礦山安全工程 第4章

第四章

系統(tǒng)安全分析與評價

4.1系統(tǒng)安全分析

系統(tǒng)安全分析從安全角度對系統(tǒng)進行的分析，它通過揭示系統(tǒng)中可能導致系統(tǒng)故障或事故的各種因素及其相互關(guān)聯(lián)來辨識系統(tǒng)中的危險源，以便采取措施消除或控制它們。系統(tǒng)安全分析是系統(tǒng)安全評價的基礎(chǔ)，定量的系統(tǒng)安全分析是定量的系統(tǒng)安全評價的基礎(chǔ)。4.1.1系統(tǒng)安全分析方法預先危害分析(PHA)故障類型和影響分析(FMEA)

魚刺圖分析事件樹分析(ETA)

故障樹分析(FTA)

1.預先危害分析

在一項工程開始之前的方案選擇、初步設計階段進行的初步系統(tǒng)安全分析，它為以后的更詳細的系統(tǒng)安全分析奠定基礎(chǔ)。首先利用安全檢查表、根據(jù)經(jīng)驗和技術(shù)判斷查明重大的危險源存在的部位，然后識別使其發(fā)展為不安全狀態(tài)的觸發(fā)因素，研究由危險狀態(tài)演變?yōu)槭鹿实谋匾獥l件，以及事故的危險性等級等，并且進一步研究防止可能發(fā)生事故的方法及其效果。2.故障類型和影響分析

系統(tǒng)的組成部分或元素在運行過程中會發(fā)生故障，并且往往可能發(fā)生不同類型的故障不同類型的故障對系統(tǒng)的影響是不同的。首先找出系統(tǒng)中各組成部分及元素可能發(fā)生的故障及其類型，查明各種類型故障對鄰近部分或元素的影響以及最終對系統(tǒng)的影響，然后提出避免或減少這些影響的措施。儲氣罐元素的故障類型和影響分析

元素故障類型故障的影響故障原因故障的識別校正措施儲氣罐罐體輕微漏氣能耗增加接口不嚴漏氣噪聲，空壓機頻繁打壓加強維修保養(yǎng)嚴重漏氣壓力迅速下降焊縫有裂隙壓力表讀數(shù)下降，巡回檢查停機修理破裂壓力迅速下降損傷周圍設備人員材料缺陷受沖擊等壓力表度數(shù)下降，巡回檢查停機修理安全閥漏氣能耗增加彈簧疲勞漏氣噪聲，空壓機頻繁打壓加強維修保養(yǎng)誤開啟壓力迅速下降彈簧折斷壓力表度數(shù)下降，巡回檢查停機修理不開啟超壓時失去功能，儲氣罐內(nèi)超壓銹蝕，污物調(diào)節(jié)錯誤無，只有在檢驗安全閥時發(fā)現(xiàn)3.魚刺圖分析利用形狀象魚骨架的魚刺圖進行的系統(tǒng)安全分析方法。它用于事故或重大故障的原因分析，是一種演繹的分析方法。魚刺圖又稱因果分析圖，其主干的右端(相當于魚頭)為被分析的事件；在主干的兩側(cè)排列若干條主刺，分別代表造成被分析事件發(fā)生的直接原因或主要原因類別；由主刺兩側(cè)分支出來的細刺代表造成直接原因的間接原因，或?qū)儆谀持饕蝾悇e的諸原因。根據(jù)需要，細刺的兩側(cè)還可以分支出更細的刺，用以表示更進一步的原因。

魚刺圖分析

4.1.2事件樹分析

事件樹是一種按時間順序描述事故或故障發(fā)生發(fā)展過程中各種事件之間相互關(guān)系的樹圖。事件樹是由決策樹演化而來的，其數(shù)學基礎(chǔ)是概率論中的馬爾可夫過程。編制事件樹

從導致被分析事件發(fā)生的最初始的事件開始。按每一事件發(fā)生后安全功能可能成功或失敗，會產(chǎn)生兩種對立結(jié)果事件(安全或危險等)的途徑之一發(fā)展的規(guī)則，自左至右，把成功的、結(jié)果好的分支畫在上面，把失敗的、結(jié)果不好的分支畫在下面，一步步地展示故障或事故的發(fā)展過程，直到最終系統(tǒng)故障或傷害事件為止，做成事件樹。“排水故障”事件樹

