【文档说明】安全系统工程_第四章可靠性分析.pptx，共(50)页，509.357 KB，由精品优选上传

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《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《安全系统工程》问题的提出如何定义可靠性？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？系统可靠性与安全的关系？人的可靠性？如何提高系统的可靠性？《安全系统工程》1.1可靠性的定义可靠性(Rel

iability)：系统或系统元素在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的能力。◼系统或系统元素◼规定的条件：◼规定的时间：◼规定的功能：1.可靠性《安全系统工程》1.2可靠性分类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。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。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。广义可靠性=狭义可靠性+维修性《安全系统工程》1.3可靠性指标体系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=−tdttetR0)()(寿

命故障率维修率可用度……《安全系统工程》1.4可靠性的意义是产品质量的保证是安全生产的保证提高经济效益影响国家的安全和声誉《安全系统工程》1.5可靠性与安全不可靠是不安全的原因。◼系统本身不可靠导致事故◼危险源控制系统不可靠导致

事故。系统安全分析的基础是可靠性分析《安全系统工程》2.1故障的定义故障（Failure）：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。)(1)(tRtF−=失效（Fault）：无实现预定功能的能力。

本课将二者统称为故障（Failure）故障（Failure）是失效（Fault）的原因2.故障的基本概念《安全系统工程》2.2故障类型按故障影响的大小：灾难性故障危险故障◼被检测的危险故障◼未被检测的危险故障重大故

障安全故障（轻微故障）按故障发生阶段：初期故障随机故障磨损故障其他：硬件随机故障系统性故障共因故障按故障时系统或元素功能低下程度：部分故障完全故障按故障发生原因：原生故障次生故障

指令故障《安全系统工程》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时间变化的趋势有减少、一定和增加三种情况。故障分为初期故障、随机故障和磨损故障。故障率：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。《安全系统工程》2.3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新产品投产初期的故障；闲置一段时间后故障减少；小毛病往往引起重大事故设计错误；制造不良；使用方法错误；（制造责任的可能性特别大）设计审查，FMEA，FTA；通过老化

筛选等方法排除；明确使用基准并告诉用户预防性维修保养无效；检修不彻底也会发生这种现象随机故障多元素组成系统的典型故障；许多电子元件的故障系统受随机应力的作用采用冗余设计；增加投资；采用高可靠度元件、材料；正当使

用预防性维修保养无效；故障时间呈指数分布磨损故障机械零部件磨损、疲劳造成的故障材料、部件的机械磨损、疲劳、老化预防性维修保养预防性维修保养有效；冗余有效但不经济《安全系统工程》2.4故障时间分布函数与可靠度设系统、设备、元件等在t=0时刻投入运行，到t时刻发生故障的概率

（又称故障时间分布函数）记为0)0()(==FtTPtFr0)(1)0()(1)(==−=RRtFtR)(tF可靠度R(t)为故障时间密度函数f(t)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：dttdFtf)()(==tdttftF0)()(100万人口的

死亡率曲线f(t)dt表示在时间间隔（t,t+dt)内发生故障的概率故障率故障率函数λ(t)：正常运行到某时刻t的客体在此后（t,t+dt)的单位时间里发生故障的比率)()()(tRtft=dttRtdRtRdttRdtRdttdFt)()()()(1)()(

)(−=−==)(ln)0(ln)(ln)(ln)(00tRRtRtRdtttt−=−−=−==−tdttetR0)()(−=−=−tdttetRtF0)(1)(1)(故障率描述

系统、设备、元件发生故障的难易dttdFtf)()(=《安全系统工程》小结-故障时间分布可靠度故障发生概率故障时间密度函数故障率函数)()()(tRtft=dttdFtf)()(==−tdtte

tR0)()(−=−=−tdttetRtF0)(1)(1)(《安全系统工程》3.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止的整个寿命期间中的变化是时间的函数，典型故障曲线称之为浴盆曲线。早期故障阶段随机故障阶段磨损故障阶段浴盆曲线

(Bathtubcurve)《安全系统工程》3常用故障时间分布函数3.1指数分布=)(ttetf−=)(1=tet−−=1)(F◼平均故障时间随机故障的场合故障率为常数故障时间分布变为指数分布：障的次数表示单位时间内发生故=====−1)()()(

000dtedttRdtttfxEt《安全系统工程》3常用故障时间分布函数3.1指数分布1=◼平均寿命633.0e11)(F-1=−=−=−e◼平均故障时间MTTF(MeanTimeToFailure，针对不可修复系统而言)◼平均故障间

隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure，针对可修复系统而言）概率障时间时，发生故障的时，即时间为平均无故当=t《安全系统工程》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：)(700107000h==2.3.1指数分布239.0)1000(429.17001000===−−eeR工作1000h后的可靠度为：《安全系统工程》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：ttttetRtt-1)(!31-)(!211)(1025.0500012532++−====−计算：，利用级数展开式进行因2.3.1指数分布975.0)125(R《安全系统工程》作业：1.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。2.某电子设备由故障率为3.2×10-7/h的元件32支和故障率为5.4×10-8/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。《安全

系统工程》3常用的故障时间分布函数m<1时，随时间单调减少，对应于初期故障；m=1时，恒定，威布尔分布变为指数分布，对应于随机故障；m>1时，随时间单调增加，对应于磨损故障。)(t()t()t1m0)t-(tm)(−=t3.2威布尔分布η=1；t0=

0◼m——形状参数；η——尺度参数；t0——位置参数《安全系统工程》mtetF−−=1)(故障时间分布函数为：mt1m0e)t-(tm)(−−=tf故障时间密度函数为：mttetR)(0)(−−=可靠度函数为：3.2威布尔分布3常用

的故障时间分布函数η=1；t0=0η=1；t0=0《安全系统工程》3.3故障时间分布函数的性质)()(lim)()(,1)(0)())((02121xFxFxFxFxxFFxxF=+=+=−−→则若分布函数3常用的故障时间分布函数3.

