安全人机工程学第四章讲义

安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第1页2008.10第四章安全人机功能匹配第一节人机系统中人的传递函数•一、人机系统建模•二、人的传递函数的试验建模•三、人的传递函数的求解方法•四、人的传递函数的应用安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第2页2008.10第二节人机功能匹配一、人的主要功能•l、人的第一种功能——传感器通过感觉器官（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•2、人的第二种功能——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•3、人的第三种功能——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安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第3页2008.10图4－4人在操作活动中的基本功能示意图安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第4页2008.10二、机的主要功能•l、接受信息•2、储存信息•3、处理信息•4、执行功能安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第5页2008.10三、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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第6页2008.10表4—1人与机的优缺点比较项目机器人速度占优势时间延时为1s逻辑推理擅长于演绎而不易改变其演绎程序擅长于归纳，容易改变其推理程序计算快且精确，但不善于修正误差慢且易产生误差，但善于修正误差可靠性按照恰当设计制造的机器，在完成规定的作业中可靠性很高，而且保持恒定，不能处理意外的事态。在超负荷条件下可靠性突降人脑可靠性远超过机械，但极度疲劳与紧急事态下很可能变成极不可靠，人的技术水平、经验以及生理和心里状况对可靠性很有影响，可处理意外紧急事态连续性能长期连续工作，适应单调专业，需要适当维护容易疲劳，不能长时间连续工作，且受性别、年龄和健康状态等影响，不适应单调作业灵活性如果是专用机械，不经调整则不能改作其它用途通过教育训练，可具有多方面的适应能力安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第7页2008.10表4—1人与机的优缺点比较（续）项目机器人输入灵敏度具有某些超人的感觉，如有感觉电离辐射的能力在较宽的能量范围内承受刺激因素，支配感受器适应刺激因素的变化，如眼睛能感受各种位置、运动和颜色，善于鉴别图象，能够从高噪声中分辨信号，易受（超过规定限度的）热、冷、噪声和振动的影响智力无（智能机例外）能应付意外事件和不可能预测事件，并能采取预防措施操作处理能力操纵力、速度精密度、操作量、操作范围等均优于人的能力。在处理液体、气体、粉体方面比人强，但对柔软物体的处理能力比人差可进行各种控制，手具有非常大的自由度，能极巧妙地进行各种操作。从视觉、听觉、变位和重量感觉上得到的信息可以完全反馈给控制器安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第8页2008.10表4—1人与机的优缺点比较（续）项目机器人功率输出恒定——不论大的，固定的或标准的1471KW的功率输出只能维持10s，367.75KW的功率输出可维持几分钟，150KW以下的功率输出能持续一天综合能力多种途径单一手段记忆最适用于文字的再现和长期存储可存储大量信息，并进行多种途径的存取，擅长于对原则和策略的记忆安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第9页2008.10四、人机的功能分配1、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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第10页2008.10•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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第11页2008.102、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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第12页2008.10表4—2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安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第13页2008.10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，由人承担安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第14页2008.103、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的视觉不适应是造成飞机失事的主要原因（见图4-5）•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。•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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第15页2008.10图4－2设备设计中的人因工程安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第16页2008.104、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备能更有效地执行的功能分配给人•让人承担超过其能力所能承担的负荷或速度•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安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第17页2008.105、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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第18页2008.10第三节人机系统的安全可靠性•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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第19页2008.10一、可靠性的定义及其度量l、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、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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第20页2008.10•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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第21页2008.10二、人的可靠性问题1、几项重要基本概念•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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/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（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。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第22页2008.102、人因失误/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，在人机系统失效中人因失误约占80％。•表4－3是美国各类系统人因失误造成系统失效的统计数据。安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第23页2008.10表4－3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20～53%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23～45%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20～30%各类系统工程设计中的差错2～42%飞机事故60%核电站人的误操作30次潜在事故70～80%安全人机工程学︵第四章︶环境工程系第24页2008.10近年来公众熟知的一些重大人因事故时间事件名称1979/3/28美国三哩岛核电站事故1986/1/28美国挑战者号航天飞机失事1986/4/26前苏联切尔诺贝利核电站事故1988前苏联Phobos!号火星探测卫星失事1993/8/5深圳危险品仓库大爆炸1994/12/8克拉玛依剧院大火灾1999/9/30日本茨城县东海村的JCO核原料加工厂临界事故1999/11/10美国火星气象卫星坠毁2001/3/8美军核潜艇“格林维尔”号撞沉日本渔船“爱媛”号事件2000/8/12俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇沉没事件2001/7/5俄罗斯一架图154客机在伊尔库茨克机场突然坠毁事件2002/7/1俄罗斯一架图154飞机和一架波音757飞机在德国瑞士边境附近