Надежность человека как звена сложной технической системы

Понятия о системах. Под системой понимается целостное мно­жество (совокупность) объектов (элементов), связанных между собой определенными отношениями и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно слож­ной функции (достижение цели).

Целостность означает, что относительно окружающей среды система выступает и соответственно воспринимается как нечто единое.

Признаком системности является структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели.

Обязательными компонентами любой системы являются составля­ющие ее эле-менты (подсистемы). Само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элемен-тов.

Поскольку все подсистемы и элементы, из которых состоит система, определенным образом взаиморасположены и взаимосвязаны, образуя данную систему, можно говорить о структуре системы. Струк­тура системы — это то, что остается неизменным в системе при сохранении ее состояния, при реализации различных форм поведения, при совершении системой операций и т.п.

Любая система имеет, как правило, иерархическую структуру, т.е. может быть представлена в виде совокупности подсистем разного уровня, расположенных в порядке постепенности. При анализе тех или иных конкретных систем достаточно оказывается выделение некото­рого определенного числа ступеней иерархии.

Системы функционируют в пространстве и времени. Процесс функционирования систем представляет собой измерение состояния систем, переход ее из одного состояния в другое. В соответствии с этим системы подразделяются на статические и динамические.

Статическая система — это система с одним возможным состо­янием.

Динамическая система — система с множеством состояний, в которой с течением времени происходит переход от состояния в состояние.

Основой системного подхода является анализ, т.е. разделен» целого на составляющие элементы в противоположность синтез, который объединяет части в сложное целое.

С позиций безопасности производственных процессов одна задач системного метода состоит в том, чтобы увидеть, как системы функционируют в системе во взаимодействии с другими частями.

Понятие о надежности работы человека при взаимодействии техническими системами. Технические системы становятся взаимосвязанными только благодаря наличию такого основного звена, как человек. Согласно данным, примерно 20—30 % отказов прямо или косвенно связаны с ошибками человека; 10—15 % всех отказов непосредственно связаны с ошибками человека.

Ввиду этого, анализ надежности реальных систем должен обязательно включать и человеческий фактор.

Надежность работы человека определяется как потребность успеш­ного выполнения им работы или поставленной задачи на заданном этапе функционирования системы в течение заданного интервала времени при определенных требованиях к продолжительности выполнения работы.

Ошибка человека определяется как невыполнение поставленной задачи (или выполнение запрещенного действия), которое может явиться причиной повреждения оборудования или имущества либо нарушения нормального хода запланированных операций.

В реальных условиях в большинстве систем независимо от степени их автоматизации требуется в той или иной мере участие человека.

Можно утверждать, что там, где работает человек, появляются ошибки. Они возникают независимо от уровня подготовки квалификации или опыта. Поэтому прогнозирование надежности оборудования без учета надежности работы человека не может дат истинной картины.

Ошибки по вине человека могут возникнуть в тех случаях, когда оператор или какое-либо лицо стремится к достижению ошибочно! цели; поставленная цель не может быть достигнута из-за неправильных действий оператора; оператор бездействует в тот момент, когда его участие необходимо.

Виды ошибок, допускаемых человеком на различных стадия взаимодействия в системе «человек — машина» можно классифи­цировать следующим образом:

1. Ошибки проектирования: обусловлены неудовлетворительны» качеством проектирования. Например, управляющие устройства индикаторы могут быть расположены настолько далеко друг от что оператор будет испытывать затруднения при одновременном поль­зовании ими.

2. Операторские ошибки: возникают при неправильном выпол­нении обслуживающим персоналом установленных процедур или в тех случаях, когда правильные процедуры вообще не предусмотрены.

3. Ошибки изготовления: имеют место на этапе производства вследствие (а) неудовлетворительного качества работы, например не­правильной сварки, (б) неправильного выбора материала, (в) изготов­ления изделия с отклонениями от конструкторской документации.

4. Ошибки технического обслуживания: возникают в процессе эксплуатации и обычно вызваны некачественным ремонтом оборудо­вания или неправильным монтажом вследствие недостаточной подго­товленности обслуживающего персонала, неудовлетворительного оснащения необходимой аппаратурой и инструментами.

5. Внесение ошибок: как правило, это ошибки, для которых трудно установить причину их возникновения, т.е. определить, возникли они по вине человека или же связаны с оборудованием.

6. Ошибки контроля: связаны с ошибочной приемкой как годного элемента или устройства, характеристики которого выходят за пределы 160 допусков, либо с ошибочной отбраковкой годного устройства или элемента с характеристиками в пределах допусков.

7. Ошибки обращения: возникают вследствие неудовлетворитель­ного хранения изделий или их транспортировки с отклонением от рекомендаций изготовителя.

8. Ошибки организации рабочего места: теснота рабочего поме­щения, повышенная температура, шум, недостаточная освещенность и т.п.

