人机系统

一、人的生理特性 
1.人体供能与劳动强度分级 
(1)人体特性参数 
①尺度参数：静态参数，如人体高度及各部位长度尺寸等； 
②动态参数：运动状态下，人体的动作范围参数； 
③生理参数：耗氧量、心跳频率、呼吸频率、表面积和体积等； 
④生物力学参数：握力、推力、推举力、转动惯量等； 
(2)人体能量代谢 
人体代谢所产生的能量等于消耗于体外做功的能量与体内直接、间接转化为热的能量之和。 
【问题思考】是否在任何情况下人体代谢能量均符合上述说法? 
①能量代谢类型：基础代谢、安静代谢和活动代谢； 
②影响代谢因素：作业类型、作业方法、作业姿势、作业速度； 
(3)劳动强度及分级 
①综合评价人体接触作业环境热负荷的基本参量是WBGT指数； 
②体力劳动强度指数(I)是区分体力劳动强度等级的指标；

③体力劳动强度指数的计算方法： 
I=T·M·S·W·10 
T：劳动时间率(工作日净劳动时间/工作日总工时)； 
M：8h工作日能力代谢率(KJ/min·m2)； 
S：性别系数(男性=1，女性=1.3)； 
W：体力劳动方式系数(搬=1，扛=0.40，推或拉=0.05)； 
④常见职业体力劳动强度分级的描述： 
【I级轻劳动】 
①坐姿：正情况下打字、缝纫、脚踏开关等； 
②立姿：操作仪器、控制、查看设备、上臂为主的装配工作； 
【II级中等劳动】 
①手和臂持续动作，如锯木头等； 
②臂和腿的工作，如卡车、拖拉机或建筑设备等运输操作； 
③臂和躯干工作，如锻造、风动工具操作、间断搬运中等重物、粉刷、除草、锄田、摘水果和蔬菜等； 
【III级重劳动】 
臂和躯干负荷工作：搬重物、铲、锯刨或凿、割草、挖掘等； 
【IV级极重劳动】 
大强度的挖掘、搬运，快到极限节律的极限活动； 

2.疲劳 
(1)疲劳的定义 
①肌肉疲劳：过度紧张的肌肉局部出现酸痛现象； 
②精神疲劳：弥散的、不愿意再作任何活动的懒惰感觉； 
(2)疲劳产生的原因 
①工作条件因素：劳动制度、生产组织、工具条件、工作环境； 
②作业者的因素：熟练程度、操作技巧、身体素质、劳动情绪； 
(3)消除疲劳的途径 
①进行显示器和控制器设计时充分考虑人的生理、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的布局，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，注意劳逸结合等。 

3.轮班与单调作业生理问题 
(1)单调作业：内容单一、节奏较快、高度重复的作业； 
(2)改进单调作业措施 
培养多面手、工作延伸、操作再设计、显示作业终极目标、动态信息报告、推行消遣工作法、改善工作环境； 
(3)轮班作业：常见有单班制、两班制、三班制或四班制等； 
(4)改进轮班作业的措施： 
改善轮班作业不利因素的措施主要包括，为使生物节律与休息时间相一致，可通过环境的明晴、喧闹与安静的交替来实现； 

二、人的心理特性 
1.能力 
影响能力的因素主要有感觉、知觉、观察力、注意力、记忆力、思维想象力和操作能力等； 
各种能力的总和构成人的智力，包括人的认识能力和活动能力。 
2.性格 
道德品质和意志特点是构成性格的基础； 
【表现形式】冷静型、活泼型、急躁型、轻浮型和迟钝型。 
3.需要与动机 
动机是由需要产生的，合理的需要能推动人以一定的方式，在一定的方面去进行积极的活动，达到有益的效果； 
【注】需要与动机就是要我安全和我要安全的关系。 
4.情绪与情感 
【急躁情绪】干活利索但毛躁、有章不循、心手不一； 
【烦躁情绪】沉闷、不愉快、精神不集中等； 
5.意志 
人们自觉地确定目标并调节自己的行动去克服困难；

