安防監控集成系統可靠性分析

中國核電工程有限公司鄭州分公司　蘆　杉　章小強

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安防監控集成系統可靠性分析

中國核電工程有限公司鄭州分公司蘆杉章小強

【摘要】結合可靠性理論及安防監控系統特點，本文提出了一種安防監控集成系統可靠性分析方法。應用該方法對某安防監控集成系統可靠性進行了分析，建立了該系統任務可靠性框圖分析模型，分析計算了系統的平均故障間隔時間（MTBF）與可用度，提出了提高該系統可靠性的改進措施建議。本文提供的分析方法為安防監控集成系統設計及設備選型提供了依據，對提高系統可靠性設計水平起到了幫助。

【關鍵詞】安防監控；平均故障間隔時間（MTBF）；可用度；故障樹

0　引言

隨著國民經濟的發展，各行各業對系統或產品的可靠性愈來愈重視，迅速推動了可靠性理論的發展，形成了可靠性建模、故障樹分析等一系列可靠性設計、分析方法，對提高系統或產品的安全可靠性起到了很大幫助[1]。當前，大規模的安防監控系統建設正在公安、交通、工業等領域迅速開展。建立高可靠性的安防監控系統對于預防打擊犯罪、維護社會治安、保證安全生產、保障財產及生命安全等具有重要意義[2]。

目前，安防監控系統多采用集成管理模式，以計算機網絡為基礎，將探測報警、門禁、視頻監控、信號傳輸等子系統很好地集成為一體，形成一套功能完整、界面統一、數據庫共享的安全防范體系。集成系統處理的所有信息均由管理軟件在控制中心的工作站上進行集中圖形化顯示。因此，建立高可靠性的安防監控集成系統對有效提升安防監控系統的性能及有效性具有重要意義。結合系統可靠性建模及分析方法，本文給出了安防監控集成系統的可靠性分析方法。

1　可靠性分析理論

1.1基本概念

可靠性是指系統或產品在規定條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力[3]。可靠性理論中幾個關鍵技術參數如下：

（1）可靠度：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率，通常記為R(t)。

（2）故障率：工作到t時刻尚未失效的產品在該時刻后單位時間內發生失效的概率。

（4）可用度：表示可修復系統在規定條件下保持規定功能的能力，用A來表示：

1.2可靠性建模分析

系統的可靠性模型描述了系統及其組成單元之間的故障邏輯關系。工程中通常建立系統的任務可靠性框圖模型，用以估計系統在執行任務過程中完成規定功能的概率。可靠性框圖由代表系統或功能的方框、邏輯關系連線及節點組成。

2　安防監控集成系統可靠性分析方法

對安防監控集成系統進行可靠性分析是為了預計、估算系統及其各組成部分的可靠性參數，從而為優化工程設計方案、改進系統性能提供技術支持。結合系統可靠性框圖建模方法及數理統計理論，建立安防監控集成系統可靠性分析步驟，具體如下。

（1）確定此次可靠性分析基本任務；（通過分析安防監控集成系統可靠性，計算系統可靠度、故障率、MTBF、可用度等參數，進而確定系統是否滿足設計或采購要求）；

（2）分析系統功能結構組成、工作原理以及信號接口等，為后續可靠性分析奠定基礎；

（3）確定系統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）建立該系統任務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系；

（6）按照系統功能將已建好的任務可靠性框圖分析模型劃分為幾個虛單元；

（7）分步建立系統的任務可靠性數學模型；（首先建立各虛單元的數學模型，再將其代入簡化后的可靠性框圖中建立可靠性框圖數學模型。）

（8）通過需求分析，明確所需系統設備的可靠性參數類型，根據實際情況選擇適用的數據收集方法，獲取所需的服務器、現場控制器等設備的可靠性數據，并進行分析處理；

（9）運用故障樹分析等方法分析計算系統的MTBF、可用度等參數；

（10）分析結果，判別其是否滿足設計或采購要求，提出提高系統可靠性的措施建議。

3　實例分析

3.1確定分析任務

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

3.2系統功能分析

系統結構模型如圖1所示。

圖1　某安防監控集成系統結構模型

探測報警信號通過8個報警控制器接入系統；出入口識別及控制信號通過12個門禁控制器接入系統；攝像機視頻通過14個編碼器接入系統。報警控制器、門禁控制器、編碼器通過接入交換機接入局域網。集成服務器為各子系統提供服務；視頻服務器用于錄像存儲管理；存儲單元用于視頻及其他信息存儲；管理工作站負責系統日常管理；匯聚及核心交換機均為冗余設置。系統電源均經由UPS供電，柴油發電機冷備用。

