基于人机工程学的工业设备人机界面安全分析

景国勋，张 迪

（河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作454003）

基于人机工程学的工业设备人机界面安全分析

景国勋，张 迪

（河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作454003）

根据人机工程学的基本理论和相关资料、统计数据，对影响人机界面安全的相关因素进行了分析研究，说明人机界面是工业设备系统的重要环节，人机界面的安全设置和安全性能对工业设备安全运行有重要影响，而人机界面的安全性主要由显示器和控制器决定．人机界面的设置应当充分考虑操作、使用人员的行为特性和心理特性．

人机工程；人机界面；界面安全；人机交互

人机界面（HMI，Human Machine Interface）是人与机器相互传递信息的媒介，是人获得机器信息并发出控制动作的平台．在人机系统中，与人机界面相关的子系统可分为3个，分别是人体系统、机器系统和环境系统，其相互关系如图1所示［1］．

图1 人机系统的相互关系图

人机系统是人体、机器和环境3个子系统的交集，而人机界面是人与机器子系统的交集．人机子系统信息传递准确、动作交互匹配、运行状态稳定，就可以通过人机界面来实现整个人机系统的安全．

人机界面的安全分析就是对人机界面中存在的危险进行分析．危险包括机器软硬件故障、不安全的操作空间、人为失误等各种不安全因素．安全分析的目的是查清安全隐患，研究解决办法．

1 人机界面的交互模式

在与人机界面相关的3个子系统中，机器系统的显示器和控制器是人机交互的物质基础，是人机系统安全运行的关键平台．而人体系统和环境系统是设计、制造机器系统时必须考虑的最终依据和重要条件．人机界面的构成和交互作用如图2所示．

图2 人机界面的构成和交互图

作为构成人机界面的人体，是人机系统的认识主体和服务对象，人通过视觉、听觉、触觉等感受器官接收机器发出的运行信息，经过大脑的分析、判断和决策，作出反应，并通过手、脚等运动器官发出控制信号和直接做出操纵动作．任何机器的设计、制造、使用、控制、管理等，都必须适应人的生理、心理特性，保证人的安全．在人机系统中，人的安全永远是第一位的．

机器泛指各种工业产品，与人机工程学概念中的“机”具有相同内涵，既包括硬件，也包括软件．反映机器系统运行状态的终端界面是显示器，具体形式是各种显示屏、仪表、信号灯、标志符号、图形、蜂鸣器、报警器、震动器、特殊气味等．接收控制指令的界面是控制器，可以通过按钮、手柄、踏板、触摸屏、选择开关等实现对操作指令的接收．机器是人机系统的工作主体和物化对象，根据人机系统中人和机的交互关系，机器的信息显示界面相当于人的信息接收界面，而机器的控制界面相当于人的操纵信息发出界面．机器的显示器和控制器集中完成机器信息与人体信息的编码和译码过程，实现人与机器的交互．所以，对人机界面的设计和研究，要靠机器系统的显示器和控制器来实现．

环境子系统中影响人机交互的要素有空间尺度、温度、湿度、亮度、噪声干扰度等．环境要素对机器界面的工作可靠性、信息传递乃至使用寿命都会产生影响，而对人的生理、心理影响则更为重要，其影响作用通过信息接收和决策环节，影响控制信号和操纵动作的准确性、稳定性．

人机界面的安全可靠，既是人机系统运行状况的信息反馈，也是人机系统安全可靠的重要保证．

2 人机界面信息交互的安全性

人机界面是人机信息交互的接口，涉及人体特性、机器特性和环境因素三者的协调匹配，其安全分析是安全工程、系统工程、计算机工程、生理学、心理学、管理学等多个学科的集成．所以，分析人机界面安全性的出发点是人机界面的关键环节——机器系统的显示器和控制器，并且充分考虑人体因素和环境因素的影响．

