2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——系統(tǒng)可靠性與安全性分析研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.可靠度2.可用度3.平均故障間隔時(shí)間（MTBF）4.故障樹分析（FTA）5.風(fēng)險(xiǎn)二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述可靠性與安全性的主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)述故障樹分析中結(jié)構(gòu)重要度與概率重要度的區(qū)別。3.簡(jiǎn)述進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的主要方法及其特點(diǎn)。4.簡(jiǎn)述馬爾可夫過程在可靠性分析中的應(yīng)用場(chǎng)景。5.簡(jiǎn)述FMEA分析過程的主要步驟。三、計(jì)算題（每小題10分，共30分）1.一個(gè)由三個(gè)獨(dú)立部件串聯(lián)組成的系統(tǒng)，各部件的可靠度分別為R1=0.9,R2=0.8,R3=0.85。求該系統(tǒng)的可靠度。若要求系統(tǒng)至少有一個(gè)部件正常工作（即系統(tǒng)可用性），求系統(tǒng)的可靠度（即系統(tǒng)成功概率）。2.某系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)服從威布爾分布，其形狀參數(shù)β=2.0，尺度參數(shù)η=1000小時(shí)。求該系統(tǒng)在運(yùn)行2000小時(shí)后的可靠度，以及它的平均壽命（MTTF）。3.對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析，得到其結(jié)構(gòu)函數(shù)為γ(X)=X?·X?+X?·X?+X?·X?，其中X?,X?,X?表示三個(gè)基本事件。請(qǐng)找出該故障樹的所有最小割集。假設(shè)各基本事件發(fā)生的概率分別為P(X?)=0.02,P(X?)=0.03,P(X?)=0.01，求頂事件發(fā)生的概率。四、分析題（每小題12分，共24分）1.某化工過程控制系統(tǒng)出現(xiàn)事故，導(dǎo)致產(chǎn)品污染。請(qǐng)運(yùn)用故障樹分析方法，簡(jiǎn)述構(gòu)建此事故故障樹的分析思路，并列出可能需要考慮的基本事件和中間事件。重點(diǎn)說(shuō)明如何通過分析該故障樹識(shí)別導(dǎo)致事故的關(guān)鍵路徑或關(guān)鍵因素。2.假設(shè)你正在對(duì)一個(gè)醫(yī)院急診室的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行可靠性分析。請(qǐng)簡(jiǎn)述如何運(yùn)用馬爾可夫模型來(lái)建立該系統(tǒng)的模型，并說(shuō)明需要考慮的關(guān)鍵狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及如何通過模型分析影響急診室整體可用性（響應(yīng)時(shí)間短且穩(wěn)定）的關(guān)鍵因素。五、論述題（共16分）結(jié)合系統(tǒng)生命周期的概念，論述在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)與安全性設(shè)計(jì)的重要性，并說(shuō)明兩者如何相互關(guān)聯(lián)、相互促進(jìn)。試卷答案一、名詞解釋1.可靠度：指系統(tǒng)或部件在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的概率。2.可用度：指系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定條件下，處于可用狀態(tài)（即能夠完成規(guī)定功能）的概率，是可靠度與可維護(hù)性的綜合體現(xiàn)。3.平均故障間隔時(shí)間（MTBF）：指可修復(fù)系統(tǒng)在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，故障發(fā)生次數(shù)的期望值的倒數(shù)，表示系統(tǒng)平均能穩(wěn)定運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)發(fā)生一次故障。4.故障樹分析（FTA）：指一種自上而下、演繹推理的安全系統(tǒng)工程方法，通過邏輯圖（故障樹）分析系統(tǒng)失效原因，找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小割集，并計(jì)算頂事件發(fā)生概率等。5.風(fēng)險(xiǎn)：指特定危害事件發(fā)生的可能性及其后果的組合，通常表示為危險(xiǎn)發(fā)生的概率乘以后果的嚴(yán)重性。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述可靠性與安全性的主要區(qū)別。*區(qū)別：可靠性關(guān)注的是系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，其關(guān)注點(diǎn)是“失效不發(fā)生”；安全性關(guān)注的是系統(tǒng)在規(guī)定條件下避免發(fā)生傷害或損失的能力，其關(guān)注點(diǎn)是“傷害或損失不發(fā)生”。可靠性是系統(tǒng)固有屬性，而安全性不僅涉及系統(tǒng)自身，還包括其與環(huán)境的相互作用以及人為因素。2.簡(jiǎn)述故障樹分析中結(jié)構(gòu)重要度與概率重要度的區(qū)別。*區(qū)別：結(jié)構(gòu)重要度（StructuralImportance）不考慮各事件發(fā)生的概率，僅根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)（事件在網(wǎng)絡(luò)圖中的位置），定性判斷某個(gè)基本事件對(duì)頂事件發(fā)生的影響程度，值越小影響越大。概率重要度（ProbabilityImportance）考慮各事件發(fā)生的概率，定量計(jì)算某個(gè)基本事件概率的微小變化對(duì)頂事件發(fā)生概率產(chǎn)生的敏感度或影響程度，值越大表示敏感度越高。