第17講人機系統(tǒng)的可靠性和安全性

第十七講人機系統(tǒng)的可靠性和安全性通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)能夠：描述人機系統(tǒng)的可靠性、可靠度；掌握人、人機系統(tǒng)的可靠度計算方法；說明人機系統(tǒng)可靠性設(shè)計的要求；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(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(guān)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(shù)水平等廣義的環(huán)境條件。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(shù)指標?？煽慷榷x：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=I-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 皿表示。人的操作不可靠度(人體差錯率)％，％+%=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。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。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，其中操作失敗口次，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：Fh=1—fh=1—n/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=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。七（t）dtRh（f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：0<9704說明：入什）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（七）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FS表示。說明：人機系統(tǒng)可靠度是評價人機系統(tǒng)設(shè)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。

可靠度計算：把一個系統(tǒng)的可靠度設(shè)為 R(t),構(gòu)成系統(tǒng)的各要素的可靠度設(shè)為 R(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：串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)構(gòu)成如圖20.2所示，n個具有獨立功能的要素構(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)(20-1)并聯(lián)構(gòu)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)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 20.3,并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度如表達式20-2。圖如J井聯(lián)藏統(tǒng)結(jié)構(gòu)(20-2)R界八=1-11[1-兄(20-2)]如果各要素的可靠度為等值R)，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FS(t)=(R))n;并聯(lián)時系統(tǒng)可靠度Rs(t)=1-(1-Ro)noFs=1-Fs=1-(1-Rn)m。當m當有「個串聯(lián)系統(tǒng)包括在m個并聯(lián)系統(tǒng)中，則系統(tǒng)可靠度為個并聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成n個串聯(lián)系統(tǒng)時，則系統(tǒng)可靠度為 R=[1-(1-R)】n例：圖20.4中，(a)為2組3個要素串聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)； (b)為3組兩個要素并聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。如果各個要素可靠度皆為 80%，則⑻圖中可靠度為：I-L1-JI-L1-(b)圖中可靠度為:心"1-(1-R)2]'=[l-(1-CL8尸『=84596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)的各個要素的可靠度。: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。: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(shè)計合適的系統(tǒng)構(gòu)成，可以進一步提高系統(tǒng)的可靠度。L ~0=S-I，gr! [r] —L(b)凰加4混含構(gòu)成例匡二、人機系統(tǒng)可靠性設(shè)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(shè)計程序(1)制定為達到系統(tǒng)可靠性總體指標的各種設(shè)計方案；(2)分析設(shè)計方案的可靠性，選擇可靠性設(shè)計方案；(3)人、機器、環(huán)境功能分配與可靠度分配；繪制人機系統(tǒng)圖及說明書；試驗、試制、檢驗計劃的編制；(6)確認試驗、改善設(shè)計；(7)完成最終設(shè)計、提出保證可靠性等要求的設(shè)計書。2.人機系統(tǒng)的可靠性分配基本原則：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)。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。人機環(huán)境各因素的可靠性設(shè)計分析人的操作可靠性設(shè)計，包括：人的任務(wù)分析，根據(jù)總?cè)蝿?wù)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(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)時發(fā)生差錯的可能性分橋；顯示、控制裝置設(shè)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(xùn)練要求；對人員的生活、休息、醫(yī)務(wù)保障等措施的安排與執(zhí)行。機器的可靠性設(shè)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(xué)設(shè)計；冗余設(shè)計；容錯設(shè)計、失效保護設(shè)計、故障自動診斷和恢復(fù)能力；維修性設(shè)計；人機界面與接口設(shè)計；耐環(huán)境設(shè)計；降額使用。環(huán)境的可靠性設(shè)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(shè)計。4.人機系統(tǒng)設(shè)計注意事項明確人機系統(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(shù)裝備、技術(shù)水平等，必須具體分析，確定人機系統(tǒng)的類型。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。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?。最重要的顯示器和控制器應(yīng)當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應(yīng)關(guān)系排列。要充分考慮人的心理因素與生理條件。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(yīng)能準確判斷異常原因，有時進行調(diào)整，使之恢復(fù)正常，這便是由人監(jiān)督機器。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。找出設(shè)想的殊熱 信息_數(shù)據(jù)金理】 |1 1/1、八， .X/X 4咋成故武椅 1F 嘍全性分折制企防吐事故力廉三、人機系統(tǒng)的安全性分析嘍全性分折制企防吐事故力廉1人機系統(tǒng)安全性分析方法一一故障樹法從系統(tǒng)設(shè)計初期階段開始，就應(yīng)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(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(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。故障樹法的步驟(見圖 20.6)故障樹的制作(1)故障樹常用符號按障審件基本爭件(用期找由欣國的事件〉可◎譜一步分析，但現(xiàn)的可以省略或保昭的聆件非為曲檢障事件、十… 八一，一 fr ―土號Ph逵輯枳.T”個爭件捧笈生肘.‘‘A肚堰生或門：邏穗施，當e牛爭杵中有一〒疑生時，St能弓居茶牛事件愛生圉文寸山故障擁的慕章特號(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(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。示例如圖207oJO<7故Kt用示例(3)故障樹繪制實例煤氣爆炸炸事故故瞳樹圖圖炸事故故瞳樹圖圖20.10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(xué)角度進行檢查。系統(tǒng)的工效學(xué)評價方法很多，其中主要有：功能分析、職務(wù)分析評價；通過實驗評價：模擬評價；按檢查表評價；感覺檢查評價；可靠性計測評