第四章--安全人机功能匹配教学课件

第第1页页第二节第二节人机功能匹配人机功能匹配一、人的主要功能一、人的主要功能l、人的第一种功能、人的第一种功能传感器传感器 通过感觉器官（视觉、听觉、触觉等）接受信息，感通过感觉器官（视觉、听觉、触觉等）接受信息，感知系统的作业情况和机器的状态知系统的作业情况和机器的状态 2、人的第二种功能、人的第二种功能信息处理器信息处理器将接受的信息和已储存在大脑中的经验和知识信息进将接受的信息和已储存在大脑中的经验和知识信息进行比较分析后，作出决定，如作出继续、停止或改变行比较分析后，作出决定，如作出继续、停止或改变操作的决定操作的决定3、人的第三种功能、人的第三种功能操纵器操纵器（见图4-4）根据决定采取相应行动，如开关机器或增减其速度等根据决定采取相应行动，如开关机器或增减其速度等第第2页页图图41人在操作活动中的基本功能示意图人在操作活动中的基本功能示意图第第3页页二、机的主要功能二、机的主要功能l、接受信息、接受信息2、储存信息、储存信息3、处理信息、处理信息4、执行功能、执行功能第第4页页三、人机特性比较三、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。人和机各有自己的能力和长处，归纳起来各表现在四个方面：人的功能的限度是准确性、体力、速度和知觉能力；机器功能的限度是性能维持能力、正常动作、判断能力、造价及运营费用。第第5页页表表41人与机的优缺点比较人与机的优缺点比较项项目目机机器器人人速速度度占优势占优势时间延时为时间延时为1s逻辑逻辑推理推理擅擅长长于于演演绎绎而而不不易易改改变变其其演演绎绎程程序序擅长于归纳，容易改变其推理程序擅长于归纳，容易改变其推理程序计计算算快且精确，但不善于修正误差快且精确，但不善于修正误差慢且易产生误差，但善于修正误差慢且易产生误差，但善于修正误差可可靠靠性性按按照照恰恰当当设设计计制制造造的的机机器器，在在完完成成规规定定的的作作业业中中可可靠靠性性很很高高，而而且且保保持持恒恒定定，不不能能处处理理意意外外的的事事态。在超负荷条件下可靠性突降态。在超负荷条件下可靠性突降人人脑脑可可靠靠性性远远超超过过机机械械，但但极极度度疲疲劳劳与与紧紧急急事事态态下下很很可可能能变变成成极极不不可可靠靠，人人的的技技术术水水平平、经经验验以以及及生生理理和和心心里里状状况况对对可靠性很有影响，可处理意外紧急事态可靠性很有影响，可处理意外紧急事态连连续续性性能能长长期期连连续续工工作作，适适应应单单调调专专业业，需要适当维护需要适当维护容容易易疲疲劳劳，不不能能长长时时间间连连续续工工作作，且且受受性性别别、年年龄龄和和健健康康状状态态等等影影响响，不不适适应应单调作业单调作业灵灵活活性性如如果果是是专专用用机机械械，不不经经调调整整则则不不能改作其它用途能改作其它用途通通过过教教育育训训练练，可可具具有有多多方方面面的的适适应应能能力力第第6页页表表41人与机的优缺点比较（续）人与机的优缺点比较（续）项项目目机机器器人人输输入入灵敏度灵敏度具具有有某某些些超超人人的的感感觉觉，如如有有感觉电离辐射的能力感觉电离辐射的能力在在较较宽宽的的能能量量范范围围内内承承受受刺刺激激因因素素，支支配配感感受受器器适适应应刺刺激激因因素素的的变变化化，如如眼眼睛睛能能感感受受各各种种位位置置、运运动动和和颜颜色色，善善于于鉴鉴别别图图象象，能能够够从从高高噪噪声声中中分分辨辨信信号号，易易受受（超超过过规规定定限限度度的的）热热、冷、噪声和振动的影响冷、噪声和振动的影响智智力力无无（智能机例外）（智能机例外）能能应应付付意意外外事事件件和和不不可可能能预预测测事事件件，并能采取预防措施并能采取预防措施操作处操作处理能力理能力操操纵纵力力、速速度度精精密密度度、操操作作量量、操操作作范范围围等等均均优优于于人人的的能能力力。