系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)可靠性分析第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二本節(jié)要求目的：掌握失效樹分析理論和基本方法，能夠根據(jù)系統(tǒng)失效畫出失效樹，確定系統(tǒng)故障原因的各種組合；重點：失效樹（故障樹）的定量分析難點：故障樹建立學(xué)時要求：4學(xué)時第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)系統(tǒng)可靠性分析綜述必要性：系統(tǒng)和部分關(guān)系也是安全工程研究內(nèi)容定性和定量方法應(yīng)用廣泛（美國航天局、豐田轎車、殼牌公司等）適用性強大思路第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)系統(tǒng)失效樹分析法

【FaultTreeAnalysis(FTA),

事故樹、失效樹、事故邏輯分析法】

用途：對各種系統(tǒng)的隱患、危險事件性進行辨識，既適用于定性分析，又能定量分析。事故樹：就是用邏輯門聯(lián)結(jié)各種事件符號表示事故從結(jié)果到原因發(fā)生的有向邏輯樹圖。樹：就是一種邏輯分析過程，遵從邏輯學(xué)演繹分析原則（即從結(jié)果分析原因的分析原則）。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二一、事件符號1、矩形符號：表示頂上事件或中間事件，需要往下分析事件（概念要明確）頂上事件：要研究的事件，即是所分析系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件，它位于事故樹的頂端。例如：著火爆炸？—油庫著火中間事件：位于頂上事件和基本事件之間的事件。油庫著火2、圓形符號：表示基本原因事件（底事件），即基本事件，是不能再往下分析的事件，故位于事故樹的最底部。人的差錯、元件故障等管道裂縫第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二事件符號4、房形符號表示正常事件，是系統(tǒng)正常狀態(tài)下發(fā)生的正常事件。有的也成為激發(fā)事件，例如電動機運轉(zhuǎn)，車床運轉(zhuǎn)等。3、菱形符號：其一是表示省略事件，即沒有必要詳細(xì)分析或原因不明確的事件;其二表示不是本系統(tǒng)的事故原因事件，而是來自系統(tǒng)之外的原因事件檢查缺陷分析室內(nèi)著火:室外的火源（能引起室內(nèi)著火）就是二次火源第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二邏輯門符號：表示相關(guān)事件邏輯關(guān)系的符號（1）與門：只有當(dāng)所有輸入事件發(fā)生時，才發(fā)生輸出事件二、邏輯門符號表示法第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二例一：開式?jīng)_床斷指事故:滑塊誤下行使操作者扎斷手指事故滑塊誤下行扎斷手指手在模內(nèi)滑塊誤下落安全裝置沒起作用下層事件必須是直接事件第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二二、邏輯門符號例二：閥門堵塞事件閥門堵塞閥門損壞未及時修理第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二二、邏輯門符號（2）或門：當(dāng)一個或多種事件出現(xiàn)時，就有輸出事件鍋爐爆炸常壓爆炸超壓爆炸燒干鍋爐突然加水爆炸第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二表示法油罐的靜電火花油罐靜電