第17讲 人机系统的可靠性和安全性

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R H表示。

人的操作不可靠度(人体差错率)F H，R H+F H=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。

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：

F H＝n/N

人在执行此项操作中，其操作可靠度为：

R H＝1—F H＝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：

R H＝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。

⎰=t

dt )t(

H

e )t(

Rλ

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R S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R S（t），构成系统的各要素的可靠度设为R i（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R S（t）=（R0）n；并联时系统可靠度R S（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R S=1-（1-R n）m。当m 个并联系统构成n个串联系统时，则系统可靠度为R S=[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：

(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；

（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