（计算机应用技术专业论文）建筑自动化系统可靠性设计方法研究.pdf

摘要 计算机技术、通信技术、电子技术的进步，带来了建筑自动化技术的迅速发 展。该技术主要是以提供一个既安全可靠、节约能源又舒适宜人的工作或居住环 境为目标，实现对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制。 实际工程中，许多建筑自动化系统( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，简称b a 系统) 运行效率不高，故障发生频繁，维修成本高，这些都直接影响到用户的人身财产安 全。b a 系统低效运行的主要原因是它的可靠性设计有所欠缺而影响了它的性能发 挥。 为了提高b a 系统可靠性，本论文围绕队系统的可靠性设计方法这一关键问题， 以重庆市教委科学技术研究项目“基于非线性理论的复杂系统故障预测理论及应 用研究 以及重庆市自然科学基金项目“复杂系统的网络化智能故障预测理论及 应用研究 为背景，对b a 系统可靠性分析和设计理论进行了深入的研究与讨论。 论文主要研究成果包括： ( 1 ) 深入分析b a 系统应用现状及结构特点，剖析系统可靠性存在的薄弱环节， 确立系统可靠性指标，以可靠性框图分析法为依据建立b a 系统可靠性框图，得到 系统的可靠性模型。 ( 2 ) 结合集对分析联系数理论和故障树方法提出一种b a 系统可靠性分析方法。 首先通过比较分析常用可靠性分析方法选择适合队系统特征的故障树分析法。然 后针对b a 系统的很多设备从可靠到失效存在中间过渡现象，引入“中介可靠性 概念，将系统或部件常介于故障与非故障之间的状态体现出来，并运用集对分析 联系数表达故障树的事件，建立基于集对分析联系数的故障树模型。最后从定量 和定性两方面对系统可靠性问题进行了分析研究。实例表明这一模型能方便得出 系统可靠性存在的欠缺，便于有效管理和监测系统设备的可靠性，从而有效提高系 统可靠性。 ( 3 ) 研究常用可靠性分配方法优缺点，提出一种基于灰色关联理论的a g r e e 分 配方法。针对传统a g r e e 分配方法在确定单元重要度因子方面存在的不足，运用 灰色关联分析方法求得各单元与系统失效率序列之间联系紧密程度，作为可靠性 分配中的重要度因子，结合传统a g r e e 分配方法完成b a 系统的可靠性分配。实例 表明了该方法的可行性以及便于工程计算的特点。 最后根据分析及分配情况给出冗余设计等可靠性改进设计方法，并对全文的 研究工作进行了总结，并指出了b a 系统可靠性设计进一步研究的方向。 关键字：可靠性设计，可靠性分析，b a 系统，可靠度，故障树分析法，a g r e e a bs t r a c t a sc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a v eb e i n g d e v e l o p e dr a p i d l y , t h eb u i l d i n ga u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi sp r o g r e s s i n gs u b s e q u e n t l y t h eb u i l d i n g a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yw a sm o s t l yu s e dt om o n i t o ra n dc o n t r o le q u i p m e n t sa b o u te n e r g yr e s o u r c e s ， e n v i r o n m e n t , t r a f f i ca n ds e c u r i t yo ft h ei n s i d eo fb u i l d i n g s ，i no r d e rt oc r e a t eas a f e ，s a v i n ga n d c o m f o r t a b l ee n v i r o n m e n tf o rj o ba n dl i f e h o w e v e r , b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mh a ds o m es t a t eo f r u n n i n gi n e f f i c i e n t , f r e q u e n tf a u l t s ，h i g hc o n s u m p t i o nf o rm a i n t e n a n c ei na c t u a le n g i n e e r i n g i tm u s t h a v eb e e nb r o u g h tad i r e c te f f e c to fu s e r sp e r s o n a lp r o p e r t ys e c u r i t y t h ei n e f f i c i e n tw o r ko