2．1 显示器的安全性

人体接收信息的主要感觉通道是视觉和听觉，在特殊情况下也使用触觉、嗅觉等感官．适应人的感觉特性，机器信息的主要显示方式可分为视觉显示、听觉显示、触觉显示、嗅觉显示等，其中以视觉和听觉显示的应用最为广泛，视觉显示器所占比例最大［2］．

2．1．1 视觉显示器

视觉是人最重要的感觉器官．研究显示，外界信息的80%以上依靠人的视觉获得，而且人对自己接收的视觉信号有心理信任感，所谓“眼见为实”就是人的一个基本特性．机器对人体进行视觉显示的方式有多种，按显示技术的不同，可分为机械显示、电子显示、荧光显示等；按显示物体类别的不同，可分为仪表显示、屏幕显示、灯光显示等；还有按数字显示、模拟显示分类的．

视觉显示器的安全性体现在其功能是否完全、准确地得到实现．视觉显示器的功能可分为定量、定性和警告3种：定量功能可以准确显示机器运行过程各种参数的变化；定性功能显示机器的大概状态和变化趋势，关注机器工作状态处于某个区域；警告功能具有明显的视觉刺激，一般分为两级：第一级为预告，显示机器运行接近临界状态；第二级为最高级别的警告，表明机器已经进入随时发生突变的状态．

2．1．2 听觉显示器

利用声音进行人机间的信息交互，多以听觉显示器为载体，并且是从机器向人单向传递的，如各类报警铃音、提示语音等．由于人的听觉具有反应快、能感知方向、音域及声音编码范围广、不受照明条件和物体障碍的限制等特性，而且声音有强迫人注意的特点，所以声音显示信息的应用范围很广．随着电子语音技术的发展，听觉显示的应用领域将进一步扩大．

听觉显示器的安全性要按硬、软件系统进行分析．除了相关器件可靠和触发机构稳定敏感外，代表机器运行状态的声音编码方案还要与人的听觉特性匹配，才能正确无误地完成显示功能．

2．2 控制器的安全性

控制器的功能是将人的操纵信息传输给机器，与显示器配合构成联系人机的界面．控制器的可靠性和有效性，直接关系到人机系统的安全．设计合理的控制器可使人准确、迅速、安全地对机器进行操纵，并增加人的舒适度，减少紧张和疲劳．而控制装置的不合理设计则会造成许多事故．从我国某年度交通事故的统计资料可见，在车辆机械故障造成的交通事故中，因控制器故障造成的事故占事故总数的76．23%，见表1［3］．

表1 某年度交通事故中机械故障分类统计表

人机工程学对安全控制的基本要求是：人能够将操纵信息传递给机器，保证信息顺利通过人机界面，同时保证人在操作时的安全、舒适和方便．因此，控制器除了完成对机器的基本控制功能外，还必须充分考虑人的生理、心理因素，在控制器的形式、位置、方向、精度、作用力等参数上适合人的生理特点和心理习惯［4］．

按功能划分，控制器可分为开关控制器、转换控制器、调整控制器、制动控制器等；按动作形态划分，控制器可分为旋转式、移动式、按压式、摆动式、触摸式等；按操纵方式划分，控制器可分为手动、脚动、声控、语言控制等类型，其中手动、脚动两大类型应用最普遍．

2．2．1 手动控制器

在人的肢体中，手的动作最灵敏，所以手动操作在机器控制中所占比例最高．手动控制器可分为3类：旋转式控制器、移动式控制器、按压式控制器．

在工业设备上，机器信息显示和人对机器的操作通常是同步进行的，因此控制器和显示器要遵循相容性原则，一般设置在同一个面板上；人机界面的操作环境要尽量适合于人的生理、心理习惯，减少操作者的信息加工量和疲劳度；与安全有关的操作元件，应有防止误操作设计，提高安全性能．

