系统可靠性分析课件.ppt

系统可靠性分析第1页，此课件共40页哦本本 节节 要要 求求n目的目的：掌握失效树分析理论和基本方法，能够根掌握失效树分析理论和基本方法，能够根据系统失效画出失效树，确定系统故障原因的各种据系统失效画出失效树，确定系统故障原因的各种组合；组合；n重点重点：失效树（故障树）的定量分析失效树（故障树）的定量分析n难点难点：故障树建立故障树建立学时要求学时要求：4学时学时第2页，此课件共40页哦第一节第一节 系统可靠性分析系统可靠性分析综综 述述必要性：系统和部分关系必要性：系统和部分关系也是安全工程研究内容也是安全工程研究内容定性和定量方法定性和定量方法应用广泛（美国航天局、丰田轿车、壳牌公司等）应用广泛（美国航天局、丰田轿车、壳牌公司等）适用性强适用性强大思路大思路第3页，此课件共40页哦第一节第一节 系统失效树分析法系统失效树分析法【Fault Tree Analysis(FTA),事故树、失效树、事故逻辑分析法事故树、失效树、事故逻辑分析法】用途：用途：对各种系统的隐患、危险事件性进行辨对各种系统的隐患、危险事件性进行辨识，既适用于识，既适用于定性分析定性分析，又能，又能定量分析定量分析。事故树事故树：就是用：就是用逻辑门逻辑门联结各种联结各种事件符号事件符号表示事故从结果到原因发生的有向逻辑树表示事故从结果到原因发生的有向逻辑树图。图。树：就是一种逻辑分析过程，遵从逻辑树：就是一种逻辑分析过程，遵从逻辑学演绎分析原则（即从结果分析原因的分学演绎分析原则（即从结果分析原因的分析原则）析原则）。第4页，此课件共40页哦一、事件符号一、事件符号1、矩形符号、矩形符号：表示顶上事件或中间事件，需要往下分：表示顶上事件或中间事件，需要往下分析事件（概念要明确）析事件（概念要明确）顶上事件：要研究的事件，即是所分析系统不希望发顶上事件：要研究的事件，即是所分析系统不希望发生的事件，它位于事故树的顶端。例如：生的事件，它位于事故树的顶端。例如：着火爆炸？着火爆炸？油库着火油库着火中间事件：位于顶上事件和基本事件之间的事件。中间事件：位于顶上事件和基本事件之间的事件。油库着火油库着火2、圆形符号、圆形符号：表示基本原因事件（底事件），：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，故位于即基本事件，是不能再往下分析的事件，故位于事故树的最底部。人的差错、元件故障等事故树的最底部。人的差错、元件故障等管道裂缝管道裂缝第5页，此课件共40页哦事件符号 4、房形符号、房形符号 表示正常事件，是系统正常状态下发生的正表示正常事件，是系统正常状态下发生的正常事件。有的也成为激发事件，例如电动机常事件。有的也成为激发事件，例如电动机运转，车床运转等运转，车床运转等。3、菱形符号、菱形符号：其一是表示省略事件，即没有必要详细：其一是表示省略事件，即没有必要详细分析或原因不明确的事件分析或原因不明确的事件;其二表示不是本系统的事故原其二表示不是本系统的事故原因事件，而是来自系统之外的原因事件因事件，而是来自系统之外的原因事件检查缺陷分析室内着火分析室内着火:室外的火源（能引起室内室外的火源（能引起室内着火）就是二次火源着火）就是二次火源第6页，此课件共40页哦逻辑门符号：表示相关事件逻辑关系的符号逻辑门符号：表示相关事件逻辑关系的符号n（1）与门）与门：只有当所有输入事件发生时，才只有当所有输入事件发生时，才发生输出事件发生输出事件二、逻辑门符号二、逻辑门符号二、逻辑门符号二、逻辑门符号表示法表示法第7页，此课件共40页哦例一：例一：开式冲开式冲床断指事故床断指事故:滑滑块误下行使操块误下行使操作者扎断手指作者扎断手指事故事故滑块误下行扎断手指手在模内滑块误下落安全装置没起作用下层事件必须是下层事件必须是 