基于贝叶斯网络的安全仪表系统安全完整性等级验证研究

【摘要】随着现代工业生产的迅速发展,人们的物质生活所需品日益丰富,生活质量极大地提高。与此同时,由于工业生产设备的大量投入使用,对灾难性事故危害的潜在风险的控制也成为了不容忽视的问题,人们对危害其生命、财产和环境等各类风险也越来越难于容忍。为了提高工业生产的安全性,通常采用安全仪表系统(SafetyInstrumentedSystem,SIS)在出现安全事故之前发挥其安全功能,避免安全事故的发生,或者减少事故发生后造成的危害。安全仪表系统己越来越广泛地应用于现代流程工业中,是保障流程工业安全生产的关键设施。因而,安全仪表系统其自身的安全可靠性也自然成为保证其能否在事故发生时及时地发挥其安全功能的基础。但由于安全仪表系统的自身结构、软硬件、周围环境等原因,如何验证安全仪表系统的安全性是否满足预期要求是重中之重,逐渐成为国内外功能安全研究的重要课题。其中对安全仪表系统安全完整性等级验证方法的研究,正是为了使安全仪表系统准确及时地发挥其应有的安全功能,确保安全生产以及避免事故发生。因此,对于安全完整性等级的验证方法研究成为功能安全领域的研究热点。目前,对安全仪表系统安全完整性等级的验证方法主要有三种,即：故障树、可靠性框图及Markov模型。其中故障树模型既具有可靠性框图的特点——系统内部串并联关系清晰简单直观,同时又不像Markov模型对于大型复杂系统建模困难,并且可以定性分析与定量分析。但故障树是建立在对系统故障状态作出假设的基础上,即事件状态的二态性以及故障逻辑关系的确定性。由于安全仪表系统中很多事件具有多态性,故障树难以准确地描述具有多态性的事件。其次,使用故障树分析法在对大型系统进行建模计算时计算量是非常大的故障树中底事件和逻辑门数目可以用来表征故障树的规模,故障树分析中的计算量通常是会随着其规模的增大而指数增长。针对故障树分析法无法描述多态性的不足,本文提出了基于贝叶斯网络的安全仪表系统安全完整性等级验证方法,其基本思想是将系统的故障树模型依照对应关系转化成为贝叶斯网络,由故障树中的逻辑门得到贝叶斯网络节点的条件概率表,然后利用联合概率分布即可对整个系统的安全完整性等级进行计算,从而达到验证目的。这样的验证方法既克服了故障树分析方法无法解决多态性问题的缺点,又在对大型复杂的安全仪表系统进行验证计算时,减少了计算复杂度。文章分析了不同冗余结构(loo1、1oo2、1oo2D)的贝叶斯网络,并在此基础上,给出了三个冗余结构安全完整性等级的计算方法,表明了所提出的验证方法不仅适用于由元器件直接组成的硬件系统,还可以用于不同冗余结构的系统,计算在不同失效模式下的安全完整性等级。本文以循环氢加热炉的燃气压力安全仪表系统为例,运用本文所提出的基于贝叶斯网络的安全仪表系统安全完整性等级验证方法对其进行分析计算,由于引入贝叶斯网络,使得安全完整性等级的计算简便、准确,能够根据其验证结果对系统传感器部分与执行器部分进行冗余配置改进,从而提高其安全仪表系统整体的安全完整性等级。这一过程及结论表明该方法适用于安全仪表系统安全完整性等级的计算,并具有计算简便的特点。
【作者】奚悦；
【导师】刘枫；
【作者基本信息】西南大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】安全仪表系统；安全完整性等级；贝叶斯网络；故障树；功能安全；

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