第十七講人機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性

1、第十七講人機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)能夠：1 .描述人機(jī)系統(tǒng)的可靠性、可靠度；2 .掌握人、人機(jī)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算方法；3 .說明人機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的要求；4 .運(yùn)用故障樹對(duì)人機(jī)系統(tǒng)得安全性進(jìn)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(duì)象在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)功能的能力。研究對(duì)象：指系統(tǒng)、機(jī)器、部件或人員。本學(xué)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(duì)象?？煽啃愿叩团c研究對(duì)象所處的規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間有密切關(guān)系。研究對(duì)象所處的條件包括溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、負(fù)荷、壓力等，還包括維護(hù)方法、自動(dòng)操作還是人工操作、作業(yè)人員的技術(shù)水平等廣義的環(huán)境條件。

2、規(guī)定的時(shí)間一般指通常的時(shí)間概念，根據(jù)研究對(duì)象的不同也使用周期、距離、次數(shù)等相當(dāng)于時(shí)間指標(biāo)的量。研究對(duì)象的功能：是指對(duì)象的某些特定的技術(shù)指標(biāo)。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(shí)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(duì)象在規(guī)定的條件下、規(guī)定時(shí)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(duì)象的不可靠度可以通過大量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cuò)率)Fh,Rh+Fh=1。人的操作可靠度計(jì)算：人的行動(dòng)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(gè)過程的可靠性就表達(dá)了人的操作可靠性。(1)間歇性操作的操作可靠度計(jì)算。間歇性操作的特點(diǎn)是在作業(yè)活動(dòng)中，作業(yè)者進(jìn)行不連續(xù)的間斷操作。例如，汽車換擋、制動(dòng)等均屬間歇性操作。這種操作可能是有規(guī)律的，有時(shí)也可能是隨機(jī)的。因此，對(duì)于這種操作不宜用時(shí)間來表達(dá)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(xiàng)操作N次，其中操作失敗n次，則當(dāng)N足夠大時(shí)，則此人的操作不可靠度為：Fh=n/N人在執(zhí)行此項(xiàng)操作中，其操作可靠度為:Rh=1Fh=1n/N例如，汽車司機(jī)操縱剎車5000次，其中有1次失誤項(xiàng)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(jì)算。連續(xù)性操作是在作業(yè)活動(dòng)過程中，作業(yè)者在作業(yè)時(shí)間里進(jìn)行連續(xù)的操作活動(dòng)。例如對(duì)運(yùn)行儀表的全過程監(jiān)視，汽車司機(jī)開車活動(dòng)中方向盤的操縱，對(duì)道路情況的監(jiān)視等。連續(xù)性操作可直接用時(shí)間進(jìn)行描述。對(duì)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(shí)間；入（t）t時(shí)間內(nèi)人的差錯(cuò)率。例如，汽車司機(jī)操縱方向盤的恒定差錯(cuò)率為入（t）=0.00001,若果個(gè)司機(jī)駕車300小時(shí)，其可靠度為：OOOldf說明：入（t）是隨時(shí)間變化的函數(shù)；對(duì)于同一個(gè)人，在不同的時(shí)間內(nèi)，其差錯(cuò)率入（t）是不同的，對(duì)于不同的人，其差錯(cuò)率入（t）也是不

5、同的；因此，在計(jì)算連續(xù)性操作可靠度時(shí)，一般是根據(jù)不同的人、不同的時(shí)間、進(jìn)行同一操作的差錯(cuò)率的平均值計(jì)算的。4 .人機(jī)系統(tǒng)的可靠度定義：人機(jī)系統(tǒng)在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)正確完成操作的概率，用Rs表示。說明：人機(jī)系統(tǒng)可靠度是評(píng)價(jià)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。為了獲得人機(jī)系統(tǒng)的最佳效能，除了機(jī)器本身可靠度指標(biāo)要高外，還要求操作者的操作可靠度指標(biāo)也要高?？煽慷扔?jì)算：把一個(gè)系統(tǒng)的可靠度設(shè)為Rs(t),構(gòu)成系統(tǒng)的各要素的可靠度設(shè)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(jì)算方法如下：(1)串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)構(gòu)成如圖20.2所示，n個(gè)具有獨(dú)立功能的要素構(gòu)成串聯(lián)配置，串聯(lián)配置的含義是：一個(gè)系統(tǒng)各

6、要素都正常時(shí)系統(tǒng)才正常。其系統(tǒng)的可靠度等于每個(gè)要素可靠度之積，如表達(dá)式(20-1)01汗J1*TkQ圉Z4LH系銃串聯(lián)絡(luò)粗(20-1)(2)并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)人機(jī)系統(tǒng)若至少有一個(gè)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(gòu)成如圖靠度如表達(dá)式20-2。圖拗,3并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)系統(tǒng)可靠度為時(shí)系統(tǒng)可靠度Rs(t)=1-(1-R0)n。(3)串聯(lián)和并聯(lián)混合構(gòu)成當(dāng)有n個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)包括在m個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)中，則系統(tǒng)可靠度為Rs=1-(1-Rn)

7、m。當(dāng)m個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成n個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，則系統(tǒng)可靠度為Rs=1-(1-R)mn例：圖20.4中，(a)為2組3個(gè)要素串聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)；(b)為3組兩個(gè)要素并聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。如果各個(gè)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(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)要素的可靠度。(2)：構(gòu)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(jī)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(shè)計(jì)合適的系統(tǒng)構(gòu)成，可以進(jìn)

