第17講人機系統(tǒng)的可靠性和安全性

1、第十七講人機系統(tǒng)的可靠性和安全性通過本章的學習，應能夠：1 .描述人機系統(tǒng)的可靠性、可靠度；2 .掌握人、人機系統(tǒng)的可靠度計算方法；3 .說明人機系統(tǒng)可靠性設計的要求；4 .運用故障樹對人機系統(tǒng)得安全性進行描述和分析。一、基本概念1 .可靠性定義：可靠性是指研究對象在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)功能的能力。研究對象：指系統(tǒng)、機器、部件或人員。本學科只研究人的操作可靠性，即以引起系 統(tǒng)故障或失效的人為因素為研究對象?？煽啃愿叩团c研究對象所處的規(guī)定條件和規(guī)定時間有密切關系。研究對象所處的條件 包括溫度、濕度、振動、沖擊、負荷、壓力等，還包括維護方法、自動操作還是人工 操作、作業(yè)人員的技術水平等廣義的環(huán)境

2、條件。規(guī)定的時間一般指通常的時間概念， 根據(jù)研究對象的不同也使用周期、距離、次數(shù)等相當于時間指標的量。研究對象的功能：是指對象的某些特定的技術指標。2 .可靠度定義：可靠度R是指在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。不可靠度或失效概率 F:研究對象在規(guī)定的條件下、規(guī)定時間內(nèi)喪失規(guī)定的功 能的概率。R十 F= 1 或 R= l F可靠度的獲得：研究對象的不可靠度可以通過大量的統(tǒng)計實驗得出。3 .人的操作可靠度定義：作業(yè)者在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)正確完成操作的概率，用R表示。人的操作不可靠度(人體差錯率)F H, Rh+Fh=1o人的操作可靠度計算：人的行動過程包括：信息接受過程、信息

3、判斷加工過程、信息處理過程。人的可 靠性也包活人的信息接受的可靠性、信息判斷的可靠性、信息處理的可靠性。這三個 過程的可靠性就表達了人的操作可靠性。(1)間歇性操作的操作可靠度計算。間歇性操作的特點是在作業(yè)活動中，作業(yè)者進行不連續(xù)的間斷操作。例如，汽車 換擋、制動等均屬間歇性操作。這種操作可能是有規(guī)律的，有時也可能是隨機的。因 此，對于這種操作不宜用時間來表達其可靠度，一般用次數(shù)、距離、周期等來描述其 可靠度。若某人執(zhí)行某項操作 N次，其中操作失敗 n次，則當N足夠大時，則此人的操作 不可靠度為：Fh= n/N人在執(zhí)行此項操作中，其操作可靠度為：Rh= 1 Fh= 1 n/N例如，汽車司機操縱

4、剎車5000次，其中有1次失誤項操作的可靠度為：Rh= 1 1/5000 =0. 9998（2）連續(xù)性操作的操作可靠度計算。連續(xù)性操作是在作業(yè)活動過程中，作業(yè)者在作業(yè)時間里進行連續(xù)的操作活動。例 如對運行儀表的全過程監(jiān)視，汽車司機開車活動中方向盤的操縱，對道路情況的監(jiān)視 等。連續(xù)性操作可直接用時間進行描述。對連續(xù)性操作的操作可靠度，可用人的操作 可靠性模型來描述。t（t）dtRH（t） e0式中t 連續(xù)工作時間；入（t） t時間內(nèi)人的差錯率。例如，汽車司機操縱方向盤的恒定差錯率為入（ t） = 0.00001 ,若果個司機駕車 300小時，其可靠度為：= e_mon =0.9704說明：入（t

5、）是隨時間變化的函數(shù)；對于同一個人，在不同的時間內(nèi)，其差錯 率入（t）是不同的，對于不同的人，其差錯率入（ t）也是不同的；因此，在計算連 續(xù)性操作可靠度時，一般是根據(jù)不同的人、不同的時間、進行同一操作的差錯率的平 均值計算的。4.人機系統(tǒng)的可靠度定義：人機系統(tǒng)在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)正確完成操作的概率，用 R表示。說明：人機系統(tǒng)可靠度是評價人機系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容。為了獲得人機系統(tǒng)的最佳效 能，除了機器本身可靠度指標要高外，還要求操作者的操作可靠度指標也要高?？煽慷扔嬎悖喊岩粋€系統(tǒng)的可靠度設為 R(t),構成系統(tǒng)的各要素的可靠度設為R (t) (i=1 ,2, 3,n),根據(jù)各要素的連接方式，

