第五節(jié) 人機系統(tǒng)w     主要內(nèi)容：人機信息及能量交換系統(tǒng)模型、人機系統(tǒng)人機功能分配、人機系統(tǒng)可靠性計算、人機系統(tǒng)可靠性設(shè)計基本原則。 w     一、人機信息及能量交換系統(tǒng)模型n     人機系統(tǒng)的任何活動實質(zhì)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(huán)境作用 于人的信息, 經(jīng)大腦中樞神經(jīng)的綜合、分析、判斷做出決策, 然后命令運動器官 ( 手或腳 ) 向機器的控制器發(fā)出控制信息, 即操縱機器相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu) ( 手柄或按鈕等 ) 完成各種相虛的運動機能 ( 移動或轉(zhuǎn)動 ), 且將控制的效果反映在顯示器上, 構(gòu)成一個信息及能量傳遞的閉環(huán)系統(tǒng)。到此, 人機系統(tǒng)完成了一次功能循環(huán)。 二、人機系統(tǒng) w     在人機系統(tǒng)中, 人與機器為完成一定功能, 各自發(fā)揮自己的作用, 又必須相互聯(lián)系, 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(guān)系, 而且這些關(guān)系隨系統(tǒng)自動化程度的變化而變化。w     為了取得人機系統(tǒng)的最佳效果, 對人和機分別提出“人適應(yīng)于機”、“機適宜于人” 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(chǎn)和生活活 動的工具, 要求設(shè)計、制造出來的機器應(yīng)盡量滿足使用者的體格、生理、心理等條件的要求, 做到顯示的信息便于接受、判斷, 控制系統(tǒng)的尺寸、力度、位置、結(jié)構(gòu)、形式等均應(yīng)適合操作者的生理要求, 工具、器具及用品等的使用得心應(yīng)手, 人所處的作業(yè)空間安全舒適, 達到有利于人的身心健康, 有利于發(fā)揮勞動者的效能和效率。  w     人適機是指使人去適應(yīng)機器的要求。機器的結(jié)構(gòu)決定了其客觀的運動規(guī)律, 其操作環(huán)a境也會因各種因素在時間和空間上受到某種限制, 如經(jīng)濟上的可行性、技術(shù)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(huán)境條件 ( 如高溫、高壓作業(yè) ) 等。為了適應(yīng)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(xùn)練, 并且盡量發(fā)揮人的因素, 利用有一定可塑性這一特點。w     在人機系統(tǒng)中, 機宜人與人適機是相對的。機適宜于人是以人的因素為條件的, 而人的因素是比較復(fù)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(fā)展, 自動化程度越來越高, 控制系統(tǒng)智能化, 所以機適宜于人的程度也在不斷提高。 而人適應(yīng)于機的程度是有限的, 因為盡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(xué)習(xí)和訓(xùn)練, 提高人的文化和技術(shù)素質(zhì), 或采取必要的輔助措施 ( 如使用勞保用品等 ) 去適應(yīng)機器的要求。 三、人機功能分配 w   在人機系統(tǒng)中 , 人與機完成各自的功能 , 只有二者合理配合 , 協(xié)調(diào)一致 , 才能使人機 系統(tǒng)達到最佳效果。為此 , 需要深入了解和研究人機各自的特征 , 進行比較 , 揚長避短 , 充分發(fā)揮各自的特長。w   ( 一 ) 人在人機系統(tǒng)中的主要功能w   人在人機系統(tǒng)中主要有 3 種功能:  w     (1) 傳感功能。通過人體感覺器官的看、聽、摸等感知外界環(huán)境的剌激信息, 如物體、事件、機器、顯示器、環(huán)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(jīng)。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, 然后做出決策。 w     (3) 操縱功能。將信息處理的結(jié)果作為指令, 指揮人的行動, 即人對外界的刺激作出反應(yīng), 如操縱控制器、使用工具、處理材料等, 最后達到人的預(yù)期目的, 如機器被開動運轉(zhuǎn)、零件被加工成形、機器的故障已被排除、缺陷零件已被修復(fù)或者更換等。  w   ( 二 ) 人機特性的比較w   人體本身就是一部復(fù)雜的、特殊的機器。人與機器的特性包括許多內(nèi)容, 但就從人機系統(tǒng)中信息及能量的接受、傳遞、轉(zhuǎn)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(yīng)、工作能力等。w   （三）人機功能分配原則 四、人機系統(tǒng)可靠性計算 w   （一）系統(tǒng)中人的可靠性計算w   （二）人機系統(tǒng)的可靠性計算w   1. 兩人監(jiān)控人機系統(tǒng)的可靠度w   (1) 異常狀況時，相當(dāng)于兩人并聯(lián)，可靠度比一人控制的系統(tǒng)增大了，這時操作者切斷電源的可靠度為 rhb( 正確操作的概率 )： rhb =1-（1-r1）(1-r2) w     (2) 正常狀況時，相當(dāng)于兩人串聯(lián)，可靠度比一人控制的系統(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可靠度為rhc 險 ( 不產(chǎn)生誤動作的概率 ):rhc= r1·r2w     從監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)是可行的。所以兩人監(jiān)控的人機系統(tǒng)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. 