在在处处理理液液体体、气气体体、粉粉体体方方面面比比人人强强，但但对对柔柔软软物体的处理能力比人差物体的处理能力比人差可可进进行行各各种种控控制制，手手具具有有非非常常大大的的自自由由度度，能能极极巧巧妙妙地地进进行行各各种种操操作作。从从视视觉觉、听听觉觉、变变位位和和重重量量感感觉觉上上得得到到的信息可以完全反馈给控制器的信息可以完全反馈给控制器第第7页页表表41人与机的优缺点比较（续）人与机的优缺点比较（续）项项目目机机器器人人功率功率输出输出恒恒定定不不论论大大的的，固固定定的或标准的的或标准的1471KW的的功功率率输输出出只只能能维维持持10s，367.75KW的的功功率率输输出出可可维维持持几几分分钟钟，150KW以以下下的的功功率率输输出出能能持续一天持续一天综合综合能力能力多种途径多种途径单一手段单一手段记记忆忆最最适适用用于于文文字字的的再再现现和和长长期存储期存储可可存存储储大大量量信信息息，并并进进行行多多种种途途径径的的存存取取，擅擅长长于于对对原原则则和和策策略略的记忆的记忆第第8页页四、人机的功能分配四、人机的功能分配1、人机功能分配的含义、人机功能分配的含义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，称为人机的功能分配。人与机器的结合形式，依复杂程度不同可分为：劳动者-工具；操作者-机器；监控者-自动化机器；监督者-智能机器等几种。机器的自动化与智能化使操纵复杂程度提高因而对操纵者提出了严格要求。同时操纵者的功能限制也对机器设计提出特殊要求。第第9页页人机结合的原则改变了传统的只考虑机器设计的思想，提出了同时考虑人与机器两方面因素，即在机器设计的同时把人看成是有知觉有技术的控制机、能量转换机、信息处理机。凡需要由感官指导的间歇操作，要留出足够间歇时间；机器设计中，要使操纵要求低于人的反应速度，这便是获得最佳效果的设计思想。第第10页页2、人机功能分配的一般原则、人机功能分配的一般原则人能完成并能胜过机器的工作：发觉微量的光和声，接受和组织声、光的型式，随机应变和应变程度，长时间大量储存信息并能回忆有关的情节，进行归纳推理和判断并形成概念和创造方法等。目前机器能完成并胜过人的工作：对控制信号迅速作出反应，平稳而准确地产生“巨大力量，做重复的和规律性的工作，短暂地储存信息然后废除这些信息，快速运算，同一时间执行多种不同的功能。第第11页页表表42采用人机时有利点采用人机时有利点采用机器时的有利点采用人时的有利点1、重复性的操作、计算，大量的情报资料存储1、由于各种干扰，需要判断信息时2、迅速施加大的物理力时2、在图形变化情况下，要求判断图形时3、大量的数据处理3、要求判断各种各样的输入时4、根据某一特定范围，多次重复作出判断4、对发生频率非常低时的事态需要进行判断时5、由于环境约束，对人有危险或操作容易犯错误时5、解决问题需要归纳、判断时6、当调节、操作速度非常重要，具有决定意义时6、预测不测事件的发生时7、控制力的施加要求非常严格时8、必须长时间地施加控制力时第第12页页人机功能分配的一般原则人机功能分配的一般原则笨重的、快速的、精细的、规律性的、单调的、高阶运算的、支付大功率的、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 第第13页页3、人机功能匹配对人机系统的影响、人机功能匹配对人机系统的影响过去，由于不明人与机的匹配关系特性，使过去，由于不明人与机的匹配关系特性，使机的设计与人的功能不适应而造成的失误很机的设计与人的功能不适应而造成的失误很多，如作战飞机的高度计等仪表的设计与人多，如作战飞机的高度计等仪表的设计与人的视觉不适应是造成飞机失事的主要原因的视觉不适应是造成飞机失事的主要原因（见图（见图4-54-5）在工作负荷过高的情况下，人往往出现应激在工作负荷过高的情况下，人往往出现应激反应（即生理紧张），导致重大事故的发生。