6、系統(tǒng)可靠度計算方法如下：(1)串聯(lián)構成串聯(lián)構成如圖20. 2所示，n個具有獨立功能的要素構成串聯(lián)配置，串聯(lián)配置的含義是：一個系統(tǒng)各要素都正常時系統(tǒng)才正常。其系統(tǒng)的可靠度等于每個要素可靠度之積，如表達式(20-1 )JIU)I -1。| R L | - '-力(20-1 )(2)并聯(lián)構成20. 3,并聯(lián)系統(tǒng)的可一個人機系統(tǒng)若至少有一個子系統(tǒng) (要素)正常，系統(tǒng)即正常，或各子系統(tǒng)(要素)都不正常，系統(tǒng)才不正常稱之為并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)構成如圖 靠度如表達式20-2。圖3.3井聯(lián)系統(tǒng)給構U > = 1 - 11 1 - R.CH如果各要素的可靠度為等值R),在串聯(lián)時系統(tǒng)可靠度為(20-2

7、 )R (t) = (K) n;并聯(lián)時系統(tǒng)可靠度 R (t) =1- (1-R0)二(3)串聯(lián)和并聯(lián)混合構成當有n個串聯(lián)系統(tǒng)包括在 m個并聯(lián)系統(tǒng)中，則系統(tǒng)可靠度為R=1- (1-Rn) m。當 m個并聯(lián)系統(tǒng)構成n個串聯(lián)系統(tǒng)時，則系統(tǒng)可靠度為R=1- (1-R) m1n例：圖20. 4中，(a)為2組3個要素串聯(lián)構成的并聯(lián)系統(tǒng)；(b)為3組兩個要素并聯(lián)構成的串聯(lián)系統(tǒng)。如果各個要素可靠度皆為80%,則(a)圖中可靠度為:«g= - L1 - (0.8)1 = 76%(b)圖中可靠度為:Rs=11 -（1 R）'P=1 （1 08/尸=88.5%可以看出:(1) ： (b)系統(tǒng)的可

8、靠度比(a)系統(tǒng)的可靠度高，而且(b)系統(tǒng)的可靠度還高于構成系統(tǒng)的各個要素的可靠度。(2)：構成系統(tǒng)的要素相同， 如果連接配置的方式不同，則系統(tǒng)的可靠度可能不同。(3):在人機系統(tǒng)中，由于人的可靠度不可能期待有大的提高，但是通過設計合適的系統(tǒng)構成，可以進一步提高系統(tǒng)的可靠度。圖2機4溜育構成例壁、人機系統(tǒng)可靠性設計人機系統(tǒng)的可靠性與工程可靠性的差別在于：人機系統(tǒng)的可靠性要把涉及到人的 各種問題以及環(huán)境因素的控制問題納入到可靠性內(nèi)容當中。對人、機、環(huán)境三者及三 者之間的相互配合、功能分配、可靠度分配等必須予以認真分析、研究，方可保證人 機系統(tǒng)的整體可靠性要求。1 .人機系統(tǒng)的可靠性設計程序(1

9、)制定為達到系統(tǒng)可靠性總體指標的各種設計方案;(2)分析設計方案的可靠性，選擇可靠性設計方案；(3)人、機器、環(huán)境功能分配與可靠度分配；(4)繪制人機系統(tǒng)圖及說明書；(5)試驗、試制、檢驗計劃的編制；(6)確認試驗、改善設計；(7)完成最終設計、提出保證可靠性等要求的設計書。2 .人機系統(tǒng)的可靠性分配(1)基本原則：機器與人之間的配合，要盡量使人操作簡便省力，盡量減少作業(yè)者 在短時間內(nèi)完成許多不同的操作，使作業(yè)者的操作在其能力范圍之內(nèi)。在人與機器的功能分配上，要了解人、機器各自的功能特征，并進行分析比較.充分發(fā)揮人、機潛能，從而使人機系統(tǒng)的整體功能達到最佳狀態(tài)。(2)人、機的基本限度：人的基本

10、限度：正確度的限度、體力的限度、行動速度的限度、知覺能力的限度。機器的基本限度：機械性能維持能力的限度、機器正常動作的限度、機械判斷能力的限度、費用的限度。3 .人機環(huán)境各因素的可靠性設計分析(1)人的操作可靠性設計，包括：人的任務分析，根據(jù)總任務要求和人、機、環(huán)境功能分析與分配，找出人要完成的所有任務，并將其分解為具體操作；人員配置及人與人之間的分工；人完成任務時發(fā)生差錯的可能性分橋；顯示、控制裝置設置對人操 作影響分析；環(huán)境因素對人的影響；對人員的心理和生理要求、選拔人員的條件與訓 練要求；對人員的生活、休息、醫(yī)務保障等措施的安排與執(zhí)行。(2)機器的可靠性設計，包括：安全系數(shù)的選擇、靜強度