2．2．2 脚动控制器

脚动控制器一般用于机器系统的快速接通、断开和启动、停止，适用于操纵力较大、对位置精度要求不高的场合以及操控动作频率较高的场合．根据脚的生理特点，坐姿时脚的操纵力远大于手，所以控制力大于50 N的多数场合要采用坐姿操作，并且对于操纵精度要求相对较高的机构宜采用右脚操作．脚动控制器一般有脚踏板、脚踏钮、脚踏键等方式．

2．2．3 其他控制器

随着科学技术的进步，已经出现了新类型的控制器，如光控、声控以及高科技的眼睛随动和语音控制，但它们的应用范围目前较小，有的尚处于试验阶段．

2．3 人体和环境系统的安全性

人机系统最重要的工作形式是人与机器的匹配．为了获得人机系统的最高效能，除了机器本身的可靠度指标要高以外，还要求操作者技术熟练、机器要适合人的生理、心理需要，即人的操作可靠度指标也要高．

人机系统的可靠度RS与机器设备的可靠度RM和人的操作可靠度RK有以下关系［5］：

机器的可靠度RM由机械工程决定，在机械产品设计制造时已经确定，在人机系统运行中基本不变．所以，人机系统的可靠度主要随人的操作可靠度变化而变化．也就是说，一台可靠度很好的机器，会因为人的操作可靠度差，而使整个人机系统可靠度降低，不仅效率降低，甚至会造成事故．

例如，在公路交通人机系统中，人的过失行为是造成交通事故的主要原因，占交通事故总数的95．30%，见表2．其中人的因素分类见表3［3］．

表2 交通事故成因分类

表3 交通事故中人的因素分类

通过对人与机器的功能进行对比可知，人机系统中人的可靠性低于机器．人具备自由行动和随机应变的能力，在面临安全事故的关键时刻，如果处理得当，可能避免伤害的发生．然而，正是由于人具有这种自由度，在应对突发事件或操作系统日常运行时，也不可避免地会产生失误，这就是人具有的不稳定性．人的不稳定性会直接降低人机系统的可靠性，这是系统安全运行必须解决的问题．

引发人的不稳定性的因素很多，情况十分复杂，与个体生理、心理、企业管理、物理化学环境、个人素质、操作工艺设计乃至社会家庭等因素都可能有关［6］．

对人机系统安全性产生影响的还有环境因素．环境因素对人体系统的影响有：操作者对新环境和作业不适应；由于温度、气压、供氧、照明等条件的变化使运行环境不符合要求；振动和噪声引起操作者生理、心理上的不舒适等．环境因素对机器系统的影响有：设备受到强烈振动和冲击下的可靠性下降；严酷气温下机器设备的温度控制难度加大；电磁干扰下电控设备的电子性能下降；化学腐蚀性气体、液体对机器设备的危害等．环境因素涉及多种学科，在机器设备的安全设置上必须综合考虑，使人机系统在复杂环境下具有高可靠性．

3 实现人机界面安全的措施

人机界面的安全性是个系统工程，应当根据构成人机界面的机器软、硬件系统特性、操作人员的生理、心理特性和工作环境综合分析，按照预定的标准进行比较评价和设计制造，使界面的形式、可使用性、准确性、适宜性等因素达到最优，实现人机界面的安全运行．

3．1 显示器的安全措施

人机界面的显示器一般要综合运用视觉、听觉等人体感觉通道，达到高可靠性、高工效的安全目标．显示器的设计或选择，要根据不同的工作场合和工作要求来确定［7］．对视觉显示器来说，安全原则如下：

（1）减少认读失误率．尽可能提高显示器中数字、指针、刻度、颜色等显示元素的认读率，用尽量简单明了、直接的方式显示所传达的信息，使人能够快速辨别，准确认读，不易失误，不易疲劳．

（2）最少的认读时间．使用与信息精度要求一致的显示精度．显示器布局对减少认读时间也有重要作用．根据实验，在距离显示器版面80 cm时，在眼球水平视野20°范围内，认读范围效果最佳，其正确认读时间约为1 s；水平视野超出24°后，认读时间开始急剧增加［2］．