反应（即生理紧张），导致重大事故的发生。进行合理的人机功能分配，也就是使人机结进行合理的人机功能分配，也就是使人机结合面布置得恰当，从安全人机工程学的观点合面布置得恰当，从安全人机工程学的观点出发，分析人机结合面失调导致工伤事故，出发，分析人机结合面失调导致工伤事故，进而采取改进对策。进而采取改进对策。第第14页页图图42设备设计中的人因工程设备设计中的人因工程第第15页页4、人机分工不合理的表现、人机分工不合理的表现可以由人很好执行的功能分配给机器而把设可以由人很好执行的功能分配给机器而把设备能更有效地执行的功能分配给人备能更有效地执行的功能分配给人 不能根据人执行功能的特点而找出人机之间不能根据人执行功能的特点而找出人机之间最适宜的相互联系的途径与手段最适宜的相互联系的途径与手段让人承担超过其能力所能承担的负荷或速度让人承担超过其能力所能承担的负荷或速度第第16页页5、人机功能分配应注意问题、人机功能分配应注意问题(1)信息由机器的显示器传递到人，选择适宜的信息通道，避免信息通道过载而失误，以及显示器的设计应符合安全人机工程的原则。(2)信息从人的运动器官传递给机器，应考虑人的权限能力和操作范围，控制器设计要安全、高效、可靠、灵敏。(3)充分适用人和机的各自优势。(4)使人机结合面的信息通道数和传递频率不超过人的能力，以及机适合大多数人的应用。(5)一定要考虑到机器发生故障的可能性，以及简单排除故障的方法和使用的工具。(6)要考虑到小概率事件的处理，有些偶发性事件如果对系统无明显影响，可以不必考虑，但有的事件一旦发生就会造成功能的破坏，对这种事件就要事先安排监督和控制方法。第第17页页第三节第三节人机系统的安全性与可靠性人机系统的安全性与可靠性在现实生活和生产工作中，经常都在发生各式各样的事故。以减少事故、提高系统安全性为目的的人机系统的可靠性研究，日益被人们所重视。长期以来，可靠性研究对象被局限在“机”，事实上很多事故是由人的差错造成的。人在系统中的可靠性越来越重要。人机系统的可靠性、安全性决定于构成该人机系统的人、机器、环境三方面因素及其它们间的协调关系。第第18页页一、可靠性的定义及其度量一、可靠性的定义及其度量l、可靠性的定义、可靠性的定义 可靠性是指研究对象在规定条件下、规定时间内、完成规定功能的能力。2 2、可靠性度量指标、可靠性度量指标 可靠性度量指标是指对系统或产品的可靠程度作出定量表示。常用的基本度量指标有可靠度、不可靠度（或累积故障概率）、故障率（或失效率）、平均无故障工作时间（或平均寿命）、维修度、有效度等。第第19页页如果人在规定的时间内和规定的条件下没有完成规定的任务，就称为人因失误（人误），相应地用人误率来度量。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。可靠性的定量描述可以表明系统中的某一方面，如果在规定条件下能够充分实现其功能要求时，就是可靠的；反之，若随时间的进程，系统中的某一方面在某一时刻出现故障、失效，不能实现其功能要求时，是不可靠的。第第20页页二、人的可靠性问题二、人的可靠性问题1、几项重要基本概念、几项重要基本概念人因可靠性人因可靠性：人对于系统的可靠性所必须完成的活动的成功概率。人的可靠性，人为可靠性，人员可靠性l人因失误人因失误(humanerror)：人未能精确地、恰当地、充分地、可接受地完成所规定的绩效标准范围内的任务。如违背设计和操作规程的错误行为。人为失误，人为错误，人的失误，人误人因事件人因事件/事故事故：由人因失误而诱发系统失效的事件/事故。