第17讲 人机系统的可靠性和安全性

-1-第十七讲人机系统的可靠性和安全性通过本章的学习，应能够：1．描述人机系统的可靠性、可靠度；2．掌握人、人机系统的可靠度计算方法；3．说明人机系统可靠性设计的要求；4．运用故障树对人机系统得安全性进行描述和分析。一、基本概念1．可靠性定义：可靠性是指研究对象在规定条件下和规定时间内功能的能力。研究对象：指系统、机器、部件或人员。本学科只研究人的操作可靠性，即以引起系统故障或失效的人为因素为研究对象。可靠性高低与研究对象所处的规定条件和规定时间有密切关系。研究对象所处的条件包括温度、湿度、振动、冲击、负荷、压力等，还包括维护方法、自动操作还是人工操作、作业人员的技术水平等广义的环境条件。规定的时间一般指通常的时间概念，根据研究对象的不同也使用周期、距离、次数等相当于时间指标的量。研究对象的功能：是指对象的某些特定的技术指标。2．可靠度定义：可靠度R是指在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的概率。不可靠度或失效概率F：研究对象在规定的条件下、规定时间内丧失规定的功能的概率。R十F＝1或R＝l—F可靠度的获得：研究对象的不可靠度可以通过大量的统计实验得出。3．人的操作可靠度定义：作业者在规定条件下、规定时间内正确完成操作的概率，用RH表示。人的操作不可靠度(人体差错率)FH，RH+FH=1。人的操作可靠度计算：人的行动过程包括：信息接受过程、信息判断加工过程、信息处理过程。人的可靠性也包活人的信息接受的可靠性、信息判断的可靠性、信息处理的可靠性。这三个过程的可靠性就表达了人的操作可靠性。（1）间歇性操作的操作可靠度计算。-2-间歇性操作的特点是在作业活动中，作业者进行不连续的间断操作。例如，汽车换挡、制动等均属间歇性操作。这种操作可能是有规律的，有时也可能是随机的。因此，对于这种操作不宜用时间来表达其可靠度，一般用次数、距离、周期等来描述其可靠度。若某人执行某项操作N次，其中操作失败n次，则当N足够大时，则此人的操作不可靠度为：FH＝n/N人在执行此项操作中，其操作可靠度为：RH＝1—FH＝1—n/N例如，汽车司机操纵刹车5000次，其中有1次失误项操作的可靠度为：RH＝1—1/5000＝0．9998（2）连续性操作的操作可靠度计算。连续性操作是在作业活动过程中，作业者在作业时间里进行连续的操作活动。例如对运行仪表的全过程监视，汽车司机开车活动中方向盘的操纵，对道路情况的监视等。连续性操作可直接用时间进行描述。对连续性操作的操作可靠度，可用人的操作可靠性模型来描述。t0dt)t(He)t(R式中t——连续工作时间；λ（t）——t时间内人的差错率。例如，汽车司机操纵方向盘的恒定差错率为λ（t）＝0.00001，若果个司机驾车300小时，其可靠度为：说明：λ（t）是随时间变化的函数；对于同一个人，在不同的时间内，其差错率λ（t）是不同的，对于不同的人，其差错率λ（t）也是不同的；因此，在计算连续性操作可靠度时，一般是根据不同的人、不同的时间、进行同一操作的差错率的平均值计算的。4．人机系统的可靠度定义：人机系统在规定条件下、规定时间内正确完成操作的概率，用RS表示。说明：人机系统可靠度是评价人机系统设计的重要内容。为了获得人机系统的最佳-3-效能，除了机器本身可靠度指标要高外，还要求操作者的操作可靠度指标也要高。可靠度计算：把一个系统的可靠度设为RS（t），构成系统的各要素的可靠度设为Ri（t）（i=1，2，3，…n），根据各要素的连接方式，系统可靠度计算方法如下：（1）串联构成串联构成如图20．2所示，n个具有独立功能的要素构成串联配置，串联配置的含义是：一个系统各要素都正常时系统才正常。其系统的可靠度等于每个要素可靠度之积，如表达式（20-1）（20-1）（2）并联构成一个人机系统若至少有一个子系统(要素)正常，系统即正常，或各子系统(要素)都不正常，系统才不正常称之为并联系统。并联系统构成如图20．3，并联系统的可靠度如表达式20-2。（20-2）如果各要素的可靠度为等值R0，在串联时系统可靠度为RS（t）=（R0）n；并联时系统可靠度RS（t）=1-（1-R0）n。（3）串联和并联混合构成当有n个串联系统包括在m个并联系统中，则系统可靠度为RS=1-（1-Rn）m。当m个并联系统构成n个串联系统时，则系统可靠度为RS=[1-（1-R）m]n例：图20．4中，(a)为2组3个要素串联构成的并联系统；(b)为3组两个要素并联构成的串联系统。如果各个要素可靠度皆为80％，则(a)图中可靠度为：-4-(b)图中可靠度为：可以看出：（1）：(b)系统的可靠度比(a)系统的可靠度高，而且(b)系统的可靠度还高于构成系统的各个要素的可靠度。（2）：构成系统的要素相同，如果连接配置的方式不同，则系统的可靠度可能不同。（3）：在人机系统中，由于人的可靠度不可能期待有大的提高，但是通过设计合适的系统构成，可以进一步提高系统的可靠度。