結(jié)構(gòu)重要度是概率重要度的近似，計(jì)算簡(jiǎn)單，但無(wú)法反映概率影響的大小。3.簡(jiǎn)述進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的主要方法及其特點(diǎn)。*主要方法：故障模式與影響分析（FMEA）、危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）、故障樹分析（FTA）、事件樹分析（ETA）、檢查表法、專家調(diào)查法等。*特點(diǎn)：FMEA系統(tǒng)性強(qiáng)，覆蓋面廣，但可能忽略新出現(xiàn)的模式；HAZOP基于引導(dǎo)詞，適合復(fù)雜流程系統(tǒng)，但依賴分析人員的經(jīng)驗(yàn)；FTA邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，適合分析故障邏輯，但構(gòu)建復(fù)雜；ETA分析事故后果擴(kuò)展，常與FTA結(jié)合；檢查表法簡(jiǎn)單快速，但依賴經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有知識(shí)；專家調(diào)查法可獲取隱性知識(shí)，但主觀性強(qiáng)。選擇方法需根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和分析目標(biāo)。4.簡(jiǎn)述馬爾可夫過程在可靠性分析中的應(yīng)用場(chǎng)景。*應(yīng)用場(chǎng)景：馬爾可夫過程特別適用于分析狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有隨機(jī)性且與過去歷史無(wú)關(guān)的可修復(fù)系統(tǒng)。例如，分析通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等的可用性、穩(wěn)態(tài)可用率、平均故障率、維修時(shí)間等；也用于分析具有多狀態(tài)（如正常、故障、維修中）的系統(tǒng)在不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移概率和長(zhǎng)期行為。5.簡(jiǎn)述FMEA分析過程的主要步驟。*步驟：1）確定分析對(duì)象和系統(tǒng)范圍；2）組建FMEA小組；3）繪制系統(tǒng)功能圖和可靠性框圖；4）從上到下或從下到上分解系統(tǒng)，識(shí)別所有潛在的故障模式；5）對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行分析，確定其潛在的故障原因和影響；6）對(duì)故障原因和影響進(jìn)行嚴(yán)重度（S）、頻率度（O）、檢測(cè)度（D）評(píng)分，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）；7）根據(jù)RPN值確定優(yōu)先處理順序，制定并實(shí)施改進(jìn)措施；8）記錄分析過程和結(jié)果，并進(jìn)行效果驗(yàn)證。三、計(jì)算題1.一個(gè)由三個(gè)獨(dú)立部件串聯(lián)組成的系統(tǒng)，各部件的可靠度分別為R1=0.9,R2=0.8,R3=0.85。求該系統(tǒng)的可靠度。若要求系統(tǒng)至少有一個(gè)部件正常工作（即系統(tǒng)可用性），求系統(tǒng)的可靠度（即系統(tǒng)成功概率）。*解析思路：串聯(lián)系統(tǒng)成功需要所有部件都成功。系統(tǒng)可靠度等于各部件可靠度的乘積。系統(tǒng)至少一個(gè)部件正常工作的可靠度等于1減去所有部件都失效的概率。*解：串聯(lián)系統(tǒng)可靠度R串聯(lián)=R1×R2×R3=0.9×0.8×0.85=0.612。*至少一個(gè)部件正常工作的可靠度R至少一個(gè)=1-(1-R1)×(1-R2)×(1-R3)=1-(0.1×0.2×0.15)=1-0.003=0.997。2.某系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)服從威布爾分布，其形狀參數(shù)β=2.0，尺度參數(shù)η=1000小時(shí)。求該系統(tǒng)在運(yùn)行2000小時(shí)后的可靠度，以及它的平均壽命（MTTF）。*解析思路：根據(jù)威布爾分布公式計(jì)算可靠度R(t)=exp(-(t/η)^β。平均壽命（MTTF）是威布爾分布的均值，即E(T)=ηΓ(1+1/β)，其中Γ是伽馬函數(shù)。*解：運(yùn)行2000小時(shí)后的可靠度R(2000)=exp(-(2000/1000)^2)=exp(-4)≈0.0183。*平均壽命MTTF=ηΓ(1+1/β)=1000×Γ(1+1/2)=1000×Γ(3/2)。已知Γ(3/2)=(1/2)√π，所以MTTF=1000×(1/2)√π≈1000×0.8862≈886.2小時(shí)。3.對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析，得到其結(jié)構(gòu)函數(shù)為γ(X)=X?·X?+X?·X?+X?·X?，其中X?,X?,X?表示三個(gè)基本事件。請(qǐng)找出該故障樹的所有最小割集。假設(shè)各基本事件發(fā)生的概率分別為P(X?)=0.02,P(X?)=0.03,P(X?)=0.01，求頂事件發(fā)生的概率。*解析思路：最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的一組最基本的事件組合，且該組合中任意去掉一個(gè)事件都會(huì)導(dǎo)致頂事件不發(fā)生?？梢酝ㄟ^對(duì)結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)或求其布爾覆蓋來(lái)尋找最小割集。頂事件發(fā)生的概率可以通過最小割集和各基本事件概率進(jìn)行計(jì)算（常用近似方法為最小割集概率相乘求和）。*解：結(jié)構(gòu)函數(shù)γ(X)=X?(X?+X?)+X?X?=X?X?+X?X?+X?X?。該函數(shù)的布爾覆蓋為{X?X?,X?X?,X?X?}。檢查每個(gè)覆蓋組：X?X?、X?X?、X?X?，都滿足去掉任一事件頂事件不發(fā)生，因此它們都是最小割集。該故障樹有三個(gè)最小割集：{X?,X?}，{X?,X?}，{X?,X?}