安全人机工程原理

第七章安全人机工程原理
高效的劳动生产率与安全、卫生和舒适的工作条件是人类所追求的。

因为，高效的劳动生产率可使人们获得更多的生产成果以满足人类的物质及精神生活的需要，而安全、卫生和舒适的工作条件不仅直接影响着劳动者的劳动效率，而且也直接关系到劳动者的身心健康与安全。

随着社会的发展和进步，创造安全、卫生和舒适的劳动条件的意义与作用将会愈来愈大。

40多年前，人们为了提高劳动生产效率，则侧重对在人体机能允许的条件下，以充分发挥设备效能为着眼点、提高工效为最终目的的研究，从而产生了人机工程学。

而后，人们又开展了在保证生产效率的同时，以保障人的安全健康和舒适为目标的、研究人机关系的人机工程学，即发展成为当今的安全人机工程学。

第一节安全人机工程学的研究任务、内容、方法
一、安全人机工程学的定义
安全人机工程学是运用人机工程学的原理、思想和方法及工程技术理论来研究和揭示人机系统中的安全问题，立足于对人在劳动过程中的保护、确保安全生产的一门学科。

它是人机工程学的一个分支。

“安全人机工程学”的命名不仅体现了该学科主要侧重于研究和解决安全问题，也强调了学科研究的目的性。

安全人机工程学，主要是从人的生理、心理、生物力学、人体测量及人接受信息和处理信息诸方面去研究机械化、电器化、自动化等生产过程中带来高生产效率的同时所带来的劳动伤亡、病害等危害因素的作用和机理及预防与消除的方法等，着眼点是放在保护人的安全健康上面，在充分发挥机的效率的条件下，研究如何保护人的安全健康，使人的生活、生存和生产达到安全化的要求。

二、安全人机工程学的任务
安全人机工程学的主要任务是建立合理而又可行的人机系统，更好地实施人机的功能分配，使人和机有机的结合、相互协调，以更有效地发挥人的主体作用，并为操作者创造安全、舒适和卫生的环境，实现人机系统“安全、高效、经济”的综合效能。

安全人机工程在实现上述目的的过程中，需为工程技术设计者提供诸如人体作业的舒
适范围(最佳状态) ；人体的允许范围(保证工作效率) ；人体的安全范围(不致伤害的最低限度和环境要求) ；一切安全防护设施如何适应人的各种使用要求等人体的理论参数和要求，并以此为依据，充分考虑人体与机器的最佳匹配。

在安全人机工程中，常需进行以下三方面的设计。

(1) 机器系统中直接由人操作或使用的部件的设计
机器系统中直接由人操作或使用的部件，主要指的是各种显示器、操纵器和照明器件等，它们都必须适合于人的使用。

值得提出的是，安全人机工程所要解决的不是这些设备的工程技术的具体设计问题，而是从适合于人的角度出发，向设计人员提出具体的要求，如怎样设计仪表才能保证操作人员看得清楚、读数迅速；怎样设计操纵器才能使人操作起来准确、迅速、得心应手、方便省力等。

(2) 环境控制和安全装置的设计
生产现场有各种各样的环境条件，例如冶炼炉的高温、机器的振动和噪声、粉尘的污染，以及各种辐射等特殊条件。

为了克服这些不利的环境因素，保证生产的顺利进行，就需要设计一系列的环境控制设备和保障人身安全的装置。

(3) 人机系统的整体设计
为了提高整个人机系统的效能，除了必须使机器系统的各个部分(包括它的环境系统) 都适合人的要求外，还必须解决整个人机系统中人和机器的职能如何，合理分工和相互配合的问题。

