单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,人机系统安全牢靠性,1,11/16/2024,在现实生活和生产工作中，常常都在发生各式各样的事故。以削减事故、提高系统安全性为目的的人机系统的牢靠性争论，日益被人们所重视。,长期以来，牢靠性争论对象被局限在“机”，事实上很多事故是由人的过失造成的。人在系统中的牢靠性越来越重要。,人机系统的牢靠性、安全性打算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。,2,11/16/2024,一、牢靠性的定义及其度量,l、牢靠性的定义,牢靠性是指争论对象在规定条件下、规定时间内、完成规定功能的力量。,2、牢靠性度量指标,牢靠性度量指标是指对系统或产品的牢靠程度作出定量表示。常用的根本度量指标有牢靠度、不行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、修理度、有效度等。,3,11/16/2024,1牢靠度,牢靠度是牢靠性的量化指标，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。牢靠度是时间的函数，常用以R(t)表示，称为牢靠度函数。,产品出故障的概率是通过屡次试验中该产品发生故障的频率来估量的。例如，取N个产品进展试验，假设在规定时间t内共有Nf(t)个产品出故障，则该产品牢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，Nft 0，则Rtl。,随着t的增加，出故障的产品数Nft也随之增加，则牢靠度 R(t)下降。当 t，Nf(t)N，则 R(t)0。,牢靠度的变化范围约为0R(t)1。,4,11/16/2024,与牢靠度相反的一个参数叫不行靠度。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。,不行靠度也是时间的函数，常用F(t)表示。同样对N个产品进展寿命试验，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瞬间的不行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Nft的增加而增加,F(t)的变化范围约为0F(t)1。,5,11/16/2024,2故障率或失效率,故障和失效这两个概念，其根本含义是全都的，都表示产品在低功能状态下工作或完全丧失功能，只是前者一般用于修理产品，可以修复，后者用于非修理产品，表示不行修复。,产品在工作过程中，由于某种缘由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。,6,11/16/2024,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,(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，对于非修理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；对于修理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，即两种状况均可用式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。,7,11/16/2024,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,8,11/16/2024,图8-2,故障率与时间的关系,9,11/16/2024,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，或检验疏忽等缘由存在的固有缺陷间续暴露出来，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。这段时间较长，是产品的最正确工作期。这时发生的故障是随机的，是偶然缘由引起应力增加，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。这个时期的故障快速上升，由于产品经长期使用后，由于磨损、老化，大局部零部件将接近或到达固有寿命期，所以故障率较高。,10,11/16/2024,3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)修理度,是指修理产品发生故障后，在规定条件、修理工具、修理方法及修理技术水平下,在规定时间内能修复的概率，它是修理时间的函数，用M()表示，称为修理度函数。,修理度的观测值为：在0时处于故障状态需要修理的产品数N与经过时间修复的产品数N之比，见式,M()=N/N,11,11/16/2024,(5)有效度,狭义牢靠度Rt与修理度M()的综合称为有效度，也称广义牢靠度。其定义为：对修理产品，在规定的条件下使用，在规定修理条件下修理，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。明显，有效度是工作时间t与修理时间的函数，常用At，表示，它是对修理产品牢靠性的综合评价。At，可用式5-9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作时间和不行工作时间之和的比值，记为，其计算见式5-10。,=U/(U+D )(510),式中 U可工作时间，包括任务时间、启动时间和待机时间；,D一不行工作时间，包括停机维护时间、修理时间、延误时间和改装时间。,12,11/16/2024,3、牢靠性特征量之间的关系,(1)F(t)与 R(t)间的关系,F(t)+R(t)=1,(2)F(t)和 R(t)与故障概率密度函数f(t)间的关系,(3)F(t)与(t)的关系,(4)F(t)及f(t)与(t)的关系,13,11/16/2024,二、人的牢靠性,1、影响人的牢靠性的因素,生理因素,如体力、耐久力、疾病、饥渴、对环境因素承受力量的限度等；大脑的意识水平影响；,心理因素,因感觉灵敏度变化引起反响速度变化，因某种刺激导致心理特性波动，如心情低落、发呆或慌张失措等觉醒水平变化；,个人素养,训练程度、阅历多少、操作娴熟程度、技术水平凹凸、责任心强弱等；,14,11/16/2024,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、频率及敏捷性等。