fb a s y s t e mi sd u et oi t sd e f e c t i v er e l i a b i l i t yd e s i g n , w h i c ha f f e c t si t sp e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v eb as y s t e mr e l i a b i l i t y , b a s e do nt h eb a c k g r o u n do f t h es t u d yo ff a u l t f o r e c a s tt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o nf o rc o m p l i c a t e ds y s t e mb a s e do nn o n l i n e a rt h e o r y g r a n t e db y c h o n g q i n ge d u c a t i o nc o m m i t t e ef o u n d a t i o na n d t h es t u d yo ff a u l t f o r e c a s tt h e o r ya n di t s a p p l i c a t i o nf o rc o m p l i c a t e ds y s t e mb a s e do nn e t w o r ka n di n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y ”g r a n t e db y c h o n g q i n gn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，r e l i a b i l i t yd e s i g nm e t h o d so nb u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e mw a sk e p ta sak e yp r o b l e mi nw h o l ep a p e ra n dt h et h e o r yo fb as y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i s a n dd e s i g nh a sb e e nr e s e a r c h e da n da n a l y z e di nd e p t h t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h ep a p e ra r ea s t h ef o l l o w s ： ( 至) a p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n ds t r u c t u r ec h a r a c t e ro fb as y s t e ma sw e l la sw e a kp a r to fb as y s t e m r e l i a b i l i t yw e r ea n a l y z e di nd e p t h b a s e d0 nt h a t , r e l i a b i l i t yi n d e x e sw e r eg i v e n b as y s t e m r e l i a b i l i t yd i a g r a mw a sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h em e t h o do fr e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a m t h u sb a s y s t e m sr e l i a b i l i t ym o d e lw a s b u i l t an e wm e t h o do fb as y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sw a sp u tf o r w a r db a s e do nc o n n e c t i o n n u m b e ro fs e tp a i ra n a l y s i sa n dv i a f i r s t l y , t h r o u g hc o m p a r i n gc o m m o nm e t h o d so fr e l i a b i l i t y a n a l y s e s ，f t am e t h o dw a ss e l e c t e d ，w h i c hi sf i t t e rf o rb as y s t e mt h a no t h e r s a d d i t i o n a l l y , a