人因可靠性分析人因可靠性分析（HRA：HumanReliabilityAnalysis):以人因工程、系统分析、认知科学、概率统计、行为科学等学科为理论基础，以对人的可靠性进行定性与定量分析和评价为中心内容，以分析、预测、减少与预防人的失误为研究目标。第第21页页2、人因失误、人因失误/事故的危害性和严重性事故的危害性和严重性人作为人机系统中的要素之一，经统计分析，人作为人机系统中的要素之一，经统计分析，在人机系统失效中人因失误约占在人机系统失效中人因失误约占8080。表表4 43 3是美国各类系统人因失误造成系统失是美国各类系统人因失误造成系统失效的统计数据。效的统计数据。第第22页页表表43人因失误造成系统失效的统计人因失误造成系统失效的统计系统名称失效类型统计式样人因失误导弹导弹失效9枚导弹系统2053%导弹主要系统失效122次失效35%核武器检查人员查出生产中的缺陷23000个缺陷82%核武器检查人员不能查出生产中缺陷长期生产中的随机抽样28%电子系统人初始引入的错误1820份故障报告2345%导弹仪表故障1425份故障报告20%导弹人初始引入的错误35000份故障报告2030%各类系统工程设计中的差错242%飞机事故60%核电站人的误操作30次潜在事故7080%第第23页页3 3、人误机理分析、人误机理分析（1 1）影响人的可靠性的因素）影响人的可靠性的因素生理因素如体力、耐久力、疾病、饥渴、对环境因素承受能力的限度等；大脑的意识水平影响；心理因素因感觉灵敏度变化引起反应速度变化，因某种刺激导致心理特性波动，如情绪低落、发呆或惊慌失措等觉醒水平变化；个人素质训练程度、经验多少、操作熟练程度、技术水平高低、责任心强弱等；第第24页页操作因素操作的连续性、操作的反复性、操作时间的长短、操作速度、频率及灵活性等。环境因素对新环境和作业不适应，由于温度、气压、供氧、照明等环境条件的变化不符合要求，以及振动和噪声的影响，引起操作者生理、心理上的不舒适；管理因素如不正确的指令，不恰当的指导，人际关系不融洽，工作岗位不称心等；个人素质训练程度、经验多少、操作熟练程度、技术水平高低、责任心强弱等；社会因素家庭不和、人际关系不协调；第第25页页(2)人误的主要表现人误的主要表现通过S-O-R的行为模型考察S（刺激）方面由信号源的刺激能力低所造成，其中包括人机系统设计不合理及外部环境干扰，使作业者对输人刺激S的反应下降。O（机体）方面即人本身的生理和心理原因对信息的误判断所致，如人的年龄、体力、精神状态、作业技能等，都会影响到对信息的处理能力。R（反应）方面即输出行动的错误所造成的失误，其中包括人机系统设计不合理、违章操作、环境干扰等因素。第第26页页(3)人误的种类设计失误 制造失误 组装失误检验失误设备的维修保养不正确操作失误管理失误 第第27页页(4)人误产生的后果失误对系统未发生影响失误对系统有潜在的影响为纠正失误，须修正工作程序，因而推迟了作业进程因失误造成事故，产生了机器损伤或人员受伤，但系统尚可修复因人的失误导致重大事故发生 第第28页页（5）人误的原因机器设计时，对人机结合面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由于操作者本身的因素，使之不能与机器系统协调而导致失误安全管理方面的缺陷 第第29页页（6）人的不安全行为分析由于千差万别的个性，人的自由度比机器大得多。每个人的心理特征和心理状态要在人机系统中得到协调一致，是一个非常复杂的问题。要根据人的共性和人的信息特征来深入研究和分析操作人员容易产生不安全行为的基本原因以及事故发生的一般规律，从而采取必要措施来减少人为失误，保证安全生产。第第30页页分析分析1因循守旧，弃难就易图省力、走捷径而造成违章作业。通常由于系统的变化和更新改变了作业工序。