《精编》安全人机工程学培训教材

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1、第四章安全人机功能匹配 第一节人机系统中人的传递函数一 人机系统建模二 人的传递函数的试验建模三 人的传递函数的求解方法四 人的传递函数的应用 第二节人机功能匹配 一 人的主要功能l 人的第一种功能 传感器通过感觉器官 视觉 听觉 触觉等 接受信息 感知系统的作业情况和机器的状态2 人的第二种功能 信息处理器将接受的信息和已储存在大脑中的经验和知识信息进行比较分析后 作出决定 如作出继续 停止或改变操作的决定3 人的第三种功能 操纵器 见图4 4 根据决定采取相应行动 如开关机器或增减其速度等 图4 4人在操作活动中的基本功能示意图 二 机的主要功能l 接受信息2 储存信息3 处理信息4 执行

2、功能 三 人机特性比较 在人机系统设计中 首先要按照科学的观点分析人和机器各自所具有的不同特点 以便研究人与机器的功能分配 从而扬长避短 各尽所长 充分发挥人与机器的各自优点 从设计开始就尽量防止产生人的不安全行动和机器的不安全状态 做到安全生产 人和机各有自己的能力和长处 归纳起来各表现在四个方面 人的功能的限度是准确性 体力 速度和知觉能力 机器功能的限度是性能维持能力 正常动作 判断能力 造价及运营费用 表4 1人与机的优缺点比较 表4 1人与机的优缺点比较 续 表4 1人与机的优缺点比较 续 四 人机的功能分配 1 人机功能分配的含义对人和机的特性进行权衡分析 将系统的不同功能恰当地分

3、配给人或机 称为人机的功能分配 人与机器的结合形式 依复杂程度不同可分为 劳动者 工具 操作者 机器 监控者 自动化机器 监督者 智能机器等几种 机器的自动化与智能化使操纵复杂程度提高因而对操纵者提出了严格要求 同时操纵者的功能限制也对机器设计提出特殊要求 人机结合的原则改变了传统的只考虑机器设计的思想 提出了同时考虑人与机器两方面因素 即在机器设计的同时把人看成是有知觉有技术的控制机 能量转换机 信息处理机 凡需要由感官指导的间歇操作 要留出足够间歇时间 机器设计中 要使操纵要求低于人的反应速度 这便是获得最佳效果的设计思想 2 人机功能分配的一般原则人能完成并能胜过机器的工作 发觉微量的光

4、和声 接受和组织声 光的型式 随机应变和应变程度 长时间大量储存信息并能回忆有关的情节 进行归纳推理和判断并形成概念和创造方法等 目前机器能完成并胜过人的工作 对控制信号迅速作出反应 平稳而准确地产生 巨大力量 做重复的和规律性的工作 短暂地储存信息然后废除这些信息 快速运算 同一时间执行多种不同的功能 表4 2采用人 机时有利点 人机功能分配的一般原则笨重的 快速的 精细的 规律性的 单调的 高阶运算的 支付大功率的 操作复杂的 环境条件恶劣的作业以及需要检测人不能识别的物理信号的作业 分配给机器承担指令和程序的安排 图形的辨认或多种信息输入时 机器系统的监控 维修 设计 创造 故障处理及应

5、付突然事件等工作 由人承担 3 人机功能匹配对人机系统的影响过去 由于不明人与机的匹配关系特性 使机的设计与人的功能不适应而造成的失误很多 如作战飞机的高度计等仪表的设计与人的视觉不适应是造成飞机失事的主要原因 见图4 5 在工作负荷过高的情况下 人往往出现应激反应 即生理紧张 导致重大事故的发生 进行合理的人机功能分配 也就是使人机结合面布置得恰当 从安全人机工程学的观点出发 分析人机结合面失调导致工伤事故 进而采取改进对策 图4 2设备设计中的人因工程 4 人机分工不合理的表现可以由人很好执行的功能分配给机器而把设备能更有效地执行的功能分配给人让人承担超过其能力所能承担的负荷或速度不能根据

6、人执行功能的特点而找出人机之间最适宜的相互联系的途径与手段 5 人机功能分配应注意问题 1 信息由机器的显示器传递到人 选择适宜的信息通道 避免信息通道过载而失误 以及显示器的设计应符合安全人机工程的原则 2 信息从人的运动器官传递给机器 应考虑人的权限能力和操作范围 控制器设计要安全 高效 可靠 灵敏 3 充分适用人和机的各自优势 4 使人机结合面的信息通道数和传递频率不超过人的能力 以及机适合大多数人的应用 5 一定要考虑到机器发生故障的可能性 以及简单排除故障的方法和使用的工具 6 要考虑到小概率事件的处理 有些偶发性事件如果对系统无明显影响 可以不必考虑 但有的事件一旦发生就会造成功能

