第九章人機系統(tǒng)功能匹配及安全防護裝置設計

第九章人機系統(tǒng)功能匹配

及安全防護裝置設計安全人機系統(tǒng)主要由人、機、環(huán)境這三部分組成。人－機－環(huán)境系統(tǒng)工程的設計，重點是解決系統(tǒng)中人的效能、安全、身心健康以及人機匹配最優(yōu)化的問題。必須做到機宜人，人適機，使人機之間達到最佳匹配，這是一條基本的原則。處理好人-機關系，才可能確保人機環(huán)系統(tǒng)總體性能的實現。9.1

人機功能關系人機系統(tǒng)

在一定的環(huán)境條件下，人機系統(tǒng)包括人和機兩個基本組成部分，它們互相聯(lián)系構成一個整體。

人機系統(tǒng)模型對于一個復雜的人-機-環(huán)境系統(tǒng)，一方面對人的功能進行適當開發(fā)和利用，對操作人員進行必要的系統(tǒng)訓練；另一方面在機、環(huán)技術上采取措施，保證人員能力的發(fā)揮。更重要的是采用系統(tǒng)分析方法對人機環(huán)系統(tǒng)的研究與設計，合理的進行人與機之間任務的科學分配。舉一個宇宙航行中飛船的例子，對于繞月球飛船飛行的成功率來講，國外文獻分析顯示：如果采用全自動化飛行時成功率僅為22%；如果采用有人參與時則為70%；如果在飛行中航天員還能承擔維修任務時則為93%；對于登月飛行的成功率來講，這時后者為前者的4.2倍，充分說明了合理的功能分配對完成人機系統(tǒng)的成功設計非常重要。一、人的主要功能人在操作活動中的基本功能示意圖

下圖給出了人在操作活動中的基本功能示意圖，它集中體現在信息輸入（即感受刺激（S））、信息處理（即意識或稱大腦信息加工（O））以及行為輸出（即作出反應（R））這三個過程中。上述過程，心理學家稱之為行為反應的S－O－R模式。一、人的主要功能一、人的主要功能人的主要功能感受器（傳感器）：感受信息，感知工作和機器情況信息處理器：對信息處理分析、判斷控制器（操縱器）：通過動作進行操縱刺激與行為關系的示意圖行為的基本模式人的信息加工模型人機系統(tǒng)模型

機的子系統(tǒng)分為C－M和M－D系統(tǒng)。

C－M系統(tǒng)由控制器和機器的轉換機構（或計算機主板）組成。這個系統(tǒng)的任務是使機器接受操作者的指令，實現機器的運轉與調控，把輸入轉換為輸出。

M－D系統(tǒng)由機器的轉換機構和顯示器組成。

二、機的主要功能二、機的主要功能機的主要功能接受信息:通過傳感器接受信息儲存信息:通過儲存裝置儲存信息處理信息:對信息加工處理執(zhí)行功能:1機器本身產生控制功能，2借助信號把指令從這個環(huán)節(jié)傳遞到下個環(huán)節(jié)三、人機特性比較在人機系統(tǒng)設計中，首先要按照科學的觀點分析人和機器各自的不同特點，以便研究人與機器的功能分配，從而揚長避短，各盡所長，充分發(fā)揮人與機器的各自優(yōu)點；從設計開始就盡量防止產生人的不安全行動和機器的不安全狀態(tài)，做到安全生產。三、人機特性比較項目機器人速度占優(yōu)勢時間延時為1s邏輯推理擅長演繹而不易于改變演繹程序擅長于歸納，容易改變其推理程序計算快且精確，但不擅于糾正誤差慢且易產生誤差，但擅于修正誤差可靠性按照恰當設計制造的機器，在完成規(guī)定的作業(yè)中可靠性很高，而且保持恒定，不能處理意外的事態(tài)。在超負荷條件下可靠性突降?？煽啃耘c成本有關就人腦而言，其可靠性遠遠超過機械，但在極度疲勞與緊急事態(tài)下，很可能變得極不可靠，人的技術水平、經驗以及生理和心理狀況對可靠性有較大影響，可處理意外緊急事態(tài)三、人機特性比較項目機器人連續(xù)性耐久性高，能長期連續(xù)工作，但需要適當維護容易產生疲勞，不能長時間的連續(xù)工作，且受年齡，性別與健康狀況等因素的影響靈活性如果是專用機械，不調整則不能改變其作業(yè)用途通過教育訓練，具有多方面的應變能力，適應和應付突發(fā)事件能力強輸入靈敏度具有某些超人的感覺，如有感覺電離輻射的能力在較寬的能量范圍內承受刺激因素，支配感受器適應刺激因素的變化，如眼睛能感受各種位置、運動和顏色，善于鑒別圖像，能夠從高噪聲中分辨信號，易受超過限度的外界環(huán)境刺激的影響三、人機特性比較項目機器人智力無（智能機除外）擁有觀察力、注意力、記憶力、思維力、想象力、創(chuàng)造力操作處理能力操縱力、速度、精密度、操作量、操作范圍等均優(yōu)于人的能力，在處理液體、氣體、固體方面比人強，但對柔軟物體的處理能力比人差可進行各種控制，手具有非常大的自由度，能極巧地進行各種操作。從視覺、聽覺、變位和重量感覺上得到的信息可以完全反饋給控制器功率輸出恒定不能長時間地保持恒定功率，必須適當休息，不能適應惡劣的環(huán)境記憶最適用于文字的再現和長期存儲可存儲大量信息，并進行多種途徑存取，擅長于對原則和策略的記憶三、人機特性比較可以看出，人具有智能、復雜感覺能力、綜合判斷能力、隨機應變能力，對各種情況的決策和處理能力等。而人的功能限度是準確性、體力、速度和知覺能力；機的優(yōu)點是作用力大、速度快、高階運算能力和存儲能力強、連續(xù)作業(yè)能力和耐久性能好。機的功能限度是性能維持能力、正常動作、判斷能力、造價及運營費用。四、人機功能匹配人與機的幾種結合形式勞動者-工具操作者-機器監(jiān)控者-自動化機器監(jiān)督者-智能機器1、人機功能匹配的含義人機功能匹配：靜態(tài)的功能匹配動態(tài)人機功能匹配對人和機的特性進行權衡分析，將系統(tǒng)的不同功能恰當地分配給人或機，叫人機功能分配。對人和機的特性進行權衡分析，將系統(tǒng)的不同功能以固定的方式恰當地分配給人或機，而且系統(tǒng)在運行中不隨時加以調整，叫靜態(tài)人機功能分配?？紤]作業(yè)時變性及人的響應可變性的條件。系統(tǒng)功能的分配依據作業(yè)定義、工作環(huán)境和當前系統(tǒng)組成要素的能力等條件，隨時作出相應的分配。

