安全人机工程学-2-人机系统.ppt

1、第二章人机系统牛奕课程回顾人机工程学：人机工程学是运用生理学、心理学、生物力学和其它有关学科知识，使机器和人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而提高工效的一门科学。人机工程学的发展：经验人机工程学、科学人机工程学、现代人机工程学人机工程学的研究内容：人的因素、机的因素、环境因素、人机系统的综合研究安全人机工程学：是从安全的角度和着眼点研究人和机的关系，运用人机工程学的原理和方法去解决人机结合面的安全问题的一新兴学科。是人机工程学的一个应用学科的分支，并称为安全工程学的一个重要分支学科人机结合面：人与机在信息交换和功能上接触或互相影响的领域（或称“界面”）人机系统主要内容人机系统的类型及其功

2、能人机系统的基本模式和人机关系人机功能分配人机系统的事故模式及应用人机系统学习目标了解人机系统的类型掌握人的功能和机的功能及功能特性比较，能进行简单的人机功能分配设计充分理解人机系统事故模式和安全人机系统事故模型的作用理解人机关系和人机系统基本模式2.1人机系统概述基本概念系统：是指相互联系、相互制约的事物，以某种形式结合在一起并具有特定功能的有机整体。整体系统的组成部分称为子系统。整体系统与子系统之间既有相对性也有统一性。2.1人机系统概述基本概念人机系统：是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能够完成特定目标的一个整体系统。人：机器的操作者或使用者机器：人所操作或使用的各种机

3、器、设备、工具的总称。ABCD2.1人机系统概述基本概念人机系统：是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能够完成特定目标的一个整体系统。人：机器的操作者或使用者机器：人所操作或使用的各种机器、设备、工具的总称。Yes Or No?Yes Or No?Yes Or No?Yes Or No?2.1人机系统概述基本概念人机环境系统：由于人的工作能力和效率随周围环境因素而变化，任何人机系统又都处于特定环境之中，因此在研究人机系统时，环境因素也是其中一项很重要的因素。把人、机、环境三者之间相互联系、相互作用构成的整体系统称为人机环境系统。气温风速路面强光2.2人机系统类型及功能按照有无反

4、馈控制分类开环人机系统指系统中没有反馈回路或输出过程也可提供反馈的信息，但无法用这些信息进一步直接控制操作，即系统的输出对系统的控制作用没有直接影响。如操纵普通车床加工工件。闭环人机系统指系统有封闭的反馈回路，输出对控制作用有直接影响。若由人来观察和控制信息的输入、输出和反馈，如在普通车床加工工件时，再配上质量监测构成反馈，则称为人工闭环人机系统。若由自动控制装置来代管人的工作，如利用自动车床加工工件，人只起监督作用，则称为自动闭环人机系统开环还是闭环开环还是闭环开环还是闭环开环还是闭环?A.A.A.A.开环开环开环开环B.B.B.B.闭环闭环闭环闭环2.2人机系统类型及功能按系统自动化程度分

5、类人工操作系统人工操作系统包括人和相应的辅助机械及手工工具。人负责提供作业动力，并作为生产过程的控制者。信息储存感觉信息处理和决策动作人（动力源和控制者）信息反馈输入输出2.2人机系统类型及功能按系统自动化程度分类半自动化系统半自动化系统由人和机器设备或半自动化机器设备构成，人控制具有动力的机器设备，也可以为系统提供少量的动力，以对系统做某些调整或简单操作。在这种系统中，人与机器之间的信息交换频繁、复杂。人感知来自机器、产品的信息，经处理后称为进一步操作机器的依据。信息储存感觉信息处理和决策动作人（控制者）信息反馈机器输入输出过程控制2.2人机系统类型及功能按系统自动化程度分类自动化系统自动化

