人機(jī)系統(tǒng)(2012新版)

聯(lián)系旺旺聯(lián)系旺旺 sddxhcfsddxhcf 第第十十一一節(jié)節(jié) 人人 機(jī)機(jī) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 一 人機(jī)信息及能量交換系統(tǒng)模型 人機(jī)系統(tǒng)的任何活動實質(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 首先是人的感覺器官 眼 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 判斷做出決策 然后命令運動器官 手或腳 向機(jī)器的控制器發(fā) 出控制信息 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)的運動機(jī)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(jī)系 統(tǒng)完成了一次功能循環(huán) 如圖1 11所示 圖1 11 人機(jī)系統(tǒng)模 型 在這個循環(huán)過程中 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)功能分配 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 通過人體感覺器官的看 聽 摸等感知外界環(huán)境的刺激信息 如物體 事件 機(jī)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) 2 信息處理功能 大腦對感知的信息進(jìn)行檢索 加工 判斷 評價 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 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(dá)到人的預(yù)期目的 如機(jī)器被開動運轉(zhuǎn) 零件被加工成形 機(jī)器的故障已被排除 缺陷零件已被修復(fù)或者更換等 二 人機(jī)特性的比較 人體本身就是一部復(fù)雜的 特殊的機(jī)器 人與機(jī)器的特性包括許多內(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 詳見表1 10 由表1 10可見 人優(yōu)于機(jī)器的能力主要有 信號檢測 圖像識別 靈活性 隨機(jī)應(yīng)變 歸納 推理 判斷 創(chuàng)造性等 機(jī)器優(yōu)于人的能力主要有反應(yīng) 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 能同時完成多種操作 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 能 力 種 類 人 的 特 性機(jī)器的特性 信 息 感 受 感覺范圍有限 能感覺微小刺激 敏感性高 絕對 域低 對刺激反應(yīng)時間較長 最小值為 200ms 能在高噪聲環(huán)境下檢出需要的信號 抗干擾性低 有主觀傾向性 識別圖形的能力強(qiáng) 能閱讀和接受口頭指令 靈活性很 強(qiáng) 接受信息只能單通道 能在人不能感覺的領(lǐng)域里工作 在感 覺范圍外 紅外線 超聲波 電磁波等 工作 沒有像人那樣低的感覺閾限 敏感性 比人低 反應(yīng)時間可達(dá)微秒級 較難檢出噪聲掩蓋下的信號 抗干擾性高 重復(fù)性好 識別圖形的能力弱 學(xué)習(xí)能力較低 靈活性很差 能夠多通道同時接受信息 信 息 處 理 與 決 策 計算速度慢 易出差錯 能實現(xiàn)大容量的 長期的記憶 并 能實現(xiàn)同時和幾個對象聯(lián)系 但短時 記憶相對較差 有隨機(jī)應(yīng)變的能力 可利用不同的 方法達(dá)到相同的目的 有歸納思維的能力 但不易得到戰(zhàn) 略的最佳效果 計算速度快 且準(zhǔn)確 重復(fù)性好 但 不會修正錯誤 能進(jìn)行大容量短期的數(shù)據(jù)記憶和取出 無隨機(jī)應(yīng)變的能力 但對常規(guī)重復(fù)機(jī) 能有很高的可靠性 只能理解特定的事物 但能用程序使 事件得到最佳方案 沒有自發(fā)的創(chuàng)造推理能力 只能作出 有創(chuàng)造能力 對尚未接觸的事物可 誘發(fā)進(jìn)入決策 能處理完全出乎預(yù)料之外的緊急事 件 適應(yīng)性強(qiáng) 有一定的預(yù)測能力 難以監(jiān)控偶然發(fā)生的事件 是與否的簡單決策 只能處理已知的事件 適應(yīng)性弱 預(yù) 測能力有很大的局限性 監(jiān)控能力強(qiáng) 操 作 能 力 超精密重復(fù)操作差 可靠性較低 能夠進(jìn)行復(fù)雜的藝術(shù)性工作 有從 經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)規(guī)律 利用經(jīng)驗改變操作 的能力 易疲勞 對簡單的重復(fù)動作厭煩 不能容忍長時間 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 可靠性較高 只能進(jìn)行特定的工作 不能利用經(jīng)驗 數(shù)據(jù) 不疲勞 可不厭其煩地重復(fù)簡單或復(fù) 雜動作 能勝任長時間 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 但不能隨意改 變工作條件 工 作 能 力 短期內(nèi)可在超負(fù)荷下堅持工作 但 耐久性差 易疲勞 技術(shù)水平 熟練程度 生理狀態(tài) 心理狀態(tài)等的不穩(wěn)定性均會影響可靠 性 耐久性好 維持保養(yǎng)良好時 可長期 使用 在保證設(shè)計質(zhì)量 材料 加工質(zhì)量等 情況下 一般比人可靠 三 人機(jī)功能分配原則 根據(jù)人機(jī)特性的比較 