2011版注冊(cè)安全工程師《生產(chǎn)技術(shù)》教材-第十一節(jié)-人機(jī)系統(tǒng)

第十一節(jié)人機(jī)系統(tǒng)一、人機(jī)信息及能量交換系統(tǒng)模型人機(jī)系統(tǒng)的任何活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是信息及能量的傳遞和交換。人機(jī)之間在進(jìn)行信息及能量的傳遞和交換中，首先是人的感覺(jué)器官（跟、耳等）從顯示裝置上感受到機(jī)器及環(huán)境作用于人的信息，經(jīng)大腦中樞神經(jīng)的綜合、分析、推斷做出決策，然后吩咐運(yùn)動(dòng)器官（手或腳）向機(jī)器的限制器發(fā)出限制信息，即操縱機(jī)器相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（手柄或按鈕等）完成各種相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)能（移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)），且將限制的效果反映在顯示器上，構(gòu)成一個(gè)信息及能量傳遞的閉環(huán)系統(tǒng)。到此，人機(jī)系統(tǒng)完成了一次功能循環(huán)，如圖1-11所示。在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，人機(jī)系統(tǒng)完成了人所希望的功能，達(dá)到人的預(yù)期目的。二、人機(jī)功能安排（一）人在人機(jī)系統(tǒng)中的主要功能人在人機(jī)系統(tǒng)中主要有3種功能：1.傳感功能通過(guò)人體感覺(jué)器官的看、聽(tīng)、摸等感知外界環(huán)境的刺激信息，如物體、事務(wù)、機(jī)器、顯示器、環(huán)境或工作過(guò)程等，將這些刺激信息作為輸人傳遞給人的中樞神經(jīng)。2.信息處理功能大腦對(duì)感知的信息進(jìn)行檢索、加工、推斷、評(píng)價(jià)，然后做出決策。3操縱功能將信息處理的結(jié)果作為指令，指揮人的行動(dòng)，即人對(duì)外界的刺激作出反應(yīng)，如操縱限制器、運(yùn)用工具、處理材料等，最終達(dá)到人的預(yù)期目的，如機(jī)器被開(kāi)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)、零件被加工成形、機(jī)器的故障已被解除、缺陷零件已被修復(fù)或者更換等。（二）人機(jī)特性比較人體本身就是一部困難的、特別的機(jī)器。人與機(jī)器的特性包括很多內(nèi)容，但就從人機(jī)系統(tǒng)中信息及能量的接受、傳遞、轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)講，我們可以歸納為以下4個(gè)方面來(lái)比較，即信息感受、信息處理和決策、操作反應(yīng)、工作實(shí)力等，詳見(jiàn)表1-10。從該表可見(jiàn)，人優(yōu)于機(jī)器的實(shí)力主要有：信號(hào)檢測(cè)、圖像識(shí)別、敏捷性、見(jiàn)機(jī)行事、歸納、推理、推斷、創(chuàng)建性等；機(jī)器優(yōu)于人的實(shí)力主要有反應(yīng)和操作速度快、精確性高、輸出功率大、耐久力強(qiáng)、重復(fù)性好、短期記憶、能同時(shí)完成多種操作、進(jìn)行演繹推理以及能在惡劣環(huán)境下工作等。表1-10人與機(jī)器的特性比較實(shí)力種類人的特性機(jī)器的特性信息感受感覺(jué)的信息種類和范圍有限能感覺(jué)微小刺激，敏感性高，肯定閾低對(duì)刺激反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，最小值為200ms能在高噪聲環(huán)境下檢出須要的信號(hào)抗干擾性低，有主觀傾向性識(shí)別圖形的實(shí)力強(qiáng)能閱讀和接受口頭指令，敏捷性很強(qiáng)接受信息只能單通道能在人不能感覺(jué)的領(lǐng)域里工作，在感覺(jué)范圍外（紅外線、超聲渡、電磁渡等）工作很少有人那樣低的感覺(jué)閾限，敏感性比人低反應(yīng)時(shí)間可達(dá)微秒級(jí)較難檢出噪聲掩蓋下的信號(hào)抗干擾性高，重復(fù)性好識(shí)別圖形的實(shí)力弱學(xué)習(xí)實(shí)力較低，敏捷性很差能夠多通道同時(shí)接受信息信息處理與決策計(jì)算速度慢，易出差錯(cuò)能實(shí)現(xiàn)大容量的、長(zhǎng)期的記憶，并能實(shí)現(xiàn)同時(shí)和幾十對(duì)象聯(lián)系，但短時(shí)記憶相對(duì)較差有見(jiàn)機(jī)行事的實(shí)力，可利用不同的方法達(dá)到相同的目的有歸納思維的實(shí)力，但不易得到戰(zhàn)略的最佳效果有創(chuàng)建實(shí)力，對(duì)尚未接觸的事物可誘發(fā)進(jìn)入決策能處理完全出乎預(yù)料之外的緊急事務(wù)，適應(yīng)性強(qiáng)，有肯定的預(yù)料實(shí)力難以監(jiān)控偶然發(fā)生的事務(wù)計(jì)算速度快，且精確、重復(fù)性好，但不會(huì)修正錯(cuò)誤能進(jìn)行大容量短期的數(shù)據(jù)記憶和取出無(wú)見(jiàn)機(jī)行事實(shí)力，但對(duì)常規(guī)重復(fù)機(jī)能有很高的牢靠性只能理解特定的事物，但能用程序使事務(wù)得到最佳方案沒(méi)有自發(fā)的創(chuàng)建理實(shí)力，只能作出是與否的簡(jiǎn)潔決策只能處理已知的事務(wù)，適應(yīng)性弱，預(yù)料實(shí)力有很大局限性監(jiān)控實(shí)力強(qiáng)操作實(shí)力超精密重復(fù)操作差，牢靠性較低能夠進(jìn)行困難的藝術(shù)性工作，有從閱歷中發(fā)覺(jué)規(guī)律、利用閱歷變更操作的實(shí)力易疲憊，對(duì)簡(jiǎn)潔的重復(fù)動(dòng)作厭煩，不能容忍長(zhǎng)時(shí)間、大負(fù)荷的操作輸出功率有限，效率低，但能做精細(xì)調(diào)整通用性強(qiáng)要求環(huán)境舒適，但對(duì)特定的環(huán)境能很快適應(yīng)能連續(xù)進(jìn)行超精密重復(fù)操作和按程序進(jìn)行常規(guī)操作，牢靠性較高只能進(jìn)行特定的工作，不能利用閱歷數(shù)據(jù)不疲憊，可不厭其煩地重復(fù)簡(jiǎn)潔或困難動(dòng)作，能勝任長(zhǎng)時(shí)間、大負(fù)荷的操作輸出功率可大可小，效率高，但較難進(jìn)行精細(xì)調(diào)整缺乏通用性，有的只能專用可在惡劣環(huán)境下工作，不能隨意變更工作條件工作實(shí)力短期內(nèi)可在超負(fù)荷下堅(jiān)持工作，但耐久性差，易疲憊②技術(shù)水平、嫻熟程度、生理狀態(tài)、心理狀態(tài)等的不穩(wěn)定性均會(huì)影響牢靠性①耐久性好，維持保養(yǎng)良好時(shí)，可長(zhǎng)期運(yùn)用在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工質(zhì)量等狀況下，一般比人牢靠（三）人機(jī)功能安排原則依據(jù)人機(jī)特性的比較，為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，人機(jī)功能合理安排的原則應(yīng)當(dāng)是：笨重的、快速的、長(zhǎng)久的、牢靠性高的、精度高的、規(guī)律性的、單調(diào)的、高價(jià)運(yùn)算的、操作困難的、環(huán)境條件差的工作，適合于機(jī)器來(lái)做；而探討、創(chuàng)建、決策、指令和程序的編排、檢查、修理、故障處理及應(yīng)付不測(cè)等工作，適合于人來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。三、人機(jī)系統(tǒng)牢靠性計(jì)算（一）系統(tǒng)中人的牢靠度計(jì)算由于人機(jī)系統(tǒng)中人的牢靠性的因素眾多且隨機(jī)變更，因此人的牢靠性是不穩(wěn)定的。人的牢靠度計(jì)算（定量計(jì)算）也是很困難的。1.人的基本牢靠度系統(tǒng)不因人體差錯(cuò)發(fā)生功能降低和故障時(shí)人的勝利概率，稱為人的基本牢靠度，用r表示。人在進(jìn)行作業(yè)操作時(shí)的基本牢靠度可用下式表示：r=a1a2a3(1-26)式中a1——輸入牢靠度，考慮感知信號(hào)及其意義時(shí)有失誤；a2——推斷牢靠度，考慮進(jìn)行推斷時(shí)失誤；a3——輸出牢靠度，考慮輸出信息時(shí)運(yùn)動(dòng)器官執(zhí)行失誤，如按錯(cuò)開(kāi)關(guān)。上式是外部環(huán)境在志向狀態(tài)下的牢靠度值。a1,a2,a3,各值如表1-11所示。作業(yè)類別內(nèi)容a1～a3a2簡(jiǎn)潔變量在6個(gè)以下，已考慮人機(jī)工程學(xué)原則0.9995～0.99990.999一般變量在10個(gè)以下0.9990～0.99950.995困難變量在10個(gè)以上，考慮人機(jī)工程學(xué)不充分0.990～0.9990.990人的作業(yè)方式可分為兩種狀況，一種是在工作時(shí)間內(nèi)連續(xù)性作業(yè)，另一種是間歇性作業(yè)。