安全人机工程课件人机系统安全与可靠性

1、1 人机系统安全可靠性人机系统安全可靠性 2 2021-6-222021-6-222021-6-22 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。 3 2021-6-222021-6-222021-6-22 一、可靠性的定义及其度量一、可靠性的定义及其度量 l l、可靠性的定义、可靠性的定义 可靠性是指

2、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 2、可靠性度量指标、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。 4 2021-6-222021-6-222021-6-22 （1 1）可靠度）可靠度 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，

3、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 (81) 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0R(t)1。 5 2021-6-222021-6-222021-6-22 与可靠度可靠度相反的一个参数叫不可靠度不可靠度。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累积故障概率。 不可靠度不可

4、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 (82) F(t) 随Nf（t）的增加而增加 F(t)的变化范围约为0F(t)1。 6 2021-6-222021-6-222021-6-22 （2 2）故障率（或失效率）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

5、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。 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(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(t)，习惯称故障率。 7 2021-6-222021-6-222021-6-22 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Nf(t)/t与在t时刻还能正常工作的产 品数Ns(t)之比，见式（8-3） (

6、t) = Nf(t) / Ns(t) t （83） 平均故障率 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 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： （84） 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81所示。 tr(t) t 8 2021-6-222021-6-222021-6-22 图图8-18-1 产品寿命曲线产品寿命曲线 1、早期故障期 2、偶发故障期

7、3、磨损故障期 9 2021-6-222021-6-222021-6-22 图图8-2 8-2 故障率与时间的关系 10 2021-6-222021-6-222021-6-22 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。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 2）随机故障，是在机器处于正常工作状态下的偶发故障。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

8、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。 11 2021-6-222021-6-222021-6-22 （3 3）平均寿命（或平均无故障工作时间）平均寿命（或平均无故障工作时间) ) 式中 t 总工作时间； n 故障（或失效）次数或试验产品数。 (4)(4)维修度维修度 是指维修产品发生故障后，在规定条件、维修工具、维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修方法及维修技术

9、水平下, ,在规定时间内能修复的概率，在规定时间内能修复的概率， 它是维修时间它是维修时间 的函数，用的函数，用M()M()表示，称为维修度函数。表示，称为维修度函数。 维修度的观测值为：在维修度的观测值为：在 0 0时处于故障状态需要维修的时处于故障状态需要维修的 产品数产品数N N与经过时间与经过时间 修复的产品数修复的产品数NN之比，见式之比，见式 M()M() = = N N / / NN ntt/ 12 2021-6-222021-6-222021-6-22 (5)有效度 狭义可靠度狭义可靠度R（t）与维修度）与维修度M()的综合称为有效度，也称广的综合称为有效度，也称广 义可靠度。

10、义可靠度。其定义为：对维修产品，在规定的条件下使用，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与维修与维修 时间时间的函数，常用的函数，常用A（t，）表示，它是对维修产品可靠性的）表示，它是对维修产品可靠性的 综合评价。综合评价。A（t，）可用式（）可用式（5-9）表示：）表示： (59) 有效度的观测值：在某个观测时间内，产品可工作时间与工有效度的观测值：在某个观测时间内，产品可工作时间与工

11、作时间和不可工作时间之和的比值，记为作时间和不可工作时间之和的比值，记为，其计算见式（，其计算见式（5- 10）。）。 = U / ( U + D ) (510) 式中式中 U可工作时间，包括任务时间、启动时间和待机时间；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、延误一不可工作时间，包括停机维护时间、修理时间、延误 时间和改装时间。时间和改装时间。 MtFtRtA, 13 2021-6-222021-6-222021-6-22 3 3 、可靠性特征量之间的关系、可靠性特征量之间的关系 (1)F(t) 与与 R(t) 间的关系间的关系 F(t)

12、 + R(t) = 1 (2) F(t) 和和 R(t) 与故障概率密度函数与故障概率密度函数f(t) 间的关系间的关系 (3) F(t) 与与(t)的关系的关系 (4) F(t) 及及f(t) 与与(t) 的关系的关系 tR dt tdR dt tRd dt tdF tf 1 t dtt etR 0 t dtt etF 0 1 t dtt ettf 0 14 2021-6-222021-6-222021-6-22 二、人的可靠性二、人的可靠性 1 1、影响人的可靠性的因素、影响人的可靠性的因素 生理因素 如体力、耐久力、疾病、饥渴、对环境因素承受能 力的限度等；大脑的意识水平影响 ； 心理因