火花人體靜電火花火源明火電火花撞擊火花第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二二、邏輯門符號（3）條件與門：表示輸入事件不僅同時發(fā)生，而且還必須滿足條件，才會有輸出事件發(fā)生表示法表示輸出事件C發(fā)生的條件，而不是事件例如：某系統(tǒng)低壓觸電死亡某系統(tǒng)發(fā)生低壓觸電死亡人體觸電保護失效搶救不力第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二二、邏輯門符號條件或門：表示輸入事件至少發(fā)生一個，在滿足條件的情況下，輸出事件發(fā)生。結(jié)構(gòu)函數(shù)表示法氧氣瓶超壓爆炸在陽光下暴曬接近熱源與火源接觸瓶內(nèi)壓力超過鋼瓶耐受力第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二三、轉(zhuǎn)移符號意義：表示部分樹的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出。用途：當(dāng)事故樹規(guī)模很大，一張圖紙不能繪出樹的全部內(nèi)容，需要在其它圖紙上繼續(xù)完成時；1、轉(zhuǎn)入符號：部分樹由此轉(zhuǎn)入。三角形內(nèi)標(biāo)出從何處轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入符號內(nèi)的數(shù)字一一對應(yīng)。2、轉(zhuǎn)出符號：部分樹由此轉(zhuǎn)出表示這個部分樹由此轉(zhuǎn)出，并在三角形內(nèi)標(biāo)出對應(yīng)的數(shù)字，以表示向何處轉(zhuǎn)移。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二四、失效樹的定性分析建樹的準(zhǔn)備階段（1）建樹收集資料：對系統(tǒng)全面深入了解，收集廣泛資料，設(shè)計、制造、安裝調(diào)試、維修保養(yǎng)以及其它數(shù)據(jù)資料、文件及技術(shù)規(guī)范。分析系統(tǒng)同時，還需考慮人、環(huán)境的影響；（2）失效分析時，對系統(tǒng)及單元的功能和失效，應(yīng)給予明確定義第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二建立失效樹（1）頂事件的確定：只要可以分解且有明確定義的。不是唯一的。往往把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障作為系統(tǒng)失效分析的頂事件；（2）失效樹建立：頂事件確定后，作為分析的起始端，找出導(dǎo)致頂上事件所有可能的直接原因，作為第一級中間事件。將這些事件用事件符號和適合它們的邏輯門符號聯(lián)接。依此類推，逐級向下發(fā)展，直至找出底事件。這樣完成了失效樹的建立。（3）建立失效樹注意選擇建樹流程，通常以系統(tǒng)功能為主線來分析。復(fù)雜系統(tǒng)流程可能不唯一，要靈活掌握；合理選擇和確定系統(tǒng)和單元底邊界條件：在建樹前對系統(tǒng)和單元的某些變動參數(shù)作出合理假設(shè)，即為邊界條件（即建樹范圍、重點）第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二事件描述要具體，盡量做到唯一解釋；邏輯關(guān)系明確，不允許出現(xiàn)邏輯混亂和矛盾；盡量簡化，便于定性和定量解釋。第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二失效樹定性分析（1）布爾代數(shù)規(guī)則1）交換律2）結(jié)合律3）分配律4）吸收律5）互補律6）冪等律7）摩根定律8）對合律9）重疊律