露天礦斷鉤跑車事故的事件樹分析

某露天礦鐵路運輸過程中，一列上坡行駛的列車的尾車連結(jié)器鉤舌斷裂，造成尾車沿披道下滑。由于調(diào)車員沒有及時采取制止車輛下滑措施，車速不斷增加。當尾車滑行列135站時，該站運轉(zhuǎn)員錯誤地將車放人上線。尾車進入上線后繼續(xù)滑行，經(jīng)過ll7站時該站運轉(zhuǎn)員束手無策。結(jié)果，尾車與前方的檢修車、移道機相撞，造成多人傷亡的事故。露天礦斷鉤跑車事故的事件樹分析選擇斷鉤跑車為初始事件，針對該初始事件有三種安全功能：調(diào)車員采取制動措施；

135站運轉(zhuǎn)員將尾車放人安全線；

117站運轉(zhuǎn)員將尾車放入安全線。露天礦斷鉤跑車事故的事件樹分析

調(diào)車員采取制動措施安全斷鉤跑車135站運轉(zhuǎn)員措施正確安全

117站運轉(zhuǎn)員采取措施安全調(diào)車員沒采取措施

135站措施錯誤

117站沒采取措施事故4.2系統(tǒng)危險性評價

4.2.1系統(tǒng)危險性評價原理及方法

通過對系統(tǒng)中存在的危險源及其控制措施的評價客觀地描述系統(tǒng)的危險程度，從而指導人們先行采取措施降低系統(tǒng)的危險性。系統(tǒng)危險性包括系統(tǒng)中存在的危險源導致事故的可能性及危險嚴重程度兩個方面。危險嚴重程度是對某種危險源導致事故所產(chǎn)生的最壞結(jié)果的評價，可以用人員傷亡、財產(chǎn)損失或設備損壞的最嚴重程度來度量。在涉及人員傷害時，常用傷害嚴重度來表示危險嚴重程度。

系統(tǒng)危險性評價方法相對的評價法和概率的評價法。相對的評價法：(1)利用安全系數(shù)或安全余裕來評價危險性。(2)根據(jù)同類系統(tǒng)或類似系統(tǒng)以往的事故經(jīng)驗指定分類等級。(3)評價者根據(jù)過去的經(jīng)驗和自己的見解指定一系列數(shù)值基準來評價危險性。危險性矩陣MIL-STD-882D

概率等級

嚴重度等級I致命的II危險的III臨界的IV可忽略的(A)經(jīng)常13713(B)可能25916(C)偶而461118(D)稀少8101419(E)不可能121517204.2.2生產(chǎn)作業(yè)條件的危險性評價

以被評價的作業(yè)條件與某些作為參考基準的作業(yè)條件之對比為基礎(chǔ)，指定各種評價因素以一定分數(shù)，最后按總的危險分數(shù)來評價其危險性。L—事故發(fā)生可能性分數(shù)

分數(shù)值事故發(fā)生可能性

10完全會被預料到

6相當可能

3不經(jīng)常，但可能

1完全意外，極少可能

0.5可以設想，但高度不可能

0.2極不可能

0.1實際上不可能E—人員暴露情況分數(shù)

分數(shù)值暴露于危險環(huán)境情況

10連續(xù)暴露于潛在危險環(huán)境

5逐日在工作時間內(nèi)暴露

3每周一次或偶然地暴露

2每月暴露一次

1每年幾次出現(xiàn)在潛在危險環(huán)境

0.5非常罕見地暴露C—危險嚴重程度分數(shù)

分數(shù)值可能結(jié)果

100許多人死亡

40數(shù)人死亡

15一人死亡

7嚴重傷害

3致殘

1需要治療危險性評價標準

分數(shù)值危險程度＞320極其危險，不能繼續(xù)作業(yè)160~320高度危險，需要立即整改

70~160顯著危險，需要整改

20~70比較危險，需要注意＜20稍有危險，或許可被接受例

工人每天都操作一臺沒有安全防護裝置的機械，有時不注意會把手擠傷，過去曾發(fā)生過造成一只手致殘的事故。事故發(fā)生的可能性：“相當可能發(fā)生”，L=6；工人每天都在這樣的條件下操作，E=6；可能結(jié)果：“致殘”，C=3。危險性分數(shù)：R=6×6×3=108顯著危險，需要整改。