2、靜態(tài)人、機功能匹配的原則與方法

人機功能匹配的內容顯示器與人的信息感覺通道特性匹配控制器與人體運動特性的匹配顯示器與控制器的匹配環(huán)境條件與人心理生理及生物力學特性的匹配人機功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經濟分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

通過人與機器的特性比較，進行客觀的和符合邏輯的分配。如笨重的、快速的、精細的、規(guī)律性的、單調的、高階運算的、支持大功率的、操作復雜的、環(huán)境條件惡劣的作業(yè)以及需要檢測人不能識別的物理信號的作業(yè)，分配給機器承擔。指令和程序的安排，圖形的辨認或多種信息輸入時，機器系統(tǒng)的監(jiān)控、維修、設計、創(chuàng)造、故障處理及應付突然事件等工作，由人承擔。人機功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經濟分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

在功能分配時，首先考慮機器所能承擔的系統(tǒng)功能，然后將剩余部分功能分配給人。在這當中，必須掌握和了解機器本身的可靠度，如果盲目地將功能強加于機器，則會造成系統(tǒng)的不安全性。人機功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經濟分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

以經濟效益為原則，合理恰當地進行人機功能分配。如對某一特定功能．由機器承擔時，需要重新設計、生產和制造；由人來承擔時，則需要培訓、支付費用等。這兩者的經濟效益通過比較和計算來確定功能的分配。人機功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經濟分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

系統(tǒng)的功能分配要適合于人的生理和心理的多種需求，有意識地發(fā)揮人的技能。人機功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經濟分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

系統(tǒng)的某些功能可以同時分配給人或機器，這樣人可以自由選擇參與系統(tǒng)行為的程度。例如許多控制系統(tǒng)可以自動完成，也可手動完成，尤其現代計算機的控制系統(tǒng)，要有多種人機接口，從而實現不同程度的人機對話。人優(yōu)于機器的七個方面1.在感覺與知覺方面,人的某些感官的感受能力比機器優(yōu)越。2.人能運用多種通道接受信息，當一種信息通道有障礙時可用其它通道補償。而機器只能按設計的固定結構和方法輸入信息。人優(yōu)于機器的七個方面3.人具有高度的靈活性和可塑性，能隨機應變，能應付意外事故和排除故障。而機器應付偶然事件的程序往往是非常復雜的。4.人能長期大量儲存信息，并且能隨時綜合利用記憶信息進行分析與判斷。人優(yōu)于機器的七個方面5.人具有總結和學習功能而機器無論多么復雜，都只能按照人預先編好的程序工作。6.人能進行歸納推理，在獲得實際觀察資料的基礎上歸納出一般結論，形成概念并能創(chuàng)造發(fā)明。人優(yōu)于機器的七個方面7.人是有感情、意識和個性的，人具有能動性，人在社會活動中具有明顯的社會性。機器優(yōu)于人的七個方面（1）機器能平穩(wěn)準確地運用巨大動力，其功率、強度和負荷大小可隨需要而定。人體要受人體結構和生理特性的限制。（2）機器動作速度快、信息傳遞快、加工和反應速度快。（3）在感受外界的作用時，機器的精度高機器優(yōu)于人的七個方面（4）機器的穩(wěn)定性好，可終日不停重復工作而不降低效率，人就存在疲勞問題（5）機器的感受和反應能力一般比人高（6）機器可同時完成多種操作而人一般只能同時完成1-2項操作，且難以持久（7）機器能在惡劣環(huán)境下（如高溫、高壓、超重、缺氧、輻射）工作，人則無法忍受。3、動態(tài)人、機功能匹配的方法

