人机系统的可靠性评价

人机系统的可靠性评价
人机系统的可靠性：由机器可靠性和人的操作可靠性两方面组成,其可靠度R S是由机器的可靠度R M 和人的操作可靠度R H两部分构成的，一般情况下人机为串联系统如图5-2所示。

R S=R M·R H 5-1
人的操作可靠性：是指在一定条件下、一定工作时间间隔内操作者能正确无误完成给定任务的程度。

其数量指标是操作可靠度。

操作可靠度：是指在一定条件下、一定工作时间间隔内操作者能正确无误完成给定任务的概率，记为R H。

图5-2
图5-3表示人和机器的可靠性对系统可靠性的影响情况及它们之间的相互关系。

图5-3
一、 人机功能分配
1、操作过程分析
人对机器的操作过程，可用行为心理学提出的普遍公式描述：
刺激（S）意识（O）反应（R）刺激输入S（Stimulus input）:是操作者感受外部环境的物理、化学变化，如指示灯的亮灭，指示仪表的读数、设备功能的突然停止。

即刺激输入是一个感知过程，主要通过看、听、摸、尝、闻等感受外界的变化。

内部响应O：操作者识别刺激S、对信息作出处理和判断。

输出响应R：是操作者对于内部响应O所作出的实际行动或反应。

三者关系：在这个操作过程中，后一个要素依赖前一个要素，其中任何一个要素出了毛病，即会引起人为差错。

因此，在人机系统可靠性设计时，应考虑使操作者对于刺激易于感受，采取的结构要便于操作者作出反应，而且不应要求操作者有很高的内部响应能力。

主要的问题是再设计指示装置和控制装置之前，必须对人的能力和限度有足够科学的了解。

2、人机功能分配：根据人和机器的特征技能，
合理分配其中人的功能和机器的功能，表5-1所示人和机器的特性比较。

对人和机器功能进行分配时，应考虑系统的任务性质、成本、质量、安全性和技术水平等条件，并考虑一下原则：
a、笨重的、快速的、规律性强的、单调的、
高阶运算的、操作复杂的工作，适合于机器
承担；而指令和程序的安排、机器系统的监
护、维修、设计、创造、故障处理以及应付
突出事件等工作，则适合于人来承担。

b、对操作者的限制条件和规定事项越多，
则认为差错越多。

当任务的要求接近操作者
的能力极限时，应尽可能考虑将某些功能自
动化。

c、人为差错正比于人在系统中的工作量，
操作程序的数目，控制器数量，系统所必需的联络、判断和计算的繁杂程序，因此，在人机系统设计时，应尽可能简化操作，减少操作人员的工作量。

d、在其他条件相同时，对于像自动测试设
备一类的高度自动化设备，由于其在实际使用状态下可靠性不同，故应考虑由人来做系统的后备因素。

二、 冗余人机系统的可靠度计算
原理：通过增加多余要素可以构成并联操作系统，就可以使操作系统具有冗余度。

这是提高系统可靠性的一种有效方法。

例如，某控制系统由两人监视，如图5-4a 一旦发生异常情况立即切断电源。

该系统有下面两种控制系统， 见图5-4b
（a ）系统结构图 （b ）系统可靠性框图
图5-4 二人监视系统
1、 异常状态时，相当于两个人并联，可靠度比一人控制的系统增大了，这是操作者切断电源的可靠度（正确操作的概率）
)1)(1(1)1(1212
1R R R R i i Hb −−−=−−=∏=
人机系统的可靠度
M M Hb Sr
R R R R R R )]1)(1(1[21−−−=⋅=′ 5-2a
2、 正常状态时，相当于两个人串联，可靠度比一人控制的系统小了，即产生误操作的概率增大了，操作者闭合电源的可靠度（不产生误操作的概率）
21R R R HC ⋅=
人机系统的可靠度
M M Hb Sr
R R R R R R ⋅⋅=⋅=′21 5-2b
结论：从监视的角度考虑，主要问题是避免异常状况时的危险，即保证异常状况时切断电源的可靠度，而提高正常状况下不误操作的可靠度是次要的，因此这个监控系统是可行的。

三、 多数人表决的冗余人机系统可靠度
上系统的问题：为一般并联系统，所以正常操作和误操作两种概率度增加了，若采用多数人表决系统就可以避免这种情况。

多数人表决的冗余人机系统：若由几个人构成的控制系统，当其中r 个人的控制工作同时失误时，系统才会失误。

这种系统称为多数人表决的冗余人机系统。

设每个人操作可靠度均为R ，则系统全体人员的操作可靠度Hn
R 为：
)(10)1(i n i r i i n Hn R R C R −−=−=∑ 5-3 式中
i n C —n 个人中有i 个人同意时事件数，)!
(!!i n i n C i n −=。

例如，有三人监视作业时，有两人以上同意才能切断电源，n=3，则起操作可靠度
32213303323)1(R R R R C R C R H −=⋅−+⋅= 若每人正确操作的概率为R=0.90,无操作的概率为F=0.15,则在三人监视二人表决的系统中，正确操作的概率3H R 及误操作的概率3
H F 分别为：
90.0972.023323=>=−=R R R R H
15.006075.023323=<=−=F F F F H
结论：说明多数人表决的冗余人机系统中，异常状态下正确操作的可靠度和正常状态下不发生误操作的可靠性度增加了。

这说明采用多数人表决冗余系统设计，尽管人还会不可避免地产生失误，但整个系统却具有较高的可靠性。

多数人表决的冗余人机系统可靠度Sd
R 为
M i n i r i i n Sd R R R C R ⋅−=−−=∑])1([)(10
5-4 四、 控制器监视冗余人机系统的可靠度
特点：控制器主要有人操纵，在控制系统中设置有监视装置，如果人操作错误，机器会拒绝执行或提出警告。

如图5-5所示。

图5-5 控制器监控人机系统可靠性框图
设监控器的可靠度为Mk R ，则人机系统的可靠度Sk R 为
M H Mk Sk R R R R ⋅−−−=)]1)(1(1[ 5-5。