11、、疲勞強度及概率斷裂力學設計；冗余設計；容錯設計、失效保護設計、故障自動診斷和恢復能力；維修性設計；人機界面與接口設計；耐環(huán)境設計；降額使用。(3)環(huán)境的可靠性設計，包括：各種環(huán)境條件的分析判斷及其準確性；環(huán)境條件規(guī)范的降額；機器所需要的人造環(huán)境條件；人員對環(huán)境條件和生理衛(wèi)生要求及環(huán)境控制、 生命保障系統(tǒng)和個人裝備設計。4 .人機系統(tǒng)設計注意事項(1)明確人機系統(tǒng)的目的及實現(xiàn)目的的制約條件，例如地理、環(huán)境、人力、財力、技術裝備、技術水平等，必須具體分析，確定人機系統(tǒng)的類型。(2)提高系統(tǒng)的功能與可靠性，并不是孤立地依靠某子系統(tǒng)的功能和可靠性的改善及提高，而是力求各子系統(tǒng)、單元間的相互匹配，使整

12、體優(yōu)化。(3)盡量將生產(chǎn)過程變?yōu)楹唵尾僮?，且各種操作對作業(yè)人員不帶有危險性。盡量采用坐姿作業(yè)方式，并且不促使作業(yè)者采取不當?shù)淖藙荨?4)最重要的顯示器和控制器應當安排在最適宜的位置.并按功能或系統(tǒng)分組。有關聯(lián)的顯示器和控制器要呈對應關系排列。(5)要充分考慮人的心理因素與生理條件。(6)要考慮人和機器問的相互監(jiān)督作用。要做到，即使是人發(fā)生誤動作，也不致造成事故，且還要讓人知道動作的錯誤所在，這就是由機器監(jiān)督人。另一方面，當機器 出現(xiàn)異常時.人應能準確判斷異常原因，有時進行調整，使之恢復正常，這便是由人 監(jiān)督機器。(7)人機系統(tǒng)的分析評價是對整體系統(tǒng)的可靠性、安全性、舒適性以及作業(yè)效率等進行綜合

13、分析與評價。三、人機系統(tǒng)的安全性分析找出設想的事故. 一:信息、效聒捶遂二1作成故障的. _ *救理分析一_ I .安全性分析1制定防止事故方*1£24.6故障樹法的步驟1 .人機系統(tǒng)安全性分析方法一一故障樹法從系統(tǒng)設計初期階段開始，就應該把握住影響系統(tǒng) 安全的問題，努力加以改進。最常用的分析評價系統(tǒng)安 全性的方法是故障樹法， 即FT A Fault Tree Analysis) 法。FTA:把故障、事故發(fā)生的系統(tǒng)加以模型化，把作 為對象的因果關系根據(jù)邏輯結構分析以樹狀圖表示，可以推斷故障、事故的發(fā)生頻度，找出發(fā)生的經(jīng)路。2 .故障樹法的步驟(見圖 20.6 )3 .故障樹的制作(1

14、)故障樹常用符號:故箍事件砧本事怦不用找出原因的事件可以謝一拉分析，但現(xiàn)可以省略或保留的事件加一蚣的砂障事件與門上遣輯枳,丐舞力事件那發(fā)生時,某個事件A能發(fā)生噴門：泥料和，當內(nèi)個事件中有一個熏生時，就 能弓起某個事件愛生國故障樹跑基本符號(2)故障樹繪制要點:從故障或事故開始，逐層向下分析；為分析需要，圖中使用與門和或門來表示;要明確各層的相互關系和各種現(xiàn)象的因果關系;樹形圖的樹枝不宜分得過細。煤氣爆炸I理氣性漏發(fā)火4 .故障樹法的優(yōu)點故障樹法是評價系統(tǒng)安全性或分析事故原因的有效方法。這種方法的優(yōu)點是:對事故原因的全貌，可以用視覺很容易地交換信息；現(xiàn)場的各種問題，用圖形表示容易理解，并且可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題；可以發(fā)現(xiàn)新的因素；可以定量地進行改進方案的比較，并可以附加位置方面的因素； 適用范圍廣。四、系統(tǒng)的安全性評價系統(tǒng)的安全性主要從兩個方面評價，一是發(fā)生故障、事故的頻度；二是對系統(tǒng)的各組成部分從工效