7、的破坏 对这种事件就要事先安排监督和控制方法 第三节人机系统的安全可靠性 在现实生活和生产工作中 经常都在发生各式各样的事故 以减少事故 提高系统安全性为目的的人机系统的可靠性研究 日益被人们所重视 长期以来 可靠性研究对象被局限在 机 事实上很多事故是由人的差错造成的 人在系统中的可靠性越来越重要 人机系统的可靠性 安全性决定于构成该人机系统的人 机器 环境三方面因素及其它们间的协调关系 一 可靠性的定义及其度量l 可靠性的定义可靠性是指研究对象在规定条件下 规定时间内 完成规定功能的能力 2 可靠性度量指标可靠性度量指标是指对系统或产品的可靠程度作出定量表示 常用的基本度量指标有可靠度 不

8、可靠度 或累积故障概率 故障率 或失效率 平均无故障工作时间 或平均寿命 维修度 有效度等 如果人在规定的时间内和规定的条件下没有完成规定的任务 就称为人因失误 人误 相应地用人误率来度量 机器在规定时间和规定的条件下丧失功能 就称为故障 相应地用机器的故障率来度量 环境如果没有达到规定的指标要求 就称为环境故障 相应地用环境故障率来度量 可靠性的定量描述可以表明系统中的某一方面 如果在规定条件下能够充分实现其功能要求时 就是可靠的 反之 若随时间的进程 系统中的某一方面在某一时刻出现故障 失效 不能实现其功能要求时 是不可靠的 二 人的可靠性问题 1 几项重要基本概念人因可靠性 人对于系统的

9、可靠性所必须完成的活动的成功概率 人的可靠性 人为可靠性 人员可靠性人因失误 humanerror 人未能精确地 恰当地 充分地 可接受地完成所规定的绩效标准范围内的任务 如违背设计和操作规程的错误行为 人为失误 人为错误 人的失误 人误人因事件 事故 由人因失误而诱发系统失效的事件 事故 人因可靠性分析 HRA HumanReliabilityAnalysis 以人因工程 系统分析 认知科学 概率统计 行为科学等学科为理论基础 以对人的可靠性进行定性与定量分析和评价为中心内容 以分析 预测 减少与预防人的失误为研究目标 2 人因失误 事故的危害性和严重性人作为人机系统中的要素之一 经统计分析

10、 在人机系统失效中人因失误约占80 表4 3是美国各类系统人因失误造成系统失效的统计数据 表4 3人因失误造成系统失效的统计 近年来公众熟知的一些重大人因事故 三哩岛 1 电站图 设备维修时的人误使得系统故障加上电厂运行人员不了解反应堆的运行情况所致 操纵员和工程师等没有及时诊断出系统的真实情况 采取了错误的操作 使一个小的事件扩大为严重事故 压水堆原理示意图 切尔诺贝利核电站爆炸1986年4月26日凌晨 位于苏联乌克兰加盟共和国首府基辅以北130公里处的切尔诺贝利核电站发生猛烈爆炸 反应堆机房的建筑遭到毁坏 同时发生了火灾 反应堆内的放射物质大量外泄 周围环境受到严重污染 造成了核电史上迄今

11、为止最严重的事故 切尔诺贝利 2该事故主要是由两个因素共同造成的 一是其反应堆设计不完善 更为重要的是严重的人因错误和管理缺陷 即运行人员多次严重而粗暴地违反安全条例和操作规程并进行一系列错误的操作和处理 挑战者 1由于固体火箭发动机设计人员的失误和发射管理人员的失误造成 博帕尔大灾难 1 眼 肺受伤的群众 史无前例的博帕尔大灾难印度博帕尔 Bhopal 灾难是历史上最严重的工业化学意外 死伤者数以十万计 对环境更造成难以补救的破坏 1984年12月3日晚上 联合碳化公司 UnionCarbide 在印度MadhyaPradesh的博帕尔的化工厂发生毒气泄漏事件 估计导致3 500至7 500

