1、 安全人機功能匹配安全人機功能匹配第一節第一節 人機系統的基本概念人機系統的基本概念第二節第二節 機械的安全特性機械的安全特性第三節第三節 人機功能分配人機功能分配人機匹配人機匹配n人與機的合理組合，即顯示器與人的感覺器官相結合；操縱控制器與人的運動器官相組合。n從安全的角度出發，人機匹配主要解決以下問題：1信息由機器的顯示器傳遞到人，選擇適宜的信息通道，避免信息通道過載而失誤，以及顯示器的設計如何符合安全人機工程學原則。2信息從人的運動器官傳遞給機器，如何考慮人的極限能力和操作范圍，控制器如何設計得高效、安全、可靠、靈敏。3如何充分運用人和機各自的優勢。4怎樣使人機界面的通道數和傳遞頻率不超

2、過人的能力，以及機如何適合大多數人的應用。人機功能分配，應全面考慮下列因素：人機功能分配，應全面考慮下列因素：n人和機器的性能、特點、負荷能力、潛在能力以及各種限度；n人適應機器所需的選拔條件和培訓時間n人的個體差異和群體差異；n人和機器對突然事件應激反應能力的差異和對比；n用機器代替人的效果，以及可行性、可靠性、經濟性等方面的對比分析。上表列出了人與機器在感受能力、控制能力、工作效能、信息處理、作業可靠性和工作持久性等方面的特征比較。n從特征比較可以看出，人機功能分配的一般規律是：凡是快速的、精密的、笨重的、有危險的、單調重復的、長期連續不停的、復雜的、高速運算的、流體的、環境惡劣的工作，適

3、于由機器承擔；凡是對機器系統工作程序的指令安排與程序設計、系統運行的監督控制、機器設備的維修與保養、情況多變的非簡單重復工作和意外事件的應激處理等，則分配給人去承擔較為合適。第一節第一節 人機系統的基本概念人機系統的基本概念人機系統的類型人機系統的類型1人機系統的功能人機系統的功能2一、人機系統的類型一、人機系統的類型n(一) 按有無反饋分類n1開環人機系統n2閉環人機系統一、人機系統的類型一、人機系統的類型n(二) 按系統自動化程度分類n1人工操作人機系統2半自動化（機械化）人機系統半自動化（機械化）人機系統n3 3自動化人機系統自動化人機系統一、人機系統的類型一、人機系統的類型n (三)

4、按人機結合方式分類n1人機串聯系統n2人機并聯系統n3人與機串、并混聯系統二、人機系統的功能二、人機系統的功能四大功能四大功能第二節第二節 機械的安全特性機械的安全特性機械的組成及在各狀態的安全問題機械的組成及在各狀態的安全問題1機械危險的主要傷害形式和機理機械危險的主要傷害形式和機理2機械安全設計的要求機械安全設計的要求3一、機械組成及在各狀態的安全問題一、機械組成及在各狀態的安全問題n（一）機械的組成（二）機械在各種狀態的安全問題n1正常工作狀態n2非正常工作狀態n3故障狀態n4非工作狀態n5檢修保養狀態2022-5-202022-5-202022-5-202 2、機械在各種狀態的安全問題

5、機械在各種狀態的安全問題 （1 1）正常工作狀態）正常工作狀態 大量形狀各異的零部件的相互運動、刀具鋒刃的切大量形狀各異的零部件的相互運動、刀具鋒刃的切削、起吊重物、機械運轉的噪聲等，在機械正常工作削、起吊重物、機械運轉的噪聲等，在機械正常工作狀態下就存在著碰撞、切割、重物墜落、使環境惡化狀態下就存在著碰撞、切割、重物墜落、使環境惡化等對人身安全不利的危險因素。等對人身安全不利的危險因素。 （2 2）非正常工作狀態）非正常工作狀態 在機器運轉過程中，由于各種原因引起的意外狀態。在機器運轉過程中，由于各種原因引起的意外狀態。例如，意外啟動、運動或速度變化失控，外界磁場干例如，意外啟動、運動或速度

6、變化失控，外界磁場干擾使信號失靈，瞬時大風造成起重機傾覆倒地等。機擾使信號失靈，瞬時大風造成起重機傾覆倒地等。機械的非正常工作狀態往往沒有先兆，會直接導致或輕械的非正常工作狀態往往沒有先兆，會直接導致或輕或重的事故危害。或重的事故危害。2022-5-202022-5-202022-5-20（3 3）故障狀態）故障狀態 故障狀態是故障狀態是指機械設備（系統）或零部件指機械設備（系統）或零部件喪失了規定功能的狀態。喪失了規定功能的狀態。 故障對安全影響故障對安全影響的的兩種結果兩種結果： 有些故障的出現對所涉及的安全功能影響有些故障的出現對所涉及的安全功能影響很小，不會出現大的危險。例如，當機器的

