安全人机工程第三章课件

安全人机工程第三章人机系统设计与评价课程导航0102人机系统设计原则作业环境设计以人为本的设计理念与核心原则空间、照明、噪声与温湿度优化0304人机界面设计系统可靠性评价显示系统、控制设备与报警机制定性定量分析与风险评估方法05事故人因分析小结与展望典型案例剖析与经验教训总结人机系统设计原则概述

3.1人机系统设计是安全工程的核心环节必须以人为本充分考虑人体生理和心理特性优秀,,的人机系统设计能够显著降低人为失误率提升作业安全性和工作效率,设计的本质在于协调人机环境三要素之间的关系通过科学的匹配与优化实现系统--,,整体性能的最大化这要求设计者不仅要关注技术层面的实现更要深入理解人的能力极,限、行为特征和认知规律良好的人机系统设计应当兼顾安全性、效率性与舒适性三大目标,在保障操作人员安全的前提下,追求最优的工作绩效和使用体验人机系统设计的四大核心原则适应性原则一致性原则设计应适应不同用户的体型特征、能力水平和操作习惯考虑人体尺寸界面布局、操作逻辑、符号标识应保持高度统一降低用户的学习成本,,的第至第百分位范围确保绝大多数使用者都能安全舒适地操作设和认知负荷相同功能采用相同的交互方式减少混淆和误操作595,,备反馈原则容错原则系统应为每个操作提供及时、明确、易于理解的反馈信息帮助用户准设计应容许一定程度的人为失误通过冗余设计、防误装置和二次确认,,确判断操作结果和系统状态建立良好的操作信心机制防止单一错误导致严重后果提高系统的鲁棒性,,,人机系统的三要素协调人的因素机的因素环境因素•生理特性与能力极限•设备性能与技术参数•物理环境光、声、热认知过程与决策模式界面设计与交互方式空间布局与工作区域•••情感状态与心理负荷可靠性与维护性组织管理与安全文化•••技能水平与经验积累自动化程度与智能水平社会心理环境•••作业环境设计基础

3.2作业环境是影响人体健康与工作效率的关键因素科学合理的环境设计能够减少职业病发生率,提升员工满意度,降低事故风险环境设计需要综合考虑多个维度的因素空间布局照明设计设备排列、通道宽度、作业区域划分应符合人体工学原理和安全疏散要求提供充足均匀的光照,避免眩光和阴影,满足不同作业的视觉需求噪声控制温湿度调节将噪声水平控制在安全标准范围内,保护听力健康,减少干扰维持适宜的温度和湿度,创造舒适的工作条件,提高作业效率振动控制空气质量减少设备振动对人体的影响,防止长期暴露导致的健康损害确保良好的通风换气,控制有害物质浓度,保障呼吸安全设计目标:创造安全、舒适、无害的工作环境,最大限度地发挥人的潜能,同时保护人的身心健康空间布局设计的关键要素设备配置与间距通道设计与疏散人体工学区域划分合理安排设备位置,确保操作空间充足设主通道宽度不小于

1.5米,次通道不小于1米,根据操作频率和重要性划分工作区域:最佳作备间距应考虑人体活动范围,一般操作区域紧急疏散通道应保持畅通无阻合理设置业区肘关节活动范围内、正常作业区前臂保持60-80厘米的活动空间,避免过度伸展安全出口和疏散指示,确保紧急情况下人员伸展范围、最大作业区手臂完全伸展或频繁弯腰导致的肌肉骨骼损伤能够快速安全撤离实践案例某汽车制造厂对装配线进行空间优化将工具放置在最佳作业区内缩短了操作人员的取放距离改造后作业效率提升工人疲劳度降低:,,,22%,轻微工伤事故减少35%,40%照明与噪声控制标准照明设计要求噪声控制标准良好的照明系统应满足以下标准根据《工业企业噪声卫生标准》::照度水平精细作业一般作业粗糙作业一般作业场所不超过:500-1000lux,200-500lux,:85dBA100-200lux精密作业不超过:70dBA均匀性工作区域照度均匀度不低于避免明暗对比过大:

