第九章人機(jī)系統(tǒng)功能匹配及安全防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

第九章人機(jī)系統(tǒng)功能匹配

及安全防護(hù)裝置設(shè)計(jì)安全人機(jī)系統(tǒng)主要由人、機(jī)、環(huán)境這三部分組成。人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是解決系統(tǒng)中人的效能、安全、身心健康以及人機(jī)匹配最優(yōu)化的問題。必須做到機(jī)宜人，人適機(jī)，使人機(jī)之間達(dá)到最佳匹配，這是一條基本的原則。處理好人-機(jī)關(guān)系，才可能確保人機(jī)環(huán)系統(tǒng)總體性能的實(shí)現(xiàn)。9.1

人機(jī)功能關(guān)系人機(jī)系統(tǒng)

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

人機(jī)系統(tǒng)模型對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)，一方面對(duì)人的功能進(jìn)行適當(dāng)開發(fā)和利用，對(duì)操作人員進(jìn)行必要的系統(tǒng)訓(xùn)練；另一方面在機(jī)、環(huán)技術(shù)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(duì)人機(jī)環(huán)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，合理的進(jìn)行人與機(jī)之間任務(wù)的科學(xué)分配。舉一個(gè)宇宙航行中飛船的例子，對(duì)于繞月球飛船飛行的成功率來講，國外文獻(xiàn)分析顯示：如果采用全自動(dòng)化飛行時(shí)成功率僅為22%；如果采用有人參與時(shí)則為70%；如果在飛行中航天員還能承擔(dān)維修任務(wù)時(shí)則為93%；對(duì)于登月飛行的成功率來講，這時(shí)后者為前者的4.2倍，充分說明了合理的功能分配對(duì)完成人機(jī)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)非常重要。一、人的主要功能人在操作活動(dòng)中的基本功能示意圖

下圖給出了人在操作活動(dòng)中的基本功能示意圖，它集中體現(xiàn)在信息輸入（即感受刺激（S））、信息處理（即意識(shí)或稱大腦信息加工（O））以及行為輸出（即作出反應(yīng)（R））這三個(gè)過程中。上述過程，心理學(xué)家稱之為行為反應(yīng)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(jī)器情況信息處理器：對(duì)信息處理分析、判斷控制器（操縱器）：通過動(dòng)作進(jìn)行操縱刺激與行為關(guān)系的示意圖行為的基本模式人的信息加工模型人機(jī)系統(tǒng)模型

機(jī)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(jī)器的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（或計(jì)算機(jī)主板）組成。這個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)是使機(jī)器接受操作者的指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)控，把輸入轉(zhuǎn)換為輸出。