7、動力源或很小，不會出現大的危險。例如，當機器的動力源或某零部件發生故障時，使機器停止運轉，處于故障保某零部件發生故障時，使機器停止運轉，處于故障保護狀態護狀態 有些故障的出現，會導致某種危險狀態。有些故障的出現，會導致某種危險狀態。例如，由于電氣開關故障，會產生不能停機的危險；例如，由于電氣開關故障，會產生不能停機的危險；砂輪軸的斷裂，會導致砂輪飛甩的危險；速度或壓力砂輪軸的斷裂，會導致砂輪飛甩的危險；速度或壓力控制系統出現故障，會導致速度或壓力失控的危險等。控制系統出現故障，會導致速度或壓力失控的危險等。2022-5-202022-5-202022-5-20（4 4）非工作狀態）非工作狀態

8、機器停止運轉處于靜止狀態時，在正常情況下，機機器停止運轉處于靜止狀態時，在正常情況下，機械基本是安全的；但不排除由于環境照度不夠，導致械基本是安全的；但不排除由于環境照度不夠，導致人員與機械懸凸結構的碰撞；結構垮塌；室外機械在人員與機械懸凸結構的碰撞；結構垮塌；室外機械在風力作用下的滑移或傾覆；堆放的易燃易爆原材料的風力作用下的滑移或傾覆；堆放的易燃易爆原材料的燃燒爆炸等。燃燒爆炸等。（5 5）檢修保養狀態）檢修保養狀態 檢修保養一般在停機狀態下進行，但其作業的特殊檢修保養一般在停機狀態下進行，但其作業的特殊性往往迫使檢修人員采用一些超常規的做法。例如：性往往迫使檢修人員采用一些超常規的做法。

9、例如：攀高、鉆坑、將安全裝置短路、進入正常操作不允許攀高、鉆坑、將安全裝置短路、進入正常操作不允許進入的危險區等，使維護或修理容易出現在正常操作進入的危險區等，使維護或修理容易出現在正常操作不存在的危險。不存在的危險。二、機械危險的主要傷害形式和機理二、機械危險的主要傷害形式和機理 機械危險機械危險: :是指由于機器零件、工具、工件或飛濺的是指由于機器零件、工具、工件或飛濺的固體、流體物質的機械作用可能產生傷害的各種物固體、流體物質的機械作用可能產生傷害的各種物理因素的總稱。理因素的總稱。 機械危險的基本形式機械危險的基本形式主要有：擠壓、剪切、切割或主要有：擠壓、剪切、切割或切斷、纏繞、吸入

10、或卷入、沖擊、刺傷或扎穿、摩切斷、纏繞、吸入或卷入、沖擊、刺傷或扎穿、摩擦或磨損、高壓流體噴射等。機械的危險可能來自擦或磨損、高壓流體噴射等。機械的危險可能來自機械自身、機械的作用對象、人對機器的操作，以機械自身、機械的作用對象、人對機器的操作，以及機械所在的場所等。及機械所在的場所等。 機械危險的傷害實質機械危險的傷害實質，是機械能（動能和勢能）的，是機械能（動能和勢能）的非正常做功、流動或轉化，導致對人員的接觸性傷非正常做功、流動或轉化，導致對人員的接觸性傷害。無論機械危險以什么形式存在，總是與質量、害。無論機械危險以什么形式存在，總是與質量、位置、不同運動形式、速度和力等物理量有關。位置

11、、不同運動形式、速度和力等物理量有關。 n（一）機器零件或工件產生機械危險的條件n由機器零件(或工件)產生的機械危險是有條件的，主要由以下因素產生：n1形狀：切割要素、銳邊、角形部分，即使它們是靜止的；n2相對位置：機器零件運動時可能產生擠壓、剪切、纏繞等區域的相對位置；n3質量和穩定性：在重力的影響下可能運動的零部件的位能；二、機械危險的主要傷害形式和機理二、機械危險的主要傷害形式和機理二、機械危險的主要傷害形式和機理二、機械危險的主要傷害形式和機理n（一）機器零件或工件產生機械危險的條件n4質量和速度：可控或不可控運動中的零部件的動能；n5加速度；n6機械強度不夠：可能產生危險的斷裂或破裂

