浅析自动化制造系统中的人机一体化设计

王浩　蒲仕洋　蒋恩科

摘要：随着制造技术不断取得进步，我们对于自动化制造技术的研究和应用也在不断深入，其中对于人机一体化的研究已经成为我国制造业发展研究的重大课题。本文在大量收集资料的基础上，对人机一体化的设计方法步骤、运行维护与评价方面进行了分析。

关键词：自动化；制造；人机一体化

自动化制造系统，尤其是柔性自动化制造系统的出现和大量使用，导致使用者与自动化制造系统间的关系发生了根本的变化。早期许多自动化制造系统的设计者，片面追求系统的自动化和无人化，反而降低了系统运行的可靠性和经济性，最终导致系统的运行失败。沉痛的教训迫使我们重新认识人在自动化制造系统中的重要地位和作用，因而提出发展适度自动化的制造系统——人机一体化的制造系统。近年来，随着全球制造业的快速发展和我国制造业的崛起，我国制造业获得了一个难得的发展机遇。然而，如何根据中国国情，快速发展人机一体化的制造系统，是摆在我们面前的一个难题。下面我们从基本概念、设计方法、系统运行维护和人机一体化评价方法等方面浅析自动化制造系统中的人机一体化设计。

1基本概念

20世纪80年代以来，在全球制造业市场竞争日益激烈的形势下，自动化制造系统的研发和应用成为工业发达国家以及一些发展中国家投资的热点。然而人们过分追求制造系统的自动化和无人化忽略了人在系统中的作用与组织管理职能，使许多高度自动化的制造系统在运行过程中造成意想不到的失败和损失。过往经验表明，在发展自动化制造系统的过程中，忽略人的影响因素和作用是不可取的，任何制造系统必定是一个人机一体化的系统。为此我们给出人机一体化制造系统的如下定义：人与具有适度自动化水平的制造装备和控制系统共同组成的一个完整系统，各自执行自己最擅长的工作，人與机器共同作业，从而突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局。

2设计方法和步骤

人机一体化设计并非单一制造设备的人机关系设计，是适合于所有制造系统的一种通用设计方法。狭义的人机一体化设计是指，对制造系统物理设备本身人机界面所进行的设计，强调人机功能的合理分配，机器的操纵控制装置宜人性设计，安全装置设计及人机间的作业匹配设计，将人机，关系设计的原理和参数体现在制造设备的物化界面上。广义的人机一体化设计理论和方法，除狭义人机一体化设计的内容外，还强调人、机器、环保和社会因素构成的大系统的总体协调和配合。

人机一体化设计的主要步骤体现在定义系统目标和作业要求、系统定义、系统设计、人机界面设计、作业辅助设计、系统检验和评价6个方面。定义系统目标是用规范性术语描述自动化制造系统加工的对象和采用的制造设备，作业要求是说明为了实现系统目标，系统必须干什么。作业要求的定义必须包含3个方面：作业目标、评价标准和如何度量。系统定义阶段是实质性设计工作的开始，实在系统目标和作业要求提供的框架上进行的。接下来的系统设计阶段就是从总体设计的角度，对制造系统的各组成部分进行总体设计，在设计的过程中，应当考虑到人的影响因素，保证人机一体化要求与制造系统各组成部分设计的协调一致性。完成系统设计后，可以进行人机界面设计，其主要内容包括：系统总体布置与人的作业空间设计，信息交互中的人机界面设计，物料流处理中的人机界面设计，系统运行维护中的人机界面设计。为了获得高效能的作业，我们有必要进行作业辅助设计，作业辅助设计包含三大内容：适合制造系统特定要求的人员选择，制造系统操作人员的技能培训和其他辅助作业设计。自动化制造系统的人机一体化设计，最终需要进行系统检验和评价，自动化制造系统的检验评价是以人的作业效率和嗯，人通过计算机实现制造系统的作业效率为主要验证评价对象。