13、素 因感觉灵敏度变化引起反应速度变化，因某种刺激 导致心理特性波动，如情绪低落、发呆或惊慌失措 等觉醒水平变化； 个人素质 训练程度、经验多少、操作熟练程度、技术水平高 低、责任心强弱等； 15 2021-6-222021-6-222021-6-22 操作因素 操作的连续性、操作的反复性、操作时间的长短、操作速 度、频率及灵活性等。 环境因素 对新环境和作业不适应，由于温度、气压、供氧、照明等 环境条件的变化不符合要求，以及振动和噪声的影响，引 起操作者生理、心理上的不舒适； 管理因素 如不正确的指令，不恰当的指导，人际关系不融洽，工作 岗位不称心等； 个人素质 训练程度、经验多少、操作熟练程

14、度、技术水平高低、责 任心强弱等； 社会因素 家庭不和、人际关系不协调； 16 2021-6-222021-6-222021-6-22 2 2、人的可靠性分析方法、人的可靠性分析方法 最主要的有： 人的差错概率预测方法（THERP） 人的认知可靠性模型（HCR） 操作员动作树分析法（OAT） 通用失误模型系统（GEMS） 17 2021-6-222021-6-222021-6-22 三、机械的可靠性三、机械的可靠性 在人机系统中，由于机器设备本身的故障以及人 机系统设计的协调性差而导致了许多事故的发生。 因此，人们为了防止事故，在进行生产活动开始 时，就要对机器设备的安全性进行预测 就机器设备

15、而言，可靠性是指机器、部件、零件 在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。 度量可靠性指标的特征量称为可靠度。 可靠度是在规定时间内，机器设备或部件能完成 规定功能的概率。若把它视为时间的函数，就称 为可靠度函数。 18 2021-6-222021-6-222021-6-22 为简便起见，假设环境因素宜人，对机械设备不造 成危害，则研究机的可靠性就转化为主要研究机械 设备的可靠性问题。 一般情况，产品可靠性指标都与该产品的故障分布 类型有关。若已知产品的故障分布函数，就可以求 出其可靠度R（t）、故障率(t) 及其它可靠性指标， 若不知道具体的故障分布函数，但知道故障分布类 型，也可以通过

16、参数估计的方法求得某些可靠性指 标的估计值。 故障分布类型有三种类型： 指数分布 正态分布 威布尔分布 19 2021-6-222021-6-222021-6-22 四、人机系统总体安全可靠度分析与评价四、人机系统总体安全可靠度分析与评价 1 1、人机系统的可靠度计算、人机系统的可靠度计算 人机系统的可靠度是由人的可靠度和机的可靠度人机系统的可靠度是由人的可靠度和机的可靠度 组成的。组成的。 机的可靠度可以通过大量统计学数据得到。机的可靠度可以通过大量统计学数据得到。 人的可靠度的确定包括人的信息接受的可靠度、人的可靠度的确定包括人的信息接受的可靠度、 信息判断的可靠度和信息处理的可靠度信息判

17、断的可靠度和信息处理的可靠度 人机系统的可靠度据不同的系统模型来求出，通人机系统的可靠度据不同的系统模型来求出，通 常情况下可看成常情况下可看成串联串联系统。系统。 从人机系统考虑，若将环境作为干扰因素，而且从人机系统考虑，若将环境作为干扰因素，而且 此处假设环境是符合指标要求的，设其可靠度为此处假设环境是符合指标要求的，设其可靠度为1 1， 则人机系统的可靠度为：则人机系统的可靠度为： MHS RRRRRRR 机器人机人 20 2021-6-222021-6-222021-6-22 构成系统的各单元之间通常可归结为串联配置构成系统的各单元之间通常可归结为串联配置 方式和并联配置方式两类：方式

18、和并联配置方式两类： 1 1）串联配置方式）串联配置方式 系统能量的输入按顺序依次通过功能上独立的系统能量的输入按顺序依次通过功能上独立的 单元单元Ai= lAi= l，2 2，3 3，n n，然后才输出。，然后才输出。 如果系统中的任一个单元发生故障，就会导致如果系统中的任一个单元发生故障，就会导致 整个系统发生故障。整个系统发生故障。 21 2021-6-222021-6-222021-6-22 如果每个单元的可靠度为如果每个单元的可靠度为R R1 1 ， R R2 2 ， R R3 3 ， R Rn n ， 则系统的可靠度则系统的可靠度 RsRs（t t）= R= R1 1 R R2 2