3.3系統故障定義

凡影響到系統正常供電、前端設備正常工作，以及系統數據交換存儲、系統服務與管理等功能正常完成的事件均為系統故障事件。

3.4確定限制條件

假設軟件系統、人員及傳輸線路是完全可靠的；假設旁聯系統轉換裝置以及表決系統表決器的可靠度均為1。

3.5建立任務可靠性框圖

分析系統結構和功能，建立系統任務可靠性框圖如圖2所示：

圖2　某安防監控集成系統任務可靠性框圖模型

表1　可靠性框圖中代碼含義

圖2中代碼如表1所示。

3.6建立任務可靠性數學模型

（1）虛單元1：

（2）虛單元2：

（3）虛單元3：

（4）虛單元4：

（5）系統總的可靠度與故障率分別為：

3.7獲取設備可靠性參數

查詢設備手冊或咨詢廠家得設備的MTBF以及平均修復時間（MTTR）如表2所示。

3.8定量計算

（1）系統平均故障間隔時間（MTBF）計算

按照數學模型計算得電源、前端設備、數據交換設備及服務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，系統總故障率為0.8556次/年，系統MTBF為426.59天（10238.16小時）。

表2　設備可靠性參數表

（2）系統可用度（A）計算

已知系統各部分可用度，利用故障樹分析法可以得到系統總可用度。用或邏輯將任一部分失效會導致上一級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導致上一級失效的所有部分的不可用度乘起來，根據這樣的原則從底部向上依次構造故障樹，得到系統總不可用度。根據可靠性模型建立失效故障樹，部分如圖3所示。

圖3　某安防監控集成系統失效故障樹示例

應用故障樹下行分析法計算得電源、前端設備、數據交換設備及服務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，系統總不可用度為2.3478×10-3，系統總可用度為99.77%。

3.9結果分析

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

（2）對系統可靠性影響程度由大到小依次為前端設備、數據交換設備、服務器、電源設備。

3.10改進措施建議

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

（2）分析計算未考慮軟件系統、傳輸線路等因素對整個系統可靠性的影響。因此，工程中應選擇穩定性高、安全性強、操作界面簡潔的軟件系統；應保證電纜敷設的施工質量，避免由于傳輸線路中斷而導致整個系統失效。

4　結論

本文給出了一種安防監控集成系統可靠性分析方法，應用該方法能夠對安防監控集成系統的可靠性進行分析計算，得出系統可靠度、MTBF、可用度等可靠性參數。進行結果分析可得出對系統可靠性影響較大的因素，進而采取必要的改進措施，如：選取高可靠性的控制器、工作站、服務器等設備；對關鍵設備如核心交換機、電源等采取必要的冗余備份措施；對傳輸電纜、光纜等采取必要的保護措施等。本文給出的分析方法能夠為提高安防監控系統的可靠性水平提供技術支持。

參考文獻

[1]程五一,王貴和,呂建國.系統可靠性理論[M],北京:中國建筑工業出版社,2010,3.

[2]蘆杉,朱彥偉.基于層次分析法的安防監控系統可靠性分析[J].智能建筑與城市信息,2015,7:62-65.

[3]曾聲奎.可靠性設計與分析[M],北京,國防工業出版社,2011,4.

蘆杉，碩士，現供職于中國核電工程有限公司鄭州分公司，研究方向：安防監控系統研發與工程設計。

章小強，碩士，現供職于中國核電工程有限公司鄭州分公司，研究方向：安防監控系統研發與工程設計。

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