12、；n7彈性元件(彈簧)的位能或在壓力或真空下的液體或氣體的位能。（二）機械傷害的基本類型n1卷繞和絞纏n2卷入和碾壓n3擠壓、剪切和沖撞n4飛出物打擊n5物體墜落打擊n6切割和擦傷n7碰撞和刮蹭n8跌倒、墜落。三、機械安全設計的要求三、機械安全設計的要求n（一）合理設計機械設備的結構型式n設計結構盡可能避免或減少危險盡可能避免或減少危險：從零件材料到零部件的合理形狀和相對位置，從限制操縱力、運動件的質量與速度到減少噪聲和振動n防止危險導致的傷害而采用一些技術措施或增加配套設施。（二）足夠的抗破壞能力及環境適應能力n1足夠的抗破壞能力n應滿足完成預定最大載荷的足夠強度、剛度和構件穩定性n2對使用

13、環境具有足夠的適應能力n如溫濕度、風雨雪、振動、粉塵、腐蝕介質等具有足夠的適應能力，特別是抗腐蝕，耐老化磨損，抗干擾的能力，不致由于電氣元件產生絕緣破壞，使控制系統零部件臨時或永久失效，或由于物理性、化學性、生物性的影響而造成事故。（三）盡可能使機器設備達到本質安全n1機械設備及其零部件應盡量避免設計成會引起損傷的銳邊、尖角、粗糙的、凸凹不平的表面和較突出的部分。n2利用安全距離防止人體觸及危險部位或進入危險區。n3限制某些可能引起危險的物理量值來減小危險。n4在爆炸環境中應采用全氣動或全液壓控制系統和操縱機構，或“本質安全”電氣裝置。（三）盡可能使機器設備達到本質安全n5應采用對人無害的材料

14、和物質n6機械噪聲、振動、過熱和過低溫度等指標，都必須控制在安全標準中規定的允許指標。n7易燃易爆環境中應在設計時考慮防止跑、冒、滴、漏，配置監測報警、防爆泄壓裝置及消防安全設施。防止火災或爆炸危險。（四）符合安全人機工程學的要求n1合理分配人機功能。n2適應人體特性。n3友好的人機界面設計。n4作業空間的布置。（五）可靠有效的安全防護n建立可靠的物質屏障，即在機械上配置一種或多種專門用于保護人的安全的防護裝置、安全裝置或采取其他安全措施。當設備或操作的某些環節出現問題時，靠機械自身的各種安全技術措施避免事故的發生，保障人員和設備安全。危險性大或事故率高的生產設備，必須在出廠時配備好安全防護裝

15、置。（六）機械的可維修性及維修作業的安全n1機械的可維修性。n應盡量考慮將一些易損而需經常更換的零部件設計得便于拆裝和更換。n2維修作業的安全。n為了避免或減少維修傷害事故，應在控制系統設置維修操作模式；從檢查和維修角度，在結構設計上考慮內部零件的可接近性；必要時，應隨設備提供專用檢查、維修工具或裝置；在較笨重的零部件上，還應考慮方便吊裝的設計第三節第三節 人機功能分配人機功能分配人的主要功能人的主要功能1機的主要功能機的主要功能2人機特性比較人機特性比較3人機功能分配人機功能分配4圖圖41 人在操作活動中的基本功能示意圖人在操作活動中的基本功能示意圖 一、人的主要功能一、人的主要功能一、人的

16、主要功能一、人的主要功能l l、人的第一種功能、人的第一種功能傳感器傳感器 通過感覺器官（視覺、聽覺、觸覺等）接受信息，感通過感覺器官（視覺、聽覺、觸覺等）接受信息，感知系統的作業情況和機器的狀態知系統的作業情況和機器的狀態 n2 2、人的第二種功能、人的第二種功能信息處理器信息處理器 將接受的信息和已儲存在大腦中的經驗和知識信息將接受的信息和已儲存在大腦中的經驗和知識信息進行比較分析后，作出決定，如作出繼續、停止或改進行比較分析后，作出決定，如作出繼續、停止或改變操作的決定變操作的決定 n3 3、人的第三種功能、人的第三種功能操縱器操縱器 根據決定采取相應行動，如開關機器或增減其速度根據決定