信息接收、信息处理、信息的交流与输出、学习与归纳能力、可靠性和适应性、环境适应性、成本。

一、人优于机器的功能
（1）在感知方面，人的某些感官的感受能力比起机器来要优越。例如，人的听觉器官对音色的分辨力以及嗅觉器官对某些化学物质的感受性等，都显著地优于机器。
（2）人能够运用多种通道接收信息。当一种信息通道发生障碍时可运用其他的通道进行补偿；而机器只能按设计的固定结构和方法输入信息。
（3）人具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采取灵活的程序和策略处理问题。人能根据情境改变工作方法，能学习和适应环境，能应付意外事件和排除故障，有良好的优化决策能力。而机器应付偶然事件的程序则非常复杂，均需要预先设定，任何高度复杂的当动系统都离不开人的参与。
（4）人能长期大量储存信息并能综合利用记忆的信息进行分析和判断。
（5）人具有总结和利用经验，除旧创新，改进工作的能力。而机器无论多么复杂，只能按照人预先编排好的程序进行工作。
（6）人能进行归纳、推理，在获得实际观察资料的基础上，归纳出一般结论，形成概念，并能创造、发明。
（7）人的最重要特点是有感情、意识和个性，具有能动性，能继承历史、文化和精神遗产。人在社会生活中，接受社会的影响，有明显的社会性。
二、机器优于人的功能
（1）机器能平稳而准确地输出巨大的动力，输出值域宽广；而人受身体结构和生理特性的限制，可使用的力量小和输出功率较小。
（2）机器的动作速度极快，信息传递、加工和反应的速度也极快。
（3）机器运行的精度高，现代机器能做极高精度的精细工作；产生的误差随机器精度提高而减小。而人的操作精度远不如机器，对剌激的感受阔也有限。
（4）机器的稳定性好，做重复性工作而不存在疲劳和单调等问题。人的工作易受身心因素和环境条件等的影响，因此在感受外界作用和操作的稳定性方面不如机器。
（5）机器对特定信息的感受和反应能力一般比人高，如机器可以接受超声、电离辐射、微波、电磁波和磁场等信号。还可以做出入难以做到的反应，如发射电讯信号、发出激光等。
（6）机器能同时完成多种操作，且可保持较高的效率和准确度。人一般只能同时完成1～2项操作，而且两项操作容易相互干扰，而难以持久地进行。
（7）机器能在恶劣的环境条件下工作，如机器在高压、低压、高温、低温、超重、缺氧、辐射、振动等条件下都可以很好地工作，而人则无法耐受恶劣的环境。

一、人机系统
1.人机系统的概念
人机系统是由相互作用、相互依存的人和机器两个子系统构成，能完成特定目标的一个整体系统。
【人机系统中的三大要素】人、机器、人机界面;
系统能否正常工作，取决于信息传递过程能否持续有效地进行，或取决于信息流和能量流能否正常无误地流动。
2.人机系统的类型
(1)人机系统按系统的自动化程度分类：
人工操作系统、半自动化系统和自动化系统

(2)按有无反馈控制分类： 
①闭环人机系统：有反馈回路，输出直接作用于系统的控制; 
②开环人机系统：无反馈回路，输出不对系统控制发生作用; 
(3)按系统中人机结合方式分类： 
人机串联系统、人机并联系统、人机串并联混合系统等; 

二、人机作业环境 
1.照明环境 
(1)照明环境特性 
来自光源的光通量是最主要的物理量和最基本的光度量。 
①光通量(lm)：单位时间内可到达、离开或通过某曲面的光强; 
②光强(cd)：光源在给定方向上单位立体角内的光通量; 
③亮度(cd/m2)：光强与人眼所见到的光源面之积比为亮度; 
④照度(lx)：单位面积上接受可见光的能力; 
【照明条件与疲劳】 
①合适的照明，能提高近视力和远视力; 
②视觉疲劳可以通过闪光融合频率和反应时间等方法测定。 
【照明条件与事故】 
①事故的数量与工作环境的照明条件有密切的关系; 
②视觉疲劳是产生事故和影响工效的主要原因; 
③眩光会因幢孔缩小而影响视网膜的视物，导致视物模糊; 
(2)光环境控制应注意的问题 
①应考虑视觉作业的照明与作业安全、视觉工效之间的关系; 
②一般照明比较暗淡的控制台或操作部位需配置局部照明; 
③避免强烈的颜色对比以及有光泽的或反射性的涂料; 
④使用的各种视觉显示器之间的亮度差应避免大于10：1。 

2.色彩环境 
(1)色彩对人的影响 
色彩的生理作用主要表现在对视觉疲劳的影响; 
①蓝、紫色最容易引起眼睛的疲劳，其次是红色、橙色; 
②黄绿、绿、绿蓝不易引起疲劳且认读速度快，准确度高; 
色彩对人体其他系统的机能和生理过程也有一定的影响; 
①红色会使人的各种器官机能兴奋和不稳定; 
②蓝色、绿色等色调则会抑制各种器官的兴奋并使机能稳定。 
(2)色彩控制应注意的问题 
①应考虑色彩环境与作业安全、视觉工效之间的关系; 
②满足作业环境使人在视觉上产生愉悦的感觉; 
【颜色设计的原则】 
①面对作业人员的墙壁，避免采用强烈的颜色对比; 
②避免过多地使用黑色、暗色或深色; 
③避免有光泽的或具有反射性的涂料; 
④控制台或工作台应为低的颜色对比; 
⑤避免环境中有高饱和色。

体力劳动强度指数是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。体力劳动强度按大小分为4级。（注意临界值）