3运行与维护

在人机一体化制造系统中，特别强调人在系统中的主导作用，以及人与机器系统的有机协调配合，人在系统中的作用一般是监控作用。因此人的监控能力是自动化制造系统中重要因素的组成部分。如何在监控活动中，避免人的操作错误是人机一体化制造系统设计的另一个重要问题。例如FMS（Flexible Manufacturing System），它尽管采用了计算机来控制管理整个系统，但最终的决策权还是在人手里。而人在操作时，由于疲劳、系统复杂等原因难免会出现操作失误，因此，在适度自动化的人机一体化制造系统中，如何化解系统复杂与设备代替人做易错工作的矛盾，合理划分人机关系是系统优化设计的关键。

人机一体化系统的运行维护包括作业安全、疲劳预防、事故预防三方面。首先是作业安全保障问题，自动化设备的存在降低了工作人员的工作压力，但也对人机一体化中的人带来了不可忽视的潜在安全问题，因此，建立一个完全的安全系统在自动化制造中是十分必要的。自动化制造系统的安全性和采用以下措施保障：系统管理软件中加入安全防护控制部分；采用电子、机械装置连锁防护，确保在软件出错时，该防护也能工作；设置安全防护围栏，钢丝网罩；机器人和其他自动运输设备的控制系统中应设计有安全互锁装置，防止停机检修时的意外启动和运转；设置安全标志提醒操作人员；对操作人员进行安全作业技术培训。其次是疲劳预防问题，人在制造系统中进行监控、安全维护，会产生一定程度的脑力疲劳，而疲劳是一种自我保护的生理功能，我们要减少疲劳带来的人为事故，必须创造良好的工作条件和环境。随着自动化程度的不断提高，人的作业变得单调乏味，而这样的工作，不可避免给，操作人员带来疲劳，当疲劳产生时，人的注意力、判断力、反应力、体力均明显下降，处于这种状态的工作人员极易出现操作失误，所以我们应当通过创造良好的作业环境，简化操作内容，定期变换工作内容和岗位等方式来刺激大脑，避免脑力疲劳。最后是自动化制造系统的事故预防工作，事故的产生原因分为物理条件和人为条件两方面因素。从物理条件看，人机功能分配不当，设备工作场所等设计失误，缺少必要的安全装置与防护装置，环境对人造成的心理压力等导致系统发生事故。但是，从事故案例分析，物理因素引起的事故只占10%左右，人为因素引起的事故才是主要的方面。从人的方面考虑，人员本身操作失误包括技能不规范，性格问题，生理心理不规律，作业疲劳这些都会极大可能导致事故的出现。综上所述，在人机一体化制造系统中，应当充分考虑到人为因素对安全性的影响，位工作人员提供优秀的人机界面和良好的工作环境。

4人机一体化评价

对于人机一体化系统这样一个多目标优化系统，需要全面地进行人机工程学分析与评价，评价方面多种多样，例如总体模糊综合评价法，人体模型评价法，图表法。其中检核表式人机工程评价法运用最广，它可以系统地分析系统中作业效率、安全性、可靠性的影响因素，为设计提供最佳方案。检核表式人机工程评价法主要体现在五个方面：自动化制造系统设计目标定义的评价，人机功能分配评价，人员作业要求评价，人机界面设计评价，运行与维护评价。有了评价内容，我们就可以建立一个评价模型来得出评价结果。评价模型需要是综合性比较强的，这样才能全面地反映出这个制造系统的实际分值。

5结语

人机一体化设计是是目前现代业发展的主要方向，优化良好的人机一体化制造系统，它能极大地解放人们的生产力，提高制造业的生产效率，为企业带来更大的利润和收益。在未来制造业的发展中，人机一体化自动制造是主流发展方向，而致力于优化人机界面设计和人机功能分配将依然是人机一体化系统的主要任务。

参考文献：

[1]路甬祥，陈鹰.人机一体化系统与技术──21世纪机械科学的重要发展方向[J].《机械工程学报》，1994（5）

[2]吴锡英.现代制造技术中的几个问题[J].《机械制造与自动化》，1993（5）