si ti s e x i s t e n tt h a tal o to fe q u i p m e n t sh a v ea ni n t e r m e d i a t es t a t eb e t w e e nr e l i a b l ea n di n e f f i c i e n t , t h e c o n c e p t i o no fi n t e r m e d i a t ep r o b a b i l i t yw a si n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h eb as y s t e mr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm o d e lw a sb u i l tu s i n gt h em e t h o do fc o n n e c t i o nn u m b e ro fs e tp a i ra n a l y s i st os h o w e v e n t so ff a u l tt r e e a tl a s t , t h er e s u l to fs y s t e mr e l i a b i l i t ys t a t ew a sf i n i s h e db yu s i n gq u a l i t a t i v e a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s e sm e t h o d s at r u ee x a m p l es h o w e dt h a tt h em o d e li s e a s yt of i n dt h e w e a k n e s so fs y s t e m s oa st ot a k em a n a g e m e n ta n dm e a s u r ee q u i p m e n t sr e l i a b i l i t ye f f e c t i v e l yt o i m p r o v et h es y s t e mr e l i a b i l i t y t h r o u g hs t u d y i n go nt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fc o m m o nr e l i a b i l i t ya l l o c a t i o n m e t h o d s ，an e wa g r e em e t h o dc o m b i n e dw i t ht h eg r e yr e l a t i v et h e o r yw a sb r o u g h tf o r w a r d s i n c e t r a d i t i o n a la g r e em e t h o dh a sas h o r t a g ew h e nc o n f i r m i n gt h ei m p o r t a n c ef a c t o ro fe v e r yu n i t , t h e p a p e rg o tt h ea s s o c i a t i o nd e g r e eo ff a i l u r er a t es e q u e n c eb e t w e e ne v e r y u n i ta n ds y s t e m ，b yu s i n gt h e a g r e em e t h o da n dr e g a r d i n gg r e yr e l a t i v ea n a l y s i sm e t h o da st h ei m p o r t a n c ef a c t o r f i n a l l y , i m p r o v e da g r e em e t h o dw a su s e dt oc o m p l e t et h eb as y s t e mr e l i a b i l i t ya l l o c a t i o n a ni n s t a n c e s h o w e dt h a tt h em e t h o da d a p t st oc o m p u t ei ne n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fa n a l y s i sa n da l l o c a t i o n , m a n yr e l i a b i l i t ya p p r o v e dd e s i g nm e t h o d s w e r eg i v e n , s u c ha sr e d u n d a n c yd e s i g na n ds oo i la tt h ee n do fp a p e r , a l lr e s e