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1、安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程系统可靠性分析西安建筑科技大学安全工程教研室西安建筑科技大学安全工程教研室2021/9/241安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程问题的提出问题的提出o如何定义可靠性？如何定义可靠性？o什么叫系统的可靠性？系统的可靠性和系统组什么叫系统的可靠性？系统的可靠性和系统组成元素的可靠性有什么关系？成元素的可靠性有什么关系？o系统可靠性与安全的关系？系统可靠性与安全的关系？o人的可靠性？人的可靠性？o如何提高系统的可靠性？如何提高系统的可靠性？2021/9/242安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程1.1可靠性的定义o可靠性可靠性
2、(Reliability)：系统或系统元素在系统或系统元素在规定的条件下规定的条件下和和规定的时间内规定的时间内，完，完成成规定的功能规定的功能的能力。的能力。n系统系统或系统元素或系统元素n规定的条件规定的条件：n规定的时间规定的时间：n规定的功能：规定的功能：1.可靠性可靠性2021/9/243安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程1.2可靠性分类o广义可靠性：在规定的条件下和规定的时间内，元器件（产品）、设备或者系统稳定完成功能的程度或性质。例如，汽车在使用过程中，当某个零件发生了故障，经过修理后仍然能够继续驾驶。o狭义可靠性：狭义的“可靠性”是产品在使用期间没有发生故障的性质
3、。例如一次性注射器，在使用的时间内没有发生故障，就认为是可靠的；再如某些一旦发生故障就不能再次使用的产品，日光灯管就是这类型的产品，一般损坏了只能更换新的。o广义可靠性=狭义可靠性+维修性2021/9/244安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程1.3可靠性指标体系o可靠度：系统或元素在规定的条件下和规定的可靠度：系统或元素在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的概率时间内，完成规定的功能的概率o寿命寿命o故障率故障率o维修率维修率o可用度可用度2021/9/245安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程1.4 1.4 可靠性的意义可靠性的意义o是产品质量的保证o是安全
4、生产的保证o提高经济效益o影响国家的安全和声誉2021/9/246安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程1.5可靠性与安全o不可靠是不安全的原因。不可靠是不安全的原因。n系统本身不可靠导致事故系统本身不可靠导致事故n危险源控制系统不可靠导致事故。危险源控制系统不可靠导致事故。o系统安全分析的基础是可靠性分析系统安全分析的基础是可靠性分析2021/9/247安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程2.1故障的定义故障的定义o故障（故障（Failure）：系统、设备、元件等在运行过程：系统、设备、元件等在运行过程中因为性能低下而不能实现预定的功能的现象。中因为性能低下而不能实现预
5、定的功能的现象。o失效（失效（Fault）：无实现预定功能的能力。）：无实现预定功能的能力。o本课将二者统称为故障（本课将二者统称为故障（Failure）o故障（故障（Failure）是失效（）是失效（Fault）的原因）的原因2.故障的基本概念故障的基本概念2021/9/248安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程2.2 故障类型故障类型按故障影响的大小：按故障影响的大小：o灾难性故障灾难性故障o危险故障危险故障n被检测的危险故障被检测的危险故障n未被检测的危险故障未被检测的危险故障o重大故障重大故障o安全故障（轻微故障）安全故障（轻微故障）按故障发生阶段：按故障发生阶段：p初期故
6、障初期故障p随机故障随机故障p磨损故障磨损故障其他：其他：o硬件随机故障硬件随机故障o系统性故障系统性故障o共因故障共因故障按故障时系统或元素功能低下程度：按故障时系统或元素功能低下程度：p部分故障部分故障p完全故障完全故障按故障发生原因：按故障发生原因：p原生故障原生故障p次生故障次生故障p指令故障指令故障2021/9/249安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程浴盆曲线浴盆曲线故障率随运行时间而变化。按故障率随时间变化的趋势随故障率随运行时间而变化。按故障率随时间变化的趋势随时间变化的趋势有减少、一定和增加三种情况。时间变化的趋势有减少、一定和增加三种情况。故障分为故障分为初期故
