第八节　系统可靠性分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八节系统可靠性分析,可靠性技术原本是为了分析由于机械零部件的故障，或人的差错而使设备或系统丧失原有功能或功能下降的原因而产生的学科。,可靠性分析在安全系统工程中占有很重要的位置。,对于一个系统（或人、设备等）而言，在进行系统分析及评价时，往往要对其进行量化计算，为此引人有关可靠性的内容。,1,一、基本概念,1.可靠性、可靠度:R(t),可靠性是指系统、设备或元件等在规定的时间内和规定的条件下，完成其特定功能的能力；,可靠度是指系统、设备或元件等在预期的使用周期（规定的时间）内和规定的条件下，完成其特定功能的概率；一般记为R。,不可靠度是指研究对象在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能的概率，又叫失效概率。通常记为,F,。,可靠度和不可靠度是一完备事件组，所以有：,R+F=1 或,R=1-F,2,一、基本概念,2.维修度:M(),是指系统发生故障后在维修容许时间内完成维修的概率,3.有效度:A(t,),是指对于可修复系统在规定的使用条件和时间内能够保持正常使用状态的概率。,由公式可知：要提高有效度的途径：提高系统的可靠度；提高系统的维修度。也就是说在系统设计阶段，要提高系统的可靠度，在系统正常运行阶段，加强维修、检查，提高维修度。,3,二、可靠度、维修度、有效度的常用度量指标,1.平均无故障时间（MTTF）,是指系统由开始工作到发生故障前连续正常工作的平均时间,度量不可修复系统的可靠度，也就是其寿命,；,2.平均故障间隔时间（MTBF）,是指可修复系统发生了故障后经修理后仍能正常工作，其在两次相邻故障间的平均工作时间；,3.平均故障修复时间（MTTR）,是指可修复系统出现故障到恢复正常工作平均所需的时间。,4,三、可靠度函数与故障率,在一定的使用条件下，可靠度是时间的函数；设可靠度为R(t)，不可靠度为F(t)，则：R(t)+F(t)=1,故障概率密度函数：f(t)=dF(t)/dt,故障率,为故障率（也叫失效率），一般为时间的函数。,5,三、可靠度函数与故障率,系统的平均寿命：,也就是说，系统的平均寿命为其故障率的倒数。,量纲为时间的函数，即h,-1,d,-1,等,6,元件在寿命周期内要经过早期失效期、随机失效期和损耗失效期3个阶段。其故障率随时间的变化如图所示的澡盆曲线。,早期失效期,随机失效期,损耗失效期,调整期,退役期,三、可靠度函数与故障率,7,早期失效期,随机失效期,损耗失效期,调整期,退役期,早期失效期是在生产过程中，由于使用了不合格的原材料或元件间处在磨合阶段等原因引起的，表现为一些新产品或元件在早期有较高的失效率。但经过一段时间的运行、调试并经过维修，使故障率下降，并进入到一个比较稳定的失效期，即随机失效期。,8,早期失效期,随机失效期,损耗失效期,调整期,退役期,随机失效期也叫偶然失效期，它的故障率是设备在长期的运行过程中，一些特定的元件所积累的压力超过本身固有缺陷的强度而引起的报废。随机失效期的特点是故障率低而且稳定，近似为一常数，其失效是随机的。,9,早期失效期,随机失效期,损耗失效期,调整期,退役期,损耗失效期是指设备经过长期的运行大部分元件均已发生严重磨损或老化而趋于报废，进而导致系统的故障率逐步增大的时期，系统进入损耗失效期就意味着系统使用寿命将近终结。,10,四、系统可靠度计算,系统的可靠度一方面取决于各子系统本身的可靠度，同时还取决于各子系统间的作用关系。,1. 串联系统,是指系统中任何一个子系统发生故障，都会导致整个系统发生故障的系统。,如果所有子系统的故障率都是常数，则：,11,四、系统可靠度计算,则系统的平均寿命：,公式说明串联级数的增加会降低系统的寿命。,提高串联系统可靠度的途径,1）提高各子系统的可靠度；,2）减少串联级数；,3）缩短任务时间。,12,为了提高系统的可靠性，通常需要使系统的部分子系统乃至全部子系统有一定数量贮备，利用贮备提高系统可靠性最常用的办法就是采用并联结构的系统。,2. 并联系统,1）热贮备系统（冗余系统）,是指贮备的单元也参与工作，即参与工作的数量大于实际所必须的数量，这种系统又称冗余系统。,冗余技术一般是采用降额等其他方法不能满意地解决系统安全问题，或当改进产品所需的费用比采用冗余单元更多时采用的方法。,采用冗余设计是以增加费用为代价来提高系统的安全性和可靠性的。,13,设系统各个单元的可靠性是相互独立的，各单元的不可靠度分别为F1、F2、F3、Fn，根据概率乘法定理可得系统不可靠度:,1,2,3,n,B,A,系统可靠度：,热贮备系统,14,冗余系统设计时需注意的问题,冗余度的选择；,冗余级别的选择,15,2）冷贮备系统,是指贮备的单元不参加工作，并且假定在贮备中不会出现失效，贮备时间的长短不影响以后使用的寿命。,若所有部件的故障率均相等且为则系统的可靠度为:,1,2,3,N+1,B,A,系统的平均寿命,:,冷贮备系统,冷储备系统的平均寿命是各单元平均寿命的总和。