安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性分析

中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司　蘆　杉　章小強(qiáng)

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安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性分析

中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司蘆杉章小強(qiáng)

【摘要】結(jié)合可靠性理論及安防監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)，本文提出了一種安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性分析方法。應(yīng)用該方法對(duì)某安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析，建立了該系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖分析模型，分析計(jì)算了系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）與可用度，提出了提高該系統(tǒng)可靠性的改進(jìn)措施建議。本文提供的分析方法為安防監(jiān)控集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供了依據(jù)，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)水平起到了幫助。

【關(guān)鍵詞】安防監(jiān)控；平均故障間隔時(shí)間（MTBF）；可用度；故障樹

0　引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性愈來愈重視，迅速推動(dòng)了可靠性理論的發(fā)展，形成了可靠性建模、故障樹分析等一系列可靠性設(shè)計(jì)、分析方法，對(duì)提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的安全可靠性起到了很大幫助[1]。當(dāng)前，大規(guī)模的安防監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)正在公安、交通、工業(yè)等領(lǐng)域迅速開展。建立高可靠性的安防監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于預(yù)防打擊犯罪、維護(hù)社會(huì)治安、保證安全生產(chǎn)、保障財(cái)產(chǎn)及生命安全等具有重要意義[2]。

目前，安防監(jiān)控系統(tǒng)多采用集成管理模式，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將探測(cè)報(bào)警、門禁、視頻監(jiān)控、信號(hào)傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)很好地集成為一體，形成一套功能完整、界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)庫(kù)共享的安全防范體系。集成系統(tǒng)處理的所有信息均由管理軟件在控制中心的工作站上進(jìn)行集中圖形化顯示。因此，建立高可靠性的安防監(jiān)控集成系統(tǒng)對(duì)有效提升安防監(jiān)控系統(tǒng)的性能及有效性具有重要意義。結(jié)合系統(tǒng)可靠性建模及分析方法，本文給出了安防監(jiān)控集成系統(tǒng)的可靠性分析方法。

1　可靠性分析理論

1.1基本概念

可靠性是指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[3]?？煽啃岳碚撝袔讉€(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下：

（1）可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，通常記為R(t)。

（2）故障率：工作到t時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。

（4）可用度：表示可修復(fù)系統(tǒng)在規(guī)定條件下保持規(guī)定功能的能力，用A來表示：

1.2可靠性建模分析

系統(tǒng)的可靠性模型描述了系統(tǒng)及其組成單元之間的故障邏輯關(guān)系。工程中通常建立系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖模型，用以估計(jì)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的概率?？煽啃钥驁D由代表系統(tǒng)或功能的方框、邏輯關(guān)系連線及節(jié)點(diǎn)組成。

2　安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性分析方法

對(duì)安防監(jiān)控集成系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析是為了預(yù)計(jì)、估算系統(tǒng)及其各組成部分的可靠性參數(shù)，從而為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案、改進(jìn)系統(tǒng)性能提供技術(shù)支持。結(jié)合系統(tǒng)可靠性框圖建模方法及數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，建立安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性分析步驟，具體如下。

（1）確定此次可靠性分析基本任務(wù)；（通過分析安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性，計(jì)算系統(tǒng)可靠度、故障率、MTBF、可用度等參數(shù)，進(jìn)而確定系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)或采購(gòu)要求）；

（2）分析系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及信號(hào)接口等，為后續(xù)可靠性分析奠定基礎(chǔ)；

（3）確定系統(tǒng)故障的所有判別條件；

（4）確定可靠性分析的所有限制條件；

（5）建立該系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖分析模型，采用方框圖直觀表示所有單元間依賴關(guān)系；

（6）按照系統(tǒng)功能將已建好的任務(wù)可靠性框圖分析模型劃分為幾個(gè)虛單元；

（7）分步建立系統(tǒng)的任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型；（首先建立各虛單元的數(shù)學(xué)模型，再將其代入簡(jiǎn)化后的可靠性框圖中建立可靠性框圖數(shù)學(xué)模型。）

（8）通過需求分析，明確所需系統(tǒng)設(shè)備的可靠性參數(shù)類型，根據(jù)實(shí)際情況選擇適用的數(shù)據(jù)收集方法，獲取所需的服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)控制器等設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理；

（9）運(yùn)用故障樹分析等方法分析計(jì)算系統(tǒng)的MTBF、可用度等參數(shù)；

（10）分析結(jié)果，判別其是否滿足設(shè)計(jì)或采購(gòu)要求，提出提高系統(tǒng)可靠性的措施建議。

3　實(shí)例分析

3.1確定分析任務(wù)

此次可靠性分析的主要任務(wù)是估算系統(tǒng)MTBF及可用度（A），提出改進(jìn)措施建議。

3.2系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　某安防監(jiān)控集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

探測(cè)報(bào)警信號(hào)通過8個(gè)報(bào)警控制器接入系統(tǒng)；出入口識(shí)別及控制信號(hào)通過12個(gè)門禁控制器接入系統(tǒng)；攝像機(jī)視頻通過14個(gè)編碼器接入系統(tǒng)。報(bào)警控制器、門禁控制器、編碼器通過接入交換機(jī)接入局域網(wǎng)。集成服務(wù)器為各子系統(tǒng)提供服務(wù)；視頻服務(wù)器用于錄像存儲(chǔ)管理；存儲(chǔ)單元用于視頻及其他信息存儲(chǔ)；管理工作站負(fù)責(zé)系統(tǒng)日常管理；匯聚及核心交換機(jī)均為冗余設(shè)置。系統(tǒng)電源均經(jīng)由UPS供電，柴油發(fā)電機(jī)冷備用。

