安全生產技術考試要點：第四章安全人機工程5
第五節 人機系統w 主要內容：人機信息及能量交換系統模型、人機系統人機功能分配、人機系統可靠性計算、人機系統可靠性設計基本原則。 w 一、人機信息及能量交換系統模型n 人機系統的任何活動實質上是信息及能量的傳遞和交換。人機之間在進行信息及能量的傳遞和交換中, 首先是人的感覺器官 ( 眼、耳等 ) 從顯示裝置上感受到機器及環境作用 於人的信息, 經大腦中樞神經的綜合、分析、判斷做出決策, 然後命令運動器官 ( 手或腳 ) 向機器的控制器發出控制信息, 即操縱機器相應的執行機構 ( 手柄或按鈕等 ) 完成各種相虛的運動機能 ( 移動或轉動 ), 且將控制的效果反映在顯示器上, 構成一個信息及能量傳遞的閉環系統。到此, 人機系統完成了一次功能循環。 二、人機系統 w 在人機系統中, 人與機器為完成一定功能, 各自發揮自己的作用, 又必須相互聯繫, 相互配合, 二者之間有著相互依存、相互影響、又相互制約的關係, 而且這些關係隨系統自動化程度的變化而變化。w 為了取得人機系統的最佳效果, 對人和機分別提出“人適應於機”、“機適宜於人” 的不同要求, 即“人適機”“與機宜人”。所謂“機宜人”是指機器作為人從事生產和生活活 動的工具, 要求設計、製造出來的機器應儘量滿足使用者的體格、生理、心理等條件的要求, 做到顯示的信息便於接受、判斷, 控制系統的尺寸、力度、位置、結構、形式等均應適合操作者的生理要求, 工具、器具及用品等的使用得心應手, 人所處的作業空間安全舒適, 達到有利於人的身心健康, 有利於發揮勞動者的效能和效率。 w 人適機是指使人去適應機器的要求。機器的結構決定了其客觀的運動規律, 其操作環a境也會因各種因素在時間和空間上受到某種限制, 如經濟上的可行性、技術上的可能性、機器本身性能要求的條件以及使用機器時的外界環境條件 ( 如高溫、高壓作業 ) 等。為了適應機器的這些情況, 就需要對人的因素予以限制, 對人進行教育、訓練, 並且儘量發揮人的因素, 利用有一定可塑性這一特點。w 在人機系統中, 機宜人與人適機是相對的。機適宜於人是以人的因素為條件的, 而人的因素是比較複雜的, 而且是變化的, 有的是隨時代的進步而變化, 有的是因時、因地、因性別、因年齡等不同而變化；人的因素有的可量化, 有的則難以準確量化。機器本身也在不斷發展, 自動化程度越來越高, 控制系統智慧型化, 所以機適宜於人的程度也在不斷提高。 而人適應於機的程度是有限的, 因為儘管人的因素有一定的可塑性, 但是畢竟有一定的限度。解決的辦法是通過學習和訓練, 提高人的文化和技術素質, 或採取必要的輔助措施 ( 如使用勞保用品等 ) 去適應機器的要求。 三、人機功能分配 w 在人機系統中 , 人與機完成各自的功能 , 只有二者合理配合 , 協調一致 , 才能使人機 系統達到最佳效果。為此 , 需要深入了解和研究人機各自的特徵 , 進行比較 , 揚長避短 , 充分發揮各自的特長。w ( 一 ) 人在人機系統中的主要功能w 人在人機系統中主要有 3 種功能: w (1) 感測功能。通過人體感覺器官的看、聽、摸等感知外界環境的剌激信息, 如物體、事件、機器、顯示器、環境或工作過程等, 將這些刺激信息作為輸入傳遞給人的中樞神經。w (2) 信息處理功能。大腦對感知的信息進行檢索、加工、判斷、評價, 然後做出決策。 w (3) 操縱功能。將信息處理的結果作為指令, 指揮人的行動, 即人對外界的刺激作出反應, 如操縱控制器、使用工具、處理材料等, 最後達到人的預期目的, 如機器被開動運轉、零件被加工成形、機器的故障已被排除、缺陷零件已被修復或者更換等。 w ( 二 ) 人機特性的比較w 人體本身就是一部複雜的、特殊的機器。人與機器的特性包括許多內容, 但就從人機系統中信息及能量的接受、傳遞、轉換過程來講, 我們可以歸納為以下 4 個方面來比較, 即信息感受、信息處理和決策、操作反應、工作能力等。w （三）人機功能分配原則 四、人機系統可靠性計算 w （一）系統中人的可靠性計算w （二）人機系統的可靠性計算w 1. 兩人監控人機系統的可靠度w (1) 異常狀況時，相當於兩人並聯，可靠度比一人控制的系統增大了，這時操作者切斷電源的可靠度為 rhb( 正確操作的機率 )： rhb =1-（1-r1）(1-r2) w (2) 正常狀況時，相當於兩人串聯，可靠度比一人控制的系統減小了，即產生誤操作的機率增大了，操作者不切斷電源的可靠度為rhc 險 ( 不產生誤動作的機率 ):rhc= r1·r2w 從監視的角度考慮，首要問題是避免異常狀況時的危險, 即保證異常狀況時切斷電源的可靠度, 而提高正常狀況下不誤操作的可靠度則是次要的, 因此這個監控系統是可行的。