,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；,治理因素,如不正确的指令，不恰当的指导，人际关系不融洽，工作岗位不满意等；,个人素养,训练程度、阅历多少、操作娴熟程度、技术水平凹凸、责任心强弱等；,社会因素,家庭不和、人际关系不协调；,15,11/16/2024,2、人的牢靠性分析方法,最主要的有：,人的过失概率猜测方法THERP,人的认知牢靠性模型HCR,操作员动作树分析法OAT,通用失误模型系统GEMS,16,11/16/2024,三、机械的牢靠性,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很多事故的发生。因此，人们为了防止事故，在进展生产活动开头时，就要对机器设备的安全性进展猜测,就机器设备而言，牢靠性是指机器、部件、零件在规定条件下和规定时间内完成规定功能的力量。,度量牢靠性指标的特征量称为牢靠度。,牢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。假设把它视为时间的函数，就称为牢靠度函数。,17,11/16/2024,为简便起见，假设环境因素宜人，对机械设备不造成危害，则争论机的牢靠性就转化为主要争论机械设备的牢靠性问题。,一般状况，产品牢靠性指标都与该产品的故障分布类型有关。假设产品的故障分布函数，就可以求出其牢靠度Rt、故障率(t)及其它牢靠性指标，假设不知道具体的故障分布函数，但知道故障分布类型，也可以通过参数估量的方法求得某些牢靠性指标的估量值。,故障分布类型有三种类型：,指数分布,正态分布,威布尔分布,18,11/16/2024,四、人机系统总体安全牢靠度分析与评价,1、人机系统的牢靠度计算,人机系统的牢靠度是由人的牢靠度和机的牢靠度组成的。,机的牢靠度可以通过大量统计学数据得到。,人的牢靠度确实定包括人的信息承受的牢靠度、信息推断的牢靠度和信息处理的牢靠度,人机系统的牢靠度据不同的系统模型来求出，通常状况下可看成串联系统。,从人机系统考虑，假设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，设其牢靠度为1，则人机系统的牢靠度为：,19,11/16/2024,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：,1串联配置方式,系统能量的输入按挨次依次通过功能上独立的单元Ai=l，2，3，n，然后才输出。,假设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。,20,11/16/2024,假设每个单元的牢靠度为R1，R2，R3，Rn，,则系统的牢靠度Rst=R1 R2 R3 Rn,重要的和牢靠性要求高的系统，应力求避开承受串联配置方式。,21,11/16/2024,2并联配置方式,并联配置方式的系统牢靠性为,Rst11 R1(1 R2)(1 Rn),22,11/16/2024,(l)简洁人机系统的牢靠度计算,简洁人机系统的牢靠度 Rs=RM RH,RM:可通过上面所述的牢靠度函数求出，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根本牢靠度 、和 ，作业时间b、操作频率c、危急程度d、生理心里因素e和环境条件f取值见表530 531,23,11/16/2024,表530 根本牢靠度rl、r2、r3 的取值,类 别,影 响 因 素,r,l,r2,r3,简 单,变量不超过几个，人机工程学上考虑全面,0.99950.9999,0.9990,0.99950.9999,一 般,变量不超过10个,0.99900.9995,0.9950,0.99900.9995,复 杂,变量超过10个，人机工程学上考虑不全面,0.99000.9990,0.9900,0.99000.9990,24,11/16/2024,表 5-31 影响因素修正系数,符 号,项 目,内 容,取值范围,b,作业时间,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,1.0,1.03.0,3.010.0,c,操作频率,频率适度,连续操作,很少操作,1.0,1.03.0,3.010.0,d,危险程度,即使误操作也安全,误操作时危险很大,误操作时有产生重大灾害的危险,1.0,1.03.0,3.010.0,e,生理心里条件,综合条件（教育训练、健康、疲劳等）较好,综合条件不好,综合条件很差,1.0,1.03.0,3.010.0,f,环境条件,综合条件较好,综合条件不好,综合条件很差,1.0,1.03.0,3.010.0,25,11/16/2024,二人监控人机系统的牢靠度两人监控的人机系统的牢靠度 为：特别状况，正常状况，,26,11/16/2024,(3)多人表决的冗余人机系统牢靠度,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开这种状况。,假设由几人构成掌握系统，当其中个人的掌握工作同时失误时，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,设每个人的牢靠度均为R，则系统全体人员的操作牢靠度RHn为：,27,11/16/2024,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，则其牢靠度为:,假设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：,RH3 3 R2-2 R3=0.972 R=0.9,FH3 3 F2-2 F3=0.06075 F=0.15,28,11/16/2024,