多人表決的冗余人機系統(tǒng)可靠度 w     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)人表決的人機系統(tǒng)就可以避免這種情況。若由幾個人構(gòu)成控制系統(tǒng), 當(dāng)其中 f 個人的控制工作同時失誤時, 系統(tǒng)才會失敗, 我們稱這樣的系統(tǒng)為多數(shù)人表決的冗余人機系統(tǒng)。設(shè)每個人的可靠度均為 r, 則系統(tǒng)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(shù),     cni = n! / [i! · (n- i)! ], 且規(guī)定cn 0=1。w   多數(shù)人表決的冗余人機系統(tǒng)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(jiān)控的冗余人機系統(tǒng)可靠度w    設(shè)監(jiān)控器的可靠度為 rmk, 則人機系統(tǒng)的可靠度 rsk 為 : w    rsk  =  [1-(1-rmk·rh)(1- rh)] · rm w    4. 自動控制冗余人機系統(tǒng)可靠度w    設(shè)自動控制系統(tǒng)的可靠度為rmk，則人機系統(tǒng)的可靠度為rsz為: w    rsz = [ 1- (1- rmz · rh)(1- rmz )] · rm 五、人機系統(tǒng)可靠性設(shè)計基本原則 w     1. 系統(tǒng)的整體可靠性原則w     從人機系統(tǒng)的整體可靠性出發(fā), 合理確定人與機器的功能分配, 從而設(shè)計出經(jīng)濟可靠的人機系統(tǒng)。w     一般情況下, 機器的可靠性高于人的可靠性, 實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化, 就可將人從機器的危險點和危險環(huán)境中解脫出來, 從根本上提高了人機系統(tǒng)可靠性。w     2. 高可靠性組成單元要素原則w     系統(tǒng)要采用經(jīng)過檢驗的、高可靠性單元要素來進行設(shè)計。w     3. 具有安全系數(shù)的設(shè)計原則w     由于負荷條件和環(huán)境因素隨時間而變化, 所以可靠性也是隨時間變化的函數(shù), 并且隨時間的增加, 可靠性在降低。因此, 設(shè)計的可靠性和有關(guān)參數(shù)應(yīng)具有一定的安全系數(shù)。 4. 高可靠性方式原則w    為提高可靠性, 宜采用冗余設(shè)計、故障安全裝置、自動保險裝置等高可靠度結(jié)構(gòu)組合方式。n    (1) 系統(tǒng)“自動保險”裝置。自動保險, 就是即使是外行不懂業(yè)務(wù)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(shè)備設(shè)計和裝置設(shè)計的根本性指導(dǎo)思想, 是本質(zhì)安全化追求的目標。要通過不斷完善結(jié)構(gòu), 盡可能地接近這個目標。n    (2) 系統(tǒng)“故障安全”結(jié)構(gòu)。故障安全, 就是即使個別零部件發(fā)生故障或失效, 系統(tǒng)性能不變, 仍能可靠工作。  w     系統(tǒng)安全常常是以正常的準確的完成規(guī)定功能為前提�？墒�, 由于組成零件產(chǎn)生故障而引起誤動作, 常常導(dǎo)致重大事故發(fā)生。為達到功能準確性, 采用保險結(jié)構(gòu)方法可保證系統(tǒng)的可靠性。w     從系統(tǒng)控制的功能方面來看, 故障安全結(jié)構(gòu)有以下幾種: n     ①消極被動式。組成單元發(fā)生故障時, 機器變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)。 n     ②積極主動式。組成單元發(fā)生故障時, 機器一面報警, 一面還能短時運轉(zhuǎn)。 n     ③運行操作式。即使組成單元發(fā)生故障, 機器也能運行到下次的定期檢查。 通常在產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中, 大多為消極被動式結(jié)構(gòu)。  w     5. 標準化原則w     為減少故障環(huán)節(jié), 應(yīng)盡可能簡化結(jié)構(gòu), 盡可能采用標準化結(jié)構(gòu)和方式。w     6. 高維修度原則w     為便于檢修故障, 且在發(fā)生故障時易于快速修復(fù), 同時為考慮經(jīng)濟性和備用方便, 應(yīng)采用零件標準化、部件通用化、設(shè)備系列化的產(chǎn)品。w     7. 事先進行試驗和進行評價的原則w     對于缺乏實踐考驗和實用經(jīng)驗的材料和方法, 必須事先進行試驗和科學(xué)評價, 然后再根據(jù)其可靠性和安全性而選用。 w     8. 預(yù)測和預(yù)防的原則w     要事先對系統(tǒng)及其組成要素的可靠性和安全性進行預(yù)測。對已發(fā)現(xiàn)的問題加以必要的改善, 對易于發(fā)生故障或事故的薄弱環(huán)節(jié)和部位也要事先制定預(yù)防措施和應(yīng)變措施。w     9. 人機工程學(xué)原則w     從正確處理人一機一環(huán)境的合理關(guān)系出發(fā), 采用人類易于使用并且差錯較少的方式。 w     10. 技術(shù)經(jīng)濟性原則w     不僅要考慮可靠性和安全性, 還必須考慮系統(tǒng)的質(zhì)量因素和輸出功能指標。其中還包括技術(shù)功能和經(jīng)濟成本。  w   11. 審查原則w   既要進行可靠性設(shè)計, 又要對設(shè)計進行可靠性審查和其他專業(yè)審查, 也就是要重申和貫徹各專業(yè)各行業(yè)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(shè)立相應(yīng)的組織機構(gòu)