直接事件直接事件第8页，此课件共40页哦二、逻辑门符号例二：阀门堵塞事件阀门堵塞阀门损坏未及时修理第9页，此课件共40页哦二、逻辑门符号二、逻辑门符号（2）或门）或门：当一个或当一个或多种事件出现时，就有输多种事件出现时，就有输出事件出事件锅炉爆炸常压爆炸超压爆炸烧干锅炉突然加水爆炸第10页，此课件共40页哦表示法表示法油罐的静电火花油罐的静电火花油罐静电火花油罐静电火花人体静电火花人体静电火花火源火源明火明火电火花电火花撞击火花撞击火花第11页，此课件共40页哦二、逻辑门符号二、逻辑门符号（3）条件与门）条件与门：表示输入事件不仅同时发生，而：表示输入事件不仅同时发生，而且还必须满足条件且还必须满足条件 ，才会有输出事件发生，才会有输出事件发生表示法表示法表示输出事件表示输出事件C发生的条件，而不是发生的条件，而不是事件事件例如：例如：某系统某系统低压触低压触电死亡电死亡某系统发生低压触电死亡某系统发生低压触电死亡人体触电人体触电保护失效保护失效抢救不力抢救不力第12页，此课件共40页哦二、逻辑门符号二、逻辑门符号条件或门条件或门：表示输入事件至少发生一个，在表示输入事件至少发生一个，在满足条件满足条件 的情况下，输出事件发生。的情况下，输出事件发生。结构函结构函数表示数表示法法氧气瓶超压爆炸在阳光下暴晒接近热源与火源接触瓶内压力超过钢瓶耐受力第13页，此课件共40页哦三、转移符号三、转移符号意义意义：表示部分树的转入和转出。：表示部分树的转入和转出。用途：当事故树规模很大，一张图纸不能绘出树用途：当事故树规模很大，一张图纸不能绘出树的全部内容，需要在其它图纸上继续完成时；的全部内容，需要在其它图纸上继续完成时；1、转入符号：部分树由此转入。、转入符号：部分树由此转入。三角形内标出从何处转入，转出转入三角形内标出从何处转入，转出转入 符号内的数字一一对应。符号内的数字一一对应。2、转出符号：部分树由此转出、转出符号：部分树由此转出表示这个部分树由此转出，并在表示这个部分树由此转出，并在 三角形内标出对应的数字，以表示向三角形内标出对应的数字，以表示向 何处转移。何处转移。第14页，此课件共40页哦四、失效树的定性分析四、失效树的定性分析建树的准备阶段建树的准备阶段（1）建树收集资料：）建树收集资料：对系统全面深入了解，收集广泛资料，设计、制造、对系统全面深入了解，收集广泛资料，设计、制造、安装调试、维修保养以及其它数据资料、文件及技术安装调试、维修保养以及其它数据资料、文件及技术规范。规范。分析系统同时，还需考虑人、环境的影响；分析系统同时，还需考虑人、环境的影响；（2）失效分析时，对系统及单元的）失效分析时，对系统及单元的功能功能和和失效失效，应给予明确应给予明确定义定义第15页，此课件共40页哦建立失效树建立失效树（1）顶事件的确定：只要可以）顶事件的确定：只要可以分解且有明确定义分解且有明确定义的。的。不是唯一不是唯一的。的。往往把系统往往把系统最不希望发生的故障最不希望发生的故障作为系统失效分析的作为系统失效分析的顶事件顶事件；（2）失效树建立：顶事件确定后，作为分析的起始端，找出导致）失效树建立：顶事件确定后，作为分析的起始端，找出导致顶上事件所有可能的顶上事件所有可能的直接原因直接原因，作为第一级中间事件。将这些事，作为第一级中间事件。将这些事件用事件符号和适合它们的逻辑门符号联接。依此类推，逐级向件用事件符号和适合它们的逻辑门符号联接。依此类推，逐级向下发展，直至找出下发展，直至找出底事件底事件。这样完成了失效树的建立。这样完成了失效树的建立。（3）建立失效树注意）建立失效树注意选择建树流程，通常以选择建树流程，通常以系统功能系统功能为主线来分析。复杂系统流程可能不唯一，为主线来分析。复杂系统流程可能不唯一，要灵活掌握；要灵活掌握；合理选择和确定系统和单元底边界条件：在建树前对系统和单元的某些变动合理选择和确定系统和单元底边界条件：在建树前对系统和单元的某些变动参数作出合理假设，即为参数作出合理假设，即为边界条件边界条件（即建树范围、重点）（即建树范围、重点）第16页，此课件共40页哦事件描述要具体，尽量做到事件描述要具体，尽量做到唯一唯一解释；解释；逻辑关系明确逻辑关系明确，不允许出现逻辑混乱和矛，不允许出现逻辑混乱和矛盾；盾；尽量尽量简化简化，便于定性和定量解释。