9. Ошибки управления коллективом: недостаточное стимулиро­вание специалистов, их психологическая несовместимость, не позво­ляющие достигнуть оптимального качества работы.

Свойства человека ошибаться является функцией его психо­логического состояния. Интенсивность ошибок во многом определя­ется параметрами внешней среды, в которой человек работает.

Ошибки человека можно распределить по трем уровням и на каждом уровне возможно предусмотрение ошибок. Например, на уровне 1 можно предотвратить ошибки человека; на уровне 2 можно избежать нежелательных последствий ошибок, корректируя не­правильное функционирование системы вследствие ошибок, внесен­ных по вине человека; на уровне 3 можно исключить повторное возникновение тех или иных ситуаций, приводящих к ошибкам чело­века.

Зависимость эффективности работы человека от уровня нагрузок. Соотношение между качеством работы человека и действующими нагрузками показывает, что зависимость частоты появления ошибок от действующих нагрузок является нелинейной. При очень низком уровне нагрузок большинство операторов работают неэффективно (так задание кажется скучным и не вызывает интереса) и качество работы далеко от оптимального. При умеренных нагрузках качество работы оператора оказывается оптимальным, и поэтому умеренную нагрузку можно рассматривать как достаточное условие обеспечения внимательной работы человека-оператора. При дальнейшем увеличении нагрузок качество работы человека начинает ухудшаться, что объясняется, главным образом, такими видами физиологического стресса, как страх, беспокойство и т.п.

Критерии оценки деятельности оператора. В общем виде деятель­ность человека-оператора характеризуется быстродействием и надеж­ностью.

Критерием быстродействия является время решения задачи, время от момента реагирования оператора на поступивший сигнал момента окончания управляющих воздействий. Обычно это время прямо пропорционально количеству преобразуемой человеком инфор­мации:

,

где а — скрытое время реакции, т.е. промежуток времени от момента появления сигнала до реакции на него оператора и его значений находятся в пределах 0,2 — 0,6 с; b — время переработки одной единицы информации (0,15 — 0,35 м); Н — количество перерабатыва­емой информации; V _ОП — средняя скорость переработки информации (2 — 4 ед/с) или пропускная способность.

Пропускная способность (V _ОП) характеризует время, в течении которого оператор постигает смысл информации. Зависит от его психологических особенностей, типа задач, технических и эргономических особенностей систем управления.

Надежность человека-оператора определяет его способность выполнять в полном объеме возложенные на него функции при определенных условиях работы. Надежность деятельности оператор; характеризует его безошибочность, готовность, восстанавливаемое своевременность и точность.

Безошибочность оценивается вероятностью безошибочной работ которая определяется как на уровне отдельной операции, так и в целом,

Вероятность P_j безошибочного выполнения операций j - го вида интенсивность ошибок допущенных при этом, применительно фазе устойчивой работы определяется на основе статистических данных:

,

где , C_ОТj — общее число выполняемых операций j -го вида и допу­щенное при этом число ошибок; T_j — среднее время выполнен» операции j -го вида.

Вероятность безошибочного выполнения всей операции в целом определяется при экспоненциальном распределении времени:

,

где — число выполняемых операций j -го вида; r — число различных видов операций (j = 1, r).

Коэффициент готовности характеризует вероятность включения человека-оператора в работу в любой произвольный момент времени:

,

где Т _б — время, в течение которого человек не может принять поступившую к нему информацию; Т — общее время работы челове­ка-оператора.

Восстанавливаемость оператора оценивается вероятностью исправ­лений им допущенной ошибки:

,

где Р_К — вероятность выдачи сигнала контрольной системой; Р_обн — вероятность обнаружения сигнала оператором; Р_Н — вероятность исправления ошибочных действий при повторном выполнении всей операции.

Этот показатель позволяет оценить возможность самоконтроля оператором своих действий и исправления допущенных им ошибок.

Своевременность действий оператора оценивается вероятностью выполнения задачи в течение заданного времени:

,

где f(t) — функция распределения времени решения задачи операто­ром; t" — лимит времени, превышение которого рассматривается как ошибка.

Эта же вероятность может быть определена и по статистическим данным как:

,

где N и N _нс — общее и несвоевременное выполненное число задач.

Точность — степень отклонения измеряемого оператором количес­твенного параметра системы от его истинного, заданного или номина­льного значения.

Количественно этот параметр оценивается погрешностью, с кото­рой оператор измеряет, устанавливает или регулирует данный параметр:

,

где А _и — истинное или номинальное значение параметра; А _он фактическое измеряемое или регулируемое оператором значение этого параметра.

Значение погрешности, превысившее допустимые пределы, явля­ется ошибкой и ее следует учитывать при оценке надежности.

Точность оператора зависит: от характеристик сигнала, сложности1,! задачи, условий и темпа работы, функционального состояния нервной системы, квалификации, утомляемости и других факторов.