即，根据机器和人的各自特点，哪些操作适合于机器进行，哪些操作适合于由人完成，两者又如何相互配合，人和机器之间又如何交换信息等。

三、安全人机工程学的研究内容
(1) 研究人的各种特性
人是人机系统的主体，人机系统中人的特性指的是人的生理特性和心理特性两大类。

人的生理特性主要包括：静态及动态人体尺度；人体的形态机能；人体生物力学参数；人的信息输入、处理、输出的机制和能力；人的操作可靠性的生理因素；人的疲劳机理与减缓途径等。

人的心理特性主要包括：人的心理过程与个性心理特征；人在劳动时的心理状态；安全生产的心理因素等。

(2) 研究人机功能合理分配
这方面的主要研究内容有：人和机各自的功能特性参数、适应能力和发挥其功能的条件、各种人机系统人机功能分配的方法等。

(3) 各种人机界面的研究
对控制类人机界面主要研究：机器显示装置与人的信息通道特性的匹配，机器操纵器与人体运动特性的匹配，显示器与操纵器性能的匹配等，从而针对不同的系统研究最优的显示—控制方式。

对生活和生产领域中数量最多的工具类人机界面，主要研究其适用性和舒适性，即如何使其与人体的形态功能、尺寸范围、手感和体感等相匹配。

对环境，主要研究作业的物理环境、化学环境、生物环境和美学环境等对人的影响程度、阈值范围和控制手段。

对特殊的环境，还必须研究人的生命保障系统等。

(4) 作业方法与作业负荷研究
作业方法研究包括作业的姿势、体位、用力、作业顺序、合理的工位器具和工卡量具等的研究，目的是消除不必要的劳动消耗。

作业负荷研究主要侧重于体力负荷的测定、建模(用模拟技术建立各种作业时的生物力学模型)、分析，以确定合适的作业量、作业速率、作息安排，以及研究作业疲劳及其与安全生产的关系等。

(5) 作业空间的分析研究
主要研究为保证安全高效作业所需的空间范围，包括人的最佳视区、最佳作业域、最小的装配作业空间以及最低限度的安全防护范围等。

(6) 人为失误的研究
据国内外大量的统计数据表明，近80%的事故是由于人为失误而引起的。

因而，研究产生事故的各种人为因素、人的操作失误分析与预防措施等也属安全人机工程学研究的一个范畴。

四、安全人机工程学的特点
安全人机工程学是一门综合性学科，它处于许多学科的边缘交叉部上，既有人体科学与工程技术，又有社会科学与自然科学等学科的交叉和渗透，如它需涉及到的学科有生理学、心理学、人体解剖学、人体测量学、人类学、环境保护学、色彩学、信息学、安全管理工程学、安全工程学等学科。

心理学中的工程心理学，是当今安全人机工程学的主要基础学科之一。

它所研究的对象虽然都是人机系统中人这一环节，但工程心理学侧重于对人的心理活动的研究，即研究人对信息的接受、储存、加工(这些与人的生理也有关系)，以及在此基础上如何作出决定和执行决定等问题。

安全人机工程学则是在综合各门学科的基础上，全面考虑“人的因素”，从而对人机系统的设计、使用提供更全面的依据。

因此，工程心理学依据的所有内容，都属于安全人机工程学的一部分，安全人机工程学可以说是工程心理学的发展和扩大，两者有着不可分离的“亲缘”关系。

人体解剖学提供了人的肢体所能发挥的力量及肌肉关节等的动作限度的资料，这将有助于人机系统的设计。

人体测量学对人体静态和动态尺寸(如人体身高，上、下肢的长度，人坐着或站着时肢体运动的角度与尺寸等)的测量资料，为人机系统的设备设计和工作空间布置提供了科学依据。

生理学及环境保护学研究人机各方面的机能和效率，以及各种环境对人体的影响。

安全人机工程学常常应用它们的研究成果来提高人机系统设计的质量，创造良好的工作环境和保证人体正常的生理活动，从而达到提高人机系统的工作效率的目的。

安全人机工程学与人－机－环境系统工程学有着密切关的系。

构成系统的要素是机械、设备、环境、信息和人等。

系统工程学是研究复杂系统的最佳设计和最佳运用的科学。

而系统论则是实现安全生产的科学方法论。

色彩学研究色彩配置的色调、对比与调会以及由此而产生的色彩功能对人的生理与心理所产生的影响。

研究、掌握色彩运用的规律，利用色彩的功能表现机器造型的完美，使之与机器外型、结构、功能和谐地统一起来，对美化生产环境，发挥产品的“精神功能”，调节与调动作业者的积极性都有着重要的作用。

