安全系统工程课程设计

摘要

安全系统工程是采用系统工程的原理和方法，预先识别、分析系统存在的危险因素，评价与判断系统风险，使系统的安全性达到预期目标的工程技术。主要研究人子系统、机器子系统和环境子系统，其研究内容包括系统安全分析、系统安全评价及安全决策与控制。

通过安全系统课程设计不仅可以巩固安全系统工程专业知识、提升学生辨识危险源的能力、掌握事故成因的理论基本知识及其在事故预防中的应用，还能为以后的专业课学习及毕业设计打下良好的基础。

本设计以长春建筑学院化学实验室为研究对象，通过对其过往发生事故的调查、危险有害因素的调查，确定其危险等级提出防范措施。

【关键词】安全系统工程 事故树 危险因素 预防措施

1

1 事故原因分析

1.1 确定分析方法

故障模式及影响分析

1.2 故障类型及影响分析的基本概念与格式

1.基本概念

（1）故障。原件、子系统和系统在规定时间、规定条件下不能完成规定功能。 （2）故障类型。故障类型是指系统中相同的组成部分和元素所发生故障的不同形式，一般可从五个方面来考虑，即：运行过程中的故障；过早的启动；规定时间内不能启动；规定时间内不能停车；运行能力降低、超量或受阻[1]。 （3）故障原因。故障原因即系统或产品产生故障的原因。

1）内应

a:系统或产品硬件设计不合理。 b:系统或产品零部件有缺陷。 c:产品质量低，材料不佳。

d:运输、安装、保管不善。 2）外因

a:环境条件不良。 b:使用条件不良。

(4)故障机理。故障机理是诱发故障的原因，也是研究故障模式产生的原因。 (5)故障等级。故障等级是衡量故障对系统任务、人员和财务安全造成影响的尺度。人们根据故障造成影响的大小而采取相应的处理措施，因此评定故障等级很有必要，评定时可以从以下几个方面来考录：

1）故障影响大小。 2)对系统造成影响的范围。 3)故障发生频率。 4)防止故障的难易。 5)是否重新设计[2]。 2.格式

2

表1-1 故障类型与影响分析表

系统或设备部件

故障类型

故障原因

故障影响

故障识别

校正措施

1.3 故障类型及影响分析的步骤 1.调查分析系统的情况，收集整理资料。

2.危险源初步辨识。

3.故障类型、影响及组成因素分析。 4.故障危险程度分析。 5.检查方法与预防措施的制定。

6.按故障危险程度与概率大小，分先后次序，轻重缓急地逐项采取预防措施。

1.4 长春建筑学院化学实验室的故障类型及影响分析

化学实验室是提供化学实验条件及进行科学探究的重要场所[3]。理工科高校在课程设置中一般不论是否是化学专业，都会开设与化学及化学实验的课程，以加深学生对所学知识的理解，培养学生的动手能力、实践能力。这也就增加学生与化学实验室的接触。化学里药品众多，且经常使用水、气、火、电以辅助实验，这些物品一旦失控，很容易造成人员伤亡及财产损失。要想确保化学实验室的安全性，控制事故的发生，首先应了解的化学实验室危险因素的来源，从而才能针对不同事故，制定出科学有效的预防措施。为了找出化学实验室事故发生原因，选用故障类型及影响分析的方法对整个系统进行分析。分析结果见附录B。

3

2 事故树编制

2.1 事故树编制原则

1.编制程序

(1)确定顶上事件。顶上事件就是所要分析的事故。选择顶上事件，一定要在详细了解系统情况、有关事故的发生可能、事故的严重程度和事故发生概率的情况下进行，而且事先要仔细寻找造成事故的直接原因和间接原因。然后根据事故的严重程度和发生概率确定要分析的顶上事件，将其扼要填写在矩形框内。

(2)调查或分析造成顶上事件的各种原因。顶上事件确定后，为了编好事故树，必须造成顶上事件的所有直接原因事件找出来，尽可能不要漏掉。直接原因事件可以是机械事故、人的因素或环境因素等。

(3)绘制事故树。在确定顶上事件并找出造成顶上事件的所有原因事件之后，就可以用相应的事件符号和适当的逻辑门把它们从上到下分层连接起来，层层向下，直到最基本的原因事件。

(4)认真审定事故树。画成的事故树图是逻辑模型事件的表达。既然是逻辑模型，那么各个事件之间的逻辑关系就应该相当严密、合理。否则在计算过程中将会出现意想不到的问题。因此，一般在事故树的绘制过程中要十分谨慎。 2.注意事项 (1)熟悉分析系统； (2)循序渐进； (3)选好顶上事件；