12、人实时死亡 当晚约40吨致命气体 主要是用来生产杀虫剂的中间产物methylisocyanate 从工厂泄漏 6个防漏保险装置不是发生故障就是被关闭 加上警报器没有开启 附近居民根本无从得悉意外的发生 结果导致很多居民在睡梦中死去 其它则勉强蹒跚到街上等待救援 吸入有毒气体的最初反应包括呕吐 眼鼻喉被毒气灼伤引致剧烈的刺痛 大多数受害者的死因是由于呼吸困难窒息致死 到现时为止意外已导致16 000人死亡 另外有几十万名居民的健康受到不同程度的影响 他们除了肺部功能受到损害 神经 肠胃 生殖及免疫系统亦受到伤害 博帕尔大灾难 2 死难儿童 美军 格林维尔 号核潜艇 1 美核潜艇艇长鲁莽指挥致日渔

13、船被撞沉事发当天核潜艇上出现了一连串失误 午餐时间过长延误了 紧急上浮 演习的时间 演习时间紧迫导致潜艇官员忽略正常程序开始上浮 火控人员没有及时通知艇长 爱媛 号就在附近等等 正是这一系列失误 直接导致了撞船惨剧的发生 JCO示意图 1日本茨城县东海村的核燃料加工公司核泄漏事故工厂为提高生产效率 擅自修改由核安全管理当局制定的工作安全程序 而操作工人又毫无核安全知识 违章操作 加之工厂面对事故毫无应急措施 致使事故加剧与扩散和失控 俄罗斯一架图154飞机和一架波音757飞机在德国瑞士边境附近的康士坦茨湖上空约35400英尺的高度相撞 造成71人丧生T 154撞机 1 飞机残骸 俄罗斯一架图

14、154客机在伊尔库茨克机场附近突然坠毁 机上的136名乘客和9名机组人员全部遇难伊尔库茨克 1 坠毁现场 客机的发动机和控制系统在事故发生时均正常 另外 空中交通管制以及当时的气象情况也都一切正常 原因是事故发生时驾驶员在无意识的情况下将导航装置置于与以往不同的位置上 这使得飞机降落时的角度过大 并直接导致了飞机的意外坠毁 另外 由于当时图 154客机上的机载计算机系统发出警告称客机正处于一条危险的飞行轨道上 所以机组人员可能面临极大的心理压力 这也许是导致后来驾驶员实施一系列错误操作的原因 俄罗斯库尔斯克 1 舰载导弹 演习时艇上的官兵违反操作规定和北方舰队多年来无视正常操作程序 开县天然气

15、泄漏 1二00三年十二月二十三日 与开县罗家二井属同一井场所的罗家十六号井发生特大井喷事故 共造成二百四十三人死亡 1993年深圳大爆炸 1 爆炸现场 死伤近800人清水河的干杂仓库被违章改作化学危险品仓库及仓内化学危险品存入严重违章是事故的主要原因 干杂仓库4号仓内混存的氧化剂与还原剂接触是事故的直接原因 新疆大火灾 1新疆克拉玛依发生特大火灾 死亡325人 其中中小学生288人 干部 教师及工作人员37人 受伤住院者130人 火险隐患久拖不改 致使养患面成灾 安全管理混乱 没有明确的责任 克市教委 工会 职工文化艺术活动中心等主管部门对组织这样近800人参加的大型活动 没有一个人去考虑安全

16、方面的问题 消防装备设施的落后增加了火灾扑救工作的难度 3 人误机理分析 1 影响人的可靠性的因素生理因素如体力 耐久力 疾病 饥渴 对环境因素承受能力的限度等 大脑的意识水平影响 心理因素因感觉灵敏度变化引起反应速度变化 因某种刺激导致心理特性波动 如情绪低落 发呆或惊慌失措等觉醒水平变化 个人素质训练程度 经验多少 操作熟练程度 技术水平高低 责任心强弱等 操作因素操作的连续性 操作的反复性 操作时间的长短 操作速度 频率及灵活性等 环境因素对新环境和作业不适应 由于温度 气压 供氧 照明等环境条件的变化不符合要求 以及振动和噪声的影响 引起操作者生理 心理上的不舒适 管理因素如不正确的指令 不恰当的指导 人际关系不融洽 工作岗位不称心等 个人素质训练程度 经验多少 操作熟练程度 技术水平高低 责任心强弱等 社会因素家庭不和 人际关系不协调 2 人误的主要表现通过S O R的行为模型考察S 刺激 方面由信号源的刺激能力低所造成 其中包括人机系统设计不合理及外部环境干扰 使作业者对输人刺激S的反应下降 O 机体 方面即人本身的生理和心理原因对信息的误判断所致 如人的年龄 体力 精神状