17、采取相應行動，如開關機器或增減其速度等等二、機的主要功能二、機的主要功能n（一）接受信息n如電子、光學或機械的傳感裝置來完成。n（二）儲存信息n一般要靠磁盤、磁帶、磁鼓、打孔卡、凸輪、模板等儲存系統來儲存信息。n（三）處理信息n（四）執行功能n一是機器本身產生控制作用，如車床自動加深或減少銑削深度，二是借助于聲、光等信號把指令從這個環節輸送到另一個環節。三、人機特性比較三、人機特性比較 n在人機系統設計中，首先要按照科學的觀點分析人和機器各自所具有的不同特點，以便研究人與機器的功能分配，從而揚長避短，各盡所長，充分發揮人與機器的各自優點；從設計開始就盡量防止產生人的不安全行動和機器的不安全狀態

18、，做到安全生產。n人和機各有自己的能力和長處，歸納起來各表現在四個方面： 人的功能的限度是準確性、體力、速度和知覺能力； 機器功能的限度是性能維持能力、正常動作、判斷能力、造價及運營費用。 表表41 人與機的優缺點比較人與機的優缺點比較項項 目目機機 器器人人速速 度度占優勢占優勢時間延時為時間延時為1s邏輯邏輯推理推理擅長于演繹而不易改變其演繹擅長于演繹而不易改變其演繹程序程序擅長于歸納，容易改變其推理程序擅長于歸納，容易改變其推理程序計計 算算快且精確，但不善于修正誤差快且精確，但不善于修正誤差慢且易產生誤差，但善于修正誤差慢且易產生誤差，但善于修正誤差可可 靠靠 性性按照恰當設計制造的機

19、器，在按照恰當設計制造的機器，在完成規定的作業中可靠性很高完成規定的作業中可靠性很高，而且保持恒定，不能處理意，而且保持恒定，不能處理意外的事態。在超負荷條件下可外的事態。在超負荷條件下可靠性突降靠性突降人腦可靠性遠超過機械，但極度疲勞與人腦可靠性遠超過機械，但極度疲勞與緊急事態下很可能變成極不可靠，人的緊急事態下很可能變成極不可靠，人的技術水平、經驗以及生理和心里狀況對技術水平、經驗以及生理和心里狀況對可靠性很有影響，可處理意外緊急事態可靠性很有影響，可處理意外緊急事態連連 續續 性性能長期連續工作，適應單調專能長期連續工作，適應單調專業，需要適當維護業，需要適當維護容易疲勞，不能長時間連續

20、工作，且受容易疲勞，不能長時間連續工作，且受性別、年齡和健康狀態等影響，不適應性別、年齡和健康狀態等影響，不適應單調作業單調作業靈靈 活活 性性如果是專用機械，不經調整則如果是專用機械，不經調整則不能改作其它用途不能改作其它用途通過教育訓練，可具有多方面的適應能通過教育訓練，可具有多方面的適應能力力表表41 人與機的優缺點比較（續）人與機的優缺點比較（續）項項 目目機機 器器人人輸輸 入入靈敏度靈敏度具有某些超人的感覺，如有具有某些超人的感覺，如有感覺電離輻射的能力感覺電離輻射的能力在較寬的能量范圍內承受刺激因素，在較寬的能量范圍內承受刺激因素，支配感受器適應刺激因素的變化，如支配感受器適應刺

21、激因素的變化，如眼睛能感受各種位置、運動和顏色，眼睛能感受各種位置、運動和顏色，善于鑒別圖象，能夠從高噪聲中分辨善于鑒別圖象，能夠從高噪聲中分辨信號，易受（超過規定限度的）熱、信號，易受（超過規定限度的）熱、冷、噪聲和振動的影響冷、噪聲和振動的影響智智 力力無無 （智能機例外）（智能機例外）能應付意外事件和不可能預測事件，能應付意外事件和不可能預測事件，并能采取預防措施并能采取預防措施操作處操作處理能力理能力操縱力、速度精密度、操作操縱力、速度精密度、操作量、操作范圍等均優于人的量、操作范圍等均優于人的能力。在處理液體、氣體、能力。在處理液體、氣體、粉體方面比人強，但對柔軟粉體方面比人強，但對

22、柔軟物體的處理能力比人差物體的處理能力比人差可進行各種控制，手具有非常大的自可進行各種控制，手具有非常大的自由度，能極巧妙地進行各種操作。從由度，能極巧妙地進行各種操作。從視覺、聽覺、變位和重量感覺上得到視覺、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的信息可以完全反饋給控制器表表41 人與機的優缺點比較（續）人與機的優缺點比較（續）項項 目目機機 器器人人功率功率輸出輸出恒定恒定不論大的，固定不論大的，固定的或標準的的或標準的1471KW的功率輸出只能維持的功率輸出只能維持10s，367.75KW的功率輸出可維持的功率輸出可維持幾分鐘，幾分鐘，150KW以下的功率輸出以下的功率輸出