7、障初期故障、随机故障随机故障和和磨损故障磨损故障。故障率：故障率：正常工作到某时点的客体，在此后单位时间里发生正常工作到某时点的客体，在此后单位时间里发生故障的比率。故障的比率。2021/9/2410安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程2.3 不同故障发生的原因及防止对策不同故障发生的原因及防止对策故障类型现象原因对策备注初期故障o新产品投产初期的故障；o闲置一段时间后故障减少；o小毛病往往引起重大事故o设计错误；o制造不良；o使用方法错误；（制造责任的可能性特别大）o设计审查，FMEA，FTA；o通过老化筛选等方法排除；o明确使用基准并告诉用户o预防性维修保养无效；o检修不彻底也
8、会发生这种现象随机故障o多元素组成系统的典型故障；o许多电子元件的故障o系统受随机应力的作用o采用冗余设计；o增加投资；o采用高可靠度元件、材料；o正当使用o预防性维修保养无效；o故障时间呈指数分布磨损故障o机械零部件磨损、疲劳造成的故障o材料、部件的机械磨损、疲劳、老化o预防性维修保养o预防性维修保养有效；o冗余有效但不经济2021/9/2411安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程2.4 故障时间分布函数与可靠度故障时间分布函数与可靠度 o设系统、设备、元件等在设系统、设备、元件等在 t=0 时刻投入运行，时刻投入运行，到到 t 时刻发生故障的概率（又称故障时间分布时刻发生故障的
9、概率（又称故障时间分布函数）记为函数）记为o可靠度可靠度 R(t)为为2021/9/2412故障时间密度函数故障时间密度函数 f(t)o当故障时间分布函数可微分时，则故障概率当故障时间分布函数可微分时，则故障概率密度函数或故障时间密度函数为：密度函数或故障时间密度函数为：100万人口的死亡率曲线万人口的死亡率曲线of(t)dt表示在时间间隔表示在时间间隔（t,t+dt)内发生故障的内发生故障的概率概率2021/9/2413故障率故障率o故障率函数故障率函数(t)：正常运行到某时刻正常运行到某时刻t t 的客体在此后（的客体在此后（t t,t t+dtdt)的单位时间里发生的单位时间里发生故障的
10、比率故障的比率o故障率描述系统、设备、元件发生故障的难易故障率描述系统、设备、元件发生故障的难易2021/9/2414安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程小结小结-故障时间分布故障时间分布o可靠度可靠度 o故障发生概率故障发生概率 o故障时间密度函数故障时间密度函数 o故障率函数故障率函数 2021/9/2415安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程3.常用故障时间分布函数常用故障时间分布函数实践证明，大多数设备的故障率在产品从投入到报废为实践证明，大多数设备的故障率在产品从投入到报废为止的整个寿命期间中的变化是时间的函数，典型故障曲止的整个寿命期间中的变化是时间的函数，
11、典型故障曲线称之为线称之为浴盆曲线浴盆曲线。p早期故障阶段早期故障阶段p随机故障阶段随机故障阶段p磨损故障阶段磨损故障阶段浴盆曲线浴盆曲线(Bathtub curve)2021/9/2416安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程3 常用故障时间分布函数常用故障时间分布函数3.1 指数分布指数分布n 平均故障时间平均故障时间随机故障的场合随机故障的场合故障率为常数故障率为常数故障时间分布变为指数分布：故障时间分布变为指数分布：2021/9/2417安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程3 常用故障时间分布函数常用故障时间分布函数3.1 指数分布指数分布n 平均寿命平均寿命n平
12、均故障时间平均故障时间MTTF(Mean Time To Failure，针对不，针对不可修复系统而言可修复系统而言)n平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failure，针对可修复系统而言），针对可修复系统而言）2021/9/2418安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程p例题1：1.某设备运转7000h,共发生了10次故障。若故障间隔时间服从指数分布，试计算该设备的平均故障间隔时间以及从开机运转到工作1000h后的可靠度。解：平均故障间隔时间为：2.3.1 指数指数分布分布工作1000h后的可靠度为：2021/9/2419安全系统工程安全
13、系统工程安全系统工程安全系统工程p例题2：2.某种元件的平均故障时间为5000h，试求使用125h后的可靠度。解：2.3.1 指数指数分布分布2021/9/2420安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程作业：o1.某设备故障率为10-4/h，求可靠度分别为0.90和0.95时的工作时间。o2.某电子设备由故障率为3.210-7/h的元件32支和故障率为5.410-8/h的元件62件组成，试计算该设备的平均故障时间，工作到1000h和10000h的可靠度。2021/9/2421安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程3 常用的故障时间分布函数常用的故障时间分布函数o m1时，时
