人機(jī)系統(tǒng)安全與可靠性課件

2024/8/22

人機(jī)系統(tǒng)安全與可靠性在現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)工作中，經(jīng)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(jī)系統(tǒng)的可靠性研究，日益被人們所重視。長(zhǎng)期以來(lái)，可靠性研究對(duì)象被局限在“機(jī)”，事實(shí)上很多事故是由人的差錯(cuò)造成的。人在系統(tǒng)中的可靠性越來(lái)越重要。人機(jī)系統(tǒng)的可靠性、安全性決定于構(gòu)成該人機(jī)系統(tǒng)的人、機(jī)器、環(huán)境三方面因素及其它們間的協(xié)調(diào)關(guān)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(duì)象在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)、完成規(guī)定功能的能力。

2、可靠性度量指標(biāo)

可靠性度量指標(biāo)是指對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠程度作出定量表示。常用的基本度量指標(biāo)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(wú)故障工作時(shí)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(biāo)，即系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r(shí)間的函數(shù)，常用以R(t)表示，稱(chēng)為可靠度函數(shù)。產(chǎn)品出故障的概率是通過(guò)多次試驗(yàn)中該產(chǎn)品發(fā)生故障的頻率來(lái)估計(jì)的。例如，取N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，若在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)共有Nf(t)個(gè)產(chǎn)品出故障，則該產(chǎn)品可靠度的觀(guān)測(cè)值可用式（5-3）近似表示：R(t)≈[N—Nf(t)]/N(5—3)當(dāng)t=0，Nf（t）＝

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

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(gè)參數(shù)叫不可靠度。它是指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，所以也稱(chēng)累積故障概率。不可靠度也是時(shí)間的函數(shù)，常用F(t)表示。同樣對(duì)N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)到t瞬間的故障數(shù)為Nf(t)，則當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品工作到t瞬間的不可靠度的觀(guān)測(cè)值（即累積故障概率）可近似表示，見(jiàn)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(gè)概念，其基本含義是一致的，都表示產(chǎn)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(chǎn)品，可以修復(fù)，后者用于非維修產(chǎn)品，表示不可修復(fù)。產(chǎn)品在工作過(guò)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(chǎn)品發(fā)生故障的快慢，引出故障率參數(shù)。故障率是指工作到t時(shí)刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，故障率也是時(shí)間的函數(shù)，記為則λ(t)，稱(chēng)為故障率函數(shù)。產(chǎn)品的故障率是一個(gè)條件概率，它表示產(chǎn)品在工作到t時(shí)刻的條件下，單位時(shí)間內(nèi)的故障概率。它反映t時(shí)刻產(chǎn)品發(fā)生故障的速率，稱(chēng)為產(chǎn)品在該時(shí)刻的瞬時(shí)故障率以λ(t)，習(xí)慣稱(chēng)故障率。2024/8/22故障率的觀(guān)測(cè)值等于N個(gè)產(chǎn)品在t時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)的故障產(chǎn)品數(shù)ΔNf(t)/Δt與在t時(shí)刻還能正常工作的產(chǎn)品數(shù)Ns(t)之比，見(jiàn)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(shí)間內(nèi)故障率的平均值。其觀(guān)測(cè)值，對(duì)于非維修產(chǎn)品是指在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)失效數(shù)r與累積工作時(shí)間∑t之比；對(duì)于維修產(chǎn)品是指它的使用壽命內(nèi)的某個(gè)觀(guān)測(cè)期間一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品的故障發(fā)生次數(shù)r與累積工作時(shí)間之比，即兩種情況均可用式（5-6）表示：（5—6）產(chǎn)品在其整個(gè)壽命期間內(nèi)各個(gè)時(shí)期的故障率是不同的，其故障率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)稱(chēng)為壽命曲線(xiàn)，也稱(chēng)浴盆曲線(xiàn)，如圖5－24所示。

2024/8/22圖5-24

產(chǎn)品壽命曲線(xiàn)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(shí)間的關(guān)系2024/8/22產(chǎn)品的失效過(guò)程可分為三個(gè)階段

