人机系统可靠性计算.doc

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RHb(正确操作的概率)：
RHb＝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RHc(不产生误动作的概率)：
RHc＝Rl·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Rsr为：
异常情况时，
Rsr′＝RHb·RM＝[1-(1-R1)(1-R2)]RM (1—33)
正常情况时，
Rsr″＝RHc·RM＝Rl·R2·RM (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：
RHn＝∑C(1一R)iR(n-1) (1—35)
式中C--n个人中有i个人同意时事件数，C＝n!／[i! ·(n-i)!]，且规定C＝l。
多数人表决的冗余人机系统可靠度的计算公式为：
Rsd＝[(1-R)iR(n-i)]·RM (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：
Rsk＝[1-(1-RMk·RH)(1-RH)]·RM (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RMz，则人机系统的可靠度Rsz为：
Rsz＝[1-(1-RMz·RH)(1-RMz)]·RM (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，仍能可靠工作。
系统安全常常是以正常的准确的完成规定功能为前提。可是，由于组成零件产生故障而引起误动作，常常导致重大事故发生。为达到功能准确性，采用保险结构方法可保证系统的可靠性。
从系统控制的功能方面来看，故障安全结构有以下几种：
①消极被动式。组成单元发生故障时，机器变为停止状态。
②积极主动式。组成单元发生故障时，机器一面报警，一面还能短时运转。
③运行操作式。即使组成单元发生故障，机器也能运行到下次的定期检查。
通常在产业系统中，大多为消极被动式结构。
5．标准化原则
为减少故障环节，应尽可能简化结构，尽可能采用标准化结构和方式。
6．高维修度原则
为便于检修故障，且在发生故障时易于快速修复，同时为考虑经济性和备用方便，应采用零件标准化、部件通用化、设备系列化的产品。
7．事先进行试验和进行评价的原则
对于缺乏实践考验和实用经验的材料和方法，必须事先进行试验和科学评价，然后再根据其可靠性和安全性而选用。
8．预测和预防的原则
要事先对系统及其组成要素的可靠性和安全性进行预测。对已发现的问题加以必要的改善，对易于发生故障或事故的薄弱环节和部位也要事先制定预防措施和应变措施。
9．人机工程学原则
从正确处理人一机一环境的合理关系出发，采用人类易于使用并且差错较少的方式。
10．技术经济性原则
不仅要考虑可靠性和安全性，还必须考虑系统的质量因素和输出功能指标。其中还包括技术功能和经济成本。
11．审查原则
既要进行可靠性设计，又要对设计进行可靠性审查和其他专业审查，也就是要重申和贯彻各专业各行业提出的评价指标。
12．整理准备资料和交流信息原则
为便于设计工作者进行分析、设计和评价，应充分收集和整理设计者所需要的数据和各种资料，以有效地利用已有的实际经验。
13．信息反馈原则
应对实际使用的经验进行分析之后，将分析结果反馈给有关部门。
14．设立相应的组织机构
为实现高可靠性和高安全性的目的，应建立相应的组织机构，以便有力推进综合管理和技术开发。

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