14、，随时间单调增加，对应于磨损故障。随时间单调增加，对应于磨损故障。3.2 威布尔分布威布尔分布=1；t0=0n m形状参数；形状参数；尺度参数；尺度参数；t0位置参数位置参数2021/9/2422安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程3.2 威布尔分布威布尔分布3 常用的故障时间分布函数常用的故障时间分布函数=1；t0=0=1；t0=02021/9/2423安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程3.3 故障时间分布函数的性质故障时间分布函数的性质3 常用的故障时间分布函数常用的故障时间分布函数2021/9/24243.4 故障次数分布故障次数分布o当故障时间分布服从指数分布
15、，即故障率为常数，一定时间间隔内故障发生次数N(t)服从泊松Poisson分布o自时刻自时刻t=0到到t时刻发生时刻发生n次故障的概率次故障的概率 o到到t时刻发生不超过时刻发生不超过 n 次故障的概率次故障的概率 2021/9/2425讨论：讨论：o为了保证设备正常工作，需要配备适量的维修工人，现有同类型设备300台，各台工作是相互独立的，发生故障的概率都是0.01，在通常情况下，一台设备的故障可由一个人来处理。试问至少要配备多少工人，才能保证设备发生故障而不能及时维修的概率小于0.01？o令X表示同一时刻发生故障的设备台数，则XB(300,0.01)o设需要配备N个维修工人才能满足题意要求
16、，所要解决的问题是确定N，使得oP(XN)0.01o由泊松分布可知解得，最小的N=8解：解：2021/9/2426安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程4.简单系统的可靠性 o4.1简单系统和复杂系统o根据元素之间功能关系的复杂程度，可以把系统划根据元素之间功能关系的复杂程度，可以把系统划分为分为简单系统简单系统和和复杂系统复杂系统。o究竟是简单系统还是复杂系统主要取决于元素之间究竟是简单系统还是复杂系统主要取决于元素之间的功能关系。的功能关系。o 按元素故障与系统故障之间的关系，可以把系统按元素故障与系统故障之间的关系，可以把系统划分成划分成基本系统基本系统和和冗余系统冗余系统。o
17、基本系统基本系统（串联系统）是系统中任何一个元素故障是系统中任何一个元素故障都会导致系统故障的系统。都会导致系统故障的系统。o冗余系统冗余系统是某元素或某些元素的故障不一定能够造是某元素或某些元素的故障不一定能够造成系统故障的系统。成系统故障的系统。2021/9/2427安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程可靠性框图 2021/9/2428安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程简单系统和复杂系统o冗余冗余（Redundancy）是把若干元素或手段付）是把若干元素或手段付加于系统的元素或组成部分上，从而使得即使系加于系统的元素或组成部分上，从而使得即使系统元素或组成部分发生
18、故障也不至造成系统故障统元素或组成部分发生故障也不至造成系统故障的方法。的方法。o并联冗余方式并联冗余方式 :附加的元素与原来的元素同时工作附加的元素与原来的元素同时工作o备用冗余方式备用冗余方式 ：只有当原来的元素发生故障时处：只有当原来的元素发生故障时处于备用状态的元素才投入工作于备用状态的元素才投入工作冷备用、热备用、温备用冷备用、热备用、温备用 o表决冗余方式表决冗余方式（n n个元素中至少个元素中至少k k个正常就能保证个正常就能保证系统正常，换句话说，只有系统正常，换句话说，只有n n-k k+1+1或更多元素故障或更多元素故障时系统才故障）时系统才故障）又称为又称为n n中取中取
19、k k冗余方式。冗余方式。o元素冗余比系统冗余效果更好。元素冗余比系统冗余效果更好。2021/9/2429安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程串联系统可靠性o只要一个元素发生了故障系统就故障的系统只要一个元素发生了故障系统就故障的系统o可靠性最差的单元对串联系统的可靠性影响最大可靠性最差的单元对串联系统的可靠性影响最大o系统故障时间等于最先发生故障的元素的故障时间。系统故障时间等于最先发生故障的元素的故障时间。o串联系统的平均故障时间小于其中任一元素的平均故障时间串联系统的平均故障时间小于其中任一元素的平均故障时间o串联系统中包含的元素越多，越易发生故障串联系统中包含的元素越多，越