a r c hw o r kw a s s u m m e du pa n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o na b o u tb as y s t e mr e l i a b i l i t yd e s i g nw a si n d i c a t e d k e yw o r d s ：r e l i a b i l i t yd e s i g n ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，t h er a t eo f r e l i a b i l i t y ，f a u l tt r e ea n a l y s i s ，a g r e e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 茜、前寸磅 日期： 汐卜年月侮日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 誊1 可磅 日期：矽f 年午月c ge l 指导教师签名 日期：7 0 - 年￥月f 了日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：奎讯琴 日期：如f o 年年月f 子日 獬：彭磬 日期：砷。年f 月f r 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 随着我国城市化进程的推进，城市建设规模不断扩大，大型公共建筑的数量 也越来越多，建筑方面的能耗在整个社会总能耗中所占的比例将随之增大。据相 关资料介绍，一栋办公楼的能源消耗，冷暖空调约占总能耗的4 7 2 ，照明约占 总能耗的3 2 3 ，输送约占总能耗的2 0 5 。因此，要实现建筑物内节能就 必须针对建筑物使用过程中的供暖通风、空调、照明、输送等方面的能耗进行控 制，特别是暖通空调和建筑照明的节能潜力最大。建筑设备自动化系统( b u i i d i n g a u t o m a ti o ns y s t e m ，简称b a 系统) 无疑是当今社会节能减耗的一大有效途径，它 的高效应用能在很大程度上满足当前社会对建筑设备节能减耗的要求。 队系统是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m s ) ，它用分布在现场被控设备处的微型计算机控制装置( d d c ) ，完成对建 筑物内设备的实时检测和有效控制，降低管理成本，节约能源。该系统主要包括 冷热源系统，新风机组系统，送排风系统，给排水系统，变配电系统，照明系统， 电梯系统等子系统。系统的任何一个关键系统出现差错或停机将造成很大的影响 和经济损失，甚至会伤害到用户的人身财产安全。因此，无论从节能角度考虑， 还是从安全角度考虑，在设计系统时，必须确保建筑自动化系统及其子系统能可 靠、实时有效地工作，以提高建筑物管理效率和综合服务功能，实现最佳过程控 制自动化，实现集中、节能的设备管理自动化口。 有调查显示，一个设计成功、运行良好的b a 系统一年能节能3 0 左右，但是 市场现运行的b a 系统中有近7 0 9 6 以上的达不到这个效果，更有3 5 的b a 系统在 使用若干年后，因发生故障无法修复而被废弃。导致目前这种现状多是由于系统 设计不足够完善或者是系统可靠性没有达到要求，进而影响了它的性能发挥，导 致系统故障发生频繁，维修成本高昂1 。为了保障系统安全有效运行，避免或减 少由于潜在故障可能造成的经济和社会损失，节约维修成本，最大程度上发挥b a 系统在节能降耗方面的优势，要求在系统设计阶段充分考虑可靠性问题，要求设 计人员能深入了解现行系统的安全可靠性程度，分析可能造成系统故障的各种因 素，总结经验，将相关可靠性设计方法应用在系统设计过程中，从而保证b a 控制 系统的长久有效性和安全性呻1 。 本论文即是从这一背景出发，旨在研究b a 系统可靠性设计方法，建立b a 系 统可靠性模型，提出b a 系统可靠性设计原则和有效设计方法，为b a 系统的工程 设计提供参考依据，推动可靠性理论在控制系统领域( 尤其是弱电领域) 的应用 发展。提高b a 系统的可靠性、灵活性和扩展性可以帮助节约系统维修成本，为系 2 第一章绪论 统可持续发展奠定基础。只有可靠性得到了保障，队系统才能充分发挥它的职能 作用，降低管理成本、环境保护和节约能源，为用户创造一个高效、节能、舒适、 高性能价格比、温馨而安全的办公、休闲、娱乐环境。论文研究的成果可以广泛 应用于弱电工程方案设计实践，具有重要的研究价值和商业应用价值。 1 2 可靠性概述 1 2 1 可靠性工程概述j 伽 可靠性理论自提出至今已有七十余年的发展历程，它是研究产品全寿命过程 中故障发生的原因及发展规律，有针对性地降低产品故障率，提高产品质量的工 程技术。 可靠性工程是对产品或系统的失效及其发生的概率进行统计、分析，对产品 或系统进行可靠性设计、可靠性试验及评估、可靠性控制、可靠性维修及失效分 析的一门包含了许多工程技术的边缘工程学科。