管理科学中的安全管理工程学，是研究实现安全生产的组织手段的科学，它包涵着社会科学的内容，例如安全政策、安全法规、安全教育、安全管理等理论，这些都将直接应用安全人机工程学的研究成果。

而且它们之间，存在着互相联系、互相促进的关系。

安全工程学是研究事故发生的主要原因和过程、安全技术和安全管理的系统科学。

而安全人机工程学是实现安全工程学的基础理论和科学依据，两者之间的关系更加密切。

为了更好地理解和掌握系统和人的特性，还需要将生物力学、统计数学、信息论、协同论、突变论、控制论等学科知识，灵活运用于安全人机工程学的研究。

综上所述，安全人机工程学的特点主要表现在，它所要解决的不是工程设计中的具体技术问题，而是工程设计如何才能适合于人的使用的问题，并从这个角度出发，向设计人员提供必要的参数和要求，使设计更加合理，更适合于人的生理和心理要求，所以，安全人机工程学作为一门新兴学科，与许多邻近学科既有密切的相互联系，又有它独特的理论体系和研究方法。

它是通过不同专业工作者应用各种学科共同研究而发展起来的新兴学科，它保留着多学科的特点，它跨越了不同学科领域。

不言而喻，安全人机工程学必将随着生产和科技的发展，伴随相邻学科横向和纵向的拓宽和深化而不断地得到发展。

五、安全人机工程学的研究方法
安全人机工程学的研究方法主要有如下几种：
1. 一般方法
(1) 实测法
借助器具、设备进行实际测量的方法。

如对人体生理特征方面(人体尺度与体型、人体活动范围、作业空间等) 的测量；也可进行人体知觉反应、疲劳程度、出力大小等的测量。

(2) 实验法
在一定的实验条件和设备上进行实验，以获得比较真实的，全面的实验数据。

如人对数字的记忆参数就可以通过试验获得。

(3) 分析法
在实测法和实验法的基础上对某些参数进行分析，或者对某些动作进行分解分析，纠正不良动作，从而提高工作效率。

(4) 观察分析法
观察分析法是通过观察、记录被观察者的行为表现、活动规律等，然后进行分析的方法。

观察可以采用多种形式，它取决于调查的内容和目的，如可用公开或秘密的方式。

(但不应干扰被调查人的行为)，也可借助摄影或录像等手段。

2. 享利威尔法
美国人机工程学专家享利威尔对人机系统的测定提出了下述方法。

(1) 瞬时操作分析
一般的生产过程是连续的，人机信息的传递也是连续的，分析这种连续传递信息是困难的。

为此，可采用间歇性分析测定法。

对操作过程某一瞬间的随机参数进行测定，然后用统计分析的方法得到连续传递的信息。

(2) 知觉与运动信息分析
外界传递给人的信息，首先由感知器官传到中枢神经，由大脑处理后，指挥肢体操作机器，机器工作状态的信息又回送到人体。

这种人机信息关系，称为反馈系统。

对反馈系统进行测定和分析。

(3) 连续操作的负荷分析
这种方法是采用强制抽样，由计算机技术来分析操作人员连续操作的情况。

用这种方法时应规定操作所必需的最短时间，以计算工作的负荷程度。

(4) 全工作负荷分析。

此法是对操作者在单位时间内工作负荷的分析，一般用单位时间的负荷率(%)表示。

(5) 使用频率分析
这一方法是对人机系统中的装置、设备等机械系统的使用频率进行测定和分析。

(6) 设备互相关连分析
这种方法是对机器的使用方法和人机状态变化等进行观测分析。

