人機系統(tǒng)安全可靠性13/7/2024在現(xiàn)實生活和生產(chǎn)工作中，經(jīng)常都在發(fā)生各式各樣的事故。以減少事故、提高系統(tǒng)安全性為目的的人機系統(tǒng)的可靠性研究，日益被人們所重視。長期以來，可靠性研究對象被局限在“機”，事實上很多事故是由人的差錯造成的。人在系統(tǒng)中的可靠性越來越重要。人機系統(tǒng)的可靠性、安全性決定于構成該人機系統(tǒng)的人、機器、環(huán)境三方面因素及其它們間的協(xié)調(diào)關系。23/7/2024一、可靠性的定義及其度量

l、可靠性的定義

可靠性是指研究對象在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)、完成規(guī)定功能的能力。

2、可靠性度量指標

可靠性度量指標是指對系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠程度作出定量表示。常用的基本度量指標有可靠度、不可靠度（或累積故障概率）、故障率（或失效率）、平均無故障工作時間（或平均壽命）、維修度、有效度等。33/7/2024（1）可靠度可靠度是可靠性的量化指標，即系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r間的函數(shù)，常用以R(t)表示，稱為可靠度函數(shù)。產(chǎn)品出故障的概率是通過多次試驗中該產(chǎn)品發(fā)生故障的頻率來估計的。例如，取N個產(chǎn)品進行試驗，若在規(guī)定時間t內(nèi)共有Nf(t)個產(chǎn)品出故障，則該產(chǎn)品可靠度的觀測值可用式（8-1）近似表示：

R(t)≈[N—Nf

(t)]/N

(8—1)當t=0，Nf（t）＝

0，則R（t）＝l。隨著t的增加，出故障的產(chǎn)品數(shù)Nf（t）也隨之增加，則可靠度R(t)下降。當t→∞，

Nf(t)→N

，則R(t)→0。可靠度的變化范圍約為0≤R(t)≤1。43/7/2024與可靠度相反的一個參數(shù)叫不可靠度。它是指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，所以也稱累積故障概率。不可靠度也是時間的函數(shù)，常用F(t)表示。同樣對N個產(chǎn)品進行壽命試驗，試驗到t瞬間的故障數(shù)為Nf(t)，則當N足夠大時，產(chǎn)品工作到t瞬間的不可靠度的觀測值（即累積故障概率）可近似表示，見式（8-2）：

F(t)≈Nf(t)/N(8—2)F(t)隨Nf（t）的增加而增加F(t)的變化范圍約為0≤F(t)≤1。53/7/2024（2）故障率（或失效率）故障和失效這兩個概念，其基本含義是一致的，都表示產(chǎn)品在低功能狀態(tài)下工作或完全喪失功能，只是前者一般用于維修產(chǎn)品，可以修復，后者用于非維修產(chǎn)品，表示不可修復。產(chǎn)品在工作過程中，由于某種原因使一些零部件發(fā)生故障或失效，為反映產(chǎn)品發(fā)生故障的快慢，引出故障率參數(shù)。故障率是指工作到t時刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率，故障率也是時間的函數(shù)，記為λ(t)，稱為故障率函數(shù)。產(chǎn)品的故障率是一個條件概率，它表示產(chǎn)品在工作到t時刻的條件下，單位時間內(nèi)的故障概率。它反映t時刻產(chǎn)品發(fā)生故障的速率，稱為產(chǎn)品在該時刻的瞬時故障率以λ(t)，習慣稱故障率。63/7/2024故障率的觀測值等于N個產(chǎn)品在t時刻后單位時間內(nèi)的故障產(chǎn)品數(shù)ΔNf(t)/Δt與在t時刻還能正常工作的產(chǎn)品數(shù)Ns(t)之比，見式（8-3）

λ(t)=ΔNf(t)/Ns(t)·Δt

（8—3）平均故障率是指在某一規(guī)定的時間內(nèi)故障率的平均值。其觀測值，對于非維修產(chǎn)品是指在一個規(guī)定的時間內(nèi)失效數(shù)r與累積工作時間∑t之比；對于維修產(chǎn)品是指它的使用壽命內(nèi)的某個觀測期間一個或多個產(chǎn)品的故障發(fā)生次數(shù)r與累積工作時間之比，即兩種情況均可用式（8-4）表示：（8—4）產(chǎn)品在其整個壽命期間內(nèi)各個時期的故障率是不同的，其故障率隨時間變化的曲線稱為壽命曲線，也稱浴盆曲線，如圖8－1所示。