Оценка надежности системы «человек—машина». Прежде чем приступить к рассмотрению надежности системы «человек — машина», следует пояснить основные положения теории надежности технических систем, поскольку эти понятия надежности (с учетом специфических особенностей человека) применимы к данной системе,

Под надежностью системы (или ее элемента) понимают свойство выполнять заданные функции в течение определенного времени при заданных условиях работы. Надежность следует понимать как совокуп­ность трех свойств: безотказности, восстанавливаемости и долговеч­ности. Фундаментальным понятием теории надежности является понятие отказа. Под отказом понимают случайное событие, состоящее в том, что система (элемент) полностью или частично утрачивает свою работоспособность, в результате чего заданные системе (элементу) функции не выполняются.

Оценка надежности системы «человек — машина» может производиться различными методами: аналитическим, экспериментальным, имитационным. На этапах проектирования преобладаю расчетные методы, которые основаны на статистических данных о надежности и скорости выполнения заданных функций оператором, с надежности технических средств, влиянии различных факторов внеш­ней среды на надежность техники, взаимном влиянии оператора и техники и пр.

В системотехническом методе оценки надежности СЧМ чело представляется в виде компонента системы. При этом выделяют следующие случаи оценки надежности системы при взаимодействии технических средств и человека-оператора при допущении, что отказы техники и ошибки оператора являются редкими, случайными независимыми событиями, что появление более одного однотипно; события за время работы системы от t ₀ до t ₀ + t практически невозможно, что способности оператора к компенсации ошибок и безошибочно работе — независимые свойства оператора.

Если компенсация ошибок оператора и отказов техники невозможна, то вероятность безотказной работы системы:

,

где — вероятность безотказной работы технических средств течение времени ; P ₀ (t) —вероятность безошибочной работы оператора в течение времени t при условии, что техника работает безотказно; t ₀ — общее время эксплуатации системы; t — рассматрива­емый период работы.

При «мгновенной» компенсации ошибок оператора с вероятностью р вероятность безотказной работы системы:

,

В случае компенсации только отказов технических средств вероят­ность безотказной работы системы:

,

где — условная вероятность безотказной работы системы в течение времени (t ₀ + t) с компенсацией последствий отказов, при условии, что в момент произошел отказ.

Вероятность безотказной работы системы с компенсацией ошибок оператора и отказов технических средств:

.

Выигрыш в надежности по вероятности безотказной работы G _р за счет компенсации ошибок и отказов характеризуется отношением:

.

Выигрыш надежности увеличивается с ростом р и , т.е. с увеличением уровня натренированности оператора на компенсации отказов и ошибок.

Если рассматривать системы по степени непрерывности участия человека в процессе управления, то для каждого из этих типов сущес­твуют соответствующие критерии надежности. Для систем первого типа таким критерием является вероятность безотказного, безошибочного и своевременного протекания управляемого процесса в течение задан­ного времени t. Такое протекание процесса возможно в следующих случаях:

1) технические средства работают исправно;

2) произошел отказ технических средств, но при этом: оператор безошибочно и своевременно выполнил требуемые действия по ликвидации аварийной ситуации;

3) оператор допустил ошибочные действия, но своевременно их исправил.

В соответствии с ранее принятыми обозначениями надежность системы «человек — машина» запишется в виде

.

Для СЧМ второго типа критерием надежности является вероят­ность безотказного, безошибочного и своевременного выполнения возникающей задачи. Задача системой может быть выполнена в то; случае, если в требуемый момент времени оператор готов к прием; поступающей информации и, кроме того: 1) в течение паузы и времени решения задачи техника работала безотказно, оператор правильно ц своевременно выполнял требуемые действия или 2) произошел отказ техники, но оператор своевременно устранил его и при решении задачи не допускал ошибок, или 3) при безотказной работе техники оператор допустил ошибку, но своевременно компенсировал ее. Расчет надежности примет вид

,

где — вероятность восстановления техники.

Для систем третьего типа критерий надежности такой же, как и втором случае. Задача системой может считаться выполненной, если: 1) в требуемый момент времени техника находится в исправно состоянии, не отказала во время выполнения задачи, действия опера торов были безошибочны и своевременны, или 2) не готовая ил отказавшая техника была своевременно восстановлена, а операторы» допустили ошибок; 3) при безотказной работе техники оператор до пустил ошибку, своевременно компенсировал ее. Расчет надежности этом случае можно вести по формуле

,

где — коэффициент готовности техники.

Широкое и многообразное применение техники предъявляет более высокие требования к ее соответствию человеческим возможностям. Современные человеко-машинные системы следует рассматривать как сложные автоматизированные системы, в которые наряду с контурами чисто автоматического регулирована состоящими только из технических звеньев, включены функционируют контуры, замыкаемые через человеческое звено.

Система «человек—машина» в своем развитии проходит три стадии: проектирование, изготовление и эксплуатацию. Правильный и обоснованный учет человеческого фактора на каждой из этих стадий способствует достижению максимальной эффективности и безопасности.

ГЛАВА 3