3.3系統(tǒng)故障定義

凡影響到系統(tǒng)正常供電、前端設(shè)備正常工作，以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)、系統(tǒng)服務(wù)與管理等功能正常完成的事件均為系統(tǒng)故障事件。

3.4確定限制條件

假設(shè)軟件系統(tǒng)、人員及傳輸線路是完全可靠的；假設(shè)旁聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換裝置以及表決系統(tǒng)表決器的可靠度均為1。

3.5建立任務(wù)可靠性框圖

分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，建立系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖如圖2所示：

圖2　某安防監(jiān)控集成系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖模型

表1　可靠性框圖中代碼含義

圖2中代碼如表1所示。

3.6建立任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型

（1）虛單元1：

（2）虛單元2：

（3）虛單元3：

（4）虛單元4：

（5）系統(tǒng)總的可靠度與故障率分別為：

3.7獲取設(shè)備可靠性參數(shù)

查詢?cè)O(shè)備手冊(cè)或咨詢廠家得設(shè)備的MTBF以及平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）如表2所示。

3.8定量計(jì)算

（1）系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間（MTBF）計(jì)算

按照數(shù)學(xué)模型計(jì)算得電源、前端設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備及服務(wù)器四部分的故障率分別為0.01383次/年、0.7076次/年、0.0902次/年、0.0440次/年，系統(tǒng)總故障率為0.8556次/年，系統(tǒng)MTBF為426.59天（10238.16小時(shí)）。

表2　設(shè)備可靠性參數(shù)表

（2）系統(tǒng)可用度（A）計(jì)算

已知系統(tǒng)各部分可用度，利用故障樹分析法可以得到系統(tǒng)總可用度。用或邏輯將任一部分失效會(huì)導(dǎo)致上一級(jí)失效的所有部分的不可用度加起來，用與邏輯將只有所有部分都失效才會(huì)導(dǎo)致上一級(jí)失效的所有部分的不可用度乘起來，根據(jù)這樣的原則從底部向上依次構(gòu)造故障樹，得到系統(tǒng)總不可用度。根據(jù)可靠性模型建立失效故障樹，部分如圖3所示。

圖3　某安防監(jiān)控集成系統(tǒng)失效故障樹示例

應(yīng)用故障樹下行分析法計(jì)算得電源、前端設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備及服務(wù)器四部分的不可用度依次為1.4360×10-8、1.9487×10-3、3.9898×10-4、6.5383×10-8，系統(tǒng)總不可用度為2.3478×10-3，系統(tǒng)總可用度為99.77%。

3.9結(jié)果分析

（1）系統(tǒng)MTBF為10238.16小時(shí)，可用度為99.77%，滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行可靠性要求。

（2）對(duì)系統(tǒng)可靠性影響程度由大到小依次為前端設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、服務(wù)器、電源設(shè)備。

3.10改進(jìn)措施建議

（1）由于系統(tǒng)前端的報(bào)警控制器、門禁控制器、視頻編碼器等設(shè)備數(shù)量較多，且在可靠性框圖中均呈串聯(lián)組合，因此，前端設(shè)備對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響最大。工程中應(yīng)選擇可靠性較高的前端設(shè)備，必要的情況下應(yīng)考慮前端設(shè)備的冗余備份。

（2）分析計(jì)算未考慮軟件系統(tǒng)、傳輸線路等因素對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性的影響。因此，工程中應(yīng)選擇穩(wěn)定性高、安全性強(qiáng)、操作界面簡(jiǎn)潔的軟件系統(tǒng)；應(yīng)保證電纜敷設(shè)的施工質(zhì)量，避免由于傳輸線路中斷而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。

4　結(jié)論

本文給出了一種安防監(jiān)控集成系統(tǒng)可靠性分析方法，應(yīng)用該方法能夠?qū)Π卜辣O(jiān)控集成系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析計(jì)算，得出系統(tǒng)可靠度、MTBF、可用度等可靠性參數(shù)。進(jìn)行結(jié)果分析可得出對(duì)系統(tǒng)可靠性影響較大的因素，進(jìn)而采取必要的改進(jìn)措施，如：選取高可靠性的控制器、工作站、服務(wù)器等設(shè)備；對(duì)關(guān)鍵設(shè)備如核心交換機(jī)、電源等采取必要的冗余備份措施；對(duì)傳輸電纜、光纜等采取必要的保護(hù)措施等。本文給出的分析方法能夠?yàn)樘岣甙卜辣O(jiān)控系統(tǒng)的可靠性水平提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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[3]曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M],北京,國(guó)防工業(yè)出版社,2011,4.

蘆杉，碩士，現(xiàn)供職于中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，研究方向：安防監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與工程設(shè)計(jì)。

章小強(qiáng)，碩士，現(xiàn)供職于中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，研究方向：安防監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與工程設(shè)計(jì)。

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