第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二失效樹定性分析任務(wù)：尋找導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的所有可能的失效模式－失效譜（或使系統(tǒng)成功的成功譜）即找出失效樹的全部最小割集或全部最小徑集（路集）（1）割集和徑集割集：導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的若干底事件的集合，當(dāng)這些事件同時發(fā)生時頂上事件必然發(fā)生，則稱這一集合為割集第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二鍋爐爆炸常壓爆炸超壓爆炸燒干鍋爐突然加水爆炸注水閥打開溫度監(jiān)控探頭失效失效結(jié)構(gòu)函數(shù)第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二最小割集：導(dǎo)致頂上事件發(fā)生不可再少的底事件的集合；兩個意義：最小數(shù)量事件的割集;全部最小割集的完整集合代表了頂事件發(fā)生的所有可能性，即系統(tǒng)的全部故障。割集和最小割集的區(qū)別：割集代表系統(tǒng)發(fā)生失效的一種可能性，即一種模式最小割集代表導(dǎo)致頂上事件所有可能性。徑集：也是底事件集合，當(dāng)這些底事件同時不發(fā)生時，頂事件必然不發(fā)生（成功樹集合）。最小徑集：徑集中任一底事件發(fā)生，頂事件一定會發(fā)生時，這樣的徑集稱最小徑集。代表系統(tǒng)的一種正常模式第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二（2）布爾代數(shù)目的：化簡基本事件，找出造成頂上事件的基本事件。第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二五、求最小割集方法（1）下行法（Fussell-Vesely算法）從頂上事件開始直至到基本事件，利用布爾代數(shù)化簡。原理：與門僅增加割集的容量，或門增加割集的個數(shù)。手工工作量大適宜在計算機上實現(xiàn)第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二結(jié)構(gòu)函數(shù)第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二（2）上行法（Semanderes算法)由底事件從下而上進行，每做一步都利用集合運算法則進行簡化，算到作后即為最小割集。結(jié)構(gòu)函數(shù)第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二六、系統(tǒng)可靠性的失效樹分析（1）串聯(lián)系統(tǒng)……系統(tǒng)失效（故障、頂上事件）結(jié)構(gòu)函數(shù)第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二（2）并聯(lián)系統(tǒng)LL第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二總結(jié)可靠性框圖與失效樹關(guān)系：可靠性框圖：表明系統(tǒng)與單元間的功能關(guān)系，其終端事件為系統(tǒng)的成功狀態(tài)，各個基本事件是成功事件，因此系統(tǒng)可靠性框圖相當(dāng)于系統(tǒng)的“成功樹”它也是一種用與門和或門來反映事件之間邏輯關(guān)系的方法。對于串聯(lián)系統(tǒng)，均為或門的邏輯關(guān)系；對于并聯(lián)系統(tǒng)，則均為與門的邏輯關(guān)系。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二系統(tǒng)不可靠度系統(tǒng)可靠度串聯(lián)系統(tǒng)可靠性串聯(lián)系統(tǒng)失效樹系統(tǒng)失效概率第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二并聯(lián)系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)可靠度系統(tǒng)不可靠度AB并聯(lián)系統(tǒng)失效樹第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二3、并串聯(lián)系統(tǒng)LLLLLLLL第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二七、失效樹定量分析頂上事件概率假設(shè)全部底事件獨立，底事件發(fā)概率已知，由下往上按故障樹底邏輯結(jié)構(gòu)逐級運算，即可求出頂上事件發(fā)生的概率1、與門結(jié)構(gòu)發(fā)生的概率2、或門結(jié)構(gòu)發(fā)生的概率第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二系統(tǒng)可靠度底事件的概率重要度例如：對q1第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二LLLLLLLLLLABCDELLF4、串并聯(lián)系統(tǒng)(練習(xí)1）畫出失效樹，失效樹的最小割集表達(dá)式，寫出頂上發(fā)生事件的結(jié)構(gòu)函數(shù)第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二（1）電機不轉(zhuǎn)動的故障樹（2）電機停不下來的故障樹電池電機(練習(xí)2）電動機啟動電路如圖，已知聯(lián)線無故障初始條件是開關(guān)K1,K2,閉合，電機轉(zhuǎn)動，試畫出失效樹：第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二作業(yè)已知系統(tǒng)可靠性框圖如圖所示，它們預(yù)計可靠度為求（1）試預(yù)測系統(tǒng)的可靠度;（2）相應(yīng)的失效樹;

(3)失效樹的最小割集（4）每個底事件的概率重要度；（5）如果要求系統(tǒng)可靠度達(dá)0.9，如何進行分配?第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二八、故障樹的優(yōu)缺點（1）優(yōu)點1）全面了解系統(tǒng)、專門研討某些系統(tǒng)特殊的故障問題；2）外部環(huán)境影響因素及人為失誤等故障事件都可以考慮在樹中；3）演繹中尋找故障原因所在；4）給設(shè)計、使用和維修人員提供一種修改設(shè)計和診斷故障的的有效工具；5）對系統(tǒng)進行定性或定量評價，且有選擇目標(biāo)（可靠度、重要度）和方法（定性、定量）的自由。第38頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二八、故障樹的優(yōu)缺點2）缺點工作量大，不經(jīng)濟和浪費時間的分析方法；容易疏忽或遺漏某些有些有用信息，某些數(shù)據(jù)不能充分應(yīng)用；得到的結(jié)果不容