分析分析2忘记、看错、念错、想错造成记忆与判断的失误。分析分析3选错操纵装置、记错操纵方向和错误调整而引起操作失误。分析分析4体力不支、疲劳和异常状态下也易发生事故第第31页页4、人的失误率计算、人的失误率计算FlR式中：式中：F人的失误率；人的失误率；R人的行为可靠度。人的行为可靠度。可靠度可靠度是指系统中的研究对象人或机器在规定条件是指系统中的研究对象人或机器在规定条件下和规定时间内能正常工作的概率。下和规定时间内能正常工作的概率。当一组作业序中有当一组作业序中有多个作业单元时，其可靠度多个作业单元时，其可靠度为每为每个作业单元可靠度的乘积，即个作业单元可靠度的乘积，即RR1R2R3Ri例如，读电流表时，人的可靠度为例如，读电流表时，人的可靠度为0.9945，而把读，而把读数记录下可靠度为数记录下可靠度为0.9966。若一个作业序中只有这。若一个作业序中只有这两个作业，那么这个作业序的可靠度两个作业，那么这个作业序的可靠度R0.99450.9966这时人的失误率这时人的失误率Fl（0.99450.9966）0.00888第第32页页从以上例子可以看出，一个作业序中从以上例子可以看出，一个作业序中作业单元越作业单元越多，其可靠度就越低，也即人的失误率也就越大多，其可靠度就越低，也即人的失误率也就越大。在连续作业的情况下，人为失误是随时间变化的，在连续作业的情况下，人为失误是随时间变化的，所以所以瞬时失误率可表示为瞬时失误率可表示为人的可靠性模型可由工程可靠性引出，即将人作人的可靠性模型可由工程可靠性引出，即将人作为硬件对待，导出为硬件对待，导出人的可靠性模型人的可靠性模型：式中：式中：R（t）任一时刻人作业的可靠度；任一时刻人作业的可靠度；F（t）特定任务的失误率。特定任务的失误率。第第33页页5、人的可靠性分析方法、人的可靠性分析方法最主要的有：人的差错概率预测方法（THERP）人的认知可靠性模型（HCR）操作员动作树分析法（OAT）通用失误模型系统（GEMS）第第34页页(1)人的差错概率预测技术（人的差错概率预测技术（THERP）主要用于评估与某些因素有关的人为差错引起系统变坏的结果。如人的动作、操作程序和设备的可靠性。基本量度方法一个差错或一组差错所引起的系统故障的概率和一种操作引起的高级差错的概率。第第35页页基本步骤 调查被分析的系统和操作程序；研究人员可能导致差错的事件；把整个操作程序分解成各个操作步骤和 单个动作；建造人的可靠性分析事件树；根据经验或实验得出每个动作的可靠度；求出各个动作和各个操作步骤的可靠度，如果每个动作中事件相容，则按概率计算；求出这个操作程序的不可靠度，即人的 差错概率。第第36页页(2)人的认知可靠性模型（人的认知可靠性模型（HCR）人的认知过程是人脑反映客观事物的特性与联系，并揭示事物对人的意义与作用的复杂的心理活动。人的认知可靠性模型在分析人的可靠性时，以认知心理学为基础，着重研究人在应激情景下的动态认知过程，包括探查、诊断、决策等意向行为，探究人的失误机理并建立模型。人的认知可靠性模型是由Hannaman等人提出的，主要用于时间紧迫的应急条件下操作者不反应概率的定量评价。HCR模型是在Rasmussen提出的行为的三种类型的假定基础上形成的，即技能型、规则型和知识型。(见表44、图47）第第37页页表表44人的行为类型分类人的行为类型分类行行为为类类型型内内容容技能型技能型行行为为这这种种行行为为是是指指在在信信息息输输入入与与人人的的反反应应之之间间存存在在着着非非常常密密切切的的耦耦合合关关系系，它它不不完完全全依依赖赖于于给给定定任任务务的的复复杂杂性性，而而只只依依赖赖于于人人员员培培训训水水平平和和完完成成该该任任务务的的经经验验。