0.7,办公环境昼间夜间:50dBA,45dBA眩光控制避免直接眩光和反射眩光灯具配备遮光罩或漫射板:,休息区域不超过:60dBA显色性显色指数应大于确保颜色识别准确:Ra80,控制措施包括:频闪控制采用高频电子镇流器消除可见频闪:,声源控制选用低噪声设备定期维护

1.:,传播途径控制隔音墙、吸音材料、减震装置

2.:个体防护为员工配备合格的护耳器

3.:作业环境优化实例改造前的问题改造后的效果照明不足局部阴影严重采用照明照度提升至•,•LED,500lux设备布局混乱通道狭窄重新规划布局通道宽度达米•,•,

1.8噪声超标达安装隔音设施噪声降至•92dBA•,78dBA•工人反映视觉疲劳和听力下降•员工满意度提高48%•年度事故率较高•事故率下降40%人机界面设计原则

3.3人机界面是人与机器交流信息的桥梁是人机系统设计的核心环节优秀的界面设计能够提高信息传递效率减少认知负荷降低操作失误率界面设计需,,,要综合考虑人的感知能力、认知特点和操作习惯显示布局控制设备信息层次清晰重要信息突出显示符合人的视觉扫描习惯采用分按钮、开关、旋钮等控制器的形状、大小、位置应符合人体工学操作,,,组、色彩编码等方式组织信息提高识别速度力度适中手感舒适防止误操作,,,操作逻辑报警系统交互流程简洁直观符合用户的心理模型常用功能易于访问复杂操多通道报警视觉、听觉、触觉信息准确及时区分报警等级避免报,,,,,作提供引导和帮助警过载导致的疲劳和麻痹设计目标实现人机之间高效、准确、安全的信息交换支持操作人员快速做出正确决策:,显示系统设计的黄金法则信息层次化视觉突出符号标准化将信息按重要性分为三级关键信息、常用信重点信息使用高对比度显示关键参数动态更采用国际通用或行业标准符号确保不同文化:,,息、辅助信息采用字体大小、颜色深浅、位新时使用闪烁或变色提示遵循色彩心理学原背景的用户都能理解图形符号优于文字说置布局来区分层次则:红色表示危险,黄色表示警告,绿色表示正明,直观易懂常航空工业的成功经验现代航空驾驶舱采用玻璃座舱设计将传统机械仪表替换为多功能显示器通过优化信息布局和显示逻辑飞行员的信:,,息获取效率提升决策时间缩短飞行事故率降低60%,40%,30%控制设备的人机工学设计设计要点与规范位置与布局常用控制器放置在最佳作业区内紧急控制器位置醒目且易于快速操,作控制器排列应符合操作顺序和功能关联性尺寸与间距按钮直径开关操作行程旋钮直径12-25mm,3-10mm,20-50mm相邻控制器间距不小于防止误触20mm,操作力度按键操作力开关操作力旋钮扭矩力度适中1-3N,3-10N,

0.5-2N·m,提供明确的触感反馈防误操作设计关键操作采用防护罩、双手操作或二次确认机制急停按钮采用红色蘑菇头设计凸出且易于拍击,实践建议定期收集操作人员的反馈意见通过可用性测试验证设计方案持续优化控制器的布局和参数:,,报警系统的多层次设计12报警分级多通道反馈一级报警紧急红色闪烁急促声音振动要求立即响应二级报警重结合视觉屏幕显示、指示灯、听觉警报声、语音提示和触觉振:++,要黄色闪烁间歇声音需尽快处理三级报警提示蓝色常亮单次动、力反馈多种方式确保在不同环境下都能有效传递警报信息:+,:+,提示音可延后处理,34信息内容防疲劳设计报警信息应包含异常类型、发生位置、严重程度、建议措施采用避免过度报警导致的报警疲劳设置合理的报警阈值提供报警确:,简洁明了的语言避免专业术语造成理解障碍认和屏蔽功能记录报警历史供事后分析,,智能化人机界面的演进随着技术进步人机界面正在向智能化、自适应方向发展现代界面整合了多种先进技,术为操作人员提供更加友好和高效的交互体验,触控交互增强现实语音控制多点触控屏幕支持手势操AR技术将虚拟信息叠加语音识别技术使操作人员作缩放、旋转、滑动等到真实场景为维修、培能够解放双手通过语音指,,,自然交互方式降低学习成训提供实时指导令完成部分操作本人机系统可靠性评价

