第七节 安全人机工程

　　一、定义与研究内容

　　(一)安全人机工程的定义

　　安全人机工程是运用人机工程学的理论和方法研究“人—机—环境”系统，并使三者在安全的基础

　　上达到最佳匹配，以确保系统高效、经济运行的一门综合性的科学。

　　(二)安全人机工程的主要研究内容

　　包括 4 个方面：

　　(1)分析机械设备及设施可靠性设计、维修性设计、安全装置设计等。

　　(2)研究人的生理和心理特征。

　　(3)研究人与机器相互接触、相互联系的人机界面中信息传递。

　　(4)分析人机系统的可靠性。

　　在人机系统中人始终处于核心，起主导作用，机器起着安全可靠的保证作用。解决安全问题的基本

　　需求是实现生产过程的机械化和自动化，以便让工业机器人代替人的部分危险操作，从根本上将人从危

　　险作业环境中彻底解脱出来，实现安全生产。

　　(三)人机系统的类型

　　人机系统按系统的自动化程度可分为人工操作系统、半自动化系统和自动化系统三种。

　　在人工操作系统、半自动化系统中：

　　(1)人机共体，或机为主体;

　　(2)人在系统中主要充当生产过程的操作者与控制者;

　　(3)系统的安全性主要取决于人机功能分配的合理性、机器的本质安全性及人为失误状况。

　　在全自动化控制的人机系统中：

　　(1)以机为主体;

　　(2)人只是一个监视者和管理者，监视自动化机器的工作;

　　(3)系统的安全性主要取决于机器的本质安全性、机器的冗余系统失灵以及人处于低负荷时应急

　　反应变差。

　　二、人的特性

　　(一)人的生理特性

　　1.人体供能与劳动强度分级

　　1)人体的特征参数

　　(1)尺度参数。是指人体在静止状态下测得的形态参数，也称人体的基本尺度，如人体高度及各

　　部位长度尺寸。

　　(2)动态参数。是指在人体运动状态下，人体的动作范围，主要包括肢体的活动角度和肢体所能

　　达到的距离等两方面的参数。

　　(3)生理学参数。是指有关的人体各种活动和工作引起的生理变化，反映人在活动和工作时负荷

　　大小的参数，包括人体耗氧量、心脏跳动频率、呼吸频率及人体表面积和体积等。

　　(4)生物力学参数。是指人体各部分出力大小的参数，如握力、拉力、推力、推举力、转动惯量

　　等。

　　2)人体劳动强度参数

　　劳动强度指数 I ：区分体力劳动强度等级的指标，指数大反映劳动强度大，指数小反映劳动强度小。

　　2.疲劳

　　1)疲劳的定义

　　疲劳分为 肌肉疲劳(或称体力疲劳) 和 精神疲劳(或称脑力疲劳) 两种。

　　肌肉疲劳是指过度紧张的肌肉局部出现酸痛现象，一般只涉及大脑皮层的局部区域。

　　精神疲劳与中枢神经活动有关，是一种弥散的、不愿意再作任何活动的懒惰感觉，意味着肌体迫切

　　需要休息。

　　2)疲劳产生的原因

　　(1 1 )工作条件因素。 泛指一切对劳动者的劳动过程产生影响的工作环境。

　　①劳动制度和生产组织不合理。如作业时间过久、强度过大、速度过快、体位欠佳等。

　　②机器设备和工具条件差，设计不良。如控制器、显示器不适合于人的心理及生理要求。

　　③工作环境很差。如照明欠佳，噪声太强，振动、高温、高湿以及空气污染等。

　　(2 2 )作业者本身的因素。 作业者因素包括作业者的熟练程度、操作技巧、身体素质及对工作的适

　　应性，营养、年龄、休息、生活条件以及劳动情绪等。

　　造成心理疲劳的诱因主要有：

　　①劳动效果不佳。

　　②劳动内容单调。

　　③劳动环境缺少安全感。

　　④劳动技能不熟练。

　　⑤劳动者本人的思维方式及行为方式导致的精神状态欠佳、人际关系不好，上下级关系紧张，以及

　　家庭生活的不顺等都可能引起心理疲劳。

　　3)消除疲劳的途径

　　消除疲劳的途径归纳起来有 4 方面：

　　①在进行显示器和控制器设计时应充分考虑人的生理心理因素;

　　②通过改变操作内容、播放音乐等手段克服单调乏味的作业;

　　③改善工作环境，科学地安排环境色彩、环境装饰及作业场所布局，保证合理的温湿度、充足的光

　　照等;

　　④避免超负荷的体力或脑力劳动，合理安排作息时间，注意劳逸结合。

　　(二)人的心理特性

　　1.能力

　　(1)感觉、知觉和观察力

　　(2)注意

　　(3)记忆

　　(4)思维

　　(5)操作能力

　　2.性格

　　3.气质

　　4.需要与动机

　　5.情绪与情感

　　6.意志

　　三、机器的特性

　　1.故障诊断的基本流程及实施步骤

　　诊断实施过程是故障诊断的中心工作，它可以细分为 4 个基本步骤：

　　(1)信号检测

　　(2)特征提取(信号处理)