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(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)的可靠性與工程可靠性的差別在于：人機(jī)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(dāng)中。對(duì)人、機(jī)、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(rèn)真分析、研究，方可保證人機(jī)系統(tǒng)的整體可靠性要求。1 .人機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)程序(1)制定為達(dá)到系統(tǒng)可靠性總體指標(biāo)的各種設(shè)計(jì)方案；(2)分析設(shè)計(jì)方案的可靠性，選擇可靠性設(shè)計(jì)方案；(3)人、機(jī)器、環(huán)境功能分配與可靠度分配；(4)繪制人機(jī)系統(tǒng)圖及說明書；(5)試驗(yàn)、試制、檢驗(yàn)計(jì)劃的編制；(6)確認(rèn)試驗(yàn)、改善設(shè)計(jì)

9、；(7)完成最終設(shè)計(jì)、提出保證可靠性等要求的設(shè)計(jì)書。2 .人機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配(1)基本原則：機(jī)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(shí)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(jī)器的功能分配上，要了解人、機(jī)器各自的功能特征，并進(jìn)行分析比較.充分發(fā)揮人、機(jī)潛能，從而使人機(jī)系統(tǒng)的整體功能達(dá)到最佳狀態(tài)。(2)人、機(jī)的基本限度：人的基本限度：正確度的限度、體力的限度、行動(dòng)速度的限度、知覺能力的限度。機(jī)器的基本限度：機(jī)械性能維持能力的限度、機(jī)器正常動(dòng)作的限度、機(jī)械判斷能力的限度、費(fèi)用的限度。3 .人機(jī)環(huán)境各因素的可靠性設(shè)計(jì)分析(1)人的操作可靠性設(shè)計(jì)，包括：人

10、的任務(wù)分析，根據(jù)總?cè)蝿?wù)要求和人、機(jī)、環(huán)境功能分析與分配，找出人要完成的所有任務(wù)，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(wù)時(shí)發(fā)生差錯(cuò)的可能性分橋；顯示、控制裝置設(shè)置對(duì)人操作影響分析；環(huán)境因素對(duì)人的影響；對(duì)人員的心理和生理要求、選拔人員的條件與訓(xùn)練要求；對(duì)人員的生活、休息、醫(yī)務(wù)保障等措施的安排與執(zhí)行。(2)機(jī)器的可靠性設(shè)計(jì)，包括：安全系數(shù)的選擇、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及概率斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)；冗余設(shè)計(jì)；容錯(cuò)設(shè)計(jì)、失效保護(hù)設(shè)計(jì)、故障自動(dòng)診斷和恢復(fù)能力；維修性設(shè)計(jì)；人機(jī)界面與接口設(shè)計(jì)；耐環(huán)境設(shè)計(jì)；降額使用。(3)環(huán)境的可靠性設(shè)計(jì)，包括：各種環(huán)境條件的分析判斷及其準(zhǔn)確性；環(huán)境條件規(guī)范的降額；機(jī)器

11、所需要的人造環(huán)境條件；人員對(duì)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(gè)人裝備設(shè)計(jì)。4 .人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)(1)明確人機(jī)系統(tǒng)的目的及實(shí)現(xiàn)目的的制約條件，例如地理、環(huán)境、人力、財(cái)力、技術(shù)裝備、技術(shù)水平等，必須具體分析，確定人機(jī)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(duì)作業(yè)人員不帶有危險(xiǎn)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(dāng)?shù)淖藙?shì)。(4)最重要的顯示器和控制器應(yīng)當(dāng)安排在最適宜的位置.并按功能或系統(tǒng)分組。有關(guān)聯(lián)的顯示器和控制器要呈對(duì)應(yīng)

12、關(guān)系排列。(5)要充分考慮人的心理因素與生理?xiàng)l件。(6)要考慮人和機(jī)器問的相互監(jiān)督作用。要做到，即使是人發(fā)生誤動(dòng)作，也不致造成事故，且還要讓人知道動(dòng)作的錯(cuò)誤所在，這就是由機(jī)器監(jiān)督人。另一方面，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)異常時(shí).人應(yīng)能準(zhǔn)確判斷異常原因，有時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使之恢復(fù)正常，這便是由人監(jiān)督機(jī)器。(7)人機(jī)系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)是對(duì)整體系統(tǒng)的可靠性、安全性、舒適性以及作業(yè)效率等進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。三、人機(jī)系統(tǒng)的安全性分析:找出設(shè)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(jī)系統(tǒng)安全性分析方法一一故障樹法從系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期階段開始，就應(yīng)該把握

13、住影響系統(tǒng)安全的問題，努力加以改進(jìn)。最常用的分析評(píng)價(jià)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(duì)象的因果關(guān)系根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)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(hào)故障事件基本事件不揮找出原因的事件可以進(jìn)一步分折,限現(xiàn)時(shí)可以省略或?；牡挠罴且话愕拈L障事件與門工運(yùn)用機(jī).當(dāng)M個(gè)并巴都發(fā)生時(shí).某個(gè)事IT才蒯維生或門上邏闞和.當(dāng)啟個(gè)事PT中有個(gè)發(fā)生忖，蛾能四起某個(gè)事件掂生國工。,M故修捌的基本并號(hào)(2)故障樹繪制要點(diǎn):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(guān)系和各種現(xiàn)象的因果關(guān)系;樹形圖的樹枝不宜分得過細(xì)。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(diǎn)故障樹法是評(píng)價(jià)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(diǎn)是:對(duì)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(jìn)行改進(jìn)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(píng)價(jià)系統(tǒng)的安全性主要從兩個(gè)方面評(píng)價(jià)，一是發(fā)生故障、事故的頻度；二是對(duì)系統(tǒng)的各組成部分從工效學(xué)角度進(jìn)行檢查。系統(tǒng)的