（一）信息接收
对于信息接收，机器在接受物理因素时，其检测度量的范围非常广，能够正确地检测电磁波等人无法检测的量。
（二）信息处理
按预先编程，可快速、准确地工作。记忆正确并能长时间储存，调出速度快；能连续进行超精密的重复操作和按程序的大量常规操作，可靠性较高；对处理液体、气体和粉状体等比人优越，但处理柔软物体不如人；图形识别能力弱。
（三）信息的交流与输出
机器与人之间的信息交流只能通过特定的方式进行，能够输出极大的和极小的功率，但在作精细的调整方面，多数情况下不如人手，难做精细的调整；
（四）学习与归纳能力
学习能力较差，灵活性也较差，只能理解特定的事物，决策方式只能通过预先编程来确定。
（五）可靠性和适应性
可连续、稳定、长期地运转，但需要适当地进行维修和保养；机器可进行单调的重复性作业；可靠性与成本有关，但对意外事件则无能为力。
（六）环境适应性
能非常好地适应不良的环境条件，可在具有放射性、有毒气体、粉尘、噪声、黑暗、强风暴雨等恶劣的环境、甚至危险的环境下可靠地工作。
（七）成本
一次性投资可能过高，包括购置费、运转和保养维修费；但是在寿命期限内的运行成本较人工成本要低。

（1）在感知方面，人的某些感官的感受能力比起机器来要优越。
（2）人能够运用多种通道接收信息。
（3）具有高度的灵活性和可塑性，采取灵活的程序和策略处理问题。机器应付偶然事件的程序则非常复杂，均需要预先设定，任何高度复杂的自动系统都离不开人的参与。
（4）能长期大量储存信息并能综合利用记忆的信息进行分析和判断。
（5）人具有总结和利用经验，改进工作的能力。机器无论多么复杂，只能按照人预先编排好的程序进行工作。
（6）能进行归纳、推理，归纳出结论，形成概念，并能创造、发明。
（7）人的最重要特点是有感情、意识和个性，具有能动性。

（1）机器能平稳而准确地输出巨大的动力。
（2）机器的动作速度极快，信息传递、加工和反应的速度也极快。
（3）机器运行的精度高，产生的误差随机器精度提高而减小。人的操作精度远不如机器，对刺激的感受也有限，但对操作精度的调整方面优于机械。
（4）机器的稳定性好，做重复性工作而不存在疲劳和单调等问题。
（5）机器对特定信息的感受和反应能力一般比人高。
（6）机器能同时完成多种操作，且可保持较高的效率和准确度。
（7）机器能在恶劣的环境条件下工作。

色彩对人们的生理和心理均会产生一定程度的影响。
色彩的生理作用主要表现在对视觉疲劳的影响。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。
红色色调会使人的各种器官机能兴奋和不稳定，有促使血压升高及脉搏加快的作用；而蓝色、绿色等色调则会抑制各种器官的兴奋并使机能稳定，可起到一定的降低血压及减缓脉搏的作用。

1）疲劳的定义
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；精神疲劳则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得到休息。
2）疲劳产生的原因
（1）工作条件因素：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；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；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）作业者本身的因素：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。

WBGT指湿球黑球温度，是综合评价人体接触作业环境热负荷的一个基本参量，单位为℃。它采用自然湿球温度(tnw)、黑球温度(tg)，以及空气干球温度(ta)计算获得，WBGT指数可按式(1)或式(2)计算：

无太阳辐射时(室内或室外)：

WBGT = 0.7tnw + 0.3tg

有太阳辐射时(室外)：

WBGT = 0.7tnw + 0.2tg + 0.1ta

式中，tnw(自然湿球温度)指将湿球温度计感温部分裹上一层湿纱布，在其自然蒸发(不加额外风力)条件下测得的温度，它不同于通风干湿球温度计的湿球温度;tg(黑球温度)是将温度计置于黑球中部所测得的温度。[1]

根据GBZ2.2-2007《工作场所有害因素职业接触限值 第2部分：物理因素》，工作场所WBGT指数应不超过下表规定的限值。

表1 工作场所不同体力劳动强度WBGT限值(℃)[2]

说明：1、接触时间率指劳动者在一个工作日内实际接触高温作业的累计时间与8h的比率;

2、表中数据适用于本地区室外通风设计温度<30℃的地区，如果本地区室外通风设计温度≥30℃，WBGT限值相应增加1℃。

人机可靠度计算

(1)人机系统组成的串联系统的可靠度可按下式计算：

人机串联系统可靠度：Rs=RH*RM

式中

Rs一一人机系统可靠度;

RH ——人的操作可靠度;

RM 一一机器设备可靠度。

(2)发生异常情况切断电源的可靠度计算

两人监控的人机系统的可靠度计算如下(R1、R2是人的可靠度)：

正常情况(串联)：操作者不切断电源的可靠度RHc=R1*R2

异常情况(并联)：操作者切断电源的可靠度RHb=1-(1-R1)(1-R2)

人机系统可靠度

正常情况下：R"sr= RHc*RM= R1*R2* RM

异常情况下：R´sr= RHb*RM=1-(1-R1)(1-R2) *RM