能可靠度，•r——单个部件的可靠度，•m——并联部件数，•n——系统的功能数。sRnmsrR]11[）（安全人机工程︵第七章︶第15页2019/12/21杨立全显然，一个可靠度相同(如0.92)的部件，由于在系统中的组合形式不同，其系统效能的可靠度也不同。用于串联时，系统效能的可靠度下降；用于并联时，系统效能可靠度可以获得提高。所以，即使单个部件的可靠度比较低，但多用几个部件并联，却可得到较高的可靠度。安全人机工程︵第七章︶第16页2019/12/21杨立全三、人的可靠性及机械的可靠性•（一）、人的可靠性分析•1.人的不稳定因素•（1）生理因素•（2）心理因素（3）管理因素(4)环境因素(5)个人素质(6)社会因素(7)操作因素安全人机工程︵第七章︶第17页2019/12/21杨立全2.人的不安全行为•（1）操作错误、忽视安全、忽视警告•（2）私自拆除安全装置•（3）使用不安全设备•（4）手代替工具操作•（5）物体（指成品、半成品、材料、工具、切屑、生产用品等）存放不当。•（6）冒险进入危险场所•（7）在起吊物下作业、停留•（8）机器运转时进行加油、修理、检查、调整、测量、焊接、清扫等工作。•（9）没有按规定使用个人防护用品安全人机工程︵第七章︶第18页2019/12/21杨立全3.人的失误及其防止措施•（1）人的失误及其分析•（2）造成人失误的后果•（3）人产生失误的原因•（4）防止人失误的措施安全人机工程︵第七章︶第19页2019/12/21杨立全（二）机械的可靠性设计•1.确定零件合理的安全系数确定安全系数时应考虑以下几个因素：（1）环境条件的作用如温度、湿度、冲击、振动等；(2)使用中发生超负荷或误操作时的后果；(3)为提高安全系数所付出的经济代价是否合算等。安全人机工程︵第七章︶第20页2019/12/21杨立全2.贮备设计(冗余设计)•贮备设计应考虑如下几方面的问题：•（1）在产品尺寸或重量严格限制的场合；•(2)绝对避免将可靠性差的零组部件用于冗余部分；•(3)不能降低贮备部分的分配负荷；•(4)贮备装置必须经常处于可工作状态。安全人机工程︵第七章︶第21页2019/12/21杨立全3.耐环境设计•产品设计时要考虑环境条件的影响，应进行耐机械应力的设计，抗气候条件设计，为此，在设计、试制阶段要进行实验室模拟或现场作预测环境条件下的可靠性试验，如耐久性试验，寿命试验，环境试验，可靠性测定和可靠性验证等试验。安全人机工程︵第七章︶第22页2019/12/21杨立全4.简单化和标准化设计产品零组部件标准化有如下几个优点：•（1）标准零部件由专门生产厂家生产，生产率高且能保证质量；•(2)可减少零组部件的种类，从而减少了测量工具和测量仪器的品种、规格和数量；•(3)能保证供应，减少备件的贮备和资金积压；•(4)提高了零件的互换性、更换性和易校性，即提高了维修性。安全人机工程︵第七章︶第23页2019/12/21杨立全5.提高结合部的可靠性6.结构安全设计7.设置齐全的安全装置8.人机界面设计安全人机工程︵第七章︶第24页2019/12/21杨立全四、维修性设计•1.维修及维修性•为保持或恢复产品规定功能采取的技术措施叫做维修。•维修性是指对故障产品修复的难易程度，即产品在规定条件和规定时间内完成维修任务的能力。安全人机工程︵第七章︶第25页2019/12/21杨立全2.产品结构的维修性设计•（1）可达性•①安装场所的可达性•②设备外部的可达性•③设备内部的可达性•（2）零组部件的标准化与互换性•（3）维修人员的安全安全人机工程︵第七章︶第26页2019/12/21杨立全3.可靠性设计与维修性设计的关系图7-4安全人机工程︵第七章︶第27页2019/12/21杨立全第三节人机系统的安全性分析•一、人机系统的安全评价分析•1.人机系统的安全评价分析•（1）、预先危险分析:预先危险安全分析方法是用来识别系统中的主要危险，并对其严重性及产生的可能性进行分析，从而提出改进系统的建议。