系统安全分析方法事故树分析段振伟.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,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,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,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,*,*,*,事故树分析,1,第1页,事故树分析,2,第2页,一、事故树发展,事故树分析,(Fault Tree Analysis,简称,FTA),是安全系统工程中惯用一个分析方法。,#,1961,年,美国贝尔电话研究所维森,(H.A.Watson),首创了,FTA,并应用于研究民兵式导弹发射控制系统安全性评价中,用它来预测导弹发射随机故障概率。,接着,美国波音飞机企业哈斯尔,(Hassle),等人对这个方法又作了重大改进,并采取电子计算机进行辅助分析和计算。,1974,年,美国原子能委员会应用,FTA,对商用核电站进行了风险评价,发表了拉斯姆逊汇报,(Rasmussen Report),该汇报对事故树分析作了大规模有效应用，,引发世界各国关注。,#,事故树分析,至今,仍处于发展和完善中。当前,事故树分析在自动编制、多状态系统,FTA,、相依事件,FTA,、,FTA,组合爆炸、数据库建立及,FTA,技术实际应用等方面尚待深入分析研究,以求新发展和突破。,#,第一节 事故树分析方法概述,3,第3页,二、,FTA,基本概念与原理,事故树分析,(FTA),是一个演绎推理法,，即从结果分析原因分析方法。,这种方法,是从一个可能事故开始一层一层逐步寻找引发事故触发事件、直接原因与间接原因。并分析这些,事故原因之间,相互,逻辑关系,，,用一个称为事故树树形图表示,这些原因以及它们逻辑关系。最终,经过对事故树定性与定量分析,找出事故发生主要原因,，,为确定安全对策提供可靠依据,，,以到达预测与预防事故发生目标。,事故树分析,4,第4页,三、FTA特点,(1)事故树分析是一种图形演绎方法,在清晰事故树图形下,表达系统内各事件间内在联系,并指出单元故障与系统事故之间逻辑关系,便于找出系统薄弱步骤。,(2)FTA具有很大灵活性,不仅可以分析某些单元故障对系统影响,还可以对导致系统事故特殊原因如人为因素、环境影响进行分析。,(3)进行FTA过程,是一个对系统更深入认识过程,它要求分析人员把握系统内各要素间内在联系,弄清各种潜在因素对事故发生影响途径和程度,因而许多问题在分析过程中就被发现和解决了,从而提高了系统安全性,(4)利用事故树模型可以定量计算复杂系统发生事故概率,为改善和评价系统安全性提供了定量依据。,事故树分析,5,第5页,四、,FTA,不足之处,事故树分析还存在许多不足之处,主要是,:,1,、,FTA,需要花费大量人力、物力和时间,；,2,、,FTA,难度较大,建树过程复杂,需要经验丰富技术人员参加,即使这么,也难免发生遗漏和错误,；,#,3,、,FTA,只考虑,(0,1),状态事件,而大部分系统存在局部正常、局部故障状态,因而建立数学模型时,会产生较大误差,；,4,、,FTA,即使能够考虑人原因,但人失误极难量化。,事故树分析,6,第6页,事故树分析,一、事故树分析程序,熟悉系统,确定顶上事件,建造事故树,修改简化事故树,制订安全办法,调查事故,调查原因事件,搜集系统资料,定性分析,定量分析,7,第7页,事故树分析,一、事故树分析程序,说明,准备阶段,(1),确定所要分析系统。在分析过程中,合理地处理好所要分析系统与外界环境及其边界条件,确定所要分析系统范围,明确影响系统安全主要原因。,(2),熟悉系统。这是事故树分析基础和依据。对于已经确定系统进行深入调查研究,搜集系统相关资料与数据,包含系统结构、性能、工艺流程、运行条件、事故类型、维修情况、环境原因等。