具体来说，可靠性工程提供了理 论工具，使产品整个系统或零部件在规定的环境下、规定的时间内执行其规定的 功能，同时可靠性工程也提供了相应的方法，使企业以有竞争力的价格水平获得 产品或系统最优的可用性与安全性。 可靠性工程是一项全面的工作，在可靠性技术出现之前，人们只凭经验或事后 试验，或将产品置于现场使用到用坏为止，来考察产品的可靠性和稳定性，事前 对产品本身的固有可靠性能否达到指标要求存在着很大的盲目性，而可靠性技术 就是研究通过可靠性设计、试验、控制、预测和综合的一门工程学科。它研究的 内容包含了电子的和机械的、零件部件组件的和整机系统的、硬件的和软件的可 靠性设计、可靠性分析、可靠性试验和可靠件验证。 1 2 2 可靠性工程国内外研究现状n 仉川 可靠性的概念最早来源于航空领域。1 9 3 9 年，美国航空委员会提出了飞机事 故率的概念，这是最早的可靠性指标。在二次世界大战后期，德国火箭专家 r l u s s e r 首次提出系统可靠性的基本理论，用串联系统可靠性乘积定律，算出v l l 型火箭的可靠度达到目的7 5 ，从而定量的表达出产品的可靠性。研究报告军用 电子设备可靠性，就是著名的“a g r e e 报告，从9 个方面阐述了可靠性设计、试 验等方法和程序，确定了美国可靠性工程发展方向，成为可靠性工程发展的奠基 性文件。5 0 年代起，苏联政府及有关部门也关注起可靠性问题，科学界出现大量 相关论著。n 6 0 年代，可靠性设计在航空和航天工业，尤其在航空电子系统中得 到广泛应用并迅猛发展。日本在1 9 5 6 年从美国引进可靠性技术，并将可靠性技术 推广应用到民用工业部门，取得了很大成功，大大地提高了其产品的可靠度，如 汽车、家电产品等，带来了巨大的经济效益。另外，英、法、意及东欧一些国家 第一章绪论 在6 0 年代初开始进行一些可靠性研究工作。此时的可靠性技术在全面的兴起和发 展着。9 0 年代开始，可靠性研究进入国际化时代，可靠性学科引起国际上各国的 重视。可靠性研究从数理统计发展到失效机理的研究，形成了可靠性实验方法及 数据处理方法，建立了可靠性管理机构，并出台一系列可靠性标准，可靠性教育 也更加普及。 国内可靠性技术研究起步较晚，我国最早是由电子工业部在6 0 年代初进行了 可靠性评估的开拓性工作。7 0 年代中期我国电子、机械、仪表、邮电、航天、航 空、电力、三军等系统陆续开展了可靠性工作。1 9 8 5 年国防科工委颁发的航空 技术装备寿命和可靠性工作暂行规定，是我国可靠性工程全面进入工程应用和系 统发展阶段的一个重要标志。之后，各有关工业部门、军方越来越重视可靠性管 理，加强可靠性信息交流，可靠性设计与分析技术进一步促进了我国可靠性理论 和工程应用的深入研究，在电子产品设计等方面不同程度运用了可靠性技术。可 靠性学术活动也日益活跃，可靠性研究机构、专业学术组织相继成立。例如：中 国赛宝实验室( 信息产业部电子第五研究所，c e p r e i ) 可靠性研究分析中心( r a c ) ， 它是按国际标准i s 0 1 7 0 2 5 管理和运行的国家级重点实验室，并通过了国家实验室 认可委员会( c n a l ) 的评审认可。r a c 是目前国内最据实力的可靠性物理研究与相 关应用技术开发基地，中心主要开展微电子和元器件的失效机理及其数理模型研 究，电子元器件( 组件) 工艺质量分析、可靠性增长和可靠性评价方法研究，失 效分析新技术、加速试验和筛选技术和可靠性设计与模拟仿真技术等研究。随着 人们对可靠性重要性的认识程度不断提高，可靠性理论的应用领域逐步扩大，可 靠性工程已深入到各行各业，为众多行业的发展带来巨大效益，同时也渐渐成为 各行业不可分割的一部分。 大半个世纪以来，可靠性技术的发展已经取得了巨大的成就。首先是在观念 上的改变，从无到有，从轻视到重视；其次是电子元器件可靠性每年以2 0 的速度 在提升以及计算机辅助可靠性分析设计的使用、可靠性参数与指标体系的完善。 可靠性工程在各领域的发展呈现以下趋势：重视用户的需求，越来越深入不同的 专业领域，需要与其它学科一起综合设计来完成对可靠性的要求；注重工程及使 用经验，重视可靠性及可维修性( r & m ) 定性设计；可靠性与质量的关系越来越密切； 对人机可靠性的研究：重视可靠性教育及学术交流；等等。 控制系统是可靠性工程的重要应用领域，随着科学技术的发展，尤其是相关 领域对于高新控制技术的需求，使控制系统变得日益庞大，如何提高系统的安全 性、可靠性和有效性成为一个亟需解决的关键问题。 1 3 可靠性设计概述m 1 4 第一章绪论 可靠性设计是综合众多学科成果，以解决产品可靠性为出发点的一门应用性 工程学科。它是可靠性工程的一个重要分支，因为系统的可靠性在很大程度上取 决于设计的正确性。系统可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计入手来解决 系统的可靠性，以改善对各个单元可靠度( 表示可靠性的概率) 的要求。可靠度的分 配是可靠性设计的核心，它是将系统规定的容许失效概率合理地分配给该系统的 零部件。 1 3 1 可靠性设计的目的和任务 可靠性设计的目的就是在综合权衡性能、可靠性、费用和时间等因素的基础 上，通过采用相应的可靠性设计技术，使产品或系统在寿命周期内符合规定的可 靠性要求。 