3.4可靠性是衡量人机系统安全性的核心指标直接关系到系统的稳定运行和事故预防系统可靠性不仅取决于设备本身的技术性能更受到人为因素的重要,,影响科学的可靠性评价能够帮助识别系统薄弱环节提出针对性改进措施,确定评价目标数据收集明确系统边界、评价指标和可接受风险水平收集故障数据、维护记录和操作日志持续监控可靠性分析跟踪系统性能,验证改进效果采用定性和定量方法进行综合分析改进措施风险评估制定并实施可靠性提升方案识别关键风险点,评估失效后果可靠性评价的关键指标MTBF MTTRAλ平均无故障时间故障率平均修复时间可用度Mean TimeBetween Failures,单位时间内发生故障的概率,通常用Mean TimeTo Repair,从故障发Availability=衡量系统连续运行的稳定性数值越每小时故障次数表示是可靠性的直生到系统恢复正常的平均时间反映表示系统,,,MTBF/MTBF+MTTR,大表示可靠性越高接度量系统的可维护性处于可用状态的时间比例综合可靠度计算对于串联系统系统₁₂对于并联系统系统₁₂实际系统往往是串并:,R=R×R×...×R;,R=1-1-R×1-R×...×1-Rₙₙ联混合结构需要分步计算,故障树分析方法实战FTA分析步骤化工厂案例分析某化工企业对反应釜安全系统进行故障树分析:确定顶事件顶事件:反应釜超压爆炸选择需要分析的系统故障或事故中间事件:压力失控、安全阀失效、监测失灵基本事件:温度传感器故障、压力表失准、操作失误、维护不当构建故障树分析结果:自顶向下分析,找出直接原因和基本事件•识别出5条最小割集关键故障路径•计算顶事件概率为

3.2×10⁻⁴/年定性分析•发现温度传感器和操作失误是重要性最高的因素找出最小割集,识别关键故障路径改进效果:更换高可靠性传感器,加强操作培训,增加冗余监测改进后系统可靠度提升15%,事故风险降低42%定量计算计算顶事件发生概率,评估风险等级提出对策针对薄弱环节制定改进方案故障树分析的逻辑门符号基本逻辑门特殊逻辑门与门所有输入事件都发生时输条件门输入事件在特定条件下才导致输AND:,:出事件才发生用于表示需要多个条件出事件同时满足的情况优先与门输入事件按特定顺序发生时才:或门OR:任一输入事件发生,输出事件导致输出就发生表示多个独立原因中任何一个禁止门在某种条件下阻止输入事件导致:都可导致结果输出非门输入事件不发生时输出事件NOT:,发生用于表示保护或阻止机制失效人为失误对系统可靠性的影响研究表明人为因素导致约的工业事故是影响人机系统可靠性的最重要因素人的不可靠性源于生理和心理的复杂性以及环境和组织因素的影,70%,,响操作失误判断失误违反操作规程、步骤遗漏、动作错误误读信息、决策错误、风险低估心理因素注意力分散压力过大、情绪波动、习惯性违章疲劳、单调作业、多任务干扰知识缺陷沟通失误培训不足、经验缺乏、技能生疏信息传递不清、理解偏差、协调不当设计对策通过改善人机界面、优化作业流程、加强培训管理、建立冗余机制等综合措施可以有效降低人为失误的发生概率和影响程度:,典型事故中的人因分析

