基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法制造技术

本发明专利技术公开了基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，本发明专利技术通过结合安全仪表功能的结构配置、检验测试间隔、检验测试覆盖率和服役时间计算得到马尔可夫模型的PFDavg、PFSavg和MTTFsp，PFD以该服役时间对应的平均值PFDavg来展示，PFS以服役时间对应的平均值PFSavg来展示，PFD为要求时危险失效概率，PFS为安全失效概率，PFDavg为要求时平均危险失效概率、PFSavg为平均安全失效概率、MTTFsp为平均无误动作故障时间；本发明专利技术结合了现场的结构配置、检验测试间隔、检验测试覆盖率和服役时间能够更真实地反映安全仪表功能的可靠性水平。平。平。

【技术实现步骤摘要】
基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法


[0001]本专利技术涉及石油、天然气、化工、电力、冶金、制药、制冷、海上平台等过程工业安全仪表系统(SIS)硬件可靠性评估
，具体为基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法。

技术介绍

[0002]2000年以来，随着功能安全基础标准IEC61508、IEC61511的发布，功能安全技术已经在国际上得到广泛应用，国内也将其转化为GB/T 20438和GB/T21109，后续也陆续发布了GB/T 35320、GB/T 32857等功能安全相关技术方法标准，为石油、化工、电力、制药、铁路等行业采用功能安全技术实现安全保障，提供指导。随着GB/T 20438和GB/T 21109的广泛应用，功能安全概念得到有效普及。在石油、化工、电力、制药等过程工业，功能安全研究的就是如何保障包括安全仪表系统在内的保护层实现足够的风险管控能力。安全仪表系统是石油、化工、电力、制药等过程工业企业必须要使用的安全管控技术，其特点是在工艺装置正常运行时其处于休眠状态，监测生产过程中出现的或者潜伏的危险，发出告警信息或直接执行预定程序，立即将装置导入安全状态，防止事故的发生、降低事故带来的危害及其影响。安全仪表系统是由一个或多个具有特定保护场景的安全仪表功能构成。
[0003]衡量安全仪表功能的可靠性指标包括了PFDavg、PFSavg和MTTFsp，常用的可靠性计算方法有可靠性框图法、故障树分析法和马尔可夫模型分析法。
[0004]目前在可靠性计算过程中普遍的做法是将设备在使用过程中的失效率假设为一个常量，基于这样一种理想状态计算得到的结果往往比实际的失效率要低，因为在过程工业现场使用过程中存在由于自身老化、使用条件变差或检验测试无法全覆盖等因素导致失效率高于常量值的客观情况，因此真实的可靠性水平要低于计算结果。
[0005]于2021年《自动化仪表》第9期中发表的论文“基于马尔可夫过程的快速SIL验证方法研究”，该论文基于马尔可夫过程理论，对常规方法计算过程中的高阶矩阵幂运算进行优化，该方法在理论上保证了不损失计算精度，计算效率最大可提高160多倍，解决了目前SIL验证方法运算效率和准确度难以兼顾的问题；不过该论文中用到的是现有的马尔可夫模型，这样的计算结果未考虑服役时间和检验测试覆盖率对失效率的影响，不能真实反映设备的可靠性水平，无法为现场设备的使用及维护提供有效参考和依据，不能满足工程实际应用需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，提供基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，本专利技术根据现场运行和维护情况，在计算过程中引入了服役时间和检验测试覆盖率，能够更真实地反映安全仪表功能的可靠性水平。
[0007]考虑到设备的服役时间，PFD以该服役时间对应的平均值PFDavg来展示，PFS以服役时间对应的平均值PFSavg来展示；PFD为要求时危险失效概率，PFDavg为要求时平均危险
失效概率，PFS为安全失效概率，PFSavg为平均安全失效概率。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，包括以下步骤：
[0009]S110、针对安全仪表功能各组成单元的硬件结构，均配置有基于马尔可夫模型的计算方法和状态转移图；
[0010]S120、基于马尔可夫模型的常见硬件结构配置的PFDavg、PFSavg和MTTFsp计算方法，引入可检测的危险失效率、不可检测的危险失效率、可检测的安全失效率和不可检测的安全失效率，基于服役时间、检验测试间隔和检验测试覆盖率，可计算得到服役时间对应的不可检测的危险失效率，对于多重结构配置应考虑到潜在的共因失效，引入共因失效因子，计算得出共因可检测的危险失效率、基于服役时间的共因不可检测的危险失效率、共因可检测的安全失效率、共因不可检测的安全失效率，非共因可检测的危险失效率、基于服役时间的非共因不可检测的危险失效率、非共因可检测的安全失效率和非共因不可检测的安全失效率；
[0011]S130、将可检测的危险失效率、基于服役时间的不可检测的危险失效率、可检测的安全失效率、不可检测的安全失效率、共因可检测的危险失效率、基于服役时间的共因不可检测的危险失效率、共因可检测的安全失效率、共因不可检测的安全失效率，非共因可检测的危险失效率、基于服役时间的非共因不可检测的危险失效率、非共因可检测的安全失效率和非共因不可检测的安全失效率，根据结构配置特点按需带入随机转移概率矩阵，通过计算得到稳态概率矩阵，再引入起始概率矩阵，以起始概率矩阵与稳态概率矩阵作为参数计算得到第1天至y天的状态矩阵，进而可以计算得到状态转移图中状态1至状态w中每个状态的平均概率；
[0012]S140、依据状态转移图中对应危险失效状态的平均概率，计算得到安全仪表功能各组成单元硬件结构的PFDavg；
[0013]S150、依据状态转移图中对应安全失效状态的平均概率，计算得到安全仪表功能各组成单元硬件结构的PFSavg；
