淺析自動化制造系統(tǒng)中的人機(jī)一體化設(shè)計

王浩　蒲仕洋　蔣恩科

摘要：隨著制造技術(shù)不斷取得進(jìn)步，我們對于自動化制造技術(shù)的研究和應(yīng)用也在不斷深入，其中對于人機(jī)一體化的研究已經(jīng)成為我國制造業(yè)發(fā)展研究的重大課題。本文在大量收集資料的基礎(chǔ)上，對人機(jī)一體化的設(shè)計方法步驟、運行維護(hù)與評價方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：自動化；制造；人機(jī)一體化

自動化制造系統(tǒng)，尤其是柔性自動化制造系統(tǒng)的出現(xiàn)和大量使用，導(dǎo)致使用者與自動化制造系統(tǒng)間的關(guān)系發(fā)生了根本的變化。早期許多自動化制造系統(tǒng)的設(shè)計者，片面追求系統(tǒng)的自動化和無人化，反而降低了系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的運行失敗。沉痛的教訓(xùn)迫使我們重新認(rèn)識人在自動化制造系統(tǒng)中的重要地位和作用，因而提出發(fā)展適度自動化的制造系統(tǒng)——人機(jī)一體化的制造系統(tǒng)。近年來，隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展和我國制造業(yè)的崛起，我國制造業(yè)獲得了一個難得的發(fā)展機(jī)遇。然而，如何根據(jù)中國國情，快速發(fā)展人機(jī)一體化的制造系統(tǒng)，是擺在我們面前的一個難題。下面我們從基本概念、設(shè)計方法、系統(tǒng)運行維護(hù)和人機(jī)一體化評價方法等方面淺析自動化制造系統(tǒng)中的人機(jī)一體化設(shè)計。

1基本概念

20世紀(jì)80年代以來，在全球制造業(yè)市場競爭日益激烈的形勢下，自動化制造系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家以及一些發(fā)展中國家投資的熱點。然而人們過分追求制造系統(tǒng)的自動化和無人化忽略了人在系統(tǒng)中的作用與組織管理職能，使許多高度自動化的制造系統(tǒng)在運行過程中造成意想不到的失敗和損失。過往經(jīng)驗表明，在發(fā)展自動化制造系統(tǒng)的過程中，忽略人的影響因素和作用是不可取的，任何制造系統(tǒng)必定是一個人機(jī)一體化的系統(tǒng)。為此我們給出人機(jī)一體化制造系統(tǒng)的如下定義：人與具有適度自動化水平的制造裝備和控制系統(tǒng)共同組成的一個完整系統(tǒng)，各自執(zhí)行自己最擅長的工作，人與機(jī)器共同作業(yè)，從而突破傳統(tǒng)自動化制造系統(tǒng)將人排除在外的舊格局。

2設(shè)計方法和步驟

人機(jī)一體化設(shè)計并非單一制造設(shè)備的人機(jī)關(guān)系設(shè)計，是適合于所有制造系統(tǒng)的一種通用設(shè)計方法。狹義的人機(jī)一體化設(shè)計是指，對制造系統(tǒng)物理設(shè)備本身人機(jī)界面所進(jìn)行的設(shè)計，強(qiáng)調(diào)人機(jī)功能的合理分配，機(jī)器的操縱控制裝置宜人性設(shè)計，安全裝置設(shè)計及人機(jī)間的作業(yè)匹配設(shè)計，將人機(jī)，關(guān)系設(shè)計的原理和參數(shù)體現(xiàn)在制造設(shè)備的物化界面上。廣義的人機(jī)一體化設(shè)計理論和方法，除狹義人機(jī)一體化設(shè)計的內(nèi)容外，還強(qiáng)調(diào)人、機(jī)器、環(huán)保和社會因素構(gòu)成的大系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)和配合。

人機(jī)一體化設(shè)計的主要步驟體現(xiàn)在定義系統(tǒng)目標(biāo)和作業(yè)要求、系統(tǒng)定義、系統(tǒng)設(shè)計、人機(jī)界面設(shè)計、作業(yè)輔助設(shè)計、系統(tǒng)檢驗和評價6個方面。定義系統(tǒng)目標(biāo)是用規(guī)范性術(shù)語描述自動化制造系統(tǒng)加工的對象和采用的制造設(shè)備，作業(yè)要求是說明為了實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)，系統(tǒng)必須干什么。作業(yè)要求的定義必須包含3個方面：作業(yè)目標(biāo)、評價標(biāo)準(zhǔn)和如何度量。系統(tǒng)定義階段是實質(zhì)性設(shè)計工作的開始，實在系統(tǒng)目標(biāo)和作業(yè)要求提供的框架上進(jìn)行的。接下來的系統(tǒng)設(shè)計階段就是從總體設(shè)計的角度，對制造系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行總體設(shè)計，在設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)考慮到人的影響因素，保證人機(jī)一體化要求與制造系統(tǒng)各組成部分設(shè)計的協(xié)調(diào)一致性。完成系統(tǒng)設(shè)計后，可以進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計，其主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)總體布置與人的作業(yè)空間設(shè)計，信息交互中的人機(jī)界面設(shè)計，物料流處理中的人機(jī)界面設(shè)計，系統(tǒng)運行維護(hù)中的人機(jī)界面設(shè)計。為了獲得高效能的作業(yè)，我們有必要進(jìn)行作業(yè)輔助設(shè)計，作業(yè)輔助設(shè)計包含三大內(nèi)容：適合制造系統(tǒng)特定要求的人員選擇，制造系統(tǒng)操作人員的技能培訓(xùn)和其他輔助作業(yè)設(shè)計。自動化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化設(shè)計，最終需要進(jìn)行系統(tǒng)檢驗和評價，自動化制造系統(tǒng)的檢驗評價是以人的作業(yè)效率和嗯，人通過計算機(jī)實現(xiàn)制造系統(tǒng)的作業(yè)效率為主要驗證評價對象。