如同时操作数台机器的操纵者，以一台转向另一台时，眼睛移动的次数以及操作频数等。

通过分析可以获得机器和控制装置的适应比例及人机适当比例关系。

第二节人机关系与人机系统
一、人机关系
所谓人机关系，是指人在劳动中与劳动工具和劳动对象所发生的联系。

在远古时代，人类使用石器从事狩猎及耕作。

那时的劳动工具十分简单，只要人能控制它完成最基本的功能就可以了。

人类为了求生存，不断地改进生产工具，发展生产力，从而提高了人类适应自然和改造自然的能力。

劳动工具由石器、青铜、铁器直到复杂的现代机器。

人类社会进入机器时代之后，原来必须由人执行的许多操作逐步为机器所代替，构成了更为复杂的人机关系。

影响人机关系的因素是多方面的，它是随着科学技术的进步，劳动条件、形式和内容等的变化而变化的。

如以手动为主的劳动形式，这种人机关系要求工具得心应手，要求操作者有一定的体力和较高的技能，以达到机宜人和人适机；而对于机械化形式的劳动，它要求人机共动，密切协调，共同完成劳动任务，则对机宜人和人适机的要求更加苛刻。

从手工劳动到自动化生产，可把人机关系的变化概括如下：
(1) 人的体力消耗减轻，心理负担加重；
(2) 人将远离机器，管理方式多为间接管理；
(3) 信息时空的密集化，要求人的作业速度更快，作业准确性更高；
(4) 系统越来越复杂，对人的要求越来越高，小的失误能造成严重的后果。

1. 人机关系中人是主体
人类在生产活动中，始终追求高的劳动生产率和自身健康与安全。

为此，人类不断地
创造各种各样的机械来替代人的劳动，这是必然的趋势。

但是严格地说，不管机器生产如何代替人的体力劳动，电子计算机如何代替人的部分脑力劳动，任何机器的设计、制造、使用、控制、维修和管理最终还是要靠人。

离开了人的主体作用。

再先进的机器最终只能是一堆废铁。

即使是简单的自动化，再灵敏、再高级的智能机器人，它们始终是客体，都是作为主体的人所创造的，要人编制程序，要人去监控。

实践证明，无论效率多么高的机器装备，如果不能适应人的生理和心理特性，也不能达到应有的效果。

特别是在感知方面，机器完全代替人的功能还是较困难的。

即使将来机器发展到能够完全代替人的肌肉、感知和智能三方面的工作，还存在着人把人的各种心理特点转移给智能机器的问题。

因此不论在任何系统中，人始终发挥着主体作用。

事实表明，任何一个系统，如果没有人这样的主体因素，这个系统便不会成立，也不能正常运行，当然也就不可能完成预定的任务；即使有了人的因素，但如果不把他当成主体环节，这种系统仍然不能达到总体目标。

因此，在人机系统中，人是系统中的主要环节。

如何发挥人的最大功能和挖掘人的最大潜力，是人机工程的总体目标之一。

对于系统中凡是影响和阻碍人的功能发挥的不利因素，都要设法控制与防止；凡是有利于发挥人的作用的因素都应巩固与加强。

在系统设计、建造与运行的全过程中，都要尽量使机的因素和环境因素满足人的需要，最大限度地适应于人的生理特征和心理状况，以充分发挥人的主导作用。

为充分发挥人的主导作用。

在以人为主体和以机械为劳动工具的人机关系中，主要体现在“机宜人”和“人适机”的关系上，即体现在人机关系的最佳匹配上。

2. 人机关系的最佳匹配
(1) 机宜人
供人使用的机械，应尽量满足人的生理、心理特征，符合人的审美观和价值观，尤其要满足人的安全需要，让人能最大限度地发挥其功能。

