第十七講人機系統(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)境條件。

2、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=lF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Rh表示。人的操作不可靠度(人體差錯率)Fh,Rh+Fh=1。人的操作可靠度計算：人的行動過程包括：信息接受過程、信息判斷加工過程、信息處理過程

3、。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=1Fh=1n/N例如，汽車司機操縱剎車5000次，其中有1次失誤項操作的可靠度為:Rh

4、=11/5000=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。RH（t）e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：OOOldf說明：入（t）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

5、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Rs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Rs(t),構成系統(tǒng)的各要素的可靠度設為Ri(t)(i=1,2,3,n),根據(jù)各要素的連接方式，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

6、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)01汗J1*TkQ圉Z4LH系銃串聯(lián)絡粗(20-1)(2)并聯(lián)構成一個人機系統(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)20.3,并聯(lián)系統(tǒng)的可都不正常，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。圖拗,3并聯(lián)系統(tǒng)結構F(20-2)Rs(t)=(R。)n；并聯(lián)左寫=1-11I-R.1-如果各要素的可靠度為等值R0,在串聯(lián)時系統(tǒng)可靠度為時系統(tǒng)可靠度Rs(t)=1-(1-R0)n。(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Rs=1-(1-Rn)

7、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Rs=1-(1-R)mn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:I-li-=76%(b)圖中可靠度為：-(1-R)23=l-(1-0.8)23-88.5%可以看出：(1)：(b)系統(tǒng)的可靠度比(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

8、一步提高系統(tǒng)的可靠度。(a)r-Tp;卜.Jo(b)圖zfl.l展奇枚I成例圖二、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)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

9、；(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

10、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、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

11、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

12、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(diào)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)效率等進行綜合分析與評價。三、人機系統(tǒng)的安全性分析:找出設盤的乖欣.I一:息、效繁痂1作成故款樹如理分析一I.I.:企性分析1._I,I制定防止事故萬靠1圖2。片故聯(lián)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

13、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FTA(FaultTreeAnalysis)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)故障樹常用符號故障事件基本事件不揮找出原因的事件可以進一步分折,限現(xiàn)時可以省略或?；牡挠罴且话愕拈L障事件與門工運用機.當M個并巴都發(fā)生時.某個事IT才蒯維生或門上邏闞和.當啟個事PT中有個發(fā)生忖，蛾能四起某個事件掂生國工。,M故修捌的基本并號(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。煤氣爆炸媒氣泄漏發(fā)火圖20.10燥，爆蚱事故故障樹圖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學角度進行檢查。系統(tǒng)的