3運行與維護(hù)

在人機(jī)一體化制造系統(tǒng)中，特別強(qiáng)調(diào)人在系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用，以及人與機(jī)器系統(tǒng)的有機(jī)協(xié)調(diào)配合，人在系統(tǒng)中的作用一般是監(jiān)控作用。因此人的監(jiān)控能力是自動化制造系統(tǒng)中重要因素的組成部分。如何在監(jiān)控活動中，避免人的操作錯誤是人機(jī)一體化制造系統(tǒng)設(shè)計的另一個重要問題。例如FMS（Flexible Manufacturing System），它盡管采用了計算機(jī)來控制管理整個系統(tǒng)，但最終的決策權(quán)還是在人手里。而人在操作時，由于疲勞、系統(tǒng)復(fù)雜等原因難免會出現(xiàn)操作失誤，因此，在適度自動化的人機(jī)一體化制造系統(tǒng)中，如何化解系統(tǒng)復(fù)雜與設(shè)備代替人做易錯工作的矛盾，合理劃分人機(jī)關(guān)系是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

人機(jī)一體化系統(tǒng)的運行維護(hù)包括作業(yè)安全、疲勞預(yù)防、事故預(yù)防三方面。首先是作業(yè)安全保障問題，自動化設(shè)備的存在降低了工作人員的工作壓力，但也對人機(jī)一體化中的人帶來了不可忽視的潛在安全問題，因此，建立一個完全的安全系統(tǒng)在自動化制造中是十分必要的。自動化制造系統(tǒng)的安全性和采用以下措施保障：系統(tǒng)管理軟件中加入安全防護(hù)控制部分；采用電子、機(jī)械裝置連鎖防護(hù)，確保在軟件出錯時，該防護(hù)也能工作；設(shè)置安全防護(hù)圍欄，鋼絲網(wǎng)罩；機(jī)器人和其他自動運輸設(shè)備的控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計有安全互鎖裝置，防止停機(jī)檢修時的意外啟動和運轉(zhuǎn)；設(shè)置安全標(biāo)志提醒操作人員；對操作人員進(jìn)行安全作業(yè)技術(shù)培訓(xùn)。其次是疲勞預(yù)防問題，人在制造系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控、安全維護(hù)，會產(chǎn)生一定程度的腦力疲勞，而疲勞是一種自我保護(hù)的生理功能，我們要減少疲勞帶來的人為事故，必須創(chuàng)造良好的工作條件和環(huán)境。隨著自動化程度的不斷提高，人的作業(yè)變得單調(diào)乏味，而這樣的工作，不可避免給，操作人員帶來疲勞，當(dāng)疲勞產(chǎn)生時，人的注意力、判斷力、反應(yīng)力、體力均明顯下降，處于這種狀態(tài)的工作人員極易出現(xiàn)操作失誤，所以我們應(yīng)當(dāng)通過創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，簡化操作內(nèi)容，定期變換工作內(nèi)容和崗位等方式來刺激大腦，避免腦力疲勞。最后是自動化制造系統(tǒng)的事故預(yù)防工作，事故的產(chǎn)生原因分為物理條件和人為條件兩方面因素。從物理條件看，人機(jī)功能分配不當(dāng)，設(shè)備工作場所等設(shè)計失誤，缺少必要的安全裝置與防護(hù)裝置，環(huán)境對人造成的心理壓力等導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生事故。但是，從事故案例分析，物理因素引起的事故只占10%左右，人為因素引起的事故才是主要的方面。從人的方面考慮，人員本身操作失誤包括技能不規(guī)范，性格問題，生理心理不規(guī)律，作業(yè)疲勞這些都會極大可能導(dǎo)致事故的出現(xiàn)。綜上所述，在人機(jī)一體化制造系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到人為因素對安全性的影響，位工作人員提供優(yōu)秀的人機(jī)界面和良好的工作環(huán)境。

4人機(jī)一體化評價

對于人機(jī)一體化系統(tǒng)這樣一個多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)，需要全面地進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析與評價，評價方面多種多樣，例如總體模糊綜合評價法，人體模型評價法，圖表法。其中檢核表式人機(jī)工程評價法運用最廣，它可以系統(tǒng)地分析系統(tǒng)中作業(yè)效率、安全性、可靠性的影響因素，為設(shè)計提供最佳方案。檢核表式人機(jī)工程評價法主要體現(xiàn)在五個方面：自動化制造系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)定義的評價，人機(jī)功能分配評價，人員作業(yè)要求評價，人機(jī)界面設(shè)計評價，運行與維護(hù)評價。有了評價內(nèi)容，我們就可以建立一個評價模型來得出評價結(jié)果。評價模型需要是綜合性比較強(qiáng)的，這樣才能全面地反映出這個制造系統(tǒng)的實際分值。

5結(jié)語

人機(jī)一體化設(shè)計是是目前現(xiàn)代業(yè)發(fā)展的主要方向，優(yōu)化良好的人機(jī)一體化制造系統(tǒng)，它能極大地解放人們的生產(chǎn)力，提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更大的利潤和收益。在未來制造業(yè)的發(fā)展中，人機(jī)一體化自動制造是主流發(fā)展方向，而致力于優(yōu)化人機(jī)界面設(shè)計和人機(jī)功能分配將依然是人機(jī)一體化系統(tǒng)的主要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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