M－D系統(tǒng)由機(jī)器的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和顯示器組成。

二、機(jī)的主要功能二、機(jī)的主要功能機(jī)的主要功能接受信息:通過傳感器接受信息儲(chǔ)存信息:通過儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存信息處理信息:對(duì)信息加工處理執(zhí)行功能:1機(jī)器本身產(chǎn)生控制功能，2借助信號(hào)把指令從這個(gè)環(huán)節(jié)傳遞到下個(gè)環(huán)節(jié)三、人機(jī)特性比較在人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要按照科學(xué)的觀點(diǎn)分析人和機(jī)器各自的不同特點(diǎn)，以便研究人與機(jī)器的功能分配，從而揚(yáng)長避短，各盡所長，充分發(fā)揮人與機(jī)器的各自優(yōu)點(diǎn)；從設(shè)計(jì)開始就盡量防止產(chǎn)生人的不安全行動(dòng)和機(jī)器的不安全狀態(tài)，做到安全生產(chǎn)。三、人機(jī)特性比較項(xiàng)目機(jī)器人速度占優(yōu)勢(shì)時(shí)間延時(shí)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(jì)算快且精確，但不擅于糾正誤差慢且易產(chǎn)生誤差，但擅于修正誤差可靠性按照恰當(dāng)設(shè)計(jì)制造的機(jī)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(fù)荷條件下可靠性突降?？煽啃耘c成本有關(guān)就人腦而言，其可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)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(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)以及生理和心理狀況對(duì)可靠性有較大影響，可處理意外緊急事態(tài)三、人機(jī)特性比較項(xiàng)目機(jī)器人連續(xù)性耐久性高，能長期連續(xù)工作，但需要適當(dāng)維護(hù)容易產(chǎn)生疲勞，不能長時(shí)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(jī)械，不調(diào)整則不能改變其作業(yè)用途通過教育訓(xùn)練，具有多方面的應(yīng)變能力，適應(yīng)和應(yīng)付突發(fā)事件能力強(qiáng)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(nèi)承受刺激因素，支配感受器適應(yīng)刺激因素的變化，如眼睛能感受各種位置、運(yùn)動(dòng)和顏色，善于鑒別圖像，能夠從高噪聲中分辨信號(hào)，易受超過限度的外界環(huán)境刺激的影響三、人機(jī)特性比較項(xiàng)目機(jī)器人智力無（智能機(jī)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(qiáng)，但對(duì)柔軟物體的處理能力比人差可進(jìn)行各種控制，手具有非常大的自由度，能極巧地進(jìn)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(shí)間地保持恒定功率，必須適當(dāng)休息，不能適應(yīng)惡劣的環(huán)境記憶最適用于文字的再現(xiàn)和長期存儲(chǔ)可存儲(chǔ)大量信息，并進(jìn)行多種途徑存取，擅長于對(duì)原則和策略的記憶三、人機(jī)特性比較可以看出，人具有智能、復(fù)雜感覺能力、綜合判斷能力、隨機(jī)應(yīng)變能力，對(duì)各種情況的決策和處理能力等。而人的功能限度是準(zhǔn)確性、體力、速度和知覺能力；機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是作用力大、速度快、高階運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力強(qiáng)、連續(xù)作業(yè)能力和耐久性能好。機(jī)的功能限度是性能維持能力、正常動(dòng)作、判斷能力、造價(jià)及運(yùn)營費(fèi)用。四、人機(jī)功能匹配人與機(jī)的幾種結(jié)合形式勞動(dòng)者-工具操作者-機(jī)器監(jiān)控者-自動(dòng)化機(jī)器監(jiān)督者-智能機(jī)器1、人機(jī)功能匹配的含義人機(jī)功能匹配：靜態(tài)的功能匹配動(dòng)態(tài)人機(jī)功能匹配對(duì)人和機(jī)的特性進(jìn)行權(quán)衡分析，將系統(tǒng)的不同功能恰當(dāng)?shù)胤峙浣o人或機(jī)，叫人機(jī)功能分配。對(duì)人和機(jī)的特性進(jìn)行權(quán)衡分析，將系統(tǒng)的不同功能以固定的方式恰當(dāng)?shù)胤峙浣o人或機(jī)，而且系統(tǒng)在運(yùn)行中不隨時(shí)加以調(diào)整，叫靜態(tài)人機(jī)功能分配?？紤]作業(yè)時(shí)變性及人的響應(yīng)可變性的條件。系統(tǒng)功能的分配依據(jù)作業(yè)定義、工作環(huán)境和當(dāng)前系統(tǒng)組成要素的能力等條件，隨時(shí)作出相應(yīng)的分配。

2、靜態(tài)人、機(jī)功能匹配的原則與方法

人機(jī)功能匹配的內(nèi)容顯示器與人的信息感覺通道特性匹配控制器與人體運(yùn)動(dòng)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(xué)特性的匹配人機(jī)功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經(jīng)濟(jì)分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

通過人與機(jī)器的特性比較，進(jìn)行客觀的和符合邏輯的分配。如笨重的、快速的、精細(xì)的、規(guī)律性的、單調(diào)的、高階運(yùn)算的、支持大功率的、操作復(fù)雜的、環(huán)境條件惡劣的作業(yè)以及需要檢測(cè)人不能識(shí)別的物理信號(hào)的作業(yè)，分配給機(jī)器承擔(dān)。指令和程序的安排，圖形的辨認(rèn)或多種信息輸入時(shí)，機(jī)器系統(tǒng)的監(jiān)控、維修、設(shè)計(jì)、創(chuàng)造、故障處理及應(yīng)付突然事件等工作，由人承擔(dān)。人機(jī)功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經(jīng)濟(jì)分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