,(3),调查系统发生事故。搜集、调查所分析系统曾经发生过事故和未来有可能发生事故,同时还要搜集、调查本单位与外单位、国内与国外同类系统曾发生全部事故。,8,第8页,事故树分析,一、事故树分析程序,说明,事故树编制,(1),确定事故树顶事件。确定顶事件是指确定所要分析对象事件。依据事故调查汇报分析其损失大小和事故频率,选择易于发生且后果严重事故作为事故顶事件。,(2),调查与顶事件相关全部原因事件。从人、机、环境和信息等方面调查与事故树顶事件相关全部事故原因,确定事故原因并进行影响分析。,(3),编制事故树。采取一些要求符号,按照一定逻辑关系,把事故树顶事件与引发顶事件原因事件,绘制成反应因果关系树形图。,9,第9页,事故树分析,一、事故树分析程序,说明,事故树定性分析,事故树定性分析主要是按事故树结构,求取事故树最小割集或最小径集,以及基本事件结构主要度,依据定性分析结果,确定预防事故安全保障办法。,事故树定量分析,事故树定量分析主要是依据引发事故发生各基本事件发生概率,计算事故树顶事件发生概率,；,计算各基本事件概率主要度和关键主要度。依据定量分析结果以及事故发生以后可能造成危害,对系统进行风险分析,以确定安全投资方向。,事故树分析结果总结与应用,必须及时对事故树分析结果进行评价、总结,提出改进提议,整理、储存事故树定性和定量分析全部资料与数据,并重视综合利用各种安全分析资料,为系统安全性评价与安全性设计提供依据。,10,第10页,事故树分析,二、事故树基本符号,事故树是由各种符号和其连接逻辑门组成。最简单、最基本符号有：,事件符号,逻辑门符号,转移符号,下面分别进行介绍。,11,第11页,事故树分析,事件符号,(1),矩形符号。用它表示顶上事件或中间事件。将事件扼要记入矩形框内。必须注意，顶上事件一定要清楚明了，不要太笼统。比如“交通事故”，“爆炸着火事故”，对此人们无法下手分析，而应该选择详细事故。如“机动车追尾”、“机动车与自行车相撞”，“建筑工人从脚手架上坠落死亡”、“道口火车与汽车相撞”等详细事故。,(2),圆形符号。它表示基本,(,原因,),事件，能够是人差错，也能够是设备、机械故障、环境原因等。它表示最基本事件，不能再继续往下分析了。比如，影响司机了望条件“曲线地段”、“照明不好”，司机本身问题影响行车安全“酒后开车”、“疲劳驾驶”等原因，将事故原因扼要记入圆形符号内。,12,第12页,事故树分析,(3),屋形符号。它表示正常事件，是系统在正常状态下发生正常事件。如：“机车或车辆经过道岔”、“因走动取下安全带”等，将事件扼要记入屋形符号内。,(4),菱形符号。它表示省略事件，即表示事前不能分析，或者没有再分析下去必要事件。比如，“司机间断了望”、“天气不好”、“臆测行车”、“操作不妥”等，将事件扼要记入菱形符号内。,13,第13页,事故树分析,顶事件。,中间事件。,结果事件,底事件,(1),基本,原因事件。,(2),省略事件。,特殊事件,(1),开关事件。,(2),条件事件。,结果事件是由其它事件或事件组合所造成事件、它总是位于某个逻辑门输出端。,底事件是造成其它事件原因事件，位于事故树底部，它总是某个逻辑门输入事件而不是输出事件。,底事件是造成其它事件原因事件，位于事故树底部，它总是某个逻辑门输入事件而不是输出事件。,14,第14页,事故树分析,三,.,逻辑门符号,即连接各个事件，并表示逻辑关系符号。其中主要有：与门、或门、条件与门、条件或门、以及限制门。,(1),与门符号,。与门连接表示输入事件,B1,、,B2,同时发生情况下，输出事件,A,才会发生连接关系。二者缺一不可，表现为逻辑积关系，即,A=B1B2,。在有若干输入事件时，也是如此，如图所表示。,15,第15页,逻辑门符号举例,灯亮,灯不亮,16,第16页,4,。逻辑门符号举例,油库爆炸,火源,油气聚集,到达爆炸极限,1.4%7.6%,空气,(,氧气,),17,第17页,事故树分析,(2),或门符号。