為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)點 人機(jī)功能合理分配的原則應(yīng)該是 笨重的 快 速的 持久的 可靠性高的 精度高的 規(guī)律性的 單調(diào)的 高價運算的 操作復(fù)雜的 環(huán)境條 件差的工作 適合于機(jī)器來做 而研究 創(chuàng)造 決策 指令和程序的編排 檢查 維修 故障處 理及應(yīng)付不測等工作 適合于人來承擔(dān) 例題 40 根據(jù)人機(jī)特性的比較 為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)點 需要進(jìn)行人機(jī)功能的合理分配 下列 關(guān)于人機(jī)功能合理分配的說法中 正確的是 08 A 指令和程序的編排適合于機(jī)器來做 B 故障處理適合于機(jī)器來做 C 研究 決策適合于人來承擔(dān) D 操作復(fù)雜的工作適合于人來承擔(dān) 答案 C 例題 36 根據(jù)人機(jī)特性和人機(jī)功能合理分配的原則 適合于機(jī)器做的是 工作 07 A 快速 高可靠性 高精度的 B 單調(diào) 復(fù)雜 決策性的 C 持久 笨重 維修性的 D 環(huán)境條件差 規(guī)律性 創(chuàng)造性的 答案 A 例題 人優(yōu)于機(jī)器的能力主要有 A 通用性強(qiáng) B 精確性高 C 圖像識別能力強(qiáng) D 反應(yīng) 操作速度快 E 隨機(jī)應(yīng)變能力強(qiáng) 答案 ACE 三 人機(jī)系統(tǒng)可靠性計算 一 系統(tǒng)中人的可靠度計算 由于人機(jī)系統(tǒng)中人的可靠性的因素眾多且隨機(jī)變化 因此人的可靠性是不穩(wěn)定的 人的可靠度計 算 定量計算 也是很困難的 1 人的基本可靠度 系統(tǒng)不因人體差錯發(fā)生功能降低和故障時人的成功概率 稱為人的基本可靠度 用r表示 人在進(jìn)行作業(yè)操作時的基本可靠度可用下式表示 r a1a2a3 1 26 式中 a1 輸入可靠度 考慮感知信號及其意義 時有失誤 a2 判斷可靠度 考慮進(jìn)行判斷時失誤 a3 輸出可靠度 考慮輸出信息時運動器官執(zhí)行失誤 如按錯開關(guān) 上式是外部環(huán)境在理想狀態(tài)下的可靠度值 a1 a2 a3 各值如表 1 11所示 表 1 11 可靠度計算 作業(yè)類別內(nèi) 容a1 a3a2 簡 單 一 般 復(fù) 雜 變量在 6 個以下 已考慮人機(jī)工程學(xué)原則 變量在 10 個以下 變量在 10 個以上 考慮人機(jī)工程學(xué)不充分 0 9995 0 9999 0 9990 0 9995 0 990 0 999 0 999 0 995 0 990 人的作業(yè)方式可分為兩種情況 一種是在工作時間內(nèi)連續(xù)性作業(yè) 另一種是間歇性作業(yè) 下面分 別說明這兩種作業(yè)人的可靠度的確定方法 1 連續(xù)作業(yè) 在作業(yè)時間內(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) 例如控制人員連續(xù)觀察儀 表并連續(xù)調(diào)節(jié)流量 汽車司機(jī)連續(xù)觀察線路并連續(xù)操縱方向盤等 連續(xù)操作的人的基本可靠度可以用時間函數(shù)表示如下 r t exp 0 l t dt 1 27 式中 r t 連續(xù)性操作人的基本可靠度 t 連續(xù)工作時間 l t t時間內(nèi)人的差錯率 2 間歇性作業(yè) 在作業(yè)時間內(nèi)不連續(xù)地觀察和作業(yè) 稱為間歇性作業(yè) 例如 汽車司機(jī)觀察汽車 上的儀表 換擋 制動等 對間歇性作業(yè)一般采用失敗動作的次數(shù)來描述可靠度 其計算公式為 r l p n N 1 28 式中 N 總動作次數(shù) n 失敗動作次數(shù) p 概率符號 2 人的作業(yè)可靠度 考慮了外部環(huán)境因 素的人的可靠度 RH為 RH 1 bl b2 b3 b4 b5 1 r 1 29 式中 b1 作業(yè)時間系數(shù) b2 作業(yè)操作頻率系數(shù) b3 作業(yè)危險度系數(shù) b4 作業(yè)生理和心理條件系數(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 可 靠 度 r 可 根 據(jù) 表1 1 及 式 1 2 6 求 出 b 1 b 5 可 根 據(jù) 表1 1 2 來 確 定 表1 12 可靠度RH的系數(shù) bl b5 系數(shù)作業(yè)時間 系數(shù) b1 操作頻率 系數(shù) b2 危險度系數(shù) b3 生理心理 條件 系數(shù) b4 環(huán)境條件 系數(shù) b5 1 0 1 0 3 0 3 0 10 0 寬余時間 充分 寬余時間 不充分 無寬余時 間 適當(dāng) 繼續(xù)進(jìn)行 極少進(jìn)行 人身安全 有人身危險 可造成重大 惡性事故 良好 不好 非常不好 良好 不好 非常不好 二 人機(jī)系統(tǒng)的可靠度計算 人機(jī)系統(tǒng)組成的串聯(lián)系統(tǒng)可按下式表達(dá) Rs RH RM 1 30 式中 Rs 人機(jī)系統(tǒng)可靠度 RH 人的操作可靠度 RM 機(jī)器設(shè)備可靠度 人機(jī)系統(tǒng)可靠度采用并聯(lián)方法來提高 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 作冗余法是同時使用兩個以上相同單元來完成同一系統(tǒng)任務(wù) 當(dāng)一個單元失效時 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以上相同單元來完成同一系統(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 