可靠性设计的重要任务是从开始就设法使系统在规定的使用条件下，在规定 的使用时间内，完成规定任务。目的是在最低费用的基础上，使系统在设计上达 到要求的性能、可靠性和费用之间综合平衡，并最大限度地达到和提高系统的固 有可靠性。可靠性设计一般有两种情况：一种是按照给定的目标进行设计，通常 用于新产品或系统的研制和开发；另一种是针对现有定型产品或系统的薄弱环节， 应用可靠性的设计方法加以改进、提高，达到可靠性增长的目的。 1 3 2 可靠性设计的基本原则 为了保证所设计的产品或系统达到预定的可靠性要求，从事可靠性设计和工 程设计的工程技术人员，在设计过程中应遵循以下基本原n - 可靠性设计应有明确的可靠性指标及可靠性评估方案； 可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节，在满足基本功能的同时。全 面地考虑影响可靠性的各种因素； 应针对系统、部件、元器件故障或失效的表现形式进行设计，最大限度地 消除或控制产品在寿命周期内可能出现的失效模式； 设计时，应在继承成功经验的基础上，积极采用先进的设计原理和可靠性技 术，但在采用新技术、新型元器件、新工艺、新材料之前，都必须经过试验，并充 分论证其对可靠性的影响； 设计系统的可靠性时，应对系统各组成设备性能、可靠性、费用、时间各方 面进行最佳权衡。 1 3 3 可靠性设计的主要内容 可靠性设计是整个系统设计工作中的一个重要组成部分，与其它功能设计相 辅相成，通过功能设计可初步确定系统的功能与结构，运用可靠性设计，对系统 的可靠性进行分析、评价和改进，使系统功能设计更趋于完善。可靠性设计的内 容涉及很多方面，概括起来主要有以下四类内容： 第一章绪论 研究系统的失效机理并建立可靠性模型： 搜集、分析与掌握该种系统在工程使用过程中失效的有关数据及组成单元的 初始性能；总结导致系统失效的众多因素；研究以时间函数形式表达的单元和系 统失效的规律，从而较确切地估计系统在使用条件下的状态和寿命。研究系统结 构特征及各单元所起的作用，对系统功能的影响，建立计算用的可靠度模型，为 可靠性设计奠定数学基础。 确定系统的可靠性指标： 选取何种可靠性指标取决于系统的类型、设计要求等，常用的控制系统可靠 性指标有：可靠度，失效率，平均无故障工作时间等等。 合理分配系统的可靠性指标值： 将确定的系统可靠性指标的量值合理地分配给系统的组成单元，分配的方法 可根据组成单元的复杂度以及相对于系统的重要度等等因素决定。 以规定的可靠性指标为依据对单元进行可靠性设计： 把规定的可靠性指标值直接设计到系统组成当中，使它们能够保证可靠性指 标值的实现。 1 4 论文的研究内容及安排 1 4 1 论文的研究内容 本论文主要研究内容是可靠性设计技术在建筑设备自动化系统中的应用，针 对某b a 系统的可靠性设计方法进行研究。概括起来，具体研究内容如下： 研究b a 系统可靠性存在的问题，确定系统可靠性指标。研究b a 系统功能 原理、特点以及系统工作运行状况，分析系统内在的元件失效、环境影响、人为 失误以及程序处理等软硬件因素与系统失效之间的关系，确定系统的可靠性指标。 建立b a 系统可靠性模型。分析b a 系统结构及工作原理，建立系统可靠性 物理模型，并表示出系统及其单元之间的可靠性逻辑关系和数量关系，得出系统 可靠性数学模型。 对b a 系统进行可靠性分配，完成可靠性设计。采用合理方法分析系统可靠 性，将分析结果与可靠性指标要求比较，进行可靠性分配，确定系统和组成部分 的可靠性定量要求。在可靠性分配的过程中发现系统可靠性薄弱环节，分析影响 因素，研究可靠性设计的措施，进行系统可靠性设计。 1 4 2 论文的组织结构 本论文共分七章，具体安排如下： 第一章综述了论文的研究背景和意义，同时概述可靠性工程及其发展现状， 并进一步阐述可靠性设计的方法、内容以及设计基本原则。 6 第一章绪论 第二章概述了b a 系统的概念，详细介绍了队系统国内外研究现状，并重 点描述了b a 系统的组成结构及各子系统功能情况。 第三章简介了可靠性指标的概念，结合b a 系统结构特征确立了系统可靠性 指标，建立了系统可靠性模型。 第四章介绍了可靠性分析的概念及常用方法，运用f t a 分析方法对b a 系统 可靠性进行定性定量分析，并确定系统可靠性的重要件和关键件。 第五章主要介绍了常用的可靠性分配方法，重点结合灰色关联理论运用 a g r e e 分配方法对b a 系统进行可靠性分配，联系可靠性分配原则检验分配结果。 第六章结合前面可靠性分析及分配结果运用冗余设计、抗干扰等方法对b a 系统进行可靠性改进设计。 第七章为结束语，对论文工作进行全面总结，并对未来研究提出展望。 第二章b a 系统发展现状及功能 7 第二章b a 系统发展现状及功能结构 2 1 队系统概述h 3 j 帕 b a 系统( b u ll d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，建筑设备自动化系统) 综合运用计算 机、控制、通讯和图形显示等技术，以对建筑物内所有的机电设施一空调、采暖、 供电配电、照明、给水排水、电梯、消防、安防等系统设备进行集中监视、分散 控制、统一管理为目的而构成的综合系统。