,表示输入事件,B1,或,B2,中，任何一个事件发生都能够使事件,A,发生，表现为逻辑或关系即,A=B1B2,。在有若干输入事件时，情况也是如此。如图,4-14(a),所表示。,或门用相正确逻辑电路来说明更加好了解。见图,4-14(b),。,当,B1,、,B2,断开,(B1=0,，,B2=0),时，电灯才不会亮,(,没有信号,),，用布尔代数表示为,X=B1+B2=0,。,当,B1,、,B2,中有一个接通或两个都接通,(,即,B1=1,，,B2=0,或,B1=0,，,B2=1,或,B1=1,，,B2=1),时，电灯亮,(,出现信号,),，用布尔代数表示为,X=B1+B2=1,。,18,第18页,事故树分析,19,第19页,逻辑门符号举例,灯亮,灯不亮,20,第20页,4,。逻辑门符号举例,氧气瓶超压爆炸,与火源靠近,靠近热源,在阳光下曝晒,应力超出钢瓶强度极限,21,第21页,与门能够连接数个输入事件,E,1,、,E,2,En,和一个输出事件,E,表示仅当全部输入事件都发生时,输出事件,E,才发生逻辑关系。,与门,或门,非门,非门表示输出事件是输入事件对立事件。,或门能够连接数个输入事件,E,1,E,2,En,和一个输出事件,E,表示最少一个输入事件发生时,输出事件,E,就发生。,22,第22页,事故树分析,(3),条件与门符号,。表示只有当,B1,、,B2,同时发生，且满足条件,情况下，,A,才会发生，相当于三个输入事件与门。即,A=B1B2,，将条件,记入六边形内，如图,4-15,所表示。,23,第23页,事故树分析,(4),条件或门符号,。表示,B1,或,B2,任何一个事件发生，且满足条件,，输出事件,A,才会发生，将条件,记入六边形内，如图,4-16,所表示。,24,第24页,事故树分析,(5),限制门符号,。它是逻辑上一个修正符号，即输入事件发生且满足条件,时，才产生输出事件。相反，假如不满足，则不发生输出事件，条件,写在椭圆形符号内，如图,4-17,所表示。,25,第25页,事故树分析,条件与门,条件或门,表示输入事件不但同时发生,而且还必须满足条件,A,才会有输出事件发生,表示输入事件中最少有一个发生,在满足条件,A,情况下,输出事件才发生。,特殊门,26,第26页,事故树分析,表决门,异或门,限制门符号,表示仅当单个输入事件发生时,输出事件才发生,表示仅当输入事件有,m(mn),个或,m,个以上事件同时发生时,输出事件才发生。,表示仅当条件事件发生时,输入事件发生方造成输出事件发生。,27,第27页,事故树分析,3,、转移门,转入,转出,转移符号作用是表示部分事故树图转人和转出。当事故树规模很大或整个事故树中多处包含有相同部分树图时,为了简化整个树图,便可用转,入,28,第28页,上海外滩海关大钟，这座高达,79,米大钟楼，为亚洲第一，世界第三，仅次于英国伦敦钟楼和俄罗斯莫斯科钟楼。,29,第29页,上海外滩海关大钟，这座高达,79,米大钟楼，为亚洲第一，世界第三，仅次于英国伦敦钟楼和俄罗斯莫斯科钟楼。,四面搭起了维修施工脚手架，即将全方面大修。,30,第30页,第二节 事故树编制,编制举例,从脚手架坠落死亡事故树,31,第31页,第二节 事故树编制,事故树编制是,FTA,最基本、最关键步骤。,编制工作普通应由系统设计入员、操作人员和可靠性分析入员组成编制小组来完成经过重复研究，不停深入，才能趋于完善。经过编制过程能使小组人员深入了解系统，发觉系统中微弱步骤，这是编制事故树首要目标：事故树编制是否完善直接影响到定性分析与定量分析结果是否正确关系到利用,FTA,成败，所以及时进行编制实践中有效经验总结是非常主要。,编制方法普通分为两类，一类是人工编制，另一类是计算机辅助编制。,32,第32页,第二节 事故树编制,一、人工编制事故树,人工编制事故树惯用方法为演绎法，它是经过人思索去分析顶事件是怎样发生。,演绎法编制时首先确定系统顶事件，找出直接造成顶事件发生各种可能原因或原因组合即中间事件。