(1)連續(xù)作業(yè)在作業(yè)時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行監(jiān)視和操縱的作業(yè)稱為連續(xù)作業(yè)，例如限制人員連續(xù)視察儀表并連續(xù)調(diào)整流量；汽車司機(jī)連續(xù)視察線路并連續(xù)操縱方向盤(pán)等。連續(xù)操作的人的基本牢靠度可以用時(shí)間函數(shù)表示如下：(1-27)式中r(t)——連續(xù)性操作人的基本牢靠度。t——連續(xù)工作時(shí)間；l(t)——t時(shí)間內(nèi)人的差錯(cuò)率。(2)間歇性作業(yè)在作業(yè)時(shí)間內(nèi)不連續(xù)地視察和作業(yè)，稱為間歇性作業(yè)；例如，汽車司機(jī)視察汽車上的儀表，換擋、制動(dòng)等。對(duì)間歇性作業(yè)一般采納失敗動(dòng)作的次數(shù)來(lái)描述牢靠度，其計(jì)算公式為：r=1-p(n/N)(1-28)式中N——總動(dòng)作次數(shù)：n——失敗動(dòng)作次數(shù)；p——-失敗概率。2.人的作業(yè)牢靠度考慮了外部環(huán)境因素的人的牢靠度RH為：RH=1—b1·b2·b3·b4·b5(1-r)(1-29)式中b1——作業(yè)時(shí)間系數(shù)；B2——作業(yè)操作頻率系數(shù)；B3——作業(yè)危急度系數(shù)；b4——作業(yè)生理和心理?xiàng)l件系數(shù)；b5——作業(yè)環(huán)境條件系數(shù)；(1-r)——作業(yè)的基本失效概率或基本不行靠度。r可依據(jù)表1-11及式1-26求出。b1~b5可依據(jù)表1-12來(lái)確定。表1-12牢靠度RH的系數(shù)(b1~b5)良好良好不好特別不好良好不好特別不好人身平安有人身危急可造成重大惡性事故適當(dāng)接著進(jìn)行極少進(jìn)行寬余時(shí)間充分寬余時(shí)間不充分無(wú)寬余時(shí)間1.01.0～3.03.0～10.0環(huán)境條件系數(shù)b5生理心理?xiàng)l件系數(shù)b4危急度系數(shù)b3操作頻率系數(shù)b2作業(yè)時(shí)間系數(shù)b1系數(shù)（二）人機(jī)系統(tǒng)的牢靠度計(jì)算人機(jī)系統(tǒng)組成的串聯(lián)系統(tǒng)的牢靠度可表達(dá)為：RS=RH·RM(1-30)式中RS——人機(jī)系統(tǒng)牢靠度；RH——人的操作牢靠度；RM——機(jī)器設(shè)備牢靠度。人體系統(tǒng)牢靠度采納并聯(lián)方法來(lái)提高。常用的并聯(lián)方法有并行工作冗余法和后備冗余法。并行工作冗余法是同時(shí)運(yùn)用兩個(gè)以上相同單元來(lái)完成同一系統(tǒng)任務(wù)，當(dāng)一個(gè)單元失效時(shí)，其余單元仍能完成工作的并聯(lián)系統(tǒng)。后備冗余法也是配備兩個(gè)以上相同單元來(lái)完成同一系統(tǒng)的并聯(lián)系統(tǒng)。它與并行工作冗余法不同之處在于后備冗余法有備用單元，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，才啟用備用單元。l.兩人監(jiān)控人機(jī)系統(tǒng)的牢靠度

當(dāng)系統(tǒng)由兩人監(jiān)控時(shí)，限制如圖1-12所示。一旦發(fā)生異樣狀況應(yīng)馬上切斷電源。該系統(tǒng)有以下兩種限制情形。圖1-12兩人監(jiān)視系統(tǒng)(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(b)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖(l)異樣狀況時(shí)，相當(dāng)于兩人并聯(lián)，牢靠度比一人限制的系統(tǒng)增大了，這時(shí)操作者切斷電源的牢靠度為RHb（正確操作的概率）：RHb=l–（1–R1）（1-R2）(1-31)(2)正常狀況時(shí)，相當(dāng)于兩人串聯(lián)，牢靠度比一人限制的系統(tǒng)減小了，即產(chǎn)生誤操作的概率增大了，操作者不切斷電源的牢靠度RHc（不產(chǎn)生誤動(dòng)作的概率）：RHc=R1·R2(1-32)從監(jiān)視的角度考慮，首要問(wèn)題是避開(kāi)異樣狀況時(shí)的危急，即保證異樣狀況時(shí)切斷電源的牢靠度，而提高正常狀況下不誤操作的牢靠度則是次要的，因此這個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)是可行的。所以兩人監(jiān)控的人機(jī)系繞的牢靠度度R"sr,為：正常狀況時(shí)：R"sr=RHc·RM=R1·.R2·RM(1-33)異樣狀況時(shí)：R"sr=RHb·RM=[1-(1-R1)(1-R2)]RM(1-34)2.