,16,3.复杂系统,有一汽车的制动系统可靠性联接关系如图；组成系统各单元的可靠度分别为R(A1)=0.995；R(A2)=0.975；R(A3)=0.972；R(B1)=0.990；R(B2)=0.980；R(C1)=R(C2)=R(D1)=R(D2)=0.980；求系统的可靠度。,D,2,C,2,D,1,C,1,A,1,B,1,A,3,A,2,B,2,A:液压系统,D:液压系统,C:液压系统,B:手闸系统,手控杆,机械联动装置,脚踏装置,主控缸,液压管路,左前轮,左后轮,右前轮,右后轮,汽车制动系统可靠性联结框图,17,五、人的工作可靠度预测,1.人在工作中的差错很多，归纳起来不外乎以下五类：,未履行职能；,错误地履行职能；,执行未赋予的分外职能；,按错误程序执行职能；,执行职能时间不对。,2.人的差错概率,人的工作可靠度与人的工作差错概率是互逆的，所以人的工作可靠度可用人的工作差错概率来计算：,18,e、E获得途径：,收集紧急状态时的全部运转记录；,收集全部正常业务、保养、校正、定期检验、启动停止时人的差错记录；引起差错的具体条件；,收集模拟的正常业务非正常业务方面的人的差错的潜在来源；,专家的经验判断。,3.计算人的工作可靠度的差错概率法概率树图,程序：,明确系统故障的判定标准；,进行作业分析，评价基本动作间的相互关系；,估计人的差错概率；,求系统故障率，评价人的差错对系统故障的影响；,重复以上步骤改进人机系统的特征值，直到达到可允许的范围。,19,1961,年斯温,(,Swda,),和 罗克,(Rock),提出的 “人的失误率预测方法”,(T-HERP),这种方法的分析步骤如下,:,(1),调查被分析者的作业程序。,(2),把整个程序分解成单个作业。,(3),再把每一单个作业分解成单个动作。,(4),根据经验和实验,适当选择每个动作的可靠度,(,常见的人的行为可靠度见表,),(5),用单个动作的可靠度之积表示每个操作步骤的可靠度。如果各个动作中存在非独立事件,则用条件概率计算。,(6),用各操作步骤可靠度之积表示整个程序的可靠度。,(7),用可靠度之补数,(1,减可靠度,),表示每个程序的不可靠度,这就是该程序人的失误概率。,人的失误率预测方法,20,人的失误率预测方法,人 的 行 为 可 靠 度举 例,21,人的失误率预测方法,人在人机系统中的功能主要是接受信息(输入)、处理信息(判断)和操纵控制机器将信息输出。因此, 就某一动作而言, 作业者的基本可靠度为:R = R1 R2 R3R1-与输入有关的可靠度; R2-与判断有关的可靠度;R3-与输出有关的可靠度。,22,人的失误率预测方法,类别,影响因素,R,1,R,2,R,3,简单,变量不超过几个,人机工程上考虑全面,0.99950.9999,0.9990,0.9995 0.9999,一般,变量不超过10个,0.9990 0.9995,0.9950,0.9990 0.9995,复杂,变量超过10个,人机工程上考虑不全面,0.9900 0.9990,0.9900,0.9900 0.9990,R1 、R2、R3 的参考值,23,人的失误率预测方法,由于受作业条件、作业者自身因素及作业环境的影响, 基本可靠度还会降低。例如, 有研究表明,人的舒适温度一般是19,22 , 当人在作业时,环境温度超过27 时, 人体失误概率大约会上升40% 。因此, 还需要用修正系数 K 加以修正 , 从而得到作业者单个动作的失误概率为:q = k (1-R)式中：k - 修正系数,k = abcde;a - 作业时间系数;b - 操作频率系数;c - 危险状况系数;d - 心理、生理条件系数;e - 环境条件系数。,24,人的失误率预测方法,a 、 b 、 c 、 d 、 e 的取值见表,符号,项目,内容,取值范围,a,作业时间,有充足的富余时间,没有充足的富余时间,完,全没有富余时间,1.0, 1.0,3.0, 3.0,10.O,b,操作频率,频率适当,连续操作,很少操作,1.0, 1.O,3.0, 3.0,10.0,c,危险状况,即使误操作也安全,误操作时危险性大,误操,作时产生重大灾害的危险,1.0, 1.0,3.0, 3.0,10.O,d,心理、生理条件,教育、训练、健康状况、疲劳、愿望等综合条,件较好,综合条件不好,综合条件很差,1.O, 1.0,3.0, 3.0,10.O,e,环境条件,综合条件较好,综合条件不好,综合条件很差,1.0, 1.0,3.0, 3.0,10.O,25,考研真题（武汉科技大学,2009,）：,26,考研真题（中国石油大学）：,有一辆汽车共有6只轮胎，串并联关系如下图所示。已知每一轮胎的可靠度为0.99，求该汽车轮胎系统的可靠度。若系统失效后的损失为5万元，试计算该系统的风险率。,27,考研真题（青岛科技大学,2008,）：,某操作工读错仪表的概率为0.008，判断失误的概率为0.005，误操作的概率为0.004，求该操作工整个动作的事故概率为多少？（已知修正系数K为8）（5分） 。,28,