才啟用備用單元 1 兩人監(jiān)控人機(jī)系統(tǒng)的可靠度 當(dāng)系統(tǒng)由兩人監(jiān)控時 控制如圖 4 8所示 一旦發(fā)生異常情況應(yīng)立即切斷電源 該系統(tǒng)有以下兩 種控制情形 圖4 8 兩人監(jiān)視系統(tǒng) 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 1 31 R1是上面那個人可靠斷電的可靠度 1 R1 是他沒有斷電的概率 R2是下面那個人可靠斷電 的可靠度 1 R2 是他沒有斷電的概率 只要有一個人能可靠斷電 就可以保證系統(tǒng)安全 邏輯 關(guān)系是 或 的關(guān)系 或 的關(guān)系不好用數(shù)學(xué)公式表示 而用 與 的關(guān)系可以直接用數(shù)學(xué) 公式 乘 表示 所以用 1 R1 1 R2 表示他倆都沒有 同時 斷電的概率 被1減去 得兩人 可靠斷電的可靠度 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 不產(chǎn)生誤動作的概率 RHc Rl R2 1 32 正常狀況時 需要兩人同時不切斷電源 Rl是上面那個人不切斷電源的可靠度 R2是下面 那個人不切斷的可靠度 是 與 的邏輯關(guān)系 可以用數(shù)學(xué)公式表示為 乘 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(jī)系統(tǒng)的可靠度度 Rsr為 異常情況時 Rsr RHb RM 1 1 R1 1 R2 RM 1 33 正常情況時 Rsr RHc RM Rl R2 RM 1 34 五 人機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計基本原則 1 系統(tǒng)的整體可靠性原則 從人機(jī)系統(tǒng)的整體可靠性出發(fā) 合理確定人與機(jī)器的功能分配 從而設(shè)計出經(jīng)濟(jì)可靠的人機(jī)系統(tǒng) 一般情況下 機(jī)器的可靠性高于人的可靠性 實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化 就可將人從機(jī)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(jī)系統(tǒng)可靠性 2 高可靠性組成單元要素原則 系統(tǒng)要采用經(jīng)過檢驗的 高可靠性單元要素來進(jìn)行設(shè)計 3 具有安全系數(shù)的設(shè)計原則 由于負(fù)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 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 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(jìn)行操作 也 能保證安全 不受傷害或不出故障 這是機(jī)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(biāo) 要通過不斷完善結(jié) 構(gòu) 盡可能地接近這個目標(biāo) 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 系統(tǒng)安全常常是以正常的準(zhǔn)確的完成規(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 作 常常導(dǎo)致重大事故發(fā)生 為達(dá)到功能準(zhǔn)確性 采用保險結(jié)構(gòu)方法可保證系統(tǒng)的可靠性 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 消極被動式 組成單元發(fā)生故障時 機(jī)器變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài) 積極主動式 組成單元發(fā)生故障時 機(jī)器一面報警 一面還能短時運轉(zhuǎn) 運行操作式 即使組成單元發(fā)生故障 機(jī)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) 5 標(biāo)準(zhǔn)化原則 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(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和方式 6 高維修度原則 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(jì)性和備用方便 應(yīng)采用零件標(biāo) 準(zhǔn)化 部件通用化 設(shè)備系列化的產(chǎn)品 7 事先進(jìn)行試驗和進(jìn)行評價的原則 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(jìn)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 8 預(yù)測和預(yù)防的原則 要事先對系統(tǒng)及其組成要素的可靠性和安全性進(jìn)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 9 人機(jī)工程學(xué)原則 從正確處理人一機(jī)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 10 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性原則 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(biāo) 其中還包括技術(shù)功能 和經(jīng)濟(jì)成本 11 審查原則 既要進(jìn)行可靠性