4故障次数分布当故障时间分布服从指数分布，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自时刻t=0到t时刻发生n次故障的概率到t时刻发生不超过n次故障的概率trn!)(}

)({)(−===etntNPtPnn=−=nktkrektntNP0!)()(np=讨论：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？3==np令X表示同一时刻发生故障的设备台数，则X~B(300,0.01)设需要配备N个维修工人才能满足题意要求，所要解决的问

题是确定N，使得P(X>N)≤0.01由泊松分布可知01.0!3!31)1(11130130300300=−=−−==−=−=−=+=−=−ekekppCkXPNXPNXPnkNkkkNkkkK解得，最小的N=8解：《安全

系统工程》4.简单系统的可靠性4.1简单系统和复杂系统根据元素之间功能关系的复杂程度，可以把系统划分为简单系统和复杂系统。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。按元素故障与系统故障之间

的关系，可以把系统划分成基本系统和冗余系统。基本系统（串联系统）是系统中任何一个元素故障都会导致系统故障的系统。冗余系统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。《安全系统工程》可靠性框图《安全系统工程》简单系统和复杂系统冗余（Redundancy）是把若干元素或手段付加于

系统的元素或组成部分上，从而使得即使系统元素或组成部分发生故障也不至造成系统故障的方法。并联冗余方式:附加的元素与原来的元素同时工作备用冗余方式：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冷备用

、热备用、温备用表决冗余方式（n个元素中至少k个正常就能保证系统正常，换句话说，只有n-k+1或更多元素故障时系统才故障）又称为n中取k冗余方式。元素冗余比系统冗余效果更好。《安全系统工程》串联系统可靠性只要一个元素发生了故障系统就故障的系统可靠性最差的单元对串联系统的可靠

性影响最大系统故障时间等于最先发生故障的元素的故障时间。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串联系统中包含的元素越多，越易发生故障=−==niinnisRRRRRRR1121FtFtsii

n()[()]=−−=111siintt()()==1sniin=+++==111111121()《安全系统工程》并联系统可靠性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。系统故障时间等于最后发生故障的元素的故障时间。=−−=−=niissRFR1)1(11FtFtsiin()()==1sttttttteeeeee()()()()=+−++−−−−+−−−+121212121212《安全系统工程》)n1211

(],[min)t(lim],[max)t(0s21st21s21+++==→相同元素组成，一般地，并联系统均有组成时，时，即系统有不同元素当《安全系统工程》表决系统可靠性表决系统：n个元素中k个元素正常系统就正常运行3中取2系统的可靠度为：ttseeRRtR0

03230202323)(−−−=−=stttee()()=−−−−6132000s=560《安全系统工程》k/n表决系统特例：1/n—串联系统n/n—并联系统系统可靠度：《安全系统

工程》5.维修的基本概念维修：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正常状态等一系列工作。系统维修性：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状态的

可能性。维修度：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Mtetdtt()()=−−10维修的基本概念维修率：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维修率为常量，平均维修

时间：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（MTTR，MeanTimetoRepair）MTTR=1()t=Mtet()=−−1《安全系统工程》维修的基本概念可用度（Availability)是一个衡量系统被利用情况的指标。可用度是系统在特定

的瞬间能维持其功能的概率。Atet()()=+++−+AMTBFMTBFMTTR()=+=+《安全系统工程》维修方式：事后维修和预防维修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。预防

维修活动包括设备检查，局部或全面定期检修，换油等。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。《安全系统工程》6.提高系统可靠性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。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

。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。《安全系统工程》可靠性设计安全系数降低额定值冗余设计故障－安全设计耐故障设计选用高质量的材料、元件、部件《安全系统工程》安全系数在设计中采用安全系数是最早采用的防止结构（机械零部

件、建筑结构、岩土工程结构等）故障的方法。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。《安全系统工程》降低额定值与结构设计中采用安全系数的思想类似，在电气、电子设备或元

件的设计中采用降低许用值（Derating）的方法，防止故障发生。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备或元件的承载能力。《安全系统工程》冗余设计在各种冗余方式中，并联冗余和备用冗余最常用。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，实际设计中只将有限的元素并联起来构成并联冗余系统。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。《安全系统工程》故障－安全设计故障

－安全（Fail-safe）设计，是在系统、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。故障－正常方案。故障－消极方案。故障－积极方案。《安全系统工程》耐故障设计耐故障（Faulttolerance）设计又称容错设计，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。可以认为耐故障设计是故障－安全设计的一种。《安全系统工程》安全监控系统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水平，消除故障、异常以防

止事故发生。控制系统生产装置驱动部分判断部分检知部分《安全系统工程》安全监控系统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。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。监控联锁系统。安全监控系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。《安全系统工程》安全监控系统漏报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）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，漏报属于“危险故障”型故障。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。《安全系统工程》安全监控

系统误报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）。误报不会导致事故发生，故属于“安全故障”型故障。但是，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。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。《安全系统工程》安全监控系统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：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；

改进系统设计，采用多传感元件系统。表决系统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，可以有效地提高安全监控系统的可靠性。