人機系統(tǒng)安全與可靠性課件

2024/8/22

人機系統(tǒng)安全與可靠性在現實生活和生產工作中，經常都在發(fā)生各式各樣的事故。以減少事故、提高系統(tǒng)安全性為目的的人機系統(tǒng)的可靠性研究，日益被人們所重視。長期以來，可靠性研究對象被局限在“機”，事實上很多事故是由人的差錯造成的。人在系統(tǒng)中的可靠性越來越重要。人機系統(tǒng)的可靠性、安全性決定于構成該人機系統(tǒng)的人、機器、環(huán)境三方面因素及其它們間的協調關系。2024/8/22一、可靠性的定義及其度量

l、可靠性的定義

可靠性是指研究對象在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內、完成規(guī)定功能的能力。

2、可靠性度量指標

可靠性度量指標是指對系統(tǒng)或產品的可靠程度作出定量表示。常用的基本度量指標有可靠度、不可靠度（或累積故障概率）、故障率（或失效率）、平均無故障工作時間（或平均壽命）、維修度、有效度等。

2024/8/22（1）可靠度可靠度是可靠性的量化指標，即系統(tǒng)或產品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率。可靠度是時間的函數，常用以R(t)表示，稱為可靠度函數。產品出故障的概率是通過多次試驗中該產品發(fā)生故障的頻率來估計的。例如，取N個產品進行試驗，若在規(guī)定時間t內共有Nf(t)個產品出故障，則該產品可靠度的觀測值可用式（5-3）近似表示：R(t)≈[N—Nf(t)]/N(5—3)當t=0，Nf（t）＝

0，則R（t）＝l。隨著t的增加，出故障的產品數Nf（t）也隨之增加，則可靠度R(t)下降。當

t→∞，

Nf(t)→N

，則R(t)→0?？煽慷鹊淖兓秶s為0≤R(t)≤1。2024/8/22與可靠度相反的一個參數叫不可靠度。它是指系統(tǒng)或產品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，所以也稱累積故障概率。不可靠度也是時間的函數，常用F(t)表示。同樣對N個產品進行壽命試驗，試驗到t瞬間的故障數為Nf(t)，則當N足夠大時，產品工作到t瞬間的不可靠度的觀測值（即累積故障概率）可近似表示，見式（5-4）：

F(t)

≈Nf(t)/N(5—4)F(t)隨Nf（t）的增加而增加F(t)的變化范圍約為0≤F(t)≤1。2024/8/22（2）故障率（或失效率）故障和失效這兩個概念，其基本含義是一致的，都表示產品在低功能狀態(tài)下工作或完全喪失功能，只是前者一般用于維修產品，可以修復，后者用于非維修產品，表示不可修復。產品在工作過程中，由于某種原因使一些零部件發(fā)生故障或失效，為反映產品發(fā)生故障的快慢，引出故障率參數。故障率是指工作到t時刻尚未發(fā)生故障的產品，在該時刻后單位時間內發(fā)生故障的概率，故障率也是時間的函數，記為則λ(t)，稱為故障率函數。產品的故障率是一個條件概率，它表示產品在工作到t時刻的條件下，單位時間內的故障概率。它反映t時刻產品發(fā)生故障的速率，稱為產品在該時刻的瞬時故障率以λ(t)，習慣稱故障率。2024/8/22故障率的觀測值等于N個產品在t時刻后單位時間內的故障產品數ΔNf(t)/Δt與在t時刻還能正常工作的產品數Ns(t)之比，見式（5-5）

λ(t)=ΔNf(t)/Ns(t)·Δt

（5—5）平均故障率λ(t)

是指在某一規(guī)定的時間內故障率的平均值。其觀測值，對于非維修產品是指在一個規(guī)定的時間內失效數r與累積工作時間∑t之比；對于維修產品是指它的使用壽命內的某個觀測期間一個或多個產品的故障發(fā)生次數r與累積工作時間之比，即兩種情況均可用式（5-6）表示：（5—6）產品在其整個壽命期間內各個時期的故障率是不同的，其故障率隨時間變化的曲線稱為壽命曲線，也稱浴盆曲線，如圖5－24所示。