(4)准确判明各事件的因果关系和逻辑关系； ( 5)避免门与门相连；

2.2 事故树编制步骤

1.确定事故树的顶上事件。确定事故树的顶上事件是指确定所要分析的对象事件。根据事故调查报告分析其损失大小和事故频率，选择易于发生且后果严重的事故作为事故树的顶上事件。

2.调查与顶上事件有关的所有原因事件。从人、机、环境和信息等方面调查与事故树顶上事件有关的所有原因事件，确定事故原因并进行影响分析。

3.编制事故树。采用规定符号，按照一定的逻辑关系，把事故树的顶上事件与引起顶

4

上事件发生的原因事件，用正确的逻辑门连接起来，绘制成反应因果关系的树形图[4]。

2.3 事故树分析的步骤

1.熟悉系统； 2.调查事故； 3.确定顶上事件； 4.调查原因事件； 5.构建事故树； 6.修改、化简事故树； 7.定性分析； 8.定量分析； 9.制定措施并实施；

2.4 化学实验室火灾事事故树

根据第一章事故的原因分析可知，化学实验室的危险有害因素众多，各种危险因素导致的事故形式与影响程度也不尽相同。但综合化学实验室以往发生的安全事故：火灾、爆炸、灼伤、中毒、电击和割伤来看。火灾事故的发生频率、危险程度及引起事故发生的途径，在各种事故中都相对严重。因此将化学实验室的火灾事故作为事故树的顶上事件。事故树如图2-1所示。

图2-1 化学实验室火灾事故树

5

化学实验室火灾事故树的事件含义如表2—1所示：

表2—1 事故树代号含义表

代号 T M1 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7

名称 化学实验室火灾

火源 存在可燃物 明火 电器设备起火 化学反应起火

自燃 实验室固有可燃物 电器线路起火 电器设备起火 操作失误引发火灾

实验用火 吸烟 火花 接触不良起火 短路起火 绝缘老化起火 电阻过大起火

代号 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23 X24 C1

名称 通电电流过大起火

过载起火 电器设备渗水起火 错误操作起火 易燃物品没有密封保存 易燃物品周围有热源 泄露药品反应放热 药品添加错误起火 药品添加比例不对起火 操作顺序错误起火 不慎打翻实验药品 发生放热反应 外带可燃物 存在可燃性实验药品 处在可燃性实验器材 存在可燃性反应产物

达到着火点 热量聚集达到着火点

6

3 事故树定性分析

3.1 求事故树的最小割集

3.1.1 最小割集的定义

如果事故树中的全部基本事件都发生，则顶上事件必然发生。但是，大多数情况下并不是一定要求所有的基本事件都发生顶上事件才能发生，而是只要某些基本事件一起发生就能导致顶上事件的发生。这些由于同时发生就能导致顶上事件发生的基本事件集合称为割集[5]。

最小割集是指能够引起顶上事件发生的最低数量的基本事件的集合。最小割集指明了那些基本事件同时发生就能引起顶上事件的事故模式。事故树的最小割集越多则系统的危险性越大。

3.1.2 最小割集的求解过程

解：用最布尔代数化简发求最小割集： T=M1M3X24

=（M4+M5+M7+M6）（X20+M11）X24

=[X1+X2+X3+M8+M9+C1(X12+X13+X14)+X15+X16+X17+M10]（X20+X21+X22+X23） X24

=(X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+C1X12+C1X13+C1X14+X15+X16+X17 +X18X19)（X20+X21+X22+X23)X24

=X1X20X24+X1X21X24+X1X22X24+X1X23X24+X2X20X24+X2X21X24+X2X22X24+ X2X23X24+X3X20X24+X3X21X24+X3X22X24+X3X23X4+X4X20X24+X4X21X24+X4 X22X24+X4X23X24+X5X20X24+X5X21X24+X5X22X24+X5X23X24+X6X20X24+X6 X21X24+X6X22X24+X7X23X24+X8X20X24+X8X21X24+X8X22X24+X8X23X24+X9 X20X24+X9X21X24+X9X22X24+X9X23X24+X10X20X24+X10X21X24+X10X22X24+ X10X23X24+X11X20X24+X11X21X24+X11X22X24+X11X23X24+C1X12X20X24+C1 X12X21X24+C1X12X22X24+C1X12X23X24+C1X13X20X24+C1X13X21X24+C1X13X22 X24+C1X13X23X24+C1X14X20X24+C1X14X21X24+C1X14X22X24+C1X14X23X24+ X15X20X24+X15X21X24+X15X22X24+X15X23X24+X16X20X24+X16X21X24+X16X22 X24+X16X23X24+X17X20X24+X17X21X24+X17X22X24+X17X23X2+X18X19X20X24+