73/7/2024圖8-1

產(chǎn)品壽命曲線1、早期故障期

2、偶發(fā)故障期

3、磨損故障期83/7/2024圖8-2故障率與時間的關系93/7/2024產(chǎn)品的失效過程可分為三個階段：

1）初期故障，發(fā)生于機器試制或投產(chǎn)早期的試運轉(zhuǎn)期間。產(chǎn)品在使用初期，由于材質(zhì)的缺陷，設計、制造、安裝、調(diào)整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，或檢驗疏忽等原因存在的固有缺陷陸續(xù)暴露出來，此期間故障率較高2）隨機故障，是在機器處于正常工作狀態(tài)下的偶發(fā)故障。這段時間較長，是產(chǎn)品的最佳工作期。這時發(fā)生的故障是隨機的，是偶然原因引起應力增加，當應力超過設計規(guī)定的額定值時，就可能發(fā)生故障。3）耗損故障，也即后期磨損故障。這個時期的故障迅速上升，因為產(chǎn)品經(jīng)長期使用后，由于磨損、老化，大部分零部件將接近或達到固有壽命期，所以故障率較高。

103/7/2024（3）平均壽命（或平均無故障工作時間)式中∑t——總工作時間；

n——故障（或失效）次數(shù)或試驗產(chǎn)品數(shù)。

(4)維修度

是指維修產(chǎn)品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件、維修工具、維修方法及維修技術水平下,在規(guī)定時間內(nèi)能修復的概率，它是維修時間τ的函數(shù)，用M(τ)表示，稱為維修度函數(shù)。

維修度的觀測值為：在τ＝0時處于故障狀態(tài)需要維修的產(chǎn)品數(shù)N與經(jīng)過時間τ修復的產(chǎn)品數(shù)Nτ之比，見式

M(τ)=N/Nτ

113/7/2024(5)有效度狹義可靠度R（t）與維修度M(τ)的綜合稱為有效度，也稱廣義可靠度。其定義為：對維修產(chǎn)品，在規(guī)定的條件下使用，在規(guī)定維修條件下修理，在規(guī)定的時間內(nèi)具有或維持其規(guī)定功能處于正常狀態(tài)的概率。顯然，有效度是工作時間t與維修時間τ的函數(shù)，常用A（t，τ）表示，它是對維修產(chǎn)品可靠性的綜合評價。A（t，τ）可用式（5-9）表示：

(5—9)有效度的觀測值：在某個觀測時間內(nèi)，產(chǎn)品可工作時間與工作時間和不可工作時間之和的比值，記為?，其計算見式（5-10）。

?=U/(U+D)(5—10)式中U－－可工作時間，包括任務時間、啟動時間和待機時間；

D－一不可工作時間，包括停機維護時間、修理時間、延誤時間和改裝時間。

123/7/20243、可靠性特征量之間的關系(1)F(t)與R(t)間的關系

F(t)+R(t)=1(2)F(t)和R(t)與故障概率密度函數(shù)f(t)間的關系(3)F(t)與λ(t)的關系

(4)F(t)及f(t)與λ(t)的關系

133/7/2024二、人的可靠性1、影響人的可靠性的因素生理因素

如體力、耐久力、疾病、饑渴、對環(huán)境因素承受能力的限度等；大腦的意識水平影響；心理因素

因感覺靈敏度變化引起反應速度變化，因某種刺激導致心理特性波動，如情緒低落、發(fā)呆或驚慌失措等覺醒水平變化；個人素質(zhì)

訓練程度、經(jīng)驗多少、操作熟練程度、技術水平高低、責任心強弱等；143/7/2024操作因素操作的連續(xù)性、操作的反復性、操作時間的長短、操作速度、頻率及靈活性等。

環(huán)境因素

對新環(huán)境和作業(yè)不適應，由于溫度、氣壓、供氧、照明等環(huán)境條件的變化不符合要求，以及振動和噪聲的影響，引起操作者生理、心理上的不舒適；管理因素

如不正確的指令，不恰當?shù)闹笇?，人際關系不融洽，工作崗位不稱心等；個人素質(zhì)

訓練程度、經(jīng)驗多少、操作熟練程度、技術水平高低、責任心強弱等；社會因素

家庭不和、人際關系不協(xié)調(diào)；

153/7/20242、人的可靠性分析方法最主要的有：人的差錯概率預測方法（THERP）人的認知可靠性模型（HCR）操作員動作樹分析法（OAT）通用失誤模型系統(tǒng)（GEMS）

163/7/2024三、機械的可靠性

在人機系統(tǒng)中，由于機器設備本身的故障以及人機系統(tǒng)設計的協(xié)調(diào)性差而導致了許多事故的發(fā)生。因此，人們?yōu)榱朔乐故鹿?，在進行生產(chǎn)活動開始時，就要對機器設備的安全性進行預測

就機器設備而言，可靠性是指機器、部件、零件在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。度量可靠性指標的特征量稱為可靠度?？煽慷仁窃谝?guī)定時間內(nèi)，機器設備或部件能完成規(guī)定功能的概率。若把它視為時間的函數(shù)，就稱為可靠度函數(shù)。