3.5案例一:矿井瓦斯爆炸事故事故经过:某煤矿在夜班作业时发生瓦斯爆炸,造成12人死亡,18人受伤调查发现,瓦斯浓度监测系统曾多次报警,但操作人员未能正确理解和及时响应人因分析1疲劳作业:事故发生在凌晨3点,正值人体生理低谷期,操作人员注意力和反应能力下降界面缺陷:监测系统报警信息不够直观,报警级别区分不明显,在多个报警同时出现时容易混淆培训不足:操作人员对瓦斯超限的危险性认识不足,未能准确判断报警的严重程度程序缺陷:应急处置流程不清晰,在紧急情况下操作人员不知道该采取什么措施改进措施:重新设计监测系统界面,采用分级报警和强制响应机制;加强夜班人员配置,实行轮换制度;完善应急预案并定期演练案例二:航空事故驾驶舱设计缺陷事故经过:某航班在降落过程中发生坠毁,事故调查发现,驾驶员在处理多个同时出现的系统报警时出现混乱,误操作导致飞机失控人因分析2信息过载:驾驶舱控制面板布局复杂,多达数百个仪表和开关,在紧急情况下难以快速定位关键信息报警泛滥:系统同时触发了20多个报警,声光信号混杂,驾驶员无法识别最关键的问题操作逻辑混乱:部分控制器的操作方向与直觉相反,在压力下容易出现错误反应自动化程度过高:驾驶员过度依赖自动驾驶系统,在系统故障时手动操控能力下降行业改进:航空业全面推行玻璃座舱设计,整合显示信息,简化操作逻辑同时加强飞行员的手动操控训练,平衡自动化与人工操控的关系事故人因分析的核心教训界面设计至关重要环境因素不可忽视系统可靠性需综合考量人机界面的设计质量直接影响操作安全信息作业环境的舒适度与操作人员的警觉性密切相系统可靠性不仅取决于技术可靠性,更受人为显示不清晰、控制逻辑混乱、报警设计不当都关疲劳、噪声、照明不足等环境因素会降低因素影响必须将人的可靠性纳入系统设计,可能在关键时刻导致严重后果界面设计必须人的感知能力和判断能力,增加失误概率改通过培训、流程优化、冗余设计等多种手段,以用户为中心,充分考虑紧急情况下的人的能善作业环境是预防事故的基础性工作降低人为失误对系统的影响力和限制预防为主事故分析的最终目的是预防未来事故通过深入的人因分析找出系统的薄弱环节采取针对性措施才能真正提高安全水平:,,,本章知识体系总结