在顶事件与其紧连中间事件之间，依据其逻辑关系对应地画上逻辑门。然后再对每个中间事件进行类似分析，找出其直接原因，逐层向下演绎，直到不能分析基本事件为止。这么就可得到用基本事件符号表示事故树。,正确性检验：事故树编出后，要进行全方面检验。,其正确是否判别标准是：,上一层事件是下一层事件必定结果；,下一层事件是上一层事件充分条件。,33,第33页,第二节 事故树编制,二、计算机辅助编制,因为系统复杂性使系统所含部件愈来愈多，使人工编制事故树费时费劲问题日益突出，必须采取对应程序，由计算机辅助进行。,#,计算机辅助编制是借助计算机程序在已经有系统部件模式分析基础上，对系统事故过程进行编辑，从而到达在一定范围内快速准确地自动编制事故树目标。,当前计算机编制应用还有一定因难，主要是当前还汉有规范化、系统化算法。,34,第34页,第三节 事故树定性分析,一、结构函数,1.,定义,（基本事件状态变量）,=,（事故树顶事件状态变量）,因为 完全取决于 ，所以 是 函数，即：,其中，称 为事故树结构函数。,1,基本事件,X,i,发生,0,基本事件,X,i,不发生 （,i,=1,，,2,，,，,n,）,1,顶事件发生,0,顶事件不发生 （,i,=1,，,2,，,，,n,）,/10/2,35,第35页,二、最小割集,1.,割集和最小割集,在事故树中，我们把引发顶事件发生基本事件集合称为割集，也称截集或截止集。,在这些割集中，凡不包含其它割集，叫做最小割集。,最小割集是引发顶事件发生充分必要条件,。,2.,求最小割集方法,求最小割集方法有布尔代数法、行列法、矩阵法等。,1,）布尔代数法,用布尔代数法计算最小割集，分三个步骤进行。,第一，建立事故树布尔代数式。普通从事故树顶事件开,始，用下一层事件代替上一层事件，直至顶事件被全部基本事,件代替为止。,第二，将布尔表示式化为析取标准式。,第三，化析取标准式为最简析取标准式。,/10/2,36,第36页,A,B,用一条封闭曲线直观地表示集合及其关系图形称为文氏图（也称韦恩图）,.,AB A,B,A,B A+B,准备知识,:,/10/2,37,第37页,A,B,用一条封闭曲线直观地表示集合及其关系图形称为文氏图（也称韦恩图）,.,AB A,B,A,B A+B,准备知识,:,/10/2,38,第38页,例,3,3,用布尔代数法求,图,3,12,所表示事故树,最小割集。,解：,写出事故树布尔表示式：,化布尔表示式为析取标准式：,求最简析取标准式：,/10/2,39,第39页,即该事故树有三个最小割集：,依据最小割集定,义，原事故树能够化简,为一个新等效事故树，,如图,3,13,所表示。在以,后计算顶上事件发生概,率时，必须按化简后,布尔代数式表示式进行,计算。,/10/2,40,第40页,三、最小径集,1.,径集与最小径集,在事故树中，一些基本事件不发生，顶事件就不会发生，这些不发生基本事件集合称为径集，也称通集或路集。,在同一事故树中，不包含其它径集径集称为最小径集。,最小径集是确保顶事件不发生充分必要条件,。,2.,求最小径集方法,1,）,对偶树法,首先将事故树变换成其对偶成功树，,方法以下：,将原来事故树中逻辑或门改成逻辑与门，将逻辑与门改成逻辑或门，并将全部事件符号加上，变成事件补形式，这么便可得到与原来事故树对偶成功树。,求出成功树最小割集，就是所求事故树最小径集。,/10/2,41,第41页,例,3,6,用对偶树法求图,3,12,事故树,最小径集。,/10/2,42,第42页,例,3,6,用对偶树法求图,3,12,事故树,最小径集。,/10/2,43,第43页,2,）,布尔代数法,/10/2,44,第44页,总结规律,:,1.,性质,（,1,）当事故树中基本事件都发生时，顶事件必定发生；当全部基本事件都不发生时，顶事件必定不发生。,（,2,）当基本事件 以外其它基本事件固定为某一状态，基本事件 由不发生转变为发生时，顶事件可能维持不发生状态，也有可能由不发生状态转变为发生状态。