2024/8/22圖5-24

產品壽命曲線1、早期故障期

2、偶發(fā)故障期

3、磨損故障期2024/8/22圖5-24

故障率與時間的關系2024/8/22產品的失效過程可分為三個階段

1）初期故障，發(fā)生于機器試制或投產早期的試運轉期間。產品在使用初期，由于材質的缺陷，設計、制造、安裝、調整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，或檢驗疏忽等原因存在的固有缺陷陸續(xù)暴露出來，此期間故障率較高2）隨機故障，是在機器處于正常工作狀態(tài)下的偶發(fā)故障。這段時間較長，是產品的最佳工作期。這時發(fā)生的故障是隨機的，是偶然原因引起應力增加，當應力超過設計規(guī)定的額定值時，就可能發(fā)生故障。3）耗損故障，也即后期磨損故障。這個時期的故障迅速上升，因為產品經長期使用后，由于磨損、老化，大部分零部件將接近或達到固有壽命期，所以故障率較高。

2024/8/22（3）平均壽命（或平均無故障工作時間)式中∑t——總工作時間；

n——故障（或失效）次數或試驗產品數。2）維修度:是指維修產品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件（條件貯備、維修工具、維修方法及維修技術水平等）和規(guī)定時間內能修復的概率，它是維修時間τ的函數，用M(τ)表示，稱為維修度函數。

維修度的觀測值為：在τ＝0時處于故障狀態(tài)需要維修的產品數N與經過時間τ修復的產品數Nτ之比，見式M(τ)=N/Nτ

2024/8/223）有效度:狹義可靠度R（t）與維修度M(τ)的綜合稱為有效度，也稱廣義可靠度。其定義為：對維修產品，在規(guī)定的條件下使用，在規(guī)定維修條件下修理，在規(guī)定的時間內具有或維持其規(guī)定功能處于正常狀態(tài)的概率。顯然，有效度是工作時間t與維修時間τ的函數，常用A（t，τ）表示，它是對維修產品可靠性的綜合評價。A（t，τ）可用式（5-9）表示：(5—9)有效度的觀測值：在某個觀測時間內，產品可工作時間與工作時間和不可工作時間之和得比值，記為?，其計算見式（5-10）。?

=U/(U+D)(5—10)式中

U－－可工作時間，包括任務時間、啟動時間和待機時間；D－一不可工作時間，包括停機維護時間、修理時間、延誤時間和改裝時間。

2024/8/223可靠性特征量之間的關系(1)F(t)

與

R(t)間的關系

F(t)+R(t)=1(2)F(t)和R(t)與故障概率密度函數f(t)間的關系(3)F(t)與λ(t)的關系

(4)F(t)及f(t)與λ(t)的關系

2024/8/22二、影響人的可靠性的因素生理因素

如體力、耐久力、疾病、饑渴、對環(huán)境因素承受能力的限度等；大腦的意識水平影響；心理因素

因感覺靈敏度變化引起反應速度變化，因某種刺激導致心理特性波動，如情緒低落、發(fā)呆或驚慌失措等覺醒水平變化；管理因素

如不正確的指令，不恰當的指導，人際關系不融洽，工作崗位不稱心等；2024/8/22環(huán)境因素

對新環(huán)境和作業(yè)不適應，由于溫度、氣壓、供氧、照明等環(huán)境條件的變化不符合要求，以及振動和噪聲的影響，引起操作者生理、心理上的不舒適；個人素質

訓練程度、經驗多少、操作熟練程度、技術水平高低、責任心強弱等；

社會因素

家庭不和、人際關系不協調；操作因素

操作的連續(xù)性、操作的反復性、操作時間的長短、操作速度、頻率及靈活性等。

2024/8/22三、機械的可靠性

在人機系統(tǒng)中，由于機器設備本身的故障以及人機系統(tǒng)設計的協調性差而導致了許多事故的發(fā)生。因此，人們?yōu)榱朔乐故鹿?，在進行生產活動開始時，就要對機器設備的安全性進行預測

就機器設備而言，可靠性是指機器、部件、零件在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的能力。度量可靠性指標的特征量稱為可靠度?？煽慷仁窃谝?guī)定時間內，機器設備或部件能完成規(guī)定功能的概率。若把它視為時間的函數，就稱為可靠度函數。2024/8/22為簡便起見，假設環(huán)境因素宜人，對機械設備不造成危害，則研究機的可靠性就轉化為主要研究機械設備的可靠性問題。一般情況，產品可靠性指標都與該產品的故障分布類型有關。若已知產品的故障分布函數，就可以求出其可靠度R（t）、故障率λ(t)