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

2）剩余分配原則3）經(jīng)濟(jì)分配原則4）宜人分配原則5）彈性分配原則

以經(jīng)濟(jì)效益為原則，合理恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行人機(jī)功能分配。如對(duì)某一特定功能．由機(jī)器承擔(dān)時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造；由人來承擔(dān)時(shí)，則需要培訓(xùn)、支付費(fèi)用等。這兩者的經(jīng)濟(jì)效益通過比較和計(jì)算來確定功能的分配。人機(jī)功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經(jīng)濟(jì)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(shí)地發(fā)揮人的技能。人機(jī)功能分配的原則1）比較分配原則

2）剩余分配原則3）經(jīng)濟(jì)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(shí)分配給人或機(jī)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(dòng)完成，也可手動(dòng)完成，尤其現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)，要有多種人機(jī)接口，從而實(shí)現(xiàn)不同程度的人機(jī)對(duì)話。人優(yōu)于機(jī)器的七個(gè)方面1.在感覺與知覺方面,人的某些感官的感受能力比機(jī)器優(yōu)越。2.人能運(yùn)用多種通道接受信息，當(dāng)一種信息通道有障礙時(shí)可用其它通道補(bǔ)償。而機(jī)器只能按設(shè)計(jì)的固定結(jié)構(gòu)和方法輸入信息。人優(yōu)于機(jī)器的七個(gè)方面3.人具有高度的靈活性和可塑性，能隨機(jī)應(yīng)變，能應(yīng)付意外事故和排除故障。而機(jī)器應(yīng)付偶然事件的程序往往是非常復(fù)雜的。4.人能長期大量儲(chǔ)存信息，并且能隨時(shí)綜合利用記憶信息進(jìn)行分析與判斷。人優(yōu)于機(jī)器的七個(gè)方面5.人具有總結(jié)和學(xué)習(xí)功能而機(jī)器無論多么復(fù)雜，都只能按照人預(yù)先編好的程序工作。6.人能進(jìn)行歸納推理，在獲得實(shí)際觀察資料的基礎(chǔ)上歸納出一般結(jié)論，形成概念并能創(chuàng)造發(fā)明。人優(yōu)于機(jī)器的七個(gè)方面7.人是有感情、意識(shí)和個(gè)性的，人具有能動(dòng)性，人在社會(huì)活動(dòng)中具有明顯的社會(huì)性。機(jī)器優(yōu)于人的七個(gè)方面（1）機(jī)器能平穩(wěn)準(zhǔn)確地運(yùn)用巨大動(dòng)力，其功率、強(qiáng)度和負(fù)荷大小可隨需要而定。人體要受人體結(jié)構(gòu)和生理特性的限制。（2）機(jī)器動(dòng)作速度快、信息傳遞快、加工和反應(yīng)速度快。（3）在感受外界的作用時(shí)，機(jī)器的精度高機(jī)器優(yōu)于人的七個(gè)方面（4）機(jī)器的穩(wěn)定性好，可終日不停重復(fù)工作而不降低效率，人就存在疲勞問題（5）機(jī)器的感受和反應(yīng)能力一般比人高（6）機(jī)器可同時(shí)完成多種操作而人一般只能同時(shí)完成1-2項(xiàng)操作，且難以持久（7）機(jī)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(dòng)態(tài)人、機(jī)功能匹配的方法