机械的发展日新月异，而人的生理特性却变化不大，如人的身材尺寸、姿势动作、作业范围、施力大小以及信息处理能力等，有些甚至出现退化现象。

而现代化的机械趋向于高速化、精密化和复杂化，对人的注意力、判断力和技术水平提出更高的要求。

这就是人机关系矛盾的焦点。

因此设计机械者，必须明确操纵机械的人是人机关系的主体，而不是机械的奴隶。

总之，机械设备的设计，必须考虑人的身心特性，并尽量使操作者的作业条件和环境对人无害且安全舒适。

(2) 人宜机
机械的功能、结构和对作业环境的影响等受众多因素的制约，如经济条件、技术水平以及国家的有关政策等，不可能也不应该要求机械设备完全适宜人的所有特性，如某些飞机驾驶舱的空间设计就不直高大体型的人；作业线上的单调操作，就不太宜于性格外向的人；复杂机械的操纵，就不宜于文化水平低的人……为了安全和高效的作业，就必须对作
业者进行人适机的选拔和培养。

(3) 人机关系的最佳匹配
机宜人是有条件限制的、不能盲目、不顾条件、不切实际地去追求。

因为人的要求多种多样而且变化很大，机械只能满足人的某些主要特性要求。

人适机是有条件制约的，因为人的能力、精力等都有一定的限度，而且人在作业中还要留有余地，不能过度疲劳，否则，就会发生事故。

机宜人和人宜机的关系，是相互影响、相互促进、相互制约的，只有做到人机关系的最佳匹配，才能最大限度地发挥人的潜能和机的功能。

人机关系的最佳匹配与否很大程度上取决于人机系统设计。

传统的人机系统设计方法狭义地把系统设计看作是解决显示器、控制器等的设计问题。

现代的人机系统设计方法，则着重于系统分析与功能分配，注重系统的运动规律，并找出解决问题的措施，深入研究人机分配、人机界面、人机通讯、人机控制以及人机最佳配合等等，力图从根本上改变人与机之间的配合关系，并使人与机双方都能发挥自己的独特优点，以补偿对方的不足之处。

人机系统中，人与机二大要素之间的交接面称为“人机界面”。

人机界面包括：测量系统的终端，如显示器、显示屏等；机械设备的操纵控制器，如操纵杆、开关、按钮、阀门、键盘等；通讯装置的终端，如扩音器、声光信号等等。

这些界面环节加上作为主体工作的人的能动作用，就构成了人机界面，就可以实现界面上的人机“对话”。

人监控机器的过程，实质上是人机界面上信息的交换与处理过程。

机的信息由测量系统提取和传输，通过显示器传送给人；人接受机器输出的信息，叠加上由环境因素输入的信息，经过人对信息的领悟、分析和处理过程，形成操作意志，通过神经系统传到运动器官，驱动控制器，实施操作动作，经过一套控制机构，从而改变机器的状态。

如果把感受器、中枢神经系统和运动器作为人的三个要素，把机器的显示器、机体和控制器作为机器的三个要素，两者就构成了人机系统的“三要素基本模型”。

从系统的工作过程而言，当两个“三要素”之间的信息交换、处理以及反馈控制形成一次，就是完成了一次操作；而从系统的信息传递来说，就是完成了一次“对话”。

因此，人机匹配的重要问题，就是人与机之间界面的研究。

而人机界面中的重要问题，就是信息的显示、信息的容量、驱动机构的合理设计、控制室的合理布局、人和机器的动态特性、人的生理与心理要求、人的工作负荷、人的工作阻力限度、疲劳程度的标准以及克服应激的措施等等。

设计人机界面的指导思想，就是提高人们使用和操作机器的有效性。

因此必须根据人的生理特点、监控能力、操作要求，设计出最符合人操作的机器，最适合手动的工具，最方便灵活的操纵器，最醒目的控制盘，最舒适的座椅，最适宜的工作环境等等，从而保证整个系统的工作效率最高，人的工作负荷最小。