及其它可靠性指標，若不知道具體的故障分布函數，但知道故障分布類型，也可以通過參數估計的方法求得某些可靠性指標的估計值。故障分布類型有三種類型：指數分布正態(tài)分布威布爾分布2024/8/22四、人機系統(tǒng)的可靠度計算人機系統(tǒng)的可靠度是由人的可靠度和機的可靠度組成的。機的可靠度可以通過大量統(tǒng)計學數據得到。人的可靠度的確定包括人的信息接受的可靠度、信息判斷的可靠度和信息處理的可靠度人機系統(tǒng)的可靠度據不同的系統(tǒng)模型來求出，通常情況下可看成串聯系統(tǒng)。從人機系統(tǒng)考慮，若將環(huán)境作為干擾因素，而且此處假設環(huán)境是符合指標要求的，設其可靠度為1，則人機系統(tǒng)的可靠度為：2024/8/22

構成系統(tǒng)的各單元之間通?？蓺w結為串聯配置方式和并聯配置方式兩類：

1）串聯配置方式

系統(tǒng)能量的輸人按順序依次通過功能上獨立的單元Ai=l，2，3，…，n，然后才輸出。如果系統(tǒng)中的任一個單元發(fā)生故障，就會導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。2024/8/22如果每個單元的可靠度為R1

，R2

，R3

，…，Rn

，則系統(tǒng)的可靠度

Rs（t）=R1R2R3…Rn

重要的和可靠性要求高的系統(tǒng)，應力求避免采用串聯配置方式。2024/8/22

2）并聯配置方式并聯配置方式的系統(tǒng)可靠性為Rs（t）＝1－（1－R1）(1－R2)…(1－Rn)2024/8/22(l)簡單人機系統(tǒng)的可靠度計算

簡單人機系統(tǒng)的可靠度Rs=RMRHRM可通過上面所述的可靠度函數求出，亦可通過大量統(tǒng)計數據得出。

RH

＝l－bcdef(l－r)r=rl×r2×r3信息輸入、信息處理、信息輸出三個階段的基本可靠度rl、r2和r3，作業(yè)時間b、操作頻率c、危險程度d、生理心里因素e和環(huán)境條件f（取值見表8－36，

8－37）2024/8/22表8－36基本可靠度rl、r2

、r3

的取值

類別影響因素rlr2r3簡單變量不超過幾個，人機工程學上考慮全面0.9995～0.99990.99900.9995～0.9999一般變量不超過10個0.9990～0.99950.99500.9990～0.9995復雜變量超過10個，人機工程學上考慮不全面0.9900～0.99900.99000.9900～0.99902024/8/22

表8-37影響因素修正系數

符號項目內容取值范圍b作業(yè)時間有充足的富裕時間沒有充足的富裕時間完全沒有富裕時間1.01.0～3.03.0～10.0c操作頻率頻率適度連續(xù)操作很少操作1.01.0～3.03.0～10.0d危險程度即使誤操作也安全誤操作時危險很大誤操作時有產生重大災害的危險1.01.0～3.03.0～10.0e生理心里條件綜合條件（教育訓練、健康、疲勞等）較好綜合條件不好綜合條件很差1.01.0～3.03.0～10.0f環(huán)境條件綜合條件較好綜合條件不好綜合條件很差1.01.0～3.03.0～10.02024/8/22(2)二人監(jiān)控人機系統(tǒng)的可靠度

兩人監(jiān)控的人機系統(tǒng)的可靠度Rsr為：

異常情況，R′sr=

RHb·RM

=[(1－R1)(1－R2)]RM

正常情況，R〞sr＝RHb·RM=R1·R2·RM

2024/8/22(3)多人表決的冗余人機系統(tǒng)可靠度上述二人監(jiān)控作業(yè)是單純的并聯系統(tǒng)，所以正常操作和誤操作兩種概率都增加了，而由多數人表決的人機系統(tǒng)就可以避免這種情況。若由幾人構成控制系統(tǒng)，當其中γ個人的控制工作同時失誤時，系統(tǒng)才會失敗，我們稱這樣的系統(tǒng)為多數人表決的冗余人機系統(tǒng)設每個人的可靠度均為R，則系統(tǒng)全體人員的操作可靠度RHn為：

2024/8/22例如，由三人監(jiān)視作業(yè)時，有兩人以上同意才能切斷電源，n＝3，r＝2，則其可靠度為

若每人正確操作的概率為R＝0．90，誤操作的概率為F＝0．15，則在三人監(jiān)視二人表決的系統(tǒng)中，正確操作的概率RH3及誤操作的概率FH3分別為：RH3＝3R2一2R3=