7

X18X19X21X24+X18X19X22X24+X18X19X23X24

所以事故树共有72个最小割集，其最小割集分别为： {X1,X20,X24}、{X1,X21,X24}、{X1,X22,X24}、{X1,X23,X24}、{X2,X20,X24}、{X2,X21,X24}、{X2,X22,X24}、{X2,X23,X24}、{X3,X20,X24}、{X3,X21,X24}、{X3,X22,X24}、{X3,X23,X4}、{X4,X20,X24}、{X4,X21,X24}、{X4,X22,X24}、{X4,X23,X24}、{X5,X20,X24}、{X5,X21,X24}、{X5,X22,X24}、{X5,X23,X24}、{X6,X20,X24}、{X6,X21,X24}、{X6,X22,X24}、{X7,X23,X24}、{X8,X20,X24}、{X8,X21,X24}、{X8,X22,X24}、{X8,X23,X24}、{X9,X20,X24}、{X9,X21,X24}、{X9,X22,X24}、{X9,X23,X24}、{X10,X20,X24}、{X10,X21,X24}、{X10,X22,X24}、{X10,X23,X24}、{X11,X20,X24}、{X11,X21,X24}、{X11,X22,X24}、{X11,X23,X24}、{C1,X12,X20,X24}、{C1,X12,X21,X24}、{C1,X12,X22,X24}、{C1,X12,X23,X24}、{C1,X13,X20,X24}、{C1,X13,X21,X24}、{C1,X13,X22,X24}、{C1,X13,X23,X24}、{C1,X14,X20,X24}、{C1,X14,X21,X24}、{C1,X14,X22,X24}、{ C1,X14,X23,X24}、{X15,X20,X24}、{X15,X21,X24}、{X15,X22,X24}、{X15,X23,X24}、{X16,X20,X24}、{X16,X21,X24}、{X16,X22,X24}、{X16,X23,X24}、{X17,X20,X24}、{X17,X21,X24}、{X17,X22,X24}、{X17,X23X,24}、{X18,X19,X20,X24}、{ X18,X19,X21,X24}、{X18,X19,X22,X24}、{X18,X19,X23,X24 }.

3.2 求事故树的最小径集

3.2.1 最小径集的定义

如果事故树中的全部基本事件都不发生，则顶上事件必然不会发生。但是，如果事故树中某些基本事件不同时发生，也可以使得顶上事件不发生。这些不同时发生时，可以使顶上事件不发生的基本事件集合称为径集[5]。

最小径集是指能够使得顶上事件不发生的最低数量的基本事件的集合。最小径集指明了那些基本事件不同时发生就可以使顶上事件不发生的安全模式。事故树的最小径集越多着系统的可靠度就越大。

3.2.2 最小径集的求解过程

解：1.绘制原事故树的成功树，如图3-1所示。

8

图3-1 与图2-1所示事故树对偶的成功树

2.用布尔代数法求最小径集： T′=M1′+M3′+X24′

=M4′M5′M7′M6′+X20′M11′+X24′

=X1′X2′X3′M8′M9′(C1′+X12′X13′X14′)X15′X16′X17′M10′+X20′X21′X22′X23′+X24′ =X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′(C1′+X12′X13′X14′)X15′X16′X17′(X18′+ X19′)+X20′X21′X22′X23′+X24′

=C1′X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X15′X16′X17′(X18′+X19′)+X1′X2′X3′ X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X12′X13′X14′X15′X16′X17′(X18′+X19′)+X20′X21′ X22′X23′+X24′

=C1′X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X15′X16′X17′X18′+C1′X1′X2′X3′

X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X15′X16′X17′X19′+X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′ X10′X11′X12′X13′X14′X15′X16′X17′X18′+X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′ X12′X13′X14′X15′ X16′X17′X19′+X20′X21′X22′X23′+X24′

T=(C1+X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X15+X16+X17+X18)(C1+X1+X2+ X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X15+X16+X17+X19)(X1+X2+X3+X4+X5+X6+ X7+X8+X9+X10+X11+X12 +X13+X14+X15+X16+X17+X18)(X1+X2+X3+X4+X5+X6+

9

X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X19)(X20+X21+X22+X23)X24所以原事故树共有六个最小径集，即：{C1，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16，X17，X18}、{C1，X1，X2，X3，X4，X5， X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16，X17，X19}、{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18}、{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X19}、{X20，X21，X22，X23}、{X24}.