6、系统由人和自动化设备构成。机器负责系统中信息的接收、储存、处理和执行等工作；人只起到管理和监督的作用，只有在发生意外情况时，人才采取强制措施。系统从外部获得所需的能源，人的具体功能是启动、制动、编程、维修和调试系统必须对可能发生的意外情况设有预报及应急处理的功能信息储存感觉信息处理和决策动作机信息反馈机器输入输出过程控制信息储存感觉信息处理和决策动作人（监视者）2.2人机系统类型及功能2.2人机系统类型及功能按人机结合方式分类人机串联作业时人直接介入工作系统，操作工具和机器。能够突出人的长处和作用，但是也存在人机特性互相干扰的一面。由于受人的能力特性的制约，机器特长不能充分发挥，而且还会出现种

7、种问题。人机2.2人机系统类型及功能按人机结合方式分类人机并联作业时人间接介入工作系统，人的作用以监视、管理为主，手工作业为辅。当系统正常时，人管理、监视系统的运行，系统对人几乎无操作要求，人与机的功能有互相补充的作用，机器的自动化运转可弥补人的能力特性的不足。当系统出现异常时，机器由自动变为手动，人必须直接介入到系统中，人机结合从并联变为串联，要求人迅速而正确地判断和操作。人机2.2人机系统类型及功能按人机结合方式分类人与机串/并联混合人与机串并联混合结合方式，最常用的结合方式。人机机2.2人机系统类型及功能人机系统的功能信息接收信息加工信息储存执行功能信息反馈输入与输出2.3人机系统的基本

8、模式人机系统基本模式由人的子系统人的子系统、机器的子系统机器的子系统和人机界面人机界面组成。2.3人机系统的基本模式人的子系统可概括为：人的子系统可概括为：刺激（Stimulus）大脑信息加工（Organism）反应（Response）SORSO系统组成部分：感觉器官和大脑中枢组成，由传入神经作为联络纽带任务：收集信息、发现问题，传递到大脑进行加工整理，即判断和决策OR系统组成部分：大脑中枢与运动器官，由传出神经作为联络纽带任务：执行大脑发出的指令，去改变客体的状态。2.3人机系统的基本模式机器的子系统可概括为：机器的子系统可概括为：控制装置（Controller）机器运转（Machine）显

9、示装置（Display）CMDCM系统组成部分：控制器和机器的转换机构（或计算机主机）任务：接受操作者的指令，实现及其运转、调控，把输入转化为输出MD系统组成部分：机器的转换机构和显示器组成任务：反映机器运行过程和状态的信息2.3人机系统的基本模式人机界面：人机界面：人与机器之间存在一个相互作用的“面”，所有的人机信息交流都发生在这个作用面上，通常称为人机界面人机界面。人机界面的设计主要是指显示器、控制器以及他们之间的关系的设计。目的是实现人机系统优化2.4人机功能分配2.4.1 人的主要功能人的主要功能人在人机系统的操纵过程中所起的作用：刺激(S)意识(O)反应(R)(1)人的第一功能传感器

10、(2)人的第二功能信息处理器(3)人的第三功能操纵器2.4人机功能分配2.4.1 人的主要功能人的主要功能人在人机系统的操纵过程中所起的作用：刺激(S)意识(O)反应(R)人在操作活动中的基本功能示意图2.4人机功能分配2.4.2 机的主要功能机的主要功能机在人机系统中所表现的功能是类似的，特别是自动化机器，具有接受信息、存储信息、处理信息和执行等主要功能。（1）接受信息（2）储存信息（3）处理信息（4）执行功能2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配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的不同特点，才能研究人与机器的功能分配，从而扬长避短，各尽所

11、长，充分发挥人与机器的各自优点；以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。2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机特性比较机 器人监测物理量的监测范围广，而且精确；可监测如电磁波等一些人不能监测的物理量具有与认知直接联系的监测能力，凭感官接收信号，掌握标准困难，易出错；具有味觉、嗅觉和触觉操作在力量、速度、精确、操作范围、耐久性等方面远比人优越；对处理液体、气体、粉状体等比人优越，但处理柔软物则不如人肢体具有许多自由度，可在三维空间进行多种运动，可进行微妙的协调，但人的力量、速度有限；可通过获取视觉、听觉、位移和重量等信息控制运动器官灵活地操作信息处理按预