为了给设计的系统建立合理而又可行的方案，使人获得舒适、安全、高效地监控系统的条件，我们必须研究解决好如下问题；
1) 首先要研究系统以及各种产品(包括各种工具、机器、家庭用具、生活服务设施等) 的设计所应遵循的工效学原则与标准问题。

2) 要研究人和机器的合理分工及其相互适应的问题。

在系统分析的基础上，通过人和机器潜力的分析对比，确定哪些功能应由人完成，哪些功能应由机器完成。

明确在哪些方面人的能力超过了机器，又在那些方面机器胜过了人的能力。

3) 研究人与被控对象之间的信息交换过程，人如何进行信息加工直至采取决定的过程，探求人在各种操作环境中的工作效率问题。

例如人的彩色视觉、信号觉察、字形辨认、图形识别、时间知觉等人的感知能力与人所使用的操纵控制与显示装置的配合，如何满足工效学原则，保证既有利于完成监控任务，又能减轻人的工作负荷，发挥人的操作功能。

通过系统优化，找到人与机的最佳工作组合，使人与机在整个运动过程中收到尽善尽美的效果。

4) 根据人的生理心理特征，阐明对机器、技术、作业环境和作息制度的要求。

在各类的人——机——环境系统中，如何进行作业的空间布置与时间安排，才能使操作者感到舒
适，减少疲劳的积累。

以及提高工效和实现安全生产等等。

二、人机系统及其分类
1. 人机系统的定义及功能
(1) 人机系统的定义
由人和机两部分结合形成的集合体称为人机系统。

由于生产和工作的方式、条件以及人在其中的作用不同，人机系统的特点也就有所区别。

如飞机的飞行、汽车的驾驶等人机系统中，人自始至终扮演着操纵、调节的主要角色；又如城市交通要道上指挥车辆行驶的信号灯，以前主要由交通警察直接操纵，而现在采用了自动调节装置控制，信号灯能自动转换明灭，人只是起着监督和维护的作用。

可见，在人机系统中，人同机器的关系总是相互作用、相互配合与相互制约和发展的，但起主导作用的始终是人。

(2) 人机系统的功能
人和机器虽然各有不同的特性，但在人机系统工作中所表现的功能是类似的。

这些功能概括起来可分四大部分：接受信息、信息储存、信息处理和决策、执行功能(如图7－1示) 。

输
入入
1) 信息接受
信息是由人或机器的感觉功能接受的。

就人而言，信息的接受是通过人的感觉器官，如视觉、听觉和触觉来完成的；对机器来说，信息的接受则是通过机器的感觉装置，如电子、光子或机械的装置等来完成的。

信息可能来自系统外，也可能是系统内部的反馈信息，或可能是储存在系统中的信息。

2) 信息储存
对人来说，信息储存是靠人的记忆能力或借助于照相、录像、文字记录等方式来完成的。

而机器一般要靠磁带、磁鼓、打孔卡、凸轮、模板等储存系统来储存信息。

3) 信息处理
信息处理和决策是对已接受的信息或储存的信息进行某种分析、比较、演绎、推理或运算来完成的。

在人机系统中，人具有处理已知情况信息的能力。

信息处理的整个过程往往是不可分割的，前一过程是后一过程的基础，后一过程是前一过程的继续，是连锁反应。

信息处理的结果，是决定下一步是否行动(执行) 的问题，所以，它是人机系统的重要功能之一。

4) 执行功能
执行信息处理所形成的决定的能力，称为执行功能。

这种功能一般有两种；一种是有直接操纵控制器或机器本身产生控制作用，如操作者转动手轮，车床自动加深或减少铣削深度等等；另一种是传送决定，即借助于声、光等信号把决定(指令)从某个环节输送到另一个环节。

5) 输入、输出。