所以兩人監控的人機系統的可靠度 rsr 為 : w 異常情況時, rsr' =[1 一 (1-r1)(1-r2)]rmw 正常情況時, rsr" = rhc·rm = r1·r2·rm 2. 多人表決的冗餘人機系統可靠度 w 上述兩人監控作業是單純的並聯繫統, 所以正常操作和誤操作兩種機率都增加了, 而由多數人表決的人機系統就可以避免這種情況。若由幾個人構成控制系統, 當其中 f 個人的控制工作同時失誤時, 系統才會失敗, 我們稱這樣的系統為多數人表決的冗餘人機系統。設每個人的可靠度均為 r, 則系統全體人員的操作可靠度 rhn 為 : r-1rhn = ∑ cnｉ（1―r）ｉ r﹙ｎ﹣1﹚ i=0 w 式中cnｉ一n 個人中有 i 個人同意時事件數, cnｉ = n! / [i! · (n- i)! ], 且規定cn 0=1。w 多數人表決的冗餘人機系統可靠度的計算公式為: r-1w rhn = [ ∑ cnｉ（1―r）ｉ r﹙ｎ﹣1] ] · rm i=0 w 3. 控制器監控的冗餘人機系統可靠度w 設監控器的可靠度為 rmk, 則人機系統的可靠度 rsk 為 : w rsk = [1-(1-rmk·rh)(1- rh)] · rm w 4. 自動控制冗餘人機系統可靠度w 設自動控制系統的可靠度為rmk，則人機系統的可靠度為rsz為: w rsz = [ 1- (1- rmz · rh)(1- rmz )] · rm 五、人機系統可靠性設計基本原則 w 1. 系統的整體可靠性原則w 從人機系統的整體可靠性出發, 合理確定人與機器的功能分配, 從而設計出經濟可靠的人機系統。w 一般情況下, 機器的可靠性高於人的可靠性, 實現生產的機械化和自動化, 就可將人從機器的危險點和危險環境中解脫出來, 從根本上提高了人機系統可靠性。w 2. 高可靠性組成單元要素原則w 系統要採用經過檢驗的、高可靠性單元要素來進行設計。w 3. 具有安全係數的設計原則w 由於負荷條件和環境因素隨時間而變化, 所以可靠性也是隨時間變化的函式, 並且隨時間的增加, 可靠性在降低。因此, 設計的可靠性和有關參數應具有一定的安全係數。 4. 高可靠性方式原則w 為提高可靠性, 宜採用冗餘設計、故障安全裝置、自動保險裝置等高可靠度結構組合方式。n (1) 系統“自動保險”裝置。自動保險, 就是即使是外行不懂業務的人或不熟練的人進行操作, 也能保證安全, 不受傷害或不出故障。n 這是機器設備設計和裝置設計的根本性指導思想, 是本質安全化追求的目標。要通過不斷完善結構, 儘可能地接近這個目標。n (2) 系統“故障安全”結構。故障安全, 就是即使個別零部件發生故障或失效, 系統性能不變, 仍能可靠工作。 w 系統安全常常是以正常的準確的完成規定功能為前提。可是, 由於組成零件產生故障而引起誤動作, 常常導致重大事故發生。為達到功能準確性, 採用保險結構方法可保證系統的可靠性。w 從系統控制的功能方面來看, 故障安全結構有以下幾種: n ①消極被動式。組成單元發生故障時, 機器變為停止狀態。 n ②積極主動式。組成單元發生故障時, 機器一面報警, 一面還能短時運轉。 n ③運行操作式。即使組成單元發生故障, 機器也能運行到下次的定期檢查。 通常在產業系統中, 大多為消極被動式結構。 w 5. 標準化原則w 為減少故障環節, 應儘可能簡化結構, 儘可能採用標準化結構和方式。w 6. 高維修度原則w 為便於檢修故障, 且在發生故障時易於快速修復, 同時為考慮經濟性和備用方便, 應採用零件標準化、部件通用化、設備系列化的產品。w 7. 事先進行試驗和進行評價的原則w 對於缺乏實踐考驗和實用經驗的材料和方法, 必須事先進行試驗和科學評價, 然後再根據其可靠性和安全性而選用。 w 8. 預測和預防的原則w 要事先對系統及其組成要素的可靠性和安全性進行預測。對已發現的問題加以必要的改善, 對易於發生故障或事故的薄弱環節和部位也要事先制定預防措施和應變措施。w 9. 人機工程學原則w 從正確處理人一機一環境的合理關係出發, 採用人類易於使用並且差錯較少的方式。 w 10. 技術經濟性原則w 不僅要考慮可靠性和安全性, 還必須考慮系統的質量因素和輸出功能指標。其中還包括技術功能和經濟成本。w 11. 審查原則w 既要進行可靠性設計, 又要對設計進行可靠性審查和其他專業審查, 也就是要重申和貫徹各專業各行業提出的評價指標。w 12.整理準備資料和交流信息原則w 13.信息反饋原則w 14.設立相應的組織機構