，便于定性和定量解释。第17页，此课件共40页哦失效树定性分析（1）布尔代数规则）布尔代数规则1）交换律）交换律2）结合律）结合律3）分配律）分配律4）吸收律）吸收律5）互补律）互补律6）幂等律）幂等律7）摩根定律）摩根定律8）对合律）对合律9）重叠律）重叠律 第18页，此课件共40页哦失效树定性分析失效树定性分析任务：寻找导致顶上事件发生的所有可能的失效模式失任务：寻找导致顶上事件发生的所有可能的失效模式失效谱（或使系统成功的成功谱）效谱（或使系统成功的成功谱）即找出失效树的全部即找出失效树的全部最小割集最小割集或全部或全部最小径集最小径集（路（路集）集）（1）割集和径集）割集和径集 割集：割集：导致顶上事件发生的若干底事件的集合，当这导致顶上事件发生的若干底事件的集合，当这些事件同时发生时顶上事件必然发生，则称这一集合为些事件同时发生时顶上事件必然发生，则称这一集合为割集割集第19页，此课件共40页哦锅炉爆炸常压爆炸超压爆炸烧干锅炉突然加水爆炸注水阀打开温度监控探头失效失效结构函数结构函数第20页，此课件共40页哦最小割集最小割集：导致顶上事件发生不可再少的底事件的：导致顶上事件发生不可再少的底事件的集合；集合；两个意义：最小数量事件的割集两个意义：最小数量事件的割集;全部最小割集的完整集合全部最小割集的完整集合代表了顶事件发生的所有可能性，即系统的全部故障。代表了顶事件发生的所有可能性，即系统的全部故障。割集和最小割集的区别：割集和最小割集的区别：割集代表系统发生失效的一种可能性，即一种模式割集代表系统发生失效的一种可能性，即一种模式最小割集代表导致顶上事件所有可能性。最小割集代表导致顶上事件所有可能性。径集：径集：也是底事件集合，当这些底事件同时不发生时，顶也是底事件集合，当这些底事件同时不发生时，顶事件必然不发生（成功树集合）。事件必然不发生（成功树集合）。最小径集最小径集：径集中任一底事件发生，顶事件一定会发生时，径集中任一底事件发生，顶事件一定会发生时，这样的径集称最小径集。代表系统的一种正常模式这样的径集称最小径集。代表系统的一种正常模式第21页，此课件共40页哦（2）布尔代数）布尔代数目的目的：化简基本事件，找出造成顶上事件的基本事件。第22页，此课件共40页哦五、求最小割集方法五、求最小割集方法（1）下行法（）下行法（Fussell-Vesely算法）算法）从顶上事件开始直至到基本事件，利用布尔代从顶上事件开始直至到基本事件，利用布尔代数化简。数化简。原理：与门仅增加割集的容量，或门增加原理：与门仅增加割集的容量，或门增加割集的个数。割集的个数。手工工作量大手工工作量大适宜在计算机上实现适宜在计算机上实现第23页，此课件共40页哦结构函数结构函数第24页，此课件共40页哦（2）上行法（）上行法（Semanderes算法算法)由底事件从下而上进行，每做一步都利用由底事件从下而上进行，每做一步都利用集合运算法则进行简化，算到作后即为最小集合运算法则进行简化，算到作后即为最小割集。割集。结构函数结构函数第25页，此课件共40页哦六、系统可靠性的失效树分析六、系统可靠性的失效树分析（1）串）串联系统联系统系统失效系统失效（故障、（故障、顶上事件）顶上事件）结构函数结构函数第26页，此课件共40页哦（2）并联系统）并联系统LL第27页，此课件共40页哦总结总结可靠性框图与失效树关系：可靠性框图与失效树关系：可靠性框图：表明系统与单元间的功能关可靠性框图：表明系统与单元间的功能关系，其终端事件为系统的成功状态，各个系，其终端事件为系统的成功状态，各个基本事件是成功事件，因此系统可靠性框基本事件是成功事件，因此系统可靠性框图相当于系统的图相当于系统的“成功树成功树”它也是一种用它也是一种用与门和或门来反映事件之间逻辑关系的方与门和或门来反映事件之间逻辑关系的方法。法。