[0014]S160、依据随机转移概率矩阵得到截矩阵，将截矩阵由单位矩阵中减去得到中间矩阵，并对其进行求逆计算得到N矩阵；
[0015]S170、依据N矩阵计算得到安全仪表功能各组成单元硬件结构的MTTFsp。
[0016]前述基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，其中所述步骤S110中硬件结构包括有1oo1、1oo1D、1oo2、1oo2D、1oo3、2oo2、2oo2D和2oo3。
[0017]前述基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，其中所述步骤S120包括：
[0018]S121、基于马尔可夫模型的常见硬件结构配置的PFDavg、PFSavg和MTTFsp计算方法，引入λ
dd
、λ
du
、λ
sd
和λ
su
，λ
dd
为可检测的危险失效率，λ
du
为不可检测的危险失效率，λ
sd
为可检测的安全失效率，λ
su
为不可检测的安全失效率；
[0019]S122、基于服役时间、检验测试间隔和检验测试覆盖率计算服役时间对应的不可检测的危险失效率，计算过程如下：
[0020]当前服役时间对应的不可检测的危险失效率λ
du
‑
MT
计算公式为：
[0021][0022]MT是Mission Time的缩写，为服役时间；TI是Test Interval的缩写，为检验测试间隔；PTC是Proof Test Coverage的缩写，为检验测试覆盖率；
[0023]S123、由于多重结构配置潜在的共因失效，引入共因失效因子β，失效率计算公式如下，
[0024]共因部分计算：
[0025]λ
ddc
＝λ
dd
×
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，其特征在于，包括以下步骤：S110、针对安全仪表功能各组成单元的硬件结构，均配置有基于马尔可夫模型的计算方法和状态转移图；S120、基于马尔可夫模型的常见硬件结构配置的PFDavg、PFSavg和MTTFsp计算方法，引入可检测的危险失效率、不可检测的危险失效率、可检测的安全失效率和不可检测的安全失效率，基于服役时间、检验测试间隔和检验测试覆盖率，可计算得到服役时间对应的不可检测的危险失效率，对于多重结构配置应考虑到潜在的共因失效，引入共因失效因子，计算得出共因可检测的危险失效率、基于服役时间的共因不可检测的危险失效率、共因可检测的安全失效率、共因不可检测的安全失效率，非共因可检测的危险失效率、基于服役时间的非共因不可检测的危险失效率、非共因可检测的安全失效率和非共因不可检测的安全失效率；S130、将可检测的危险失效率、基于服役时间的不可检测的危险失效率、可检测的安全失效率、不可检测的安全失效率、共因可检测的危险失效率、基于服役时间的共因不可检测的危险失效率、共因可检测的安全失效率、共因不可检测的安全失效率，非共因可检测的危险失效率、基于服役时间的非共因不可检测的危险失效率、非共因可检测的安全失效率和非共因不可检测的安全失效率，根据结构配置特点按需带入随机转移概率矩阵，通过计算得到稳态概率矩阵，再引入起始概率矩阵，以起始概率矩阵与稳态概率矩阵作为参数计算得到第1天至y天的状态矩阵，进而可以计算得到状态转移图中状态1至状态w中每个状态的平均概率；S140、依据状态转移图中对应危险失效状态的平均概率，计算得到安全仪表功能各组成单元硬件结构的PFDavg；S150、依据状态转移图中对应安全失效状态的平均概率，计算得到安全仪表功能各组成单元硬件结构的PFSavg；S160、依据随机转移概率矩阵得到截矩阵，将截矩阵由单位矩阵中减去得到中间矩阵，并对其进行求逆计算得到N矩阵；S170、依据N矩阵计算得到安全仪表功能各组成单元硬件结构的MTTFsp。2.根据权利要求1所述的基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，其特征在于，所述步骤S110中硬件结构包括有1oo1、1oo1D、1oo2、1oo2D、1oo3、2oo2、2oo2D和2oo3。3.根据权利要求1所述的基于服役时间的马尔可夫模型PFD和MTTFsp算法，其特征在于，所述步骤S120包括：S121、基于马尔可夫模型的常见硬件结构配置的PFDavg、PFSavg和MTTFsp计算方法，引入λ
dd
、λ
du
、λ
sd
和λ
su
，λ
dd
为可检测的危险失效率，λ
du
为不可检测的危险失效率，λ
sd
为可检测的安全失效率，λ
su
为不可检测的安全失效率；S122、基于服役时间、检验测试间隔和检验测试覆盖率计算服役时间对应的不可检测的危险失效率，计算过程如下：当前服役时间对应的不可检测的危险失效率λ
du
‑
MT
计算公式为：MT是Mission Time的缩写，为服役时间；TI是Test Interval的缩写，为检验测试间隔；
PTC是Proof Test Coverage的缩写，为检验测试覆盖率；S123、由于多重结构配置潜在的共因失效，引入共因失效因子β，失效率计算公式如下，共因部分计算：λ
ddc
＝λ
dd
×
β；λ
duc
‑
MT
＝λ
du
‑
MT
×
β；λ
sdc
＝λ
sd
×
β；λ
suc
＝λ
su
×
β；λ
ddc
为共因可检测的危险失效率，λ
duc
‑
MT
为基于服役时间的共因不可检测的危险失效率，λ
sdc
为共因可检测的安全失效率，λ
suc
为共因不可检测的安全失效率；非共因部分计算：λ
ddn
＝λ
dd
×
(1
‑
β)；λ
dun
‑
MT
＝λ
du
‑
MT
×
(1
‑
β)；λ
sdn
＝λ
sd
×
(1
‑
β)；λ
sun
＝λ
su
×
(1
‑
β)；λ
ddn
为非共因可检测的危险失效...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑶，帅冰，施隋靖，朱明露，
申请(专利权)人：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，
类型：发明
国别省市：