多人表決的冗余人機(jī)系統(tǒng)牢靠度上述兩人監(jiān)控作業(yè)是單純的并聯(lián)系統(tǒng)，所以正常操作和誤操作兩種概率都增加了，而由多數(shù)人表決的人機(jī)系統(tǒng)就可以避開(kāi)這種狀況。若由幾個(gè)人構(gòu)成限制系統(tǒng)，當(dāng)其中r個(gè)人的限制工作同時(shí)失誤時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)失敗，我們稱這樣的系統(tǒng)為多數(shù)人表決的冗余人機(jī)系統(tǒng)。設(shè)每個(gè)人的牢靠度均為擰，則系統(tǒng)全體人員的操作牢靠度RHn為：RHn=(1-35)式中的Ci為n個(gè)人中有i個(gè)人同意時(shí)事務(wù)數(shù)，=n!／[i!·(n—i)!]，且規(guī)定，=1。多數(shù)人表決的冗余人機(jī)系統(tǒng)牢靠度的計(jì)算公式為：RSd=(1-36)3.限制器監(jiān)控的冗余人機(jī)系統(tǒng)牢靠度設(shè)監(jiān)控器的牢靠度為月RMk，則人機(jī)系統(tǒng)的牢靠度RSk為：RSk=[1-(1-RMk·RH)(1-RH)]·RM(1-37)4.自動(dòng)限制冗余人機(jī)系統(tǒng)牢靠度設(shè)自動(dòng)限制系統(tǒng)的牢靠度為RMZ，則人機(jī)系統(tǒng)的牢靠度RSZ為：RSZ=[1-(1-RMZ·RH)(1-RMZ)]·RM(1-38)四、人機(jī)系統(tǒng)牢靠性設(shè)計(jì)基本原則l.系統(tǒng)的整體牢靠性原則從人機(jī)系統(tǒng)的整體牢靠性動(dòng)身，合理確定人與機(jī)器的功能安排，從而設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)牢靠的人機(jī)系統(tǒng)。一般狀況下，機(jī)器的牢靠性高于人的牢靠性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，就可將人從機(jī)器的危急點(diǎn)和危急環(huán)境中解脫出來(lái)，從根本上提高了人機(jī)系統(tǒng)牢靠性。2.高牢靠性組成單元要素原則系統(tǒng)要采納經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的、高牢靠性單元要素來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.具有平安系數(shù)的設(shè)計(jì)原則由于負(fù)荷條件和環(huán)境因素隨時(shí)間而變更，所以牢靠性也是隨時(shí)間變更的函數(shù)，并且隨時(shí)間的增加，牢靠性在降低。因此，設(shè)計(jì)的牢靠性和有關(guān)參數(shù)應(yīng)具有肯定的平安系數(shù)。4.高牢靠性方式原則為提高牢靠性，宜采納冗余設(shè)計(jì)、故障平安裝置、自動(dòng)保險(xiǎn)裝置等高牢靠度結(jié)構(gòu)組合方式。(1)系統(tǒng)“自動(dòng)保險(xiǎn)”裝置。自動(dòng)保險(xiǎn)，就是即使是外行不懂業(yè)務(wù)的人或不嫻熟的人進(jìn)行操作，也能保證平安，不受損害或不出故障。這是機(jī)器設(shè)備設(shè)計(jì)和裝置設(shè)計(jì)的根本性指導(dǎo)思想，是本質(zhì)平安化追求的目標(biāo)。要通過(guò)不斷完善結(jié)構(gòu)，盡可能地接近這個(gè)目標(biāo)。(2)系統(tǒng)“故障平安”結(jié)構(gòu)。故障平安，就是即使個(gè)別零部件發(fā)生故障或失效，系統(tǒng)性能不變，仍能牢靠工作。系統(tǒng)平安經(jīng)常是以正常、精確地完成規(guī)定功能為前提，可是，由于組成零件產(chǎn)生故障而引起誤動(dòng)作，經(jīng)常導(dǎo)致重大事故發(fā)生。為達(dá)到功能精確性，采納保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)方法可保證系統(tǒng)的牢靠性。從系統(tǒng)限制的功能方面來(lái)看，故障平安結(jié)構(gòu)有以下幾種：①消極被動(dòng)式。組成單元發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)。②主動(dòng)主動(dòng)式。組成單元發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器一面報(bào)警，一面還能短時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。③運(yùn)行操作式。即使組成單元發(fā)生故障，機(jī)器也能運(yùn)行到下次的定期檢查。