3.3 求各基本事件的结构重要度

3.3.1 用最小割集或最小径集进行结构重要度分析的公式

公式一： I?(i)?1k?k1(j?kj) j?1nj式中

k：最小割集总数；

kj：第j个最小割集；

nj：第kj个最小割集的基本事件树；

公式二： I?(i)? x?1j?1 i?kj2n式中 nj?1：为第i个基本事件在kj中各基本事件总数减1； I?(i)：为第i个基本事件的结构重要度系数； 公式三： I?(i)?1??(1?1?1) xi?kj2nj式中 I?(i)：为第i个基本事件的结构重要度系数； nj：为第i个基本事件所在kj的基本事件总数； nj?1：2的指数；

3.3.2 结构重要度计算

解：1.使用公式3-3求解：

3-1）

3-2）

3-3）

10

（ （（

因为 I?(i)?1??(1?xi?kj12nj?1)

所以 IΦ（１）＝IΦ（2）=IΦ（3）=…=IΦ（11）=IΦ（15）=IΦ（16）=IΦ（17）=1-(1-0.25）4=0.68359375 IΦ(12)=IΦ(13)=IΦ(14)=IΦ(18)=IΦ(19)=1-(1-0.125)4=0.41381835938 IΦ(20)=IΦ(21)=IΦ(22)=IΦ(23)=1-(1-0.25)12(1-0.125)4=0.989555446001 IΦ(24)=1-(1-0.25)56(1-0.125)16=0.9999999881 IΦ(C1)=1-(1-0.125)12=0.798582762 所以各基本事件的结构重要度排序为：

IΦ（24）>IΦ(20)=IΦ(21)=IΦ(22)=IΦ(23)>IΦ(C1>IΦ（１）＝IΦ（2）=IΦ（3）=IΦ（4）=IΦ（5）=IΦ（6）=IΦ（7）=IΦ（8）=IΦ（9）=IΦ（10）=IΦ（11）=IΦ（15）=IΦ（16）=IΦ（17）> IΦ(12)=IΦ(13)=IΦ(14)=IΦ(18)=IΦ(19)

3.4 分析总结

1.从事故树的结构上看，“或门”比较多，说明实验人员操作不当、或者电器设备使用、维护不正确、化学实验药品存储使用不当的情况下，火灾事故是很容易发生的。

2.从事故树的最小割集树来看，最小割集表示系统的危险性，最小割集的数量越多则顶上事件的发生概率越大。本事故树有72个最小割集，数目很大，说明化学实验室火灾事故也是很容易发生的。

3.从事故树的最小径集数目来看，最小径集表示系统的安全性，最小径集的数量越多则顶上事件发生的可能性越小。本设计树只6个最小径集，说明火灾事故的预防途径较少。 4.从结构重要度上来看，X24的系数最大，其次是X20、X21、X22、X23，接着是C1。说明化学实验室火灾事故，应重点预防X24、X20、X21、X22、X23和C1，保证实验室的通风效果，并控制可燃物的数量，使其保持在优良状态。其他基本事件的系数虽然相对较小，但也不能忽视，日常也应严格控制，以减少、杜绝化学实验室火灾事故的发生。

11

4 事故树定量分析

4.1 定量分系的任务

事故树定量分析的任务即确定顶上事件的发生概率。

4.2 事故树定量分析的一般步骤

1.列出顶上事件发生概率的逻辑式。

已知各基本事件的发生概率，且个基本事件的发生概率有相互独立时，就可以计算顶上事件的发生概率。常用的计算方法有：

（1）直接分布法。设基本事件X1，X2，…，Xn的发生概率分别为P1，P2，…，Pn，则这些事件的逻辑加与逻辑乘的故障计算公式如下：

逻辑加（或门连接的事件）的概率计算公式：

g(X1∪X2∪…∪Xn) =1-(1-P1)(1-P2)…(1-Pn)

=1-?(1-Pi)=P0

i?1n式中 g:顶上事件（或门事件）发生的概率函数； P0:或门事件的概率； Pi:第i个基本事件的的概率； n:基本事件数。

逻辑乘（与门连接的事件）的概率计算公式：

g(X1∩X2∩…∩Xn)=P1P2…Pn=?Pn=PA

i?1n式中 PA：与门事件的概率； 其他符号同上。

(2)最小割集法。如果各最小割集中彼此没有重复的基本事件，则可以先求最小割集的概率，即最小割集所包涵的基本事件的交集，然后求所有割集的并集概率，既得顶上事件的发生概率[4]。