,（,3,）由任意事故树描述系统状态，能够用全部基本事件作成“或”结合事故树表示系统最劣状态（顶事件最易发生），也能够用全部基本事件作成“与”结合事故树表示系统最正确状态（顶事件最难发生）。,（,4,）由 个二值状态变量 组成事故树，其结构函数 对全部状态变量 都能够展开为：,/10/2,45,第45页,式中，,表示,=1,；,表示,=0,。,/10/2,46,第46页,3.,事故树结构函数,含有 个基本事件事故树结构函数可展开为：,式中 第,i,个基本事件状态变量；,第,i,个基本事件状态值（,0,或,1,）；,n,个基本事件组成状态组合数；,基本事件状态组合序号 ；,第 个事件状态组合所对应顶事,件状态值（,0,或,1,）。,/10/2,47,第47页,任意事故树结构函数，处于由“与门”结合事故树结构函数和由“或门”结合事故树结构函数之间。,由“与门”结合事故树如图,3,10,所表示，其结构函数可表示为：,上式表明，由 个独立事件用“与门”结合事故树，只要 个基本事,T,X1,X2,Xn,T,X1,X2,Xn,图,3,10,与门连接事故树,图,3,11,或门连接事故树,+,/10/2,48,第48页,只要有一个不发生（状态值为,0,），则顶事件就不会发生（状,态值为,0,）。所以，函数 决定于基本事件 中最小状态,值。,由“或门”结合事故树如图,3,11,所表示，其结构函数表示式为：,式中,上式表明，由 个独立事件用“或门”结合事故树，只要 个基,本原因事件中有一个发生（状态值为,1,），顶上事件就会发生,（状态值为,1,）。所以，函数 决定于基本事件 中最大,状态值。,/10/2,49,第49页,第四节 事故树定量分析,事故树定量分析首先是确定基本事件发生概,率，然后求出事故树,顶事件发生概率,。,在进行事故树定量计算时，普通做以下几个假设,:,（,1,）基本事件之间相互独立；,（,2,）基本事件和顶事件都只考虑两种状态；,（,3,）假定故障分布为指数函数分布。,一、基本事件发生概率,基本事件发生概率包含系统单元（部件或元,件）故障概率及人失误概率等，工程上计算时，往,往用基本事件发生频率来代替其概率值。,/10/2,50,第50页,#,/10/2,51,第51页,/10/2,52,第52页,2.,人失误概率,人失误是另一个基本事件，系统运行中人失误,是造成事故发生一个主要原因。人失误通常是指作,业者实际完成功效与系统所要求功效之间偏差。,人失误概率通常是指作业者在一定条件下和要求时间,内完成某项要求功效时出现偏差或失误概率，它表示,人失误可能性大小,，所以，人失误概率也就是人,不可靠度。普通依据人不可靠度与人可靠度互补,规则，取得人失误概率。,影响人失误原因很复杂，很多教授、学者对此做,过专门研究，当前能被大多数人接收就是,1961,年斯温,（,Swain,）和罗克（,Rock,）提出“,人失误率预测方法,”,/10/2,53,第53页,这种方法,分析步骤以下,：,（,1,）调查被分析者作业程序。,（,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,）依据经验和试验，适当选择每个动作可靠,度（常见人可靠度见表,3-11,）。,（,5,）用单个动作可靠度之积表示每个操作步骤,可靠度。假如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可,靠度。,（,7,）用可靠度之补救（,1,减可靠度）表示每个程序,不可靠度，这就是该程序人失误概率。,/10/2,54,第54页,/10/2,55,第55页,人在人机系统中功效主要是接收信息（输入）、,处理信息（判断）和操纵控制机器将信息输出。所以，,就某一动作而言，作业者基本可靠度为：,/10/2,56,第56页,因为受作业条件、作业者本身原因及作业环境影响，基本可靠度还会降低。比如，有研究表明，人舒适温度普通是,18,22,，当人在作业时，环境温度超出,27,时，人体失误概率大约会上升,40,。