動(dòng)態(tài)人、機(jī)功能匹配：考慮作業(yè)時(shí)變性及人的響應(yīng)可變性的條件。系統(tǒng)功能的分配依據(jù)作業(yè)定義、工作環(huán)境和當(dāng)前系統(tǒng)組成要素的能力等條件，隨時(shí)作出相應(yīng)的分配。作業(yè)要求與可利用能力失配示意圖動(dòng)態(tài)人、機(jī)功能匹配，要求作業(yè)不是以一個(gè)固定的實(shí)體來設(shè)置，作業(yè)的構(gòu)造能隨著系統(tǒng)的目標(biāo)要求而變化，需要引進(jìn)智能適應(yīng)界面系統(tǒng)或者輔助智能界面系統(tǒng)適應(yīng)上述變化，反應(yīng)作業(yè)的重新構(gòu)造與重新分配。4、人機(jī)功能匹配中不合理的表現(xiàn)1）把適合人的功能分配給機(jī)器，把適合機(jī)器的功能分配給人，如汽車駕駛員駕駛同時(shí)判斷行駛里數(shù)；2）人承擔(dān)的負(fù)荷或速度超過人能力極限，如縫紉機(jī)操作速度太快；3）不能根據(jù)人執(zhí)行功能的特點(diǎn)找出人機(jī)之間最適宜相互聯(lián)系的途徑和手段，如設(shè)計(jì)中沒有考慮人的反應(yīng)時(shí)間；5、人機(jī)功能不匹配的影響1)如果不考慮人和機(jī)的適應(yīng)，那么人既不會(huì)舒適，也不會(huì)高效工作。2)人機(jī)不協(xié)調(diào)或協(xié)調(diào)性差是違章操作的主要原因，而違章操作可能會(huì)導(dǎo)致人為失誤甚至安全事故；其次操縱器、顯示器、報(bào)警器設(shè)計(jì)上的缺陷，未能達(dá)到最佳匹配也會(huì)造成違章操作，造成事故。6、人機(jī)功能匹配應(yīng)該注意問題1）信息由機(jī)器顯示器傳遞給人時(shí)，應(yīng)該選擇適宜的信息通道，避免信息過載，同時(shí)設(shè)計(jì)符合人機(jī)學(xué)原則；2）信息從人的運(yùn)動(dòng)器官傳遞到機(jī)器時(shí)，應(yīng)該考慮人的能力極限和操作范圍，控制器應(yīng)該高效、安全、靈活、可靠；3）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分利用人和機(jī)的各自優(yōu)勢(shì)；6、人機(jī)功能匹配應(yīng)該注意問題4）使用人機(jī)結(jié)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(jī)器適合大多數(shù)人；5）要考慮機(jī)器發(fā)生故障的可能性，以及簡(jiǎn)單排除故障的方法和工具；6）要考慮小概率事件的處理，對(duì)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和要點(diǎn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和過程可由下圖予以概括。系統(tǒng)設(shè)計(jì)絕對(duì)不是某一個(gè)單一專業(yè)領(lǐng)域所能勝任的事，它應(yīng)該由專業(yè)工程師、人機(jī)工程學(xué)家、心理學(xué)家、人類學(xué)家等共同協(xié)作完成。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求1.能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，完成預(yù)定的任務(wù)。2.要使人與機(jī)都能夠充分發(fā)揮各自的作用和協(xié)調(diào)地工作。3.人機(jī)系統(tǒng)接受的輸入和輸出功能，都應(yīng)該符合設(shè)計(jì)的能力。4.人機(jī)系統(tǒng)要考慮環(huán)境因素的影響5.人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)完善的反饋閉環(huán)回路。系統(tǒng)的總體目標(biāo)人與機(jī)的結(jié)合方式9.2.1設(shè)計(jì)的原則與要點(diǎn)

ISO6385－1981（E）國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了人機(jī)工程學(xué)的一般指導(dǎo)原則，其中包括：1.工作空間和工作設(shè)備的一般設(shè)計(jì)原則2.工作環(huán)境的一般設(shè)計(jì)原則3.工作過程的一般設(shè)計(jì)原則四個(gè)方面的設(shè)計(jì)與分析要點(diǎn)（1）注意人機(jī)功能的分配；（2）注意人機(jī)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(yùn)動(dòng)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(yīng)性的匹配以及人、機(jī)、環(huán)境三大要素與作業(yè)之間的匹配等；（3）注意人－機(jī)界面的設(shè)計(jì)；（4）注意完成對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。9.2.2人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

1.對(duì)系統(tǒng)的任務(wù)、目標(biāo)，系統(tǒng)使用的環(huán)境條件以及對(duì)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性要求等要有充分的了解和掌握。2.要調(diào)查系統(tǒng)的外部環(huán)境。3.要了解與掌握系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。4.進(jìn)行認(rèn)真的系統(tǒng)分析，即利用人機(jī)工程學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)的組成、人機(jī)的聯(lián)系方式、作業(yè)活動(dòng)等內(nèi)容進(jìn)行方案分析。5.分析該系