安全人机工程︵第七章︶第28页2019/12/21杨立全预先危险分析可分为三个步骤：第一步首先调查危险因素存在于那个子系统中，其方法可采用检查一览表、经验法和以技术判断为基础的方法等；第二步识别危险因素变成危险状态的触发条件，研究其危险状态转变为潜在灾害的必要条件，并且进一步谋求防止潜在灾害发生的办法和研究这些办法的效果。第三步把预测到的潜在灾害划分成危险等级。安全人机工程︵第七章︶第29页2019/12/21杨立全（2）故障树分析•故障树分析(ETA)是一种常用的危险分析方法。它采用演绎推理的方法，把可能发生的事故与导致它们发生的各层原因之间的逻辑关系用一种称为故障树[ETA]的树形图表示出来，这种图就构成了“模型”。然后对模型进行定性定量分析，从而可以把事故与原因之间的关系直观明显地表示出来(定性分析)，并且可以找出主要原因和计算出事故发生的概率(定量分析)。安全人机工程︵第七章︶第30页2019/12/21杨立全2.人机系统安全评价分析的新概念•（1）现代人机系统的新特点•系统的分析与设计必须按照人的认知与心理活动进行。•现代的大规模工业系统的危险分析与评价，必须充分考虑人在系统运行和维护中的作用。•现代工业系统趋向大规模、集中化，人的因素问题，应用传统的学科领域知识，对人机系统的安全设计和安全控制，提供的理论是不够的。安全人机工程︵第七章︶第31页2019/12/21杨立全（2）认知工程方法人机系统的安全分析与设计，必须依据与心理活动行为有关的认知能力与限度。这样，对人机系统的研究自然要采用问题驱动(或概念驱动)的方法。我们称为认知工程。安全人机工程︵第七章︶第32页2019/12/21杨立全安全分析方面认知工程的研究内容主要有：①对各种工作来说，有效的操作者心理模型是什么？什么样的心理模型可作为显示形式设计的基础？当用专家系统支持操作者在极大的危险情况下工作时要求的专家系统应该是什么样的。②在人的失误背后，基本的心理学机制是什么?在正常工作条件及少见的、异常工作情况下，为保证检查到失误，并使失误获得恢复需要什么样的信息？③在系统控制过程中，需要计算机系统帮助操作者决策和判断。为协调人——计算机之间的相互作用，必须知道人解决问题的策略与限度的模型。专家解决问题与非专家解决问题有什么不同？安全人机工程︵第七章︶第33页2019/12/21杨立全二、设计错误和操作错误分析•（一）设计错误分析•机器设计不当和设计出现差错叫设计错误。•具体说来有如下几个方面：•1.功能分配错误•(1)给人分配了无法顺利执行的功能；•(2)可以由人很好执行的功能分配给了机器；•(3)人与机器之间的功能分配，有一部分是受功能性质所限制。安全人机工程︵第七章︶第34页2019/12/21杨立全2.人的工程设计错误一般表现在：（1）对控制—显示装置或其它部件，没有按照操作人员能迅速准确操作的原则加以配置。(2)没有根据人机系统的特征选择最适当的控制、显示装置或其它部件。(3)没有提供操作人员执行某种功能的必要条件。安全人机工程︵第七章︶第35页2019/12/21杨立全（二）操作错误分析•操作错误主要表现在如下几个方面：•1.失职的错误•2.工作的错误•3.错误的危害性安全人机工程︵第七章︶第36页2019/12/21杨立全（三）、容易诱发误操作的因素•归纳起来主要有如下几点：•1.环境条件的影响•2.机具设计不良的影响•3.人的生理节律变化的影响•4.人的意识状态差别的影响安全人机工程︵第七章︶第37页2019/12/21杨立全（四）、防止误操作的措施•1.改善人机界面的条件；•2.注意人的意识状态；•3.注意环境条件；•4.设计要合理。•5.提高协作精神•6.建立培训制度安全人机工程︵第七章︶第38页2019/12/21杨立全课堂讨论题•1.人机系统的重要性可以从哪几方面理解?•2.你认为人机系