专利名称：一种基于马尔可夫过程进行安全仪表功能的功能安全验证的方法
技术领域：
本发明涉及ー种基于马尔可夫过程的对安全仪表功能进行功能安全验证的方法，它主要应用于化工过程，炼油过程，生物制药过程等流程エ业的功能安全验证领域。
背景技术：
安全对于经济、环境和人身安全至关重要，因此安全相关系统(Safety RelatedSystem, SRS)被广泛应用于生产过程之中。安全仪表系统(Safety Instrumented System,SIS)是安全相关系统的ー个类别。按照IEC61511的定义，安全仪表系统是指由传感器、逻辑控制器和执行器组成的，能够执行一项或多相安全仪表功能(Safety InstumentedFunction, SIF)的仪表系统。在一定时间、一定条件下，安全仪表系统能够成功地执行其安全功能的可能性，称为安全完整性等级(Safety Integrity Level, SIL),其数值代表着安全仪表系统使过程风险降低的数量级。对于安全仪表功能的设计进行安全完整性等级验 证是十分重要的。按照IEC61508的定义，过程エ业领域的安全仪表功能多数情况下属于低要求操作模式(Low Demand)。根据IEC61508的规定，低要求操作模式(Low Demand)下的安全完整性等级以要求时平均失效概率(Average Probability of Failure on Demand,PFDavg)作为指标进行划分，其对应关系如表I所示表I低要求操作模式下SIL与PFDavg的对应关系
权利要求
1.一种基于马尔可夫模型进行安全仪表功能的功能安全验证方法，其特征在于包括如下步骤 确定I选I结构需求时失效率； 确定多设备共失效概率； 确定冗余结构需求时失效率，由多设备共失效概率得到冗余结构的需求时失效率； 确定冗余结构平均需求时失效率； 确定安全完整性等级。
2.根据权利要求I的功能安全验证方法，其特征在于所述确定I选I结构需求时失效率的步骤包括 利用马尔可夫模型方法计算安全仪表功能的传感器、逻辑控制器和/或执行器采用I选I结构时的需求时失效率， 其中，利用状态转移矩阵描述传感器、逻辑控制器或执行器的动态行为，根据初始状态向量、状态转移矩阵、功能测试周期以及系统运行时间计算出传感器、逻辑控制器或执行器的需求时失效率。
3.根据权利要求I的功能安全验证方法，其特征在于确定多设备共失效概率的步骤中同时考虑了设备的独立失效和共因失效。
4.根据权利要求3的功能安全验证方法，其特征在于确定多设备共失效概率的步骤包括 结合β因子模型和二项式失效率模型， 利用β因子简化二项式失效率模型参数的获取。
5.根据权利要求2的功能安全验证方法，其特征在于所述确定I选I结构需求时失效率的步骤包括 把离散的所述状态转移矩阵利用可以写作
6.根据权利要求5的功能安全验证方法，其特征在于包括 把所述周期性功能对应一个状态转移矩阵
7.根据权利要求3的功能安全验证方法，其特征在于确定多设备共失效概率的步骤包括 设各个设备的共因失效因子分别估计为Pi，冲击时设备失效的概率估计为Pi，由I选I结构的马尔可夫模型计算得到设备的需求时失效率分别为λ i，其中i=l，2，L，N则得到N个设备中k个设备失效的概率为
8.根据权利要求7的功能安全验证方法，其特征在于 对N个相同的设备，把公式(I)简化为
9.根据权利要求I的功能安全验证方法，其特征在于确定冗余结构需求时失效率的步骤包括 设N选M冗余结构当且仅当M个或M个以上设备处于正常或安全失效状态则系统处于正常或安全失效状态， 确定N选M结构的需要时失效率为
10.根据权利要求I的功能安全验证方法，其特征在于 所述确定冗余结构平均需求时失效率的步骤包括 由已经得到的预定时间段内N选M系统的需求时失效率λΜ(ΜΝα)，得到系统运行时间内的平均需求时失效率PFDavg
全文摘要
本发明公开了一种基于马尔可夫模型进行安全仪表功能的功能安全验证的方法。采用马尔可夫模型计算单一设备采用1选1结构时的需求时失效率，继而以单一设备1选1结构的需求时失效率为基础计算多设备共失效的概率，最后以多设备共失效的概率计算冗余结构的需求时失效率。从而按照IEC61508的要求由冗余结构的平均需求时失效率验证安全仪表功能的安全完整性等级。本发明的优点1)通过马尔可夫模型涵盖系统的多种状态，反映系统的动态行为，从而使提高失效率的计算精度；2)由1选1结构的需求时失效率计算结果间接计算冗余结构的需求时失效率，从而避免了直接对冗余结构进行马尔可夫建模和模型计算的困难；3)考虑共因失效时结合了β因子模型和二项式失效率模型，提高了对共因失效率的计算精度。
文档编号G05B23/02GK102819259SQ20111015439
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者赵劲松, 舒逸聃, 崔琳 申请人:清华大学