人机系统可靠性计算

人机系统可靠性计算

(一)系统中人的可靠度计算

由于人机系统中人的可靠性的因素众多且随机变化，因此人的可靠性是不稳定的。人的可靠度计算(定量计算)也是很困难的。

1．人的基本可靠度

系统不因人体差错发生功能降低和故障时人的成功概率，称为人的基本可靠度，用r表示。人在进行作业操作时的基本可靠度可用下式表示：

r＝a1a2a3 (1—26)

式中a1——输入可靠度，考虑感知信号及其意义，时有失误；

a2——判断可靠度，考虑进行判断时失误；

a3——输出可靠度，考虑输出信息时运动器官执行失误，如按错开关。

上式是外部环境在理想状态下的可靠度值。a1，a2，a3，各值如表1—11所示。

表1--11可靠度计算

作业类别内容a1～a3 a2

简单一般复杂变量在6个以下，已考虑人机工程学原则

变量在10个以下

变量在10个以上，考虑人机工程学不充分

0．9995～0．9999

0．9990～0．9995

0．990～0．999

0．999

0．995

0．990

人的作业方式可分为两种情况，一种是在工作时间内连续性作业，另一种是间歇性作业。下面分别说明这两种作业人的可靠度的确定方法。

(1)连续作业。在作业时间内连续进行监视和操纵的作业称为连续作业，例如控制人员连续观察仪表并连续调节流量；汽车司机连续观察线路并连续操纵方向盘等。

连续操作的人的基本可靠度可以用时间函数表示如下：

r(t)＝exp[∫0+∞l(t)dt] (1—27)

式中r(t)——连续性操作人的基本可靠度；

t——连续工作时间；

l(t)——t时间内人的差错率。

(2)间歇性作业。在作业时间内不连续地观察和作业，称为间歇性作业，例如，汽车司机观察汽车上的仪表，换挡、制动等。对间歇性作业一般采用失败动作的次数来描述可靠度，其计算公式为：

r＝l一p(n／N) (1—28)

式中N——总动作次数；

n——失败动作次数；

p——概率符号。

2．人的作业可靠度

考虑了外部环境因素的人的可靠度RH为：

RH＝1—bl·b2·b3·b4·b5(1—r) (1—29)

式中b1——作业时间系数；

b2——作业操作频率系数；

b3——作业危险度系数；

b4——作业生理和心理条件系数；

b5——作业环境条件系数；

(1-r)——作业的基本失效概率或基本不可靠度。

r可根据表1—1及式(1—26)求出。b1～b5；可根据表1—12来确定。表1--12 可靠度RH的系数(bl～b5)

系数作业时间系数

b1 操作频率系数

b2

危险度系数b3 生理心理条

件

系数b4

环境条件系数

b5

1．0 1．0～3．0 3．0~10．0 宽余时间充分

宽余时间不充

分

无宽余时间

适当

继续进行

极少进行

人身安全

有人身危险

可造成重大恶性事

故

良好

不好

非常不好

良好

不好

非常不好

(二)人机系统的可靠度计算

人机系统组成的串联系统可按下式表达：

Rs＝RH·RM (1—30)

式中Rs——人机系统可靠度；

RH——人的操作可靠度；

RM——机器设备可靠度。

人机系统可靠度采用并联方法来提高。常用的并联方法有并行工作冗余法和后备冗余法。并行工作冗余法是同时使用两个以上相同单元来完成同一系统任务，当一个单元失效时，其余单元仍能完成工作的并联系统。后备冗余法也是配备两个以上相同单元来完成同一系统的并联系统。它与并行工作冗余法不同之处在于后备冗余法有备用单元，当系统出现故障时，才启用备用单元。

1．两人监控人机系统的可靠度

当系统由两人监控时，控制如图4—8所示。一旦发生异常情况应立即切断电源。该系统有以下两种控制情形。

图4—8 两人监视系统

(1)异常状况时，相当于两人并联，可靠度比一人控制的系统增大了，这时操作者切断电源的可靠度为R Hb(正确操作的概率)：

R Hb＝1-(1-R1)(1-R2) (1—31)

(2)正常状况时，相当于两人串联，可靠度比一人控制的系统减小了，即产生误操作的概率增大了，操作者不切断电源的可靠度为R Hc(不产生误动作的概率)：

R Hc＝R l·R2(1—32)

从监视的角度考虑，首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则是次要的，因此这个监控系统是可行的。所以两人监控的人机系统的可靠度度R sr为：

异常情况时，

R sr′＝R Hb·R M＝[1-(1-R1)(1-R2)]R M(1—33)

正常情况时，

R sr″＝R Hc·R M＝R l·R2·R M(1—34)

2．多人表决的冗余人机系统可靠度

上述两人监控作业是单纯的并联系统，所以正常操作和误操作两种概率都增加了，而由多数人表决的人机系统就可以避免这种情况。若由几个人构成控制系统，当其中r个人的控制工作同时失误时，系统才会失败，我们称这样的系统为多数人表决的冗余人机系统。设每个人的可靠度均为R，则系统全体人员的操作可靠度Rm为：

R Hn ＝∑C i n (1一R)i R (n-1) (1—35)

式中C i n --n 个人中有i 个人同意时事件数，C i n ＝n!／[i! ·(n-i)!]，且规定C i n ＝l 。 多数人表决的冗余人机系统可靠度的计算公式为： R sd ＝[

i

n

r i C

∑-=1

(1-R)i R (n-i)]·R M (1—36)

3．控制器监控的冗余人机系统可靠度

设监控器的可靠度为及m ，则人机系统的可靠度兄k 为： R sk ＝[1-(1-R Mk ·R H )(1-R H )]·R M (1—37)

4．自动控制冗余人机系统可靠度

设自动控制系统的可靠度为R Mz ，则人机系统的可靠度R sz 为： R sz ＝[1-(1-R Mz ·RH)(1-R Mz )]·R M (1—38)

五、人机系统可靠性设计基本原则 1．系统的整体可靠性原则

从人机系统的整体可靠性出发，合理确定人与机器的功能分配，从而设计出经济可靠的人机系统。

一般情况下，机器的可靠性高于人的可靠性，实现生产的机械化和自动化，就可将人从机器的危险点和危险环境中解脱出来，从根本上提高了人机系统可靠性。 2．高可靠性组成单元要素原则

系统要采用经过检验的、高可靠性单元要素来进行设计。 3．具有安全系数的设计原则

由于负荷条件和环境因素随时间而变化，所以可靠性也是随时间变化的函数，并且随时间的增加，可靠性在降低。因此，设计的可靠性和有关参数应具有一定的安全系数。 4．高可靠性方式原则

为提高可靠性，宜采用冗余设计、故障安全装置、自动保险装置等高可靠度结构组合方式。 (1)系统“自动保险”装置。自动保险，就是即使是外行不懂业务的人或不熟练的人进行操作，也能保证安全，不受伤害或不出故障。

这是机器设备设计和装置设计的根本性指导思想，是本质安全化追求的目标。要通过不断完善结构，尽可能地接近这个目标。

(2)系统“故障安全”结构。故障安全，就是即使个别零部件发生故障或失效，系统性能不变，