19、 R R3 3 R Rn n 重要的和可靠性要求高的系统，应力重要的和可靠性要求高的系统，应力 求避免采用串联配置方式。求避免采用串联配置方式。 22 2021-6-222021-6-222021-6-22 2 2）并联配置方式）并联配置方式 并联配置方式的系统可靠性为并联配置方式的系统可靠性为 RsRs（t t）1 1（1 1 R R1 1）(1 (1 R R2 2 ) (1 ) (1 R Rn n) ) 23 2021-6-222021-6-222021-6-22 (l) 简单人机系统的可靠度计算简单人机系统的可靠度计算 简单人机系统的可靠度简单人机系统的可靠度 Rs = RM RH RM

20、 :可通过上面所述的可靠度函数求出，亦可通过大量统计数据得出 可通过上面所述的可靠度函数求出，亦可通过大量统计数据得出 。 信息输入、信息处理、信息输出三个阶段的基本可靠度信息输入、信息处理、信息输出三个阶段的基本可靠度 、 和和 ，作业，作业 时间时间b b、操作频率、操作频率c c、危险程度、危险程度d d、生理心里因素、生理心里因素e e和环境条件和环境条件f f（取值（取值见表5 30 531 ） 321 11 rrrr rfedcbRH 1 r 2 r 3 r 24 2021-6-222021-6-222021-6-22 表表5 530 30 基本可靠度基本可靠度r rl l、 r

21、r2 2 、 r r3 3 的取值的取值 类类 别别影影 响响 因因 素素rlr2r3 简简 单单 变量不超过几个，变量不超过几个， 人机工程学上考人机工程学上考 虑全面虑全面 0.9995 0.9999 0.99 90 0.9995 0.9999 一一 般般变量不超过变量不超过1010个个 0.9990 0.9995 0.99 50 0.9990 0.9995 复复 杂杂 变量超过变量超过1010个，个， 人机工程学上考人机工程学上考 虑不全面虑不全面 0.9900 0.9990 0.99 00 0.9900 0.9990 25 2021-6-222021-6-222021-6-22 表表

22、5-31 5-31 影响因素修正系数影响因素修正系数 符符 号号项项 目目内内 容容取值范围取值范围 b作业时间作业时间 有充足的富裕时间有充足的富裕时间 没有充足的富裕时间没有充足的富裕时间 完全没有富裕时间完全没有富裕时间 1.0 1.03.0 3.010.0 c操作频率操作频率 频率适度频率适度 连续操作连续操作 很少操作很少操作 1.0 1.03.0 3.010.0 d危险程度危险程度 即使误操作也安全即使误操作也安全 误操作时危险很大误操作时危险很大 误操作时有产生重大灾害的危险误操作时有产生重大灾害的危险 1.0 1.03.0 3.010.0 e 生理心里生理心里 条件条件 综合条

23、件（教育训练、健康、疲劳等）较好综合条件（教育训练、健康、疲劳等）较好 综合条件不好综合条件不好 综合条件很差综合条件很差 1.0 1.03.0 3.010.0 f环境条件环境条件 综合条件较好综合条件较好 综合条件不好综合条件不好 综合条件很差综合条件很差 1.0 1.03.0 3.010.0 26 2021-6-222021-6-222021-6-22 (2)(2)二人监控人机系统的可靠度二人监控人机系统的可靠度 两人监控的人机系统的可靠度两人监控的人机系统的可靠度 为：为： 异常情况，异常情况， 正常情况，正常情况， sr R MMHbsr RRRRRR 21 111 MMHbSr RR

24、RRRR 21 27 2021-6-222021-6-222021-6-22 (3) (3) 多人表决的冗余人机系统可靠度多人表决的冗余人机系统可靠度 上述二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。 若由几人构成控制系统，当其中个人的控 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RHn为： in i r i i nHn RRCR 1 1 0 28 2021-6-222021-6-222021-6-22 例如，由三人监视作业时，有两人以上同 意才能切断电源，n3，r2，则其可靠 度为: 若每人正确操作的概率为R090，误操作的概 率为F015，则在三人监视二人表决的系统中， 正确操作的概率RH3及误操作的概率FH3分别为：