23、能持續一天能持續一天綜合綜合能力能力多種途徑多種途徑單一手段單一手段記記 憶憶最適用于文字的再現和長最適用于文字的再現和長期存儲期存儲可存儲大量信息，并進行多種途可存儲大量信息，并進行多種途徑的存取，擅長于對原則和策略徑的存取，擅長于對原則和策略的記憶的記憶2005.2.1功能定位的舉例由人完成的功能n 面對不同情況所做的決定n 對不平常事件的反應n 歸納原因n 簡短有效的引導功能n 在嘈雜環境下微弱信號的偵測 由機器完成的功能 對超越人類感官限制的信號的偵測 快速準確的存儲和恢復信息 擴展短期儲存 推論 長時間的功能實現 同時完成多個任務 計算、測量或者記錄物理事件 最低響應延遲 高警覺性

24、反復動作 抗力性四、人機的功能分配四、人機的功能分配 1 1、人機功能分配的含義、人機功能分配的含義 n對人和機的特性進行權衡分析，將系統的不同功能恰當地分配給人或機，稱為人機的功能分配。 n人與機器的結合形式，依復雜程度不同可分為：勞動者-工具；操作者-機器；監控者-自動化機器；監督者-智能機器等幾種。n機器的自動化與智能化使操縱復雜程度提高因而對操縱者提出了嚴格要求。同時操縱者的功能限制也對機器設計提出特殊要求。 n人機結合的原則改變了傳統的只考慮機器設計的思想，提出了同時考慮人與機器兩方面因素，即在機器設計的同時把人看成是有知覺有技術的控制機、能量轉換機、信息處理機。n凡需要由感官指導的

25、間歇操作，要留出足夠間歇時間；機器設計中，要使操縱要求低于人的反應速度，這便是獲得最佳效果的設計思想。 2 2、人機功能分配的一般原則、人機功能分配的一般原則n人能完成并能勝過機器的工作：發覺微量的光和聲，接受和組織聲、光的型式，隨機應變和應變程度，長時間大量儲存信息并能回憶有關的情節，進行歸納推理和判斷并形成概念和創造方法等。n目前機器能完成并勝過人的工作：對控制信號迅速作出反應，平穩而準確地產生“巨大力量，做重復的和規律性的工作，短暫地儲存信息然后廢除這些信息，快速運算，同一時間執行多種不同的功能。 表表42 采用人機時有利點采用人機時有利點 采用機器時的有利點采用人時的有利點1、重復性的

26、操作、計算，大量的情報資料存儲1、由于各種干擾，需要判斷信息時2、迅速施加大的物理力時2、在圖形變化情況下，要求判斷圖形時3、大量的數據處理3、要求判斷各種各樣的輸入時4、根據某一特定范圍，多次重復作出判斷4、對發生頻率非常低時的事態需要進行判斷時5、由于環境約束，對人有危險或操作容易犯錯誤時5、解決問題需要歸納、判斷時6、當調節、操作速度非常重要，具有決定意義時6、預測不測事件的發生時7、控制力的施加要求非常嚴格時 8、必須長時間地施加控制力時 2.2.人機功能分配的一般原則人機功能分配的一般原則n笨重的、快速的、精細的、規律性的、單調的、高階運算的、支付大功率的、操作復雜的、環境條件惡劣的

27、作業以及需要檢測人不能識別的物理信號的作業，分配給機器承擔 n指令和程序的安排，圖形的辨認或多種信息輸入時，機器系統的監控、維修、設計、創造、故障處理及應付突然事件等工作，由人承擔 3 3、人機功能匹配對人機系統的影響、人機功能匹配對人機系統的影響n過去，由于不明人與機的匹配關系特性，使機的設計與人的功能不適應而造成的失誤很多，如作戰飛機的高度計等儀表的設計與人的視覺不適應是造成飛機失事的主要原因。n在工作負荷過高的情況下，人往往出現應激反應（即生理緊張），導致重大事故的發生。n進行合理的人機功能分配，也就是使人機結合面布置得恰當，從安全人機工程學的觀點出發，分析人機結合面失調導致工傷事故，進而采取改進對策。 圖圖42 設備設計中的人因工程設備設計中的人因工程 n國外主要航天大國都在致力研究載人飛行過程中人、機功能分配方法