基于差异化冗余设计的安全仪表系统定量可靠性评估方法研究

由于安全仪表系统（Safety Instrumented Systems, SIS）应用领域的特殊性，在设计阶段对SIS进行可靠性建模与分析，预估系统的安全完整性水平，对于避免严重事故发生以及人员安全有重要意义。在SIS设计过程中引入差异化设计技术，是减小系统共因失效发生概率的有效手段，但同时也对SIS可靠性评估技术提出了挑战。本项目针对SIS的实际特点，提出差异因子的数学模型，对差异化冗余系统内基于同一规范、不同实现的各冗余组件之间的差异实现定量评估；建立D-alpha共因失效模型，提出SIS不完全覆盖及共因失效混合模型，借助仿真实验研究差异、系统共因失效率、诊断覆盖率等关键参数之间的数学关系；以某实际SIS为评估对象，借助遗传算法研究SIS设计优化方法。本项目研究成果将进一步提高SIS可靠性评估结果的准确性，对于提升SIS的功能安全水平有重要意义。

在安全仪表系统设计过程中引入差异化设计技术，是减小系统共因失效发生概率的有效手段，但同时也对安全仪表系统可靠性评估技术提出了挑战。鉴于差异化设计技术与共因失效事件之间存在紧密联系，本项目首先基于相关行业的可靠性数据库展开了共因失效事件数据收集工作：考虑到共因失效事件的稀少性，在可靠性数据收集过程中应用了数据映射方法，有效增加了可用数据源容量；以所收集到的可靠性数据为基础，对差异化冗余系统的定量可靠性评估问题展开了研究：针对安全仪表系统的实际特点，定义了对组件失效行为有显著影响的四类影响因子，并针对每类影响因子的具体特点提出了相应的差异映射方法，借此提出了一种新颖的基于组件降级值的差异化冗余系统定量可靠性评估方法；考虑到人因故障是导致共因失效事件发生的重要原因之一，本项目对人因可靠性分析问题展开了研究，提出了基于模糊集理论的人因差异定量评估方法；在上述研究的基础上，建立了差异因子的数学模型，对差异化冗余系统内基于同一规范、不同实现的各冗余组件之间的差异实现了定量评估，基于权值影响向量及极大似然估计方法找出了冗余组件之间的差异与系统共因失效率之间的数学关系。与此同时，本项目对安全仪表系统的不完全覆盖问题展开了研究：针对安全仪表系统内所采用的冗余管理机制的具体特点，提出了基于影响因子门类的自检查对故障自诊断能力评估方法；以所提出的差异因子数学模型为基础，建立了安全仪表系统不完全覆盖及共因失效混合模型，基于冗余系统“数据完整性”属性及故障树分析方法对冗余组件之间的差异、系统共因失效率以及诊断覆盖率之间的数学关系展开了研究。上述理论与方法已被成功应用于实际安全温度变送器的可靠性分析过程，并有效地指导了实际开发工作。目前该温度变送器已获得了由国际认证机构TÜV 颁发的国内首个智能变送器领域的SIL2/3等级功能安全认证证书。本项目在理论研究及技术方面取得了一系列有意义的研究成果：在国际期刊（SCI刊源）、国内核心期刊以及国际会议上发表论文15篇；申请发明专利1项；一篇论文获得"IEEE International Conference on Electronic Measure & Instruments"国际会议优秀学术报告一等奖；培养博士研究生2名，硕士研究生1名。项目的研究成果进一步提高了安全仪表系统可靠性评估结果的准确性，对于提升安全仪表系统的功能安全水平有重要意义。