危險性評價諾模圖

4.2.3概率危險性評價

以某種傷亡事故或財產(chǎn)損失事故的發(fā)生概率為基礎(chǔ)進行的危險性評價。一種定量的評價方法，以危險度作為危險性評價指標：危險度=事故發(fā)生概率×后果嚴重度概率危險性評價標準

危險度(每人每年死亡概率)可比事件危險程度對策10-3疾病死亡特別高立即采取對策10-4中等必須采取對策10-5游泳溺水一般采取措施10-6地震、天災很小注意預防10-7~10-8隕石傷人極小注意預防4.3故障樹分析

故障樹分析

從特定的故障事件(或事故)開始，利用故障樹考察可能引起該事件發(fā)生的各種原因事件及其相互關(guān)系的系統(tǒng)安全分析方法。本來是一種復雜系統(tǒng)可靠性分析方法。故障樹是演繹地表示故障事件發(fā)生原因及其邏輯關(guān)系的邏輯樹圖。因其形狀像一棵倒置的樹，并且其中的事件一般地都是故障事件，故而得名。4.3.1故障樹中的事件及其符號在故障樹中，事件間的關(guān)系是因果關(guān)系或邏輯關(guān)系，用邏輯門來表示。以邏輯門為中心，上一層事件是下一層事件產(chǎn)生的結(jié)果，稱為輸出事件；下一層事件是上一層事件的原因，稱為輸入事件。故障樹中的事件及其符號頂事件：被分析對象的特定故障事件，被畫在故障樹的頂端。基本事件：導致頂事件發(fā)生的最初始的原因事件，位于故障樹下部的各分支的終端。中間事件：處于頂事件與基本事件中間的事件，它們是造成頂事件的原因，又是基本事件產(chǎn)生的結(jié)果。

故障樹的事件符號

4.3.2邏輯門及其符號

邏輯與門：全部輸人事件都出現(xiàn)時輸出事件出現(xiàn)，只要有一個輸入事件不出現(xiàn)則輸出事件就不出現(xiàn)。邏輯或門：只要有一個或一個以上輸入事件出現(xiàn)則輸出事件就出現(xiàn)，只有全部輸入事件都不出現(xiàn)則輸出事件才不出現(xiàn)?？刂崎T：當滿足輸入事件的發(fā)生條件時輸出事件才出現(xiàn)，如果不滿足輸入事件發(fā)生條件時、則不產(chǎn)生輸出。條件門：把邏輯與門或邏輯或門與條件事件結(jié)合起來，構(gòu)成附有各種條件的邏輯門。

邏輯門符號

4.3.3故障樹的編制

目的在于找出導致頂事件發(fā)生的全部基本事件，弄清它們與頂事件之間的關(guān)系。

確定頂事件：選擇對系統(tǒng)有重大影響的故障事件或后果嚴重的事故為頂事件。找出造成頂事件發(fā)生的直接原因，并用恰當?shù)倪壿嬮T把這些作為原因的事件與頂事件聯(lián)結(jié)起來。自上而下依次畫出各故障事件的原因事件，直到找出全部基本事件為止?！芭潘收稀惫收蠘?/p>

4.4

故障樹的數(shù)學表達

4.4.1布爾代數(shù)及邏輯運算

邏輯和運算：對應于集合的“并”，記為“∪”或“＋”；對應于故障樹中的邏輯或門。邏輯積運算：對應于集合的“交”，記為“∩”或“·”；對應于故障樹中的邏輯與門。布爾代數(shù)的主要運算法則

冪等法則

交換法則

結(jié)合法則

分配法則

布爾代數(shù)的主要運算法則

吸收法則

對偶法則

4.4.2故障樹的布爾表達式把故障樹中連結(jié)各事件的邏輯門用相應的布爾代數(shù)邏輯運算表現(xiàn)，就得到了故障樹的布爾表達式。一般地，可以自上而下將故障樹逐步展開，得到其布爾表達式。故障樹的布爾表達式

計算頂事件發(fā)生概率

事件邏輯積的概率事件邏輯和的概率

概率函數(shù)

故障樹的布爾表達式故障樹的概率函數(shù)

4.4.3故障樹化簡在同一故障樹中，如果相同的基本事件在不同的位置上出現(xiàn)時，需要考慮故障樹中是否有多余的事件必須除掉.基本原理：布爾代數(shù)的冪等法則和吸收法則

故障樹化簡

（分配法則）（冪等法則）（吸收法則）4.5故障樹定性與定量分析故障樹定性分析：編制故障樹，找出導致頂事件發(fā)生的全部基本事件，求出最小割集合與徑集合，確定各基本事件的重要度，為采取措施防止頂事件發(fā)生提供依據(jù)。故障樹定量分析：計算頂事件發(fā)生概率，為概率危險性評價提供依據(jù)。4.5.1最小割集合與最小徑集合

割集合：能使頂事件發(fā)生的基本事件集合。最小割集合：其中任一基本事件不發(fā)生就會造成頂事件不發(fā)生，即割集合中包含的基本事件對引起頂事件發(fā)生不但充分而且必要。對于事故原因分析故障樹，最小割集合表明哪些基本事件組合在一起發(fā)生可以使頂事件發(fā)生，為人們指明事故發(fā)生模式。

最小割集合與最小徑集合徑集合：其中的基本事件都不發(fā)生就能保證頂事件不發(fā)生的基本事件集合。最小徑集合：其中包含的基本事件不發(fā)生對保證頂事件不發(fā)生不但充分而且必要。對于事故原因分析故障樹，它指明應該如何采取措施防止事故發(fā)生。

最小割集合求法

通過觀察可以直接找出簡單故障樹的最小割集合。

最小割集合求法把布爾表達式變換成基本事件邏輯積的邏輯和的形式，則邏輯積項包含的基本事件構(gòu)成割集合；進一步應用冪等法則和吸收法則整理，得到最小割集合。

最小割集合求法

最小徑集合求法

根據(jù)布爾代數(shù)的對偶法則

把故障樹中故障事件用其對立的非故障事件代替，把邏輯與門用邏輯或門、邏輯或門用邏輯與門代替，便得到了與原來故障樹對偶的成功樹。求出成功樹的最小割集合，就得到了原故障樹的最小徑集合。

最小徑集合求法

4.5.2基本事件重要度在故障樹分析中，用基本事件重要度來衡量某一基本事件對頂事件影響的大小。結(jié)構(gòu)重要度

概率重要度臨界重要度

1.結(jié)構(gòu)重要度

基本事件的結(jié)構(gòu)重要度取決于它們在故障樹結(jié)構(gòu)中的位置?？梢愿鶕?jù)基本事件在故障樹最小割集合(或最小徑集合)中出現(xiàn)的情況，評價其結(jié)構(gòu)重要度：在由較少基本事件組成的最小割集合中出現(xiàn)的基本事件，其結(jié)構(gòu)重要度較大；在不同最小割集合中出現(xiàn)次數(shù)多的基本事件，其結(jié)構(gòu)重要度較大。結(jié)構(gòu)重要度

第i個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：k——故障樹包含的最小割集合數(shù)目；m——包含第i個基本事件的最小割集合數(shù)目；Ri——包含第i個基本事件的第j個最小割集合中基本事件的數(shù)目。

結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度次序：最小割集合：結(jié)構(gòu)函數(shù)：2.概率重要度

g(q)——故障樹的概率函數(shù)；qi——第i個基本事件的發(fā)生概率。

2.概率重要度

故障樹的概率函數(shù)為：

假設各基本事件發(fā)生的概率為q1=0.01，q2=0.02，q3=0.03，q4=0.04，q5=0.05?；臼录1的概率重要度

概率重要度Ig(2)=0.02Ig(3)=0.049Ig(4)=0.031Ig(5)=0.01概率重要度次序Ig(1)＞

Ig(3)

＞Ig(4)＞

Ig(5)＞

Ig(2)3.臨界重要度