由于与门的结构函数为：

Φ(X）=?Xi=?Xi

i?1i?1nn 12

或门的结构函数为：

Φ(X）=1-?(1-Xi)=?Xi

i?1nni?1式中 Xi：第i个基本事件； n:基本事件数。

根据最小割集的定义可知，最小割集中全部基本事件都发生，该最小割集才存在，即：

Gr=

式中 Gr：第r个最小割集；

Xi：第i个最小割集中的基本事件。

在事故树中，一般有多个最小割集，只要存在一个最小割集，顶上事件就会发生，因此，事故树的结构函数为：

Φ(X）=?Gr=?r?1NGNGi?Gr?Xi

r?1i?Gr?Xi

式中 NG:系统中最小割集数；

因此，若各个最小割集中彼此彼此没有重复事件，其计算顶上事件发生概率的公式为：

g=?r?1NGXi?Gr?Pi (4-1)

(3)最小径集法。如果最小径集中彼此没有重复的基本事件，则可以先求各最小径集的概率，即最小径集所包涵的基本事件的并集的概率，然后求所有最小径集的交集的概率，即得顶上事件的发生概率[4]。其计算公式为：

g=?r?1NpXi?Pr?=?Npr?1[1-

Xi?Pr?(1-Pi)] (4-2)

式中 Np：系统中最小径集数； r：最小径集序数； i: 基本事件序数；

Xi∈Pr: 第i个基本事件属于r个最小径集； Pi：第i个基本事件的概率。

(4)近似计算法。在事故树分析时，若事故树很庞大，精确计算出顶上事件的发生概率，需要相当大的人力和物力，这时就可以考虑使用近似计算法。其计算公式如下：

13

1)首项近似法。

g≈F1=? 2)平均近似法。

NGr?1Xi?Gr?Pi (4-3)

1 g≈F1-F2 (4-4)

2 2.展开消除概率重复事件，如没有重复事件则省略。

3.将基本事件的发生概率Pi带入逻辑式计算顶上事件的发生概率。

4.3 概率重要度及临界重要度

1.概率重要度计算公式

2.临界重要度计算公式

IC?IgPi （4-6） pIg??P ?Pi （4-5）

式中 Ig：基本事件的概率重要度； Ic：基本事件的临界重要度； P：顶上事件的发生概率； Pi：基本事件的发生概率。

4.4 化学实验室火灾事故定量分析

1.用最小径集法求顶上事件的发生概率

根据调查问卷的统计结果可知，化学实验室火灾事故树的个基本事件的发生概率如表4-1所示。

14

表4-1 基本事件的概率值表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Np代号 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13

概率Pi 0.6842 0.053 0.0158 0.042 0.010 0.037 0.037 0.042 0.032 0.020 0.005 0.021 0.032

Np序号 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

代号 X14 X15 X16 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23 X24 C1

概率Pi 0.037 0.053 0.063 0.054 0.0282 0.007 0.9875 0.96 0.9789 0.4737 0.0463 0.001

因为：g=?r?1Xi?Pr?=?r?1[1-

Xi?Pr?(1-Pi)]

所以：P=[1-(1-P25)(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9)(1-P10)(1-P11) (1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P18)][1-(1-P25)(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7(1-P8)(1- P9)(1-P10)(1-P11)(1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P19)][1-(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9 )(1-P10)(1-P11)(1-P12)(1-P13)(1-P14)(1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P18)][1-(1-P1)(1- P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9)(1-P10)(1-P11)(1-P12)(1-P13)(1-P14)(1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P19)][1-(1-P20)(1-P21)(1-P22)(1-P23)][1-(1-P24)]

=1-(1-P25)(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9)(1-P10)(1-P11)(1-P15)(1- P16)(1-P17)(1-P18)-(1-P25)(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9)(1-P10)(1-P11)(1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P18)(1-P19)-(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9)(1-P10)(1-P11)(1-P12)(1-P13)(1-P14)(1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P18)-(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1- P4)(1-P5)(1-P6)(1-P7)(1-P8)(1-P9)(1-P10)(1-P11)(1-P12)(1-P13)(1-P14)(1-P15)(1-P16)(1-P17)(1-P19)-(1-P20)(1-P21)(1-P22)(1-P23)-(1-P24)+(1-P25)(1-P1)(1-P2)(1-P3)(1-P4)(1-P5)(1-P6)(1-

15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zvfa.html