動態(tài)人、機功能匹配：考慮作業(yè)時變性及人的響應可變性的條件。系統(tǒng)功能的分配依據作業(yè)定義、工作環(huán)境和當前系統(tǒng)組成要素的能力等條件，隨時作出相應的分配。作業(yè)要求與可利用能力失配示意圖動態(tài)人、機功能匹配，要求作業(yè)不是以一個固定的實體來設置，作業(yè)的構造能隨著系統(tǒng)的目標要求而變化，需要引進智能適應界面系統(tǒng)或者輔助智能界面系統(tǒng)適應上述變化，反應作業(yè)的重新構造與重新分配。4、人機功能匹配中不合理的表現1）把適合人的功能分配給機器，把適合機器的功能分配給人，如汽車駕駛員駕駛同時判斷行駛里數；2）人承擔的負荷或速度超過人能力極限，如縫紉機操作速度太快；3）不能根據人執(zhí)行功能的特點找出人機之間最適宜相互聯(lián)系的途徑和手段，如設計中沒有考慮人的反應時間；5、人機功能不匹配的影響1)如果不考慮人和機的適應，那么人既不會舒適，也不會高效工作。2)人機不協(xié)調或協(xié)調性差是違章操作的主要原因，而違章操作可能會導致人為失誤甚至安全事故；其次操縱器、顯示器、報警器設計上的缺陷，未能達到最佳匹配也會造成違章操作，造成事故。6、人機功能匹配應該注意問題1）信息由機器顯示器傳遞給人時，應該選擇適宜的信息通道，避免信息過載，同時設計符合人機學原則；2）信息從人的運動器官傳遞到機器時，應該考慮人的能力極限和操作范圍，控制器應該高效、安全、靈活、可靠；3）設計時，應該充分利用人和機的各自優(yōu)勢；6、人機功能匹配應該注意問題4）使用人機結合面的信息通道和傳遞頻率不能超過人的能力極限，并使機器適合大多數人；5）要考慮機器發(fā)生故障的可能性，以及簡單排除故障的方法和工具；6）要考慮小概率事件的處理，對可能造成破壞的小概率事件事先安排監(jiān)督和控制方法。

9.2人機系統(tǒng)設計的基本要求和要點

系統(tǒng)設計的思想和過程可由下圖予以概括。系統(tǒng)設計絕對不是某一個單一專業(yè)領域所能勝任的事，它應該由專業(yè)工程師、人機工程學家、心理學家、人類學家等共同協(xié)作完成。人機系統(tǒng)設計模型人機系統(tǒng)設計的基本要求1.能達到預定的目標，完成預定的任務。2.要使人與機都能夠充分發(fā)揮各自的作用和協(xié)調地工作。3.人機系統(tǒng)接受的輸入和輸出功能，都應該符合設計的能力。4.人機系統(tǒng)要考慮環(huán)境因素的影響5.人機系統(tǒng)應有一個完善的反饋閉環(huán)回路。系統(tǒng)的總體目標人與機的結合方式9.2.1設計的原則與要點

ISO6385－1981（E）國際標準規(guī)定了人機工程學的一般指導原則，其中包括：1.工作空間和工作設備的一般設計原則2.工作環(huán)境的一般設計原則3.工作過程的一般設計原則四個方面的設計與分析要點（1）注意人機功能的分配；（2）注意人機匹配，尤其要注意顯示器與人的信息通道間的匹配，控制器與人體運動特性間的匹配，顯示器與控制器之間的匹配，環(huán)境與操作者適應性的匹配以及人、機、環(huán)境三大要素與作業(yè)之間的匹配等；（3）注意人－機界面的設計；（4）注意完成對人機系統(tǒng)的評價。9.2.2人機系統(tǒng)的設計步驟

1.對系統(tǒng)的任務、目標，系統(tǒng)使用的環(huán)境條件以及對系統(tǒng)的機動性要求等要有充分的了解和掌握。2.要調查系統(tǒng)的外部環(huán)境。3.要了解與掌握系統(tǒng)內部環(huán)境的設計要求。4.進行認真的系統(tǒng)分析，即利用人機工程學基礎知識對系統(tǒng)的組成、人機的聯(lián)系方式、作業(yè)活動等內容進行方案分析。5.分析該系