队系统是智能建筑系统的重要组成部 分，它的建立保证了建筑物内有关设备的节能、高效、可靠、安全运行。 现代建筑设备日趋高性能、大型化、信息化，其能源消耗和维修更新费用是 建筑物建成后的主要投入，据统计，冷热源、空调以及照明设备的能耗占建筑物 能耗的七成以上。b a 系统正是针对这些能耗设备，利用先进的计算机技术，采用 最优台数控制、最优时间控制、最佳照度、压力、温度控制等综合节能措施，有 效地控制和降低设备能耗。另外，由于节能控制方式能有效减少设备的运行时间， 降低设备的磨损和故障率，最大延长了设备的使用寿命，从而间接减少了设备维 护和更新的费用。 b a 系统对建筑内相关机电设备状态能进行自动检测和跟踪，自动搜集、处理 设备的各种运行信息，及时向物业提供设备维护和更新信息，从而有效地维持设 备功能，减少设备事故发生率，使物业较好地保值。另一方面，通过b a 系统的自 动管理和控制，极大地减轻了人为管理的劳动强度，可以有效地节约人力资源， 降低物业管理支出，达到物业增值的作用。因此，良好的队系统，不但能有效降 低设备运行和维护费用，还能实现完美的物业设施管理目标，最大限度地发挥设 备的投资效益。据实验数据统计，一个良好运作的b a 系统，至少一年可以为建筑 节省2 0 - 3 0 的用电能耗。一套设计合理、运行正常的b a 系统可通过能源和维护成 本的节约在3 - 5 年内收回投资。现代建筑的运行管理工作十分复杂，良好的经营 管理和维护能让建筑物保值、增值。 2 2 队系统国内外研究现状及应用 2 2 1b a 系统技术研究现状钉 早在1 9 世纪，欧洲与美国就出现了机械或电气控制器，用来实现对建筑的采 暖、通风、电力等设备进行控制。随着科学技术的进步，到2 0 世纪中叶，电子仪 表型产品逐渐替代了这些控制产品，且功能已达到相当完善的水平，即为最早的b a 系统。2 0 世纪6 0 年代，计算机集中控制系统在b a 系统中得到广泛的应用，使 b a 系统的发展迈入真正的智能化时代。2 0 世纪8 0 年代，计算机网络技术得到长 足发展，b a 系统又进入了计算机集中管理分散控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o l 8 第二章b a 系统发展现状及功能 s y s t e m ，d c s ) 阶段，此时，这就是我们真正接触到的d c s 版的队系统。2 0 世纪 9 0 年代，随着大规模集成电路的发展以及微处理器成本的下降，智能控制器逐渐 应用于现场设备了，使现场总线技术出现并迅速应用于队系统中，它使b a 系统 控制更分散、系统更可靠。2 l 世纪，由于i n t e r n e t 得到迅速发展，计算机网络技 术、数据库技术在b a 系统中得到应用，b a 技术发展到网络集成系统时代。对b a 系统的发展经历追根溯源，可以归纳为以下几个阶段n 町： p c s ( p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 气动控制系统阶段：这就是早在十九世纪 出现的，p c s 是简单的就地操作模式，其基于5 - 1 3 p s i 的气动信号标准。至此，控 制理论初步形成，但无控制室概念。 廷) a c s ( a n a l o gc o n t r o ls y s t e m ) 模拟控制系统阶段：上个世纪早期形成的a c s 基于o m a - l o m a 或4 m a - 2 0 m a 的电流模拟信号标准，其特点是以电气替代气动奠定 了现代控制论的理论基础，确立了控制室的概念，使其与控制对象功能分离。 c c s ( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 计算机控制系统阶段：上个世纪6 0 年代开 始，计算机技术在控制领域中应用，其特点是在控制过程中实行集中控制，建立中 央计算机系统，信号传输系统大部分沿用4 m a - 2 0 m a 模拟信号。集中控制增加了系 统失控甚至瘫痪的危险，可靠性较差。 ( d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集散控制系统阶段：使用微处理器变集 中控制为分散控制，一定程度上解决了c c s 可靠性较差的问题。一般由几台计算 机和一些智能仪表和智能部件构成一个控制系统，功能分散。信号传输有4 m a 一 2 0 m a 的模拟信号，也有数字化信号。 f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线控制系统阶段：f c s 采用现场总线 控制系统实现从分散控制到现场控制。数据传输采用总线方式，其特点是数字化程 度高，总线上传送的信号全部为数字信号，资源可共享。 目前，队系统结构已基本稳定，形成控制和管理两个层次，控制层以d c s 、 f c s 为系统结构，管理层以信息网络( 以太网、b a c n e t i p 网) 为体系，随着网络技 术的发展，b a 系统正在寻求实现控制层、管理层完全统一的途径和方法，以最终 达到管、控一体化的目标。 