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基于Markov模型与D-S证据理论的安全仪表系统可靠性

摘要:安全仪表系统(SafetyInstrumentSystem,SIS)的可靠性定量评估对其安全的提高有

很重要的意思,基于Markov模型的安全仪表可靠性计算已经被大多数学者和研究机构使用,

在Markov模型中都假设各个状态为一个固定的值,但在实际应用中每个状态均从“最佳”

状态变为“次佳”状态。本文基于此问题将D-S证据理论(Dempster-Shafertheoryofevidence)

引入Markov模型,充分的运用到D-S证据理论中的信度函数和似真度函数,更加确切的反

应各个状态的变化,并更准确的评估其安全可靠性。

1引言

安全仪表系统是用来避免事故的发生或降低事故给设备、环境和人员造成危害的一种专

用系统,主要应用于石化、核电、高铁等高新产业,在可靠性方面有较高的要求。安全仪表

系统做为各种系统安全运行的最后一道屏障,其安全性由于自身系统结构、软件、硬件、维

护及周围环境等原因无法完全保证,一旦其功能失效则会造成小到工厂设备停车,大到危害

生命安全的灾难发生,所以对安全仪表系统的可靠性研究显得极其的重要。

安全仪表系统的可靠性主要是对安全仪表系统进行安全等级SIL(SafetyIntegrityLevel)计

算,而SIL与危险失效和安全失效有关,因此只需计算平均要求时失效概率和平均危险失效

概率便可以评估SIS系统的可靠性。文献[1]、[2]用故障树计算安全仪表系统的可靠性,文献

[3]中用可靠性框图计算,文献[4][5]中用简化公式法来计算,这些计算方法比较容易操作,

但是存在多个性能指标需要多次建模、过多的条件假设、没法动态的反应系统各个状态间的

变化。文献【6】、【7】、【8】等提出了用Markov模型来计算安全仪表系统的可靠性,该方

法克服了上面几种方法存在的弊端,但是在计算时将Markov模型中系统各个状态值假设成

为一个固定值,这不符合实际应用中设备的状态,在应用中一个系统状态值大多趋近“浴缸

曲线”而不是一个固定值。

本文在此问题基础上将D-S证据理论引入Markov模型,用D-S证据理论中的信度函数

和似真度函数计算安全仪表系统平均要求时失效概率的区间值,这样计算更加接近实际应

用。

2影响安全完整性的各种因素

1.1失效模式

安全系统的失效模式分为2种:安全失效和危险失效。危险失效是指该失效会使安全系

统处于危险状态或失去安全功能执行能力。安全失效是指该失效不会造成安全相关系统处于

危险状态或失去安全功能执行能力,如造成安全系统误动作的失效。设某个设备的失效率为

λ,其安全失效率和危险失效率分别为λ和λ,则有λ=λ+λ。在安全的前提下,误动作率

SDSD

越低越好。IEC61508关注的重点是安全性(PFD)本文也主要计算安全仪表系统的PFD。

avgavg

1.2自诊断

安全设备往往具备自诊断功能。自诊断检测设备的运行状态,发现失效时报警,使设备能够

尽快得到维修。自诊断不可能完全地检测到设备失效。因此,失效被分为检测到的和未检测

到的。设总危险失效率为λ,检测到和未检测到的危险失效率分别为λ和λ。对安全失

DDDDU

效做相似假设,则有:

λ=λ+λ.

DDDDU

1.3表决逻辑

安全系统用表决逻辑来决定冗余部分的输出,提高可靠性。如MooN,表示N个冗余中只

要有M个或大于M个正常,那么整个冗余结构就能够正常完成其功能。

3相关技术介绍

3.1Markov模型

本节主要介绍Markov链的定义及Markov模型。



定义1.设X:n0是定义在概率空间,F,P上的随机序列。P表示概率测度是从集

n

合F到实数域R的

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