12、先编程可进行快速、准确的数据处理；记忆正确并能长时间储存，调出速度快；反应速度快；学习能力较低，灵活性差具有抽象、归纳能力以及模式识别、联想、发明创造等高级思维能力；善于积累经验并运用经验判断；记忆力有限；需要反应时间；具有很强的学习能力，灵活性强2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机特性比较机 器人持续性可连续、稳定、长期运转，也需要适当的维修保养；可进行单调的重复性作业易疲劳，很难以长时间保持紧张状态，需要休息、保健和娱乐；不适合从事负荷刺激小，单调乏味的作业可靠性与成本有关；设计合理的机器对设定的作业有很高的可靠性；无法处理意外事件；特性是固定不变的；不易出错，如

13、出错不易修正在紧急突发的情况下，可靠性差；可靠性与机动、责任感、身心状态、意识水平等心理和生理条件有关；有个体差异，与经验有关，并受别人影响；应变性强；容易出差错，但易修正错误；如有时间和精力，可处理意外事件信息交流与人之间的信息交流只能通过特定的方式进行人际之间很容易进行信息交流，组织管理很重要2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机特性比较机 器人效率功率可大可小；可以根据目的设计必要的功能，避免浪费；功能简单的机器速度快而且准确；新机器从设计、制造到运转需要一定的时间适于功率小于100W的轻巧的作业；人是综合整体，多多种功能，需要补充能耗，还必须适应处理必要功能以外

14、的时间；必须采取绝对的安全措施；需要教育和训练。适应性专用机械的用途不能改变，只能按程序运转，不能随机应变；比较用以进行改造和革新通过教育训练，有多方面的适应能力，有随机应变能力；改变习惯定型比较困难环境能适应各种环境条件，可在放射性、有毒气体、粉尘、噪声、黑暗、强风暴雨等恶劣和危险环境下工作要求环境条件对人是安全、健康和舒适的，但对特定环境能较快适应2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机特性比较机 器人成本包括购置费、运转和保养维修费；一旦出现事故，也只失去机器本身价值包括工资、福利和教育培训费；如果万一发生事故，可能失去宝贵生命其他具有特定的动机，渴望在集体中工作和

15、生活，得到集体保护，否则会产生孤独感、疏远感，影响作业效能2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机特性比较可见，人在复杂感受能力、信息处理能力、智力、综合判断能力、对情况的决策处理能力、灵活应变能力等方面优于机器；但在准确度、体力、速度和知觉能力方面有限。机器在操纵力、速度、精确度、高阶运算能力、存储能力、连续作业能力和耐久性等方面优于人；但在性能维持能力、正常动作、判断能力、造价、运营费用方面受限。2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机功能分配的含义对人和机的特性进行权衡分析，将人机系统的不同功能分配给人或机，叫人机功能分配。2.4人机功能分配2

16、.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机功能分配的含义人与机的结合形式：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2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机功能分配的含义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堪称是有知觉、有技术的控制机、能量转换机、信息处理机。从安全的角度出发，人机匹配主要解决的问题是：信息由机器的显示器传递到人，需要选择适宜的信息通道，避免信息通道过载而失误，以及显示器的设计如何符合安全人机工程学原则；信息从人的运动器官传递给机器，如何考虑人的极限能力和操作范围，控制器如何设计得高效、安全、可靠、灵敏；如何充分运用人和机各自的优势；怎样使人机界面的通道数和传递频率不超过人的能力，以及机器如何适合大多数人的应用2.4人机功能分配2.4.3 人与机功能分配人与机功能分配人机功能分配的一般原则美国人机学家麦克考米克总结：人能完成并能胜任机器的工作有：发觉微量的光和声，接收和组织声、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，进行归纳整理和判断并形成概念和