1）初期故障，發(fā)生于機(jī)器試制或投產(chǎn)早期的試運(yùn)轉(zhuǎn)期間。產(chǎn)品在使用初期，由于材質(zhì)的缺陷，設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，或檢驗(yàn)疏忽等原因存在的固有缺陷陸續(xù)暴露出來(lái)，此期間故障率較高2）隨機(jī)故障，是在機(jī)器處于正常工作狀態(tài)下的偶發(fā)故障。這段時(shí)間較長(zhǎng)，是產(chǎn)品的最佳工作期。這時(shí)發(fā)生的故障是隨機(jī)的，是偶然原因引起應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的額定值時(shí)，就可能發(fā)生故障。3）耗損故障，也即后期磨損故障。這個(gè)時(shí)期的故障迅速上升，因?yàn)楫a(chǎn)品經(jīng)長(zhǎng)期使用后，由于磨損、老化，大部分零部件將接近或達(dá)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(wú)故障工作時(shí)間)式中∑t——總工作時(shí)間；

n——故障（或失效）次數(shù)或試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)。2）維修度:是指維修產(chǎn)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(shù)水平等）和規(guī)定時(shí)間內(nèi)能修復(fù)的概率，它是維修時(shí)間τ的函數(shù)，用M(τ)表示，稱(chēng)為維修度函數(shù)。

維修度的觀(guān)測(cè)值為：在τ＝0時(shí)處于故障狀態(tài)需要維修的產(chǎn)品數(shù)N與經(jīng)過(guò)時(shí)間τ修復(fù)的產(chǎn)品數(shù)Nτ之比，見(jiàn)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(chēng)為有效度，也稱(chēng)廣義可靠度。其定義為：對(duì)維修產(chǎn)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(shí)間內(nèi)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(shí)間t與維修時(shí)間τ的函數(shù)，常用A（t，τ）表示，它是對(duì)維修產(chǎn)品可靠性的綜合評(píng)價(jià)。A（t，τ）可用式（5-9）表示：(5—9)有效度的觀(guān)測(cè)值：在某個(gè)觀(guān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品可工作時(shí)間與工作時(shí)間和不可工作時(shí)間之和得比值，記為?，其計(jì)算見(jiàn)式（5-10）。?

=U/(U+D)(5—10)式中

U－－可工作時(shí)間，包括任務(wù)時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間和待機(jī)時(shí)間；D－一不可工作時(shí)間，包括停機(jī)維護(hù)時(shí)間、修理時(shí)間、延誤時(shí)間和改裝時(shí)間。

2024/8/223可靠性特征量之間的關(guān)系(1)F(t)

與

R(t)間的關(guān)系

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

(4)F(t)及f(t)與λ(t)的關(guān)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(duì)環(huán)境因素承受能力的限度等；大腦的意識(shí)水平影響；心理因素

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

如不正確的指令，不恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，人際關(guān)系不融洽，工作崗位不稱(chēng)心等；2024/8/22環(huán)境因素

對(duì)新環(huán)境和作業(yè)不適應(yīng)，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(dòng)和噪聲的影響，引起操作者生理、心理上的不舒適；個(gè)人素質(zhì)

訓(xùn)練程度、經(jīng)驗(yàn)多少、操作熟練程度、技術(shù)水平高低、責(zé)任心強(qiáng)弱等；

社會(huì)因素

家庭不和、人際關(guān)系不協(xié)調(diào)；操作因素

操作的連續(xù)性、操作的反復(fù)性、操作時(shí)間的長(zhǎng)短、操作速度、頻率及靈活性等。

2024/8/22三、機(jī)械的可靠性

在人機(jī)系統(tǒng)中，由于機(jī)器設(shè)備本身的故障以及人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性差而導(dǎo)致了許多事故的發(fā)生。因此，人們?yōu)榱朔乐故鹿?，在進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)開(kāi)始時(shí)，就要對(duì)機(jī)器設(shè)備的安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)