（3）降低训练难度．采用与操作人员操作能力及习惯相适应的信息显示形式，减少受习惯干扰而造成解读不同的差错．

（4）人机工作匹配．采用的显示技术和显示方法，与照明、速度、振动、操作位置、运动等观察条件相匹配，使显示变化速度与操作者的反应能力相适应．

（5）显示器版面的最佳布局．信号灯的位置应当在良好的视野范围内，使操作者易于发觉，避免转动头部和躯干才能发现信号灯的情况．

音响显示器在安全人机系统中具有特殊价值．其一般设计原则是：在有背景噪声的场合，要把音响显示器的频率选在噪声掩蔽效应最小的范围内；在音响绕过障碍物或穿透隔墙的时候，要选择低频率的音响显示器；在需要证实报警信号达到应有效果的场合，要设置接收反馈信息的装置，并保持信号传递的连续性．

3．2 控制器的安全措施

控制器在工作时，影响安全性的问题除了本身软、硬件故障外，还有很多事故是人的误操作或不作为引起的．这其中既与操作者缺乏训练、经验不足或注意力不集中有关，也与控制系统的设计运行没有充分考虑人机协调性有关．因此，充分重视控制系统中人机协调性，是减少操作失误、提高工效、保障安全生产的关键．

对工业设备的人机系统来说，人为操作失误可以分为以下几种类型：置换错误、调节错误、逆转错误和无意错误［7］．为防止人的误操作，应采取以下措施：

（1）使人机界面更加宜人．从人机工程学角度消除不适因素，创造适合于感觉器官和动作器官的条件，增加判断和识别所需的标志等．

（2）注意人的意识状态．重视人的生物节律变化，保持人处于较高的意识水平，防止过度疲劳．

（3）改善工作环境．尽量改善易于诱发误操作的环境条件．

（4）建立操作人员培训制度，并提高个体之间的协作精神等．

4 结 语

人机界面是人与机器交换信息的重要接口，是人机系统安全运行的关键环节，如果设计、设置不当，使人机不能良好匹配，将会直接导致事故发生．根据人机界面的安全分析，在进行人机界面设计、设置时，必须重点考虑人的生理、心理因素，协调人机关系，使人体在对显示器长时间观察、监听时不会疲劳，在对控制器操作时有适宜力度而不感沉重．控制器和显示器应尽量少而集中，配置合理，且设置有齐全的安全保护软、硬件措施，即使偶发误操作，也不可能引发重大事故．

［1］席巍．人机界面组态与应用技术［M］．北京：机械工业出版社，2010．

［2］刘伟，庄达民，柳忠起．人机界面设计［M］．北京：北京邮电大学出版社，2011．

［3］宁世发，冯忠祥．道路交通事故成因分析［J］．交通标准化，2006（10）：152－155．

［4］刘景良，杨立全，朱虹．安全人机工程［M］．北京：化学工业出版社，2000．

［5］张宇红．人机工程与工业设计［M］．北京：中国水利水电出版社，2011．

［6］田水承，景国勋．安全管理学［M］．北京：机械工业出版社，2009．

［7］张峻霞，王新亭．人机工程学与设计应用［M］．北京：国防工业出版社，2010．

The Security Analysis on Man－machine Interface of Industrial Equipment Based on Ergonomics

JING Guo－xun，ZHANG Di
（Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）

Based on the basic theories of ergonomics，relevant documents and statistics，related factors which affect the safety of human－machine interface are analysed．It is proved that the human－machine interface is an important part in industrial equipment system and the security setting and performance of it plays a significant influence on safe operation of industrial equipments．However，it is both monitor and controller that determine the safety of man－machine interface．Therefore，the setting of human－machine interface should take the personnel’s behavioral and psychological characteristics into consideration．

ergonomics；human－machine interface；interface security；human－machine interaction

X931

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．013

1671－6906（2012）01－0053－04

2012－02－06

景国勋（1963－），男，河南许昌人，教授．