这这种种行行为为的的重重要要特特点点是是它它不不需需要要人人对对显显示示信信息息进进行行解解释，而是下意识地对信息给予反应操作释，而是下意识地对信息给予反应操作规则型规则型行行为为这这种种行行为为是是由由一一组组规规则则或或程程序序所所控控制制和和支支配配的的。它它与与技技能能行行为为的的主主要要不不同同点点是是来来自自对对实实践践的的了了解解或或者者掌掌握握的的程程度度。如如果果规规则则没没有有很很好好地地经经过过实实践践检检验验，那那么么人人们们就就不不得得不不对对每每项项规规则则进进行行重重复复和和校校对对。在在这这种种情情况况下下，人人的的反反应应就就可可能能由由于于时时间间短短、认认知知过过程程慢慢、对对规规则则理理解解差差等等而产生失误而产生失误知识型知识型行行为为这这种种行行为为是是发发生生在在当当前前情情景景症症状状不不清清楚楚，目目标标状状态态出出现现矛矛盾盾或或者者完完全全未未遭遭遇遇过过的的新新鲜鲜情情景景环环境境下下，操操作作人人员员必必须须依依靠靠自自己己的的知知识识经经验验进进行行分分析析诊诊断断和和制制定定决决策策。这这种种知知识识型型行行为为的的失失误误概概率率很很大大，在在当当今今的的人人为失误研究中占据重要的地位。为失误研究中占据重要的地位。第第38页页图图47人行为的三种认知水平人行为的三种认知水平第第39页页对应于上述三种类型，根据核电厂模拟机实验的结果可以得到相应的三条时间一人员不反应概率曲线，如图48所示。图图48HCR模型曲线模型曲线第第40页页三、机械的可靠性问题三、机械的可靠性问题在人机系统中，由于机器设备本身的故障以及人机系统设计的协调性差而导致了许多事故的发生。因此，人们为了防止事故，在进行生产活动开始时，就要对机器设备的安全性进行预测就机器设备而言，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。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，机器设备或部件能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。第第41页页就概率而言，可靠度是累积分布函数，它表示在该时间内成功完成功能的机器或部件占全部工作的机器或部件的百分率。设可靠度为R（t），不可靠度为F（t），则R（t）1F（t）若F（t）对时间微分，即可得函数f（t），称为故障密度函数，即f(t)dF(t)/dtdR(t)/dt故障率（t）可用下式表示：(t)f(t)/R(t)dR(t)/R(t)dt如(t)已知，可将上式变为积分形式，即可求得（t）与R（t）的关系：第第42页页当（t）是常数时，即（t），则有R（t）e其中故障率等于机器或部件平均无故障时间的倒数，即1/平均无故障时间1/所以上式可写为R（t）e-t/显然，随着使用时间的增加，机器或部件的可靠度不断降低，见图1。第第43页页图图1机器的可靠度与时间的关系第第44页页1机器故障机器故障机器或部件的故障率（t）是随使用时间的递增按不同使用阶段变化。通常可分为三个阶段。(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。机器或部件的以上三个阶段的故障率与时间的关系见图2第第45页页2机器的可靠性分析可靠性是机器或部件的重要指标之一。在制定设计方案时，就需要考虑可靠性的估计问题，对机器或部件进行可靠性的定量分析。定量分析的方法是根据故障率来计算机器或部件可能达到的可靠度或计算在实际应用中符合性能要求的概率。一台机器由许多部件组成，一个生产单元由许多机器或设备组成，许多生产单元组成了整个生产系统。更多精品资请访问更多精品资请访问 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