173/7/2024為簡便起見，假設環(huán)境因素宜人，對機械設備不造成危害，則研究機的可靠性就轉(zhuǎn)化為主要研究機械設備的可靠性問題。一般情況，產(chǎn)品可靠性指標都與該產(chǎn)品的故障分布類型有關。若已知產(chǎn)品的故障分布函數(shù)，就可以求出其可靠度R（t）、故障率λ(t)

及其它可靠性指標，若不知道具體的故障分布函數(shù)，但知道故障分布類型，也可以通過參數(shù)估計的方法求得某些可靠性指標的估計值。故障分布類型有三種類型：指數(shù)分布正態(tài)分布威布爾分布183/7/2024四、人機系統(tǒng)總體安全可靠度分析與評價

1、人機系統(tǒng)的可靠度計算人機系統(tǒng)的可靠度是由人的可靠度和機的可靠度組成的。機的可靠度可以通過大量統(tǒng)計學數(shù)據(jù)得到。人的可靠度的確定包括人的信息接受的可靠度、信息判斷的可靠度和信息處理的可靠度人機系統(tǒng)的可靠度據(jù)不同的系統(tǒng)模型來求出，通常情況下可看成串聯(lián)系統(tǒng)。從人機系統(tǒng)考慮，若將環(huán)境作為干擾因素，而且此處假設環(huán)境是符合指標要求的，設其可靠度為1，則人機系統(tǒng)的可靠度為：193/7/2024

構成系統(tǒng)的各單元之間通常可歸結為串聯(lián)配置方式和并聯(lián)配置方式兩類：

1）串聯(lián)配置方式

系統(tǒng)能量的輸入按順序依次通過功能上獨立的單元Ai=l，2，3，…，n，然后才輸出。如果系統(tǒng)中的任一個單元發(fā)生故障，就會導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。203/7/2024如果每個單元的可靠度為R1

，R2

，R3

，…，Rn

，則系統(tǒng)的可靠度

Rs（t）=R1R2R3…Rn

重要的和可靠性要求高的系統(tǒng)，應力求避免采用串聯(lián)配置方式。213/7/2024

2）并聯(lián)配置方式并聯(lián)配置方式的系統(tǒng)可靠性為Rs（t）＝1－（1－R1）(1－R2)…(1－Rn)223/7/2024(l)簡單人機系統(tǒng)的可靠度計算

簡單人機系統(tǒng)的可靠度Rs=RMRHRM:可通過上面所述的可靠度函數(shù)求出，亦可通過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出。

信息輸入、信息處理、信息輸出三個階段的基本可靠度、和，作業(yè)時間b、操作頻率c、危險程度d、生理心里因素e和環(huán)境條件f（取值見表5－30

5－31）233/7/2024表5－30基本可靠度rl、r2

、r3

的取值

類別影響因素rlr2r3簡單變量不超過幾個，人機工程學上考慮全面0.9995～0.99990.99900.9995～0.9999一般變量不超過10個0.9990～0.99950.99500.9990～0.9995復雜變量超過10個，人機工程學上考慮不全面0.9900～0.99900.99000.9900～0.9990243/7/2024

表5-31影響因素修正系數(shù)

符號項目內(nèi)容取值范圍b作業(yè)時間有充足的富裕時間沒有充足的富裕時間完全沒有富裕時間1.01.0～3.03.0～10.0c操作頻率頻率適度連續(xù)操作很少操作1.01.0～3.03.0～10.0d危險程度即使誤操作也安全誤操作時危險很大誤操作時有產(chǎn)生重大災害的危險1.01.0～3.03.0～10.0e生理心里條件綜合條件（教育訓練、健康、疲勞等）較好綜合條件不好綜合條件很差1.01.0～3.03.0～10.0f環(huán)境條件綜合條件較好綜合條件不好綜合條件很差1.01.0～3.03.0～10.0253/7/2024二人監(jiān)控人機系統(tǒng)的可靠度

兩人監(jiān)控的人機系統(tǒng)的可靠度為：

異常情況，

正常情況，

263/7/2024(3)多人表決的冗余人機系統(tǒng)可靠度上述二人監(jiān)控作業(yè)是單純的并聯(lián)系統(tǒng)，所以正常操作和誤操作兩種概率都增加了，而由多數(shù)人表決的人機系統(tǒng)就可以避免這種情況。若由幾人構成控制系統(tǒng)，當其中γ個人的控制工作同時失誤時，系統(tǒng)才會失敗，我們稱這樣的系統(tǒng)為多數(shù)人表決的冗余人機系統(tǒng)設每個人的可靠度均為R，則系統(tǒng)全體人員的操作可靠度RHn為：273/7/2024例如，由三人監(jiān)視作業(yè)時，有兩人以上同意才能切斷電源，n＝3，r＝2，則其可靠度為:

若每人正確操作的概率為R＝0．90，誤操作的概率為F＝0．15，則在三人監(jiān)視二人表決的系統(tǒng)中，正確操作的概率RH3及誤操作的概率FH3分別為：