经过几十年的发展，国外已形成很多成熟的b a 系统品牌，如：美国的江森自 控、i b m 、朗讯科技和h o n e y w e l l 等等。目前，在国内己经投入运行的与在建工程 的b a 系统，大部分都是国外产品，由于中国队系统市场容量大而且是个开放的 市场，因而全世界b a 系统设备级制造商都蜂拥而至。从市场占有率来看，主要有 美国、英国、瑞典、瑞士以及亚洲的日本、韩国、新加坡等地区和国家的公司。 国内在建筑自动化系统的理论研究和相关科技产品开发上一直未能得到足够 的重视和发展，对其认识也停留在国外的研究成果上。专业学术刊物很难见到符 第二章队系统发展现状及功能 9 合中国国情的、有深度的文章，专业理论著作更是凤毛麟角。国内较有业绩的b a 系统制造商唯有清华同方公司，他们以对空调技术的深刻认识和较高的性价比在 市场中为国人争得了点面子。 2 2 2 队系统的应用现状 b a 系统的应用从优化控制结构b a 系统出现到现在已经有三、四十年的历程了。 1 9 8 4 年，美国诞生世界上第一幢智能大厦以来，智能建筑总数已超过万座，据统 计，美国新建和改建的办公楼7 0 为智能建筑。日本从1 9 8 5 年开始建造智能建筑， 新建的大厦中6 0 为智能建筑。欧洲一些国家和亚洲的新加坡、韩国、泰国、台 湾等地智能建筑也在8 0 年代迅速发展起来，并取得了长足进步。 我国早在1 9 8 6 年“七五 计划初期，就开始对b a 系统的设计、应用开始立 项研究，9 0 年代中期，由华东建筑设计研究院研究编制的上海市( 智能建筑设计标 准) 是全国第一个智能建筑设计的地方标准，里面有关于b a 系统设计的内容，在此 基础上，经过反复修改，于2 0 0 0 年成为正式的国家标准。2 0 0 3 年，国家又颁布来 了智能建筑工程质量验收规范，其中，对b a 系统的工程实施、系统检测及工 程验收做了一些明确的规定和规范。在b a 系统的工程设计方面，目前已有不少书 籍论述，但大部分还是与国家规范相仿，主要论述b a 系统的功能。 b a 系统在中国的应用始于1 9 8 2 年左右，比较有代表性的工程有北京国贸大厦、 南京金陵饭店、上海虹桥机场等。经历几十年的飞速发展，b a 系统现已广泛涉足 文博历史建筑、银行、移动办公楼、体育场馆、会展、商务写字楼、商务酒店、 智能小区等多个领域。就工程应用的时间和推广的领域而言，与国外的差距并不 远，但工程应用效果却不甚理想，主要是具有自主知识产权的国内产品少、市场 占有率低、已安装的b a 系统正常开通率低。 关于b a 系统的开通率问题，国内情况与国外的差距很大。业内专家专门就 b a 系统的设备制造与工程应用多次对美、日、英、德、新加坡、中国香港等国家、 地区进行考察，所了解的情况与感受是境外b a 系统的应用比较成熟，系统设备运 行稳定，系统能全面有效地对建筑物的设备进行控制与监视。然而，国内b a 系统 的建设情况却不容乐观，2 0 0 3 年，上海地区对近2 0 幢高层智能大楼的b a 系统运 行管理情况进行调研；系统的监控项目运行正常且在物业管理中起重要作用的约 占2 0 ，部分监控项目运行不正常，但尚可使用的系统约占4 5 ，有3 5 的b a 系 统在大楼使用多年后仍不能开通运行或运行一段时间后发生故障无法修复。 由于智能建筑在我国起步较晚，但发展又极为迅速，而市场管理和技术管理 等方面又存在着一定程度的混乱。据有关数据显示，我国目前已开通并正常运行 b a 系统的智能建筑不到三成，部分b a 系统开通后时间不久就因各种问题而无法正 常运行，造成了大量的投资浪费。这个现象严重地阻碍了智能建筑以及建筑自动 1 0 第二章b a 系统发展现状及功能 化技术的快速、健康发展。 从b a 系统的应用现状以及实践工程经验可以看出，队系统的应用在规范性、 标准化以及可靠性方面尚存在着很大问题，亟需得到解决。因此需要工程设计及 相关研究人员深入分析建筑设备的控制过程和需求，结合实际工程的具体情况， 在设计之初就对队系统可靠性进行合理分析，明确系统可靠性存在的问题，充分 发挥计算机控制技术的特点，设计高可靠性的系统架构，恰当地确定系统功能， 才能发挥系统的最大价值，达到节能减耗，少投资、高效益的工程建设目的。 2 3b a 系统的基本组成n 8 1 9 】 b a 系统是智能建筑的重要组成部分，也可称为楼宇自控系统。它所包含的内 容相当广泛，一般包括供配电、给排水、暖通空调、照明、电梯、消防、安全防 范、停车场管理系统等子系统。根据我国相关行业标准，b a 系统又可分为设备运 行管理与监控子系统以及消防与安全防范子系统，具体如图2 1 所示。一般情况下， 将设备运行管理与监控系统和消防与安全防范系统两个子系统一同纳入b a 系统范 畴，但由于消防与安全防范系统的行业管理特殊性，大多数工程的做法是把消防 与安全防范系统独立设置，同时与b a 系统监控中心建立通信联系，以便灾情发生 时，能够按照约定实现操作权转移，进行一体化的协调控制。以下研究内容主要 围绕b a 系统中的设备运行管理与监控子系统展开。图2 2 为队系统的结构示意 图，图2 3 为b a 系统用户界