20、易发生故障2021/9/2430安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程并联系统可靠性p并联元素与原元素同时工作，只要一个元素不发生并联元素与原元素同时工作，只要一个元素不发生故障系统就正常运行。故障系统就正常运行。p系统故障时间等于最后发生故障的元素的故障时间。系统故障时间等于最后发生故障的元素的故障时间。2021/9/2431安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程2021/9/2432安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程表决系统可靠性o表决系统：n个元素中个元素中k个元素正常系统就正常运个元素正常系统就正常运行行o3中取中取2系统的可靠度为：系统的可靠度为：2
21、021/9/2433安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程k/n表决系统 o特例：1/n串联系统o n/n并联系统o系统可靠度：2021/9/2434安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程5.维修的基本概念 o维修维修：系统发生故障后，寻找故障的部位并进：系统发生故障后，寻找故障的部位并进行修理，直到最后验证系统确实已经恢复到了行修理，直到最后验证系统确实已经恢复到了正常状态等一系列工作。正常状态等一系列工作。o系统维修性系统维修性：在规定的条件下，规定的时间内，在规定的条件下，规定的时间内，按规定的方式和方法维修时使系统恢复到正常按规定的方式和方法维修时使系统恢复到正常状
22、态的可能性。状态的可能性。o维修度：维修度：可维修系统在规定的条件下维修时，可维修系统在规定的条件下维修时，在规定的时间内完成维修的概率在规定的时间内完成维修的概率 2021/9/2435维修的基本概念o维修率维修率：维修进行到某一时刻上尚未完成维修，在此后单位：维修进行到某一时刻上尚未完成维修，在此后单位时间里完成维修的比率时间里完成维修的比率 o维修率为常量，维修率为常量，o平均维修时间平均维修时间：系统维修率为常数、维修度函数服从指数系统维修率为常数、维修度函数服从指数分布时，维修率的倒数为平均维修时间（分布时，维修率的倒数为平均维修时间（MTTR，Mean Time to Repair
23、）2021/9/2436安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程维修的基本概念o可用度可用度（Availability)是一个衡量系统被利是一个衡量系统被利用情况的指标。用情况的指标。o可用度是系统在特定的瞬间能维持其功能的可用度是系统在特定的瞬间能维持其功能的概率概率。2021/9/2437安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程维修方式：事后维修和预防维修 o事后维修的三个典型步骤：a)问题诊断；b)故障零件的更换或修理；c)维修确认。o预防维修活动包括设备检查，局部或全面定期检修，换油等。o预防维修可以提高系统的可靠性、减少停机时间和更换费用、优化备用件库存。2021/9
24、/2438安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程6.提高系统可靠性o系统、设备、元件故障的发生，既有其自身的原因，也有其外部原因。o前者来自设计、制造、安装等方面的问题；后者包括工作条件方面的问题和时间因素。o因此，应该从这些方面入手采取措施提高系统、设备、元素的可靠性。2021/9/2439安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程可靠性设计 o安全系数o降低额定值o冗余设计o故障安全设计o耐故障设计o选用高质量的材料、元件、部件 2021/9/2440安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系数o在设计中采用安全系数是最早采用的防止结在设计中采用安全系数是最早采
25、用的防止结构（机械零部件、建筑结构、岩土工程结构构（机械零部件、建筑结构、岩土工程结构等）故障的方法。等）故障的方法。o采用安全系数的基本思想是，把结构、部件采用安全系数的基本思想是，把结构、部件的强度设计得超出其可能承受的应力的若干的强度设计得超出其可能承受的应力的若干倍，这样就可以减少因设计计算误差、制造倍，这样就可以减少因设计计算误差、制造缺陷、老化及未知因素等造成的破坏或故障。缺陷、老化及未知因素等造成的破坏或故障。2021/9/2441安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程降低额定值o与结构设计中采用安全系数的思想类似，在与结构设计中采用安全系数的思想类似，在电气、电子设备
26、或元件的设计中采用降低许电气、电子设备或元件的设计中采用降低许用值（用值（Derating）的方法，防止故障发生。）的方法，防止故障发生。o具体作法是，选用其功率较要求的功率大得具体作法是，选用其功率较要求的功率大得多的设备或元件，或者采取冷却措施提高设多的设备或元件，或者采取冷却措施提高设备或元件的承载能力。备或元件的承载能力。2021/9/2442安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程冗余设计o在各种冗余方式中，并联冗余和备用冗余最常用。o并联冗余时，冗余元素与原有元素同时工作，冗余元素越多则可靠性越高。但是，并联元素越多，最后并联上去的元素所起的作用越小。再考虑到体积和成本问题