3.6核心理念1以人为本设计原则2适应性一致性反馈性容错性关键要素3人机系统作业环境交互界面可靠性实践方法4空间设计照明控制显示优化报警配置故障树分析持续改进5事故分析风险评估人因研究技术创新标准制定培训教育人机系统设计是一个系统工程,需要综合考虑人体特性、环境因素、技术能力和管理水平只有将理论知识与实践经验相结合,持续优化改进,才能真正实现安全、高效、舒适的人机协同核心知识点回顾人机系统设计原则人机界面设计要点适应性原则设计适应不同用户群体信息层次清晰重点突出:•,一致性原则:界面和逻辑保持统一•控制器符合人体工学反馈原则:提供及时明确的反馈•操作逻辑简洁直观容错原则:容许失误并防止扩大•报警系统分级明确作业环境设计要点可靠性评价方法空间布局合理通道畅通定性分析故障树、事件树•,•:照明充足均匀避免眩光定量分析概率计算、统计分析•,•:•噪声控制在标准范围内•综合评价:MTBF、故障率、可用度温湿度适宜空气质量良好持续改进风险监控、措施验证•,•:思考与讨论问题一:安全与效率的平衡问题二:人机界面创新技术问题三:智能化时代的人机工程在实际工程项目中,如何在保证安全的前触控屏、语音控制、手势识别、增强现实在人工智能、物联网、大数据等技术广泛提下最大化工作效率是否存在安全与效等新技术在人机界面设计中有哪些应用前应用的背景下,人机工程学面临哪些新的率的矛盾请结合具体案例讨论景这些技术可能带来哪些新的安全挑战课题和挑战人的角色将如何变化作业环境设计实践要点空间布局优化照明系统设计噪声振动控制设备合理配置,通道宽度符合标准,人体活动空间照度水平满足作业需求,均匀性良好,消除眩光和从声源、传播途径、接收者三方面综合控制选充足紧急疏散路线畅通考虑人体尺寸的第阴影显色性优良频闪控制到位定期维护保证用低噪声设备安装隔音吸音设施配备个人防护,5-,,,,95百分位,确保适用性性能用品人机界面设计核心技能信息架构设计交互逻辑设计将复杂信息进行分类、分层、分组建立清晰的信息层设计符合用户心理模型的操作流程减少步骤降低认,,,次结构支持用户快速定位所需信息知负荷提供及时反馈和错误恢复机制,,1234视觉设计优化可用性测试运用色彩、字体、图标、布局等视觉元素突出重点信通过用户测试发现设计问题收集反馈意见持续迭代,,,息引导用户视线提升界面美观度优化确保界面真正满足用户需求,,,人机工程设计完整流程需求分析明确设计目标,分析用户特征,识别关键任务,确定约束条件概念设计提出多个设计方案,评估优劣,选择最佳方案进行细化原型开发制作低保真或高保真原型,快速验证设计思路测试评估进行可用性测试和安全性评估,发现问题并改进实施部署正式投入使用,提供培训,收集使用数据持续优化根据用户反馈和性能数据,不断改进完善未来发展趋势与展望随着科技进步和工业升级安全人机工程学正在迎来新的发展机遇和挑战智能化、数字化、网络化的趋势正在深刻改变人机关系和工作模式,智能人机交互AI辅助设计工业

4.0融合自然语言处理技术使人机对话更加流畅机器学习优化界面布局和交互流程数字孪生技术模拟人机系统•••手势识别和眼动追踪提供新的交互方式智能系统提供主动安全保护物联网实现全面感知和控制•••脑机接口技术展现未来可能性预测性维护减少设备故障大数据分析支持科学决策•••情感计算使系统能感知用户状态虚拟现实支持培训和演练协作机器人与人协同作业•••面临的挑战技术进步带来便利的同时也产生了新的安全风险如何在高度自动化的环境中保持人的能力如何防范网络安全威胁如何应对人工智能的:,,,不确定性这些都是未来人机工程学需要解决的重要课题,推荐学习资源教材与专著学术期刊与会议在线资源与工具王保国等《安全人机工程学》机械工《》人因工程学顶人机工程学仿真软件•,,•Human Factors-•:Jack,RAMSIS,业出版社,2020年级期刊CATIA Human董陇军主编《安全人机工程学》机械《》国际知名人机工程可用性测试工具•,,•Ergonomics-•:UserTesting,工业出版社,2023年学期刊Hotjar,Optimal Workshop赵江平《安全人机工程学》西安电子《中国安全科学学报》国内权威期刊设计规范•,,•-•:ISO9241,GB/T16251,科技大学出版社,2019年国际人机工程学协会年会MIL-STD-1472•IEA《设计心理学》开放课程•Donald Norman,•:MIT OpenCourseWare,The Designof EverydayThings Coursera人机交互课程谢谢聆听欢迎提问与交流安全人机工程学是一门理论与实践紧密结合的学科需要我们在学习中不断思考在实践,,中持续探索希望通过本章的学习大家能够掌握人机系统设计的基本原理和方法树立,,以人为本的安全理念期待大家在未来的学习和工作中将所学知识应用于实际工程项目为创造更加安全、高,,效、舒适的作业环境贡献自己的力量让我们共同推动安全人机工程领域的创新与发展!。