就機(jī)器設(shè)備而言，可靠性是指機(jī)器、部件、零件在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。度量可靠性指標(biāo)的特征量稱(chēng)為可靠度?？煽慷仁窃谝?guī)定時(shí)間內(nèi)，機(jī)器設(shè)備或部件能完成規(guī)定功能的概率。若把它視為時(shí)間的函數(shù)，就稱(chēng)為可靠度函數(shù)。2024/8/22為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)環(huán)境因素宜人，對(duì)機(jī)械設(shè)備不造成危害，則研究機(jī)的可靠性就轉(zhuǎn)化為主要研究機(jī)械設(shè)備的可靠性問(wèn)題。一般情況，產(chǎn)品可靠性指標(biāo)都與該產(chǎn)品的故障分布類(lèi)型有關(guān)。若已知產(chǎn)品的故障分布函數(shù)，就可以求出其可靠度R（t）、故障率λ(t)

及其它可靠性指標(biāo)，若不知道具體的故障分布函數(shù)，但知道故障分布類(lèi)型，也可以通過(guò)參數(shù)估計(jì)的方法求得某些可靠性指標(biāo)的估計(jì)值。故障分布類(lèi)型有三種類(lèi)型：指數(shù)分布正態(tài)分布威布爾分布2024/8/22四、人機(jī)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算人機(jī)系統(tǒng)的可靠度是由人的可靠度和機(jī)的可靠度組成的。機(jī)的可靠度可以通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)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(jī)系統(tǒng)的可靠度據(jù)不同的系統(tǒng)模型來(lái)求出，通常情況下可看成串聯(lián)系統(tǒng)。從人機(jī)系統(tǒng)考慮，若將環(huán)境作為干擾因素，而且此處假設(shè)環(huán)境是符合指標(biāo)要求的，設(shè)其可靠度為1，則人機(jī)系統(tǒng)的可靠度為：2024/8/22

構(gòu)成系統(tǒng)的各單元之間通常可歸結(jié)為串聯(lián)配置方式和并聯(lián)配置方式兩類(lèi)：

1）串聯(lián)配置方式

系統(tǒng)能量的輸人按順序依次通過(guò)功能上獨(dú)立的單元Ai=l，2，3，…，n，然后才輸出。如果系統(tǒng)中的任一個(gè)單元發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。2024/8/22如果每個(gè)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(yīng)力求避免采用串聯(lián)配置方式。2024/8/22

2）并聯(lián)配置方式并聯(lián)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(jiǎn)單人機(jī)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算

簡(jiǎn)單人機(jī)系統(tǒng)的可靠度Rs=RMRHRM可通過(guò)上面所述的可靠度函數(shù)求出，亦可通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(gè)階段的基本可靠度rl、r2和r3，作業(yè)時(shí)間b、操作頻率c、危險(xiǎn)程度d、生理心里因素e和環(huán)境條件f（取值見(jiàn)表8－36，

8－37）2024/8/22表8－36基本可靠度rl、r2

、r3

的取值

類(lèi)別影響因素rlr2r3簡(jiǎn)單變量不超過(guò)幾個(gè)，人機(jī)工程學(xué)上考慮全面0.9995～0.99990.99900.9995～0.9999一般變量不超過(guò)10個(gè)0.9990～0.99950.99500.9990～0.9995復(fù)雜變量超過(guò)10個(gè)，人機(jī)工程學(xué)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(shù)

符號(hào)項(xiàng)目?jī)?nèi)容取值范圍b作業(yè)時(shí)間有充足的富裕時(shí)間沒(méi)有充足的富裕時(shí)間完全沒(méi)有富裕時(shí)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(xiǎn)程度即使誤操作也安全誤操作時(shí)危險(xiǎn)很大誤操作時(shí)有產(chǎn)生重大災(zāi)害的危險(xiǎn)1.01.0～3.03.0～10.0e生理心里條件綜合條件（教育訓(xùn)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(jī)系統(tǒng)的可靠度

兩人監(jiān)控的人機(jī)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(jī)系統(tǒng)可靠度上述二人監(jiān)控作業(yè)是單純的并聯(lián)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(shù)人表決的人機(jī)系統(tǒng)就可以避免這種情況。若由幾人構(gòu)成控制系統(tǒng)，當(dāng)其中γ個(gè)人的控制工作同時(shí)失誤時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)失敗，我們稱(chēng)這樣的系統(tǒng)為多數(shù)人表決的冗余人機(jī)系統(tǒng)設(shè)每個(gè)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(shí)，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=