安全人机工程人机系统安全与可靠性

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一、可靠性的定义及其度量
l、可靠性的定义 可靠性是指研究对象在规定条件下、规定时间 内、完成规定功能的能力。 2、可靠性度量指标 可靠性度量指标是指对系统或产品的可靠程度 作出定量表示。常用的基本度量指标有可靠 度、不可靠度（或累积故障概率）、故障率 （或失效率）、平均无故障工作时间（或平 均寿命）、维修度、有效度等。
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• （3）平均寿命（或平均无故障工作时间)
t t/n
• 式中 ∑t —— 总工作时间； • n —— 故障（或失效）次数或试验产品数。
(4)维修度
是指维修产品发生故障后，在规定条件、维修工具、维 修方法及维修技术水平下,在规定时间内能修复的概率，
它是维修时间τ的函数，用M(τ)表示，称为维修度函数。
定的时间内失效数r与累积工作时间∑t之比；对于 维修产品是指它的使用寿命内的某个观测期间一个
或多个产品的故障发生次数r与累积工作时间之比， 即两种情况均可用式（8-4）表示：
λ(t) r t
（8—4）
• 产品在其整个寿命期间内各个时期的故障率是不同 的，其故障率随时间变化的曲线称为寿命曲线，也
称浴盆曲线，如图8－1所示。
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图8-1 产品寿命曲线 1、早期故障期 2、偶发故障期 3、磨损故障期
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图8-2 故障率与时间的关系
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产品的失效过程可分为三个阶段：
1）初期故障，发生于机器试制或投产早期的试运转期间。 产品在使用初期，由于材质的缺陷，设计、制造、安装、 调整等环节造成的缺陷，或检验疏忽等原因存在的固有 缺陷陆续暴露出来，此期间故障率较高
At, Rt FtM (5—9)
• 有效度的观测值：在某个观测时间内，产品可工作时间与工作 时间和不可工作时间之和的比值，记为Â，其计算见式（510）。
Â=U/(U+D )
(5—10)
式中 U－－可工作时间，包括任务时间、启动时间和待机时间；
• D－一不可工作时间，包括停机维护时间、修理时间、延误
2）随机故障，是在机器处于正常工作状态下的偶发故障。 这段时间较长，是产品的最佳工作期。这时发生的故障 是随机的，是偶然原因引起应力增加，当应力超过设计 规定的额定值时，就可能发生故障。
3）耗损故障，也即后期磨损故障。这个时期的故障迅速上 升，因为产品经长期使用后，由于磨损、老化，大部分 零部件将接近或达到固有寿命期，所以故障率较高。
• 故障率是指工作到t时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单 位时间内发生故障的概率，故障率也是时间的函数，记为λ(t)， 称为故障率函数。产品的故障率是一个条件概率，它表示产 品在工作到t时刻的条件下，单位时间内的故障概率。它反映t 时刻产品发生故障的速率，称为产品在该时刻的瞬时故障率 以λ(t)，习惯称故障率。
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• 故障率的观测值等于N个产品在t时刻后单位时间内 的故障产品数ΔNf(t)/Δt与在t时刻还能正常工作的产 品数Ns(t)之比，见式（8-3）
λ(t) = ΔNf(t) / Ns(t) ·Δt
（8—3）
• 平均故障率t 是指在某一规定的时间内故障率的
平均值。其观测值，对于非维修产品是指在一个规
维修度的观测值为：在τ＝0时处于故障状态需要维修的 产品数N与经过时间τ修复的产品数Nτ之比，见式
M(τ) = N / Nτ
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• (5)有效度
• 狭义可靠度R（t）与维修度M(τ)的综合称为有效度，也称广 义可靠度。其定义为：对维修产品，在规定的条件下使用，在 规定维修条件下修理，在规定的时间内具有或维持其规定功能 处于正常状态的概率。显然，有效度是工作时间t与维修时间τ 的函数，常用A（t，τ）表示，它是对维修产品可靠性的综合 评价。A（t，τ）可用式（5-9）表示：
人机系统安全可靠性
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• 在现实生活和生产工作中，经常都在发生各 式各样的事故。以减少事故、提高系统安全 性为目的的人机系统的可靠性研究，日益被 人们所重视。
• 长期以来，可靠性研究对象被局限在“机”， 事实上很多事故是由人的差错造成的。人在 系统中的可靠性越来越重要。
• 人机系统的可靠性、安全性决定于构成该人 机系统的人、机器、环境三方面因素及其它 们间的协调关系。
(8—2)
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（2）故障率（或失效率）
• 故障和失效这两个概念，其基本含义是一致的，都表示产品 在低功能状态下工作或完全丧失功能，只是前者一般用于维 修产品，可以修复，后者用于非维修产品，表示不可修复。
• 产品在工作过程中，由于某种原因使一些零部件发生故障或 失效，为反映产品发生故障的快慢，引出故障率参数。
• 不可靠度也是时间的函数，常用F(t)表示。同样对N个
产品进行寿命试验，试验到t瞬间的故障数为Nf(t)，则 当N足够大时，产品工作到t瞬间的不可靠度的观测值
（即累积故障概率）可近似表示，见式（8-2）：
F(t) ≈ Nf(t) / N • F(t) 随Nf（t）的增加而增加 • F(t)的变化范围约为0≤F(t)≤1。
时间和改装时间。
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• 3 、可靠性特征量之间的关系
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Hale Waihona Puke Baidu
（1）可靠度
• 可靠度是可靠性的量化指标，即系统或产品在规定条件 和规定时间内完成规定功能的概率。可靠度是时间的函 数，常用以R(t)表示，称为可靠度函数。
• 产品出故障的概率是通过多次试验中该产品发生故障的
频率来估计的。例如，取N个产品进行试验，若在规定
时间t内共有Nf(t)个产品出故障，则该产品可靠度的观 测值可用式（8-1）近似表示：
R(t)≈ [N — Nf (t)] / N
(8—1)
• 当t=0，Nf（t）＝ 0，则R（t）＝l。
• 随着t的增加，出故障的产品数Nf（t）也随之增加，则 可靠度 R(t)下降。当 t→∞， Nf(t)→N ，则 R(t)→0。
• 可靠度的变化范围约为0≤R(t)≤1。
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• 与可靠度相反的一个参数叫不可靠度。它是指系统或产 品在规定条件和规定时间内未完成规定功能的概率，即 发生故障的概率，所以也称累积故障概率。