所以，还需要用修正系数加以修正，从而得到作业者单个动作,失误率为：,/10/2,57,第57页,二、顶事件发生概率,事故树定量分析，是在已知基本事件发生概率前,提条件下，定量地计算出在一定时间内发生事故可能,性大小。,假定,:,(1),事故树中不含有重复或相同基本事件,(2),各基本事件又都是相互独立,/10/2,58,第58页,T,X1,X2,Xn,T,X1,X2,Xn,图,3,10,与门连接事故树,图,3,11,或门连接事故树,+,用“与门”连接顶事件发生概率为：,用“或门”连接顶事件发生概率为：,（,3-15,）,（,3-16,）,/10/2,59,第59页,事故树计算示例,:,如图,3-15,所表示事故树。已知各基本事件发生概,率 ，顶事件发生概率为：,/10/2,60,第60页,当事故树中含有重复出现基本事件时，或基本事件可能在几个最小割集中重复出现时，最小割集之间时相交。这时，采取以下几个方法计算。,1,状态枚举法,设某事故树有 个基本事件，这 个基本事件两种,状态组合数为 个。依据事故树模型结构分析可,知，所谓顶事件发生概率，是指结构函数 概,率。所以，顶事件发生概率可用下式定义：,/10/2,61,第61页,从式（,3-17,）可看出：在 个基本事件两种状态,全部组合中，只有当 时，该组合才对顶事件,发生概率产生影响。所以在用该式计算时，只需考虑,全部状态组合。首先列出基本事件状态值,表，依据事故树结构求得结构函数 值，最终,求出使 各基本事件对应状态概率积代,数和，即为顶事件发生概率。,该方法规律性强，适合用于计算机编制程序上机计算,，可用来计算较复杂系统事故发生概率。但当 值较大,时，计算中要包括 个状态组合,#,，并需求出对应顶事件,（,3-17,）,/10/2,62,第62页,状态，因而计算工作量很大，花费事件较长。,2.,最小割集法,事故树能够用其最小割集等效树来表示。这时，,顶事件等于最小割集并集。,设某事故树有 个最小割集：、,、,、,则有：,顶事件发生概率为：,依据容斥定理得并事件得概率公式：,/10/2,63,第63页,设各基本事件得发生概率为：、,、,，则有：,故顶事件发生概率为：,（,3-18,）,/10/2,64,第64页,3.,最小径集法,依据最小径集与最小割集对偶性，利用最小径集一样能够求出顶事件发生概率。,顶事件发生概率为：,（,3-19,）,/10/2,65,第65页,计算示例,:,以图,3-12,事故树为例，试用最小割集法、最小径集法计算顶事件发生概率。,解：该事故树有三个最小割集,/10/2,66,第66页,解：该事故树有三个最小割集：,事故树有四个最小径集：,设各基本事件发生概率为：,由式（,3-18,）得顶事件发生概率：,（,3-18,）,/10/2,67,第67页,最小径集法：,（,3-19,）,/10/2,68,第68页,分析,:,在上述三种顶事件发生概率准确算法中，后两种相对较简单。普通来说，事故树最小割集往往多于最小径集，所以,最小径集法实用价值更大些,。但在基本事件发生概率非常小情况下，因为计算机有效位有限，结果会出现,较大误差,，对此应引发注意。从后两种方法计算项数看，两式和差项分别为 与 项。当 足够大时，就会产生,“组合爆炸”问题,。如 ，则计算 式（,3-18,）共有,每一项又是许多数连乘积，即使计算机也难以胜任。,处理方法就是,化相交和为不交和,，再求顶事件发生概率准确解,#,/10/2,69,第69页,顶事件发生概率,近似求法,：,（,1,）最小割集迫近法,（,2,）最小径集迫近法,（,3,）平均近似法,（,4,）独立事件近似法,事故树其它计算：,（,1,）基本事件结构主要度,（,2,）基本事件概率主要度,（,3,）基本事件关键主要度,/10/2,70,第70页,安全学原理,课程课件,及,考试题库存,放于,邮箱,:,anquan.yuanli,密码,:anquan,/10/2,71,第71页,