　　(3)状态识别

　　(4)诊断决策

　　2.故障诊断技术

　　1)振动信号的检测与分析

　　2)油液分析技术

　　(1)光谱油液分析

　　(2)铁谱油液分析

　　3)温度检测及红外线监测

　　4)超声探伤技术

　　5)表面缺陷探伤技术

　　(1)磁粉探伤

　　(2)渗透探伤

　　(3)涡流探伤

　　四、人机作业环境

　　(一)光环境

　　1.光的度量

　　(1)光通量

　　定义为单位时间内通过的光量，是用标准人眼视觉特性(光谱光效率函数)来评价的辐射通量。单

　　位为流明(lm)。

　　(2)发光强度

　　发光强度简称光强，是指光源发出并包含在给定方向上单位立体角内的光通量，常用来描述点光源

　　的发光特性。单位为坎德拉(cd)。

　　(3)亮度

　　指发光面在指定方向的发光强度与发光面在垂直于所取方向的平面上的投影面积之比。亮度的单位

　　为坎德拉每平方米(cd/m

　　2 )。

　　(4)照度

　　照度是被照面单位面积上所接受的光通量。单位为勒克司(lx)。

　　2.照明对作业的影响

　　(1)照明与疲劳

　　当照明不良时，易使视觉疲劳，视觉疲劳可通过闪光融合频率和反应时间等方法来测定。

　　(2)照明与事故

　　改善了照明条件后事故率减少了 16.5%。

　　(二)色彩环境

　　1.颜色的特性

　　颜色具有色调、明度、彩度三个基本特性。

　　2.色彩对人的影响

　　1)色彩对生理的影响

　　对引起眼睛疲劳而言，蓝、紫色 最甚 ，红、橙色 次之 ，黄绿、绿、绿蓝等色调 不易 引起视觉疲劳且

　　认读速度快、准确度高。

　　2)色彩对心理的影响

　　(1)色彩的冷暖感。人对 红、橙、黄 系列的颜色感觉温暖，称它们为 暖色 ;对 蓝、绿、紫 系列的

　　颜色感觉寒冷，称它们为 冷色 。

　　(2)色彩的轻重感。主要取决于颜色的明度， 明度高 的色(浅色) 显得轻 ，而 明度低 的色(深色)

　　则 感觉重 。

　　(3)色彩的尺度感。

　　(4)色彩的距离感。

　　(5)色彩的软硬感。

　　(6)色彩的情绪感。

　　(三)微气候环境

　　1.构成微气候的要素及相互联系

　　1)空气温度。空气温度是评价热环境的主要指标，它分为 舒适温度 和 允许温度 。

　　2)空气湿度。湿度有绝对湿度和相对湿度两种。相对湿度在 80%以上称为高气湿，低于 30%称为低气湿。相对湿度在 30% ～ 70% 时感到舒适。

　　3)气流速度。一般气流速度为 0.15m/s 时，人即可感到空气新鲜。

　　4)热辐射。当物体温度高于人体皮肤温度时，热量从物体向人体辐射而使人体受热，称为正辐射;

　　相反，热量从人体向物体辐射时，称为负辐射。

　　2.微气候环境的综合评价

　　1)有效温度(感觉温度)。是根据人的主诉温度感受所制定的经验性温度指标。已知干球温度、湿

　　球温度和气流速度，就可求出有效温度。

　　2)不适指数。是一项评价气候舒适程度的指标，它综合了 气温 和 湿度 两个因素。

　　3)三球温度指数( WBGT )。它是指用 干球、湿球 和 黑球 三种温度综合评价 允许接触 高温 的阈值指标。

　　4)卡他度。卡他温度计是一种测定气温、湿度和风速三者综合作用的仪器。卡他度一般用来评价

　　劳动条件舒适程度

　　五、人机系统

　　(一)人机特性比较

　　归纳为 4 个方面进行比较：信息感受、信息处理与决策、操作反应、工作能力。

　　人优于机器的能力主要有： 信号检测、图像识别、灵活性、随机应变、归纳、推理、创造性等。

　　机器优于人的能力主要有： 反应和操作速度快，精确性高，输出功率大，耐久力强，重复性好，短

　　期记忆，能同时完成多种操作、进行演绎推理以及能在恶劣环境下工作等。

　　(二)人机功能分配原则：

　　适合机器的工作 ： 笨重的、快速的、持久的、可靠性高的、精度高的、规律性的、单调的、高价运

　　算的、操作复杂的、环境条件差的工作。

　　适合人的工作： 研究、创造、决策、指令和程序的编排、检查、维修、故障处理及应付不测等工作。

　　(三)人机系统可靠性计算

　　1.系统中人的可靠度计算

　　1)人的基本可靠度

　　r = a 1 a 2 a 3

　　a 1 ——输入可靠度，考虑感知信号及其意义时有失误;

　　a 2 ——判断可靠度，考虑进行判断时失误;

　　a 3 ——输出可靠度，考虑输出信息时运动器官执行失误，如按错开关。

　　2)人的作业可靠度

　　R H =1- b 1 · b 2 · b 3 · b 4 · b 5 (1-r)

　　b 1 ——作业时间系数;

　　b 2 ——作业操作频率系数;

　　b 3 ——作业危险度系数;

　　b 4 ——作业生理和心理条件系数;

　　b 5 ——作业环境条件系数;

　　(1- r )——作业的基本失效概率或基本不可靠度。

　　2.人机系统的可靠度计算

　　人机系统组成的串联系统的可靠度可表达为：

　　R s= R H · R M

　　R s——人机系统可靠度

　　R H ——人的操作可靠度;

　　R M ——机器设备可靠度