27、，实际设计中只将有限的元素并联起来构成并联冗余系统。o备用冗余时，工作元素故障时把备用元素投入工作，减少系统故障率。在设计备用冗余时应该考虑把备用元素投入工作的转换机构的可靠性问题。2021/9/2443安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程故障安全设计o故障安全（故障安全（Fail-safe）设计，是在系统、）设计，是在系统、设备、结构的一部分发生故障或破坏的情况设备、结构的一部分发生故障或破坏的情况下，在一定时间内也能保证安全的设计。下，在一定时间内也能保证安全的设计。o故障正常方案。故障正常方案。o故障消极方案。故障消极方案。o故障积极方案。故障积极方案。2021/9/2444
28、安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程耐故障设计o 耐故障（耐故障（Fault tolerance）设计又称容错设）设计又称容错设计，是在系统、设备、结构的一部分发生故计，是在系统、设备、结构的一部分发生故障或破坏的情况下，仍能维持其功能的设计。障或破坏的情况下，仍能维持其功能的设计。o可以认为耐故障设计是故障安全设计的一可以认为耐故障设计是故障安全设计的一种。种。2021/9/2445安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全监控系统 o监测与安全有关的状态参数，发现故障、异监测与安全有关的状态参数，发现故障、异常，及时采取措施控制这些参数不达到危险常，及时采取措施控制这
29、些参数不达到危险水平，消除故障、异常以防止事故发生。水平，消除故障、异常以防止事故发生。控制系统控制系统 生产装置生产装置 驱动部分驱动部分 判断部分判断部分 检知部分检知部分 2021/9/2446安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全监控系统o检测仪表。只有检知部分由仪器、设备承担。检测的参数值由人员与规定的参数值比较，判断。如果需要处理时，由人员采取措施。o监测报警系统。安全监控系统的检知部分和判断部分由仪器、设备承担，驱动部分的功能由人员实现。往往把作为判定正常或异常标准的规定参数值定得低些，以保证人员有充裕的时间做出恰当的决策和采取恰当的行动。o监控联锁系统。安全监控系
30、统的三个部分全部由仪器、设备构成。这是一种高度自动化的系统，适用于若不立即采取措施就可能发生事故，造成严重后果的情况。2021/9/2447安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全监控系统o漏报漏报 在监控对象出现故障或异常时，安全监控系统在监控对象出现故障或异常时，安全监控系统没有做出恰当的反应（例如报警或紧急停车等）没有做出恰当的反应（例如报警或紧急停车等）o漏报型故障使安全监控系统丧失其安全功能，不能阻止漏报型故障使安全监控系统丧失其安全功能，不能阻止事故的发生，其结果可能带来巨大损失。因此，漏报属事故的发生，其结果可能带来巨大损失。因此，漏报属于于“危险故障危险故障”型故障
31、。型故障。o为了防止漏报型故障，应该选用高灵敏度的传感元件，为了防止漏报型故障，应该选用高灵敏度的传感元件，规定较低的规定参数值，以及保证驱动机构动作可靠等。规定较低的规定参数值，以及保证驱动机构动作可靠等。2021/9/2448安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全监控系统o误报 在监控对象没有出现故障或异常的情况下，在监控对象没有出现故障或异常的情况下，安全监控系统误动作（例如误报警或误停车等）。安全监控系统误动作（例如误报警或误停车等）。o误报不会导致事故发生，故属于误报不会导致事故发生，故属于“安全故障安全故障”型故型故障。但是，误报可能带来不必要的生产停顿或经济障。但是
32、，误报可能带来不必要的生产停顿或经济损失，最严重的是会因此而失去人们的信任。损失，最严重的是会因此而失去人们的信任。o为了防止误报型故障，安全监控系统应该有较强的为了防止误报型故障，安全监控系统应该有较强的抗干扰能力。抗干扰能力。2021/9/2449安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全监控系统o通过两条途径来改善安全监控系统，特别是通过两条途径来改善安全监控系统，特别是检知部分的可靠性：检知部分的可靠性：o选用既有较高灵敏度又有较强抗干扰能力的选用既有较高灵敏度又有较强抗干扰能力的高性能传感元件；高性能传感元件；o改进系统设计，采用多传感元件系统。改进系统设计，采用多传感元件系统。o表决系统表决系统既可以提高防止漏报型故障性能，既可以提高防止漏报型故障性能，又可以提高防止误报型故障的性能，可以有又可以提高防止误报型故障的性能，可以有效地提高安全监控系统的可靠性。效地提高安全监控系统的可靠性。2021/9/2450