淺析自動化制造系統中的人機一體化設計

王浩　蒲仕洋　蔣恩科

摘要：隨著制造技術不斷取得進步，我們對于自動化制造技術的研究和應用也在不斷深入，其中對于人機一體化的研究已經成為我國制造業發展研究的重大課題。本文在大量收集資料的基礎上，對人機一體化的設計方法步驟、運行維護與評價方面進行了分析。

關鍵詞：自動化；制造；人機一體化

自動化制造系統，尤其是柔性自動化制造系統的出現和大量使用，導致使用者與自動化制造系統間的關系發生了根本的變化。早期許多自動化制造系統的設計者，片面追求系統的自動化和無人化，反而降低了系統運行的可靠性和經濟性，最終導致系統的運行失敗。沉痛的教訓迫使我們重新認識人在自動化制造系統中的重要地位和作用，因而提出發展適度自動化的制造系統——人機一體化的制造系統。近年來，隨著全球制造業的快速發展和我國制造業的崛起，我國制造業獲得了一個難得的發展機遇。然而，如何根據中國國情，快速發展人機一體化的制造系統，是擺在我們面前的一個難題。下面我們從基本概念、設計方法、系統運行維護和人機一體化評價方法等方面淺析自動化制造系統中的人機一體化設計。

1基本概念

20世紀80年代以來，在全球制造業市場競爭日益激烈的形勢下，自動化制造系統的研發和應用成為工業發達國家以及一些發展中國家投資的熱點。然而人們過分追求制造系統的自動化和無人化忽略了人在系統中的作用與組織管理職能，使許多高度自動化的制造系統在運行過程中造成意想不到的失敗和損失。過往經驗表明，在發展自動化制造系統的過程中，忽略人的影響因素和作用是不可取的，任何制造系統必定是一個人機一體化的系統。為此我們給出人機一體化制造系統的如下定義：人與具有適度自動化水平的制造裝備和控制系統共同組成的一個完整系統，各自執行自己最擅長的工作，人與機器共同作業，從而突破傳統自動化制造系統將人排除在外的舊格局。

2設計方法和步驟

人機一體化設計并非單一制造設備的人機關系設計，是適合于所有制造系統的一種通用設計方法。狹義的人機一體化設計是指，對制造系統物理設備本身人機界面所進行的設計，強調人機功能的合理分配，機器的操縱控制裝置宜人性設計，安全裝置設計及人機間的作業匹配設計，將人機，關系設計的原理和參數體現在制造設備的物化界面上。廣義的人機一體化設計理論和方法，除狹義人機一體化設計的內容外，還強調人、機器、環保和社會因素構成的大系統的總體協調和配合。

人機一體化設計的主要步驟體現在定義系統目標和作業要求、系統定義、系統設計、人機界面設計、作業輔助設計、系統檢驗和評價6個方面。定義系統目標是用規范性術語描述自動化制造系統加工的對象和采用的制造設備，作業要求是說明為了實現系統目標，系統必須干什么。作業要求的定義必須包含3個方面：作業目標、評價標準和如何度量。系統定義階段是實質性設計工作的開始，實在系統目標和作業要求提供的框架上進行的。接下來的系統設計階段就是從總體設計的角度，對制造系統的各組成部分進行總體設計，在設計的過程中，應當考慮到人的影響因素，保證人機一體化要求與制造系統各組成部分設計的協調一致性。完成系統設計后，可以進行人機界面設計，其主要內容包括：系統總體布置與人的作業空間設計，信息交互中的人機界面設計，物料流處理中的人機界面設計，系統運行維護中的人機界面設計。為了獲得高效能的作業，我們有必要進行作業輔助設計，作業輔助設計包含三大內容：適合制造系統特定要求的人員選擇，制造系統操作人員的技能培訓和其他輔助作業設計。自動化制造系統的人機一體化設計，最終需要進行系統檢驗和評價，自動化制造系統的檢驗評價是以人的作業效率和嗯，人通過計算機實現制造系統的作業效率為主要驗證評價對象。

3運行與維護

在人機一體化制造系統中，特別強調人在系統中的主導作用，以及人與機器系統的有機協調配合，人在系統中的作用一般是監控作用。因此人的監控能力是自動化制造系統中重要因素的組成部分。如何在監控活動中，避免人的操作錯誤是人機一體化制造系統設計的另一個重要問題。例如FMS（Flexible Manufacturing System），它盡管采用了計算機來控制管理整個系統，但最終的決策權還是在人手里。而人在操作時，由于疲勞、系統復雜等原因難免會出現操作失誤，因此，在適度自動化的人機一體化制造系統中，如何化解系統復雜與設備代替人做易錯工作的矛盾，合理劃分人機關系是系統優化設計的關鍵。

人機一體化系統的運行維護包括作業安全、疲勞預防、事故預防三方面。首先是作業安全保障問題，自動化設備的存在降低了工作人員的工作壓力，但也對人機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在自動化制造中是十分必要的。自動化制造系統的安全性和采用以下措施保障：系統管理軟件中加入安全防護控制部分；采用電子、機械裝置連鎖防護，確保在軟件出錯時，該防護也能工作；設置安全防護圍欄，鋼絲網罩；機器人和其他自動運輸設備的控制系統中應設計有安全互鎖裝置，防止停機檢修時的意外啟動和運轉；設置安全標志提醒操作人員；對操作人員進行安全作業技術培訓。其次是疲勞預防問題，人在制造系統中進行監控、安全維護，會產生一定程度的腦力疲勞，而疲勞是一種自我保護的生理功能，我們要減少疲勞帶來的人為事故，必須創造良好的工作條件和環境。隨著自動化程度的不斷提高，人的作業變得單調乏味，而這樣的工作，不可避免給，操作人員帶來疲勞，當疲勞產生時，人的注意力、判斷力、反應力、體力均明顯下降，處于這種狀態的工作人員極易出現操作失誤，所以我們應當通過創造良好的作業環境，簡化操作內容，定期變換工作內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的事故預防工作，事故的產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，人機功能分配不當，設備工作場所等設計失誤，缺少必要的安全裝置與防護裝置，環境對人造成的心理壓力等導致系統發生事故。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范，性格問題，生理心理不規律，作業疲勞這些都會極大可能導致事故的出現。綜上所述，在人機一體化制造系統中，應當充分考慮到人為因素對安全性的影響，位工作人員提供優秀的人機界面和良好的工作環境。

4人機一體化評價

對于人機一體化系統這樣一個多目標優化系統，需要全面地進行人機工程學分析與評價，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。其中檢核表式人機工程評價法運用最廣，它可以系統地分析系統中作業效率、安全性、可靠性的影響因素，為設計提供最佳方案。檢核表式人機工程評價法主要體現在五個方面：自動化制造系統設計目標定義的評價，人機功能分配評價，人員作業要求評價，人機界面設計評價，運行與維護評價。有了評價內容，我們就可以建立一個評價模型來得出評價結果。評價模型需要是綜合性比較強的，這樣才能全面地反映出這個制造系統的實際分值。

5結語

人機一體化設計是是目前現代業發展的主要方向，優化良好的人機一體化制造系統，它能極大地解放人們的生產力，提高制造業的生產效率，為企業帶來更大的利潤和收益。在未來制造業的發展中，人機一體化自動制造是主流發展方向，而致力于優化人機界面設計和人機功能分配將依然是人機一體化系統的主要任務。

參考文獻：

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[2]吳錫英.現代制造技術中的幾個問題[J].《機械制造與自動化》，1993（5）