二、人机系统可靠性设计人机系统的可靠性与工程可靠性的差别在于：人机系统的可靠性要把涉及到人的各种问题以及环境因素的控制问题纳入到可靠性内容当中。对人、机、环境三者及三者之间的相互配合、功能分配、可靠度分配等必须予以认真分析、研究，方可保证人机系统的整体可靠性要求。1．人机系统的可靠性设计程序（1）制定为达到系统可靠性总体指标的各种设计方案；（2）分析设计方案的可靠性，选择可靠性设计方案；（3）人、机器、环境功能分配与可靠度分配；（4）绘制人机系统图及说明书；（5）试验、试制、检验计划的编制；（6）确认试验、改善设计；-5-（7）完成最终设计、提出保证可靠性等要求的设计书。2．人机系统的可靠性分配（1）基本原则：机器与人之间的配合，要尽量使人操作简便省力，尽量减少作业者在短时间内完成许多不同的操作，使作业者的操作在其能力范围之内。在人与机器的功能分配上，要了解人、机器各自的功能特征，并进行分析比较．充分发挥人、机潜能，从而使人机系统的整体功能达到最佳状态。（2）人、机的基本限度：人的基本限度：正确度的限度、体力的限度、行动速度的限度、知觉能力的限度。机器的基本限度：机械性能维持能力的限度、机器正常动作的限度、机械判断能力的限度、费用的限度。3．人机环境各因素的可靠性设计分析（1）人的操作可靠性设计，包括：人的任务分析，根据总任务要求和人、机、环境功能分析与分配，找出人要完成的所有任务，并将其分解为具体操作；人员配置及人与人之间的分工；人完成任务时发生差错的可能性分桥；显示、控制装置设置对人操作影响分析；环境因素对人的影响；对人员的心理和生理要求、选拔人员的条件与训练要求；对人员的生活、休息、医务保障等措施的安排与执行。（2）机器的可靠性设计，包括：安全系数的选择、静强度、疲劳强度及概率断裂力学设计；冗余设计；容错设计、失效保护设计、故障自动诊断和恢复能力；维修性设计；人机界面与接口设计；耐环境设计；降额使用。（3）环境的可靠性设计，包括：各种环境条件的分析判断及其准确性；环境条件规范的降额；机器所需要的人造环境条件；人员对环境条件和生理卫生要求及环境控制、生命保障系统和个人装备设计。4．人机系统设计注意事项（1）明确人机系统的目的及实现目的的制约条件，例如地理、环境、人力、财力、技术装备、技术水平等，必须具体分析，确定人机系统的类型。（2）提高系统的功能与可靠性，并不是孤立地依靠某子系统的功能和可靠性的改善及提高，而是力求各子系统、单元间的相互匹配，使整体优化。（3）尽量将生产过程变为简单操作，且各种操作对作业人员不带有危险性。尽量采用坐姿作业方式，并且不促使作业者采取不当的姿势。（4）最重要的显示器和控制器应当安排在最适宜的位置．并按功能或系统分组。有-6-关联的显示器和控制器要呈对应关系排列。（5）要充分考虑人的心理因素与生理条件。（6）要考虑人和机器问的相互监督作用。要做到，即使是人发生误动作，也不致造成事故，且还要让人知道动作的错误所在，这就是由机器监督人。另一方面，当机器出现异常时．人应能准确判断异常原因，有时进行调整，使之恢复正常，这便是由人监督机器。（7）人机系统的分析评价是对整体系统的可靠性、安全性、舒适性以及作业效率等进行综合分析与评价。三、人机系统的安全性分析1．人机系统安全性分析方法——故障树法从系统设计初期阶段开始，就应该把握住影响系统安全的问题，努力加以改进。最常用的分析评价系统安全性的方法是故障树法，即FTA（FaultTreeAnalysis)法。FTA：把故障、事故发生的系统加以模型化，把作为对象的因果关系根据逻辑结构分析以树状图表示，可以推断故障、事故的发生频度，找出发生的经路。2．故障树法的步骤（见图20.6）3．故障树的制作（1）故障树常用符号：-7-（2）故障树绘制要点：从故障或事故开始，逐层向下分析；为分析需要，图中使用与门和或门来表示；要明确各层的相互关系和各种现象的因果关系；树形图的树枝不宜分得过细。示例如图20.7。（3）故障树绘制实例4．故障树法的优点故障树法是评价系统安全性或分析事故原因的有效方法。这种方法的优点是：-8-对事故原因的全貌，可以用视觉很容易地交换信息；现场的各种问题，用图形表示容易理解，并且可以发现潜在的问题；可以发现新的因素；可以定量地进行改进方案的比较，并可以附加位置方面的因素；适用范围广。四、系统的安全性评价系统的安全性主要从两个方面评价，一是发生故障、事故的频度；二是对系统的各组成部分从工效学角度进行检查。系统的工效学评价方法很多，其中主要有：功能分析、职务分析评价；通过实验评价：模拟评价；按检查表评价；感觉检查评价；可靠性计测评价；动作、时间分析评价等。从工效学方面分析，主要有以下内容：尺寸、作业空间；用力、控制；时间、速度；对人体的输入；环境条件；作业条件(密度、作业持续时间、休息等)；个人因素(适应性、教育、训练等)；输入输出之间的关系等。见教材p388-390，生产系统安全性检查主要考虑的几个方面：