对于串联系统，均为或门的逻辑关系；对于串联系统，均为或门的逻辑关系；对于并联系统，则均为与门的逻辑关系。对于并联系统，则均为与门的逻辑关系。第28页，此课件共40页哦系统不可靠度系统不可靠度系统可靠度系统可靠度串联系统可靠性串联系统可靠性串联系统失效树串联系统失效树系统失效概率系统失效概率第29页，此课件共40页哦并联系统可靠性并联系统可靠性系统可靠度系统可靠度系统不可靠度系统不可靠度AB并联系统失效树并联系统失效树第30页，此课件共40页哦3、并串联系统、并串联系统LLLLLLLL第31页，此课件共40页哦七、失效树定量分析顶上事件概率顶上事件概率假设全部底事件独立，底事件发概率已知，由下往上按故障树底逻辑结构逐级运算，即可求出顶上事件发生的概率1、与门结构发生的概率2、或门结构发生的概率第32页，此课件共40页哦第33页，此课件共40页哦系统可靠度系统可靠度底事件的概率重要度底事件的概率重要度例如：对q1第34页，此课件共40页哦LLLLLLLLLLABCDELLF4、串并联系统、串并联系统(练习练习1）画出失效树，失效树的最小割集表达式，写出顶上发生事件的画出失效树，失效树的最小割集表达式，写出顶上发生事件的结构函数结构函数第35页，此课件共40页哦（1）电机不转动的故障树）电机不转动的故障树（2）电机停不下来的故障树）电机停不下来的故障树电池电池电机电机(练习练习2）电动机启动电路如图，已知联线无故障）电动机启动电路如图，已知联线无故障初始条件是开关初始条件是开关K1,K2,闭合，电机转动，试画出闭合，电机转动，试画出失效树：失效树：第36页，此课件共40页哦作业作业已知系统可靠性框图如图所示，它们预计可靠度为已知系统可靠性框图如图所示，它们预计可靠度为求（求（1）试预测系统的可靠度）试预测系统的可靠度;（2）相应的失效树）相应的失效树;(3)失效树的最小割集失效树的最小割集（4）每个底事件的概率重要度；）每个底事件的概率重要度；（5）如果要求系统可靠度达）如果要求系统可靠度达0.9，如何进行分配，如何进行分配?第37页，此课件共40页哦八、故障树的优缺点八、故障树的优缺点（1）优点）优点1）全面了解系统、专门研讨某些系统特殊的故障问题；）全面了解系统、专门研讨某些系统特殊的故障问题；2）外部环境影响因素及人为失误等故障事件都可以考虑）外部环境影响因素及人为失误等故障事件都可以考虑在树中；在树中；3）演绎中寻找故障原因所在；）演绎中寻找故障原因所在；4）给设计、使用和维修人员提供一种修改设计和诊断故障的）给设计、使用和维修人员提供一种修改设计和诊断故障的的有效工具；的有效工具；5）对系统进行定性或定量评价，且有选择目标（可靠度、）对系统进行定性或定量评价，且有选择目标（可靠度、重要度）和方法（定性、定量）的自由。重要度）和方法（定性、定量）的自由。第38页，此课件共40页哦八、故障树的优缺点八、故障树的优缺点2）缺点）缺点工作量大，不经济和浪费时间的分析方法；工作量大，不经济和浪费时间的分析方法；容易疏忽或遗漏某些有些有用信息，某些数据不容易疏忽或遗漏某些有些有用信息，某些数据不能充分应用；能充分应用；得到的结果不容易检查；得到的结果不容易检查；方法只考虑系统和元件的成功与故障两种状态，方法只考虑系统和元件的成功与故障两种状态，对于多态事件较难处理；对于多态事件较难处理；第39页，此课件共40页哦九、故障树与可靠性框图的九、故障树与可靠性框图的结果比较结果比较1、可靠性框图与故障树关系、可靠性框图与故障树关系最基本区别：可靠性框图是成功的集合，故障树最基本区别：可靠性框图是成功的集合，故障树是系统故障的集合；是系统故障的集合；故障树对应固定概率可靠性框图成功（可靠度）故障树对应固定概率可靠性框图成功（可靠度）可以包括时间变化成功树可以用与门和或门可以包括时间变化成功树可以用与门和或门来反映事件之间逻辑关系的方法；来反映事件之间逻辑关系的方法；故障树容易转化可靠性框图故障树容易转化可靠性框图可靠性框图较难转为故障树可靠性框图较难转为故障树第40页，此课件共40页哦