安防监控集成系统可靠性分析

中国核电工程有限公司郑州分公司　芦　杉　章小强



安防监控集成系统可靠性分析

中国核电工程有限公司郑州分公司芦杉章小强

【摘要】结合可靠性理论及安防监控系统特点，本文提出了一种安防监控集成系统可靠性分析方法。应用该方法对某安防监控集成系统可靠性进行了分析，建立了该系统任务可靠性框图分析模型，分析计算了系统的平均故障间隔时间（MTBF）与可用度，提出了提高该系统可靠性的改进措施建议。本文提供的分析方法为安防监控集成系统设计及设备选型提供了依据，对提高系统可靠性设计水平起到了帮助。

【关键词】安防监控；平均故障间隔时间（MTBF）；可用度；故障树

0　引言

随着国民经济的发展，各行各业对系统或产品的可靠性愈来愈重视，迅速推动了可靠性理论的发展，形成了可靠性建模、故障树分析等一系列可靠性设计、分析方法，对提高系统或产品的安全可靠性起到了很大帮助[1]。当前，大规模的安防监控系统建设正在公安、交通、工业等领域迅速开展。建立高可靠性的安防监控系统对于预防打击犯罪、维护社会治安、保证安全生产、保障财产及生命安全等具有重要意义[2]。

目前，安防监控系统多采用集成管理模式，以计算机网络为基础，将探测报警、门禁、视频监控、信号传输等子系统很好地集成为一体，形成一套功能完整、界面统一、数据库共享的安全防范体系。集成系统处理的所有信息均由管理软件在控制中心的工作站上进行集中图形化显示。因此，建立高可靠性的安防监控集成系统对有效提升安防监控系统的性能及有效性具有重要意义。结合系统可靠性建模及分析方法，本文给出了安防监控集成系统的可靠性分析方法。

1　可靠性分析理论

1.1基本概念

可靠性是指系统或产品在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力[3]。可靠性理论中几个关键技术参数如下：

（1）可靠度：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，通常记为R(t)。

（2）故障率：工作到t时刻尚未失效的产品在该时刻后单位时间内发生失效的概率。

（4）可用度：表示可修复系统在规定条件下保持规定功能的能力，用A来表示：

1.2可靠性建模分析

系统的可靠性模型描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系。工程中通常建立系统的任务可靠性框图模型，用以估计系统在执行任务过程中完成规定功能的概率。可靠性框图由代表系统或功能的方框、逻辑关系连线及节点组成。

2　安防监控集成系统可靠性分析方法

对安防监控集成系统进行可靠性分析是为了预计、估算系统及其各组成部分的可靠性参数，从而为优化工程设计方案、改进系统性能提供技术支持。结合系统可靠性框图建模方法及数理统计理论，建立安防监控集成系统可靠性分析步骤，具体如下。

（1）确定此次可靠性分析基本任务；（通过分析安防监控集成系统可靠性，计算系统可靠度、故障率、MTBF、可用度等参数，进而确定系统是否满足设计或采购要求）；

（2）分析系统功能结构组成、工作原理以及信号接口等，为后续可靠性分析奠定基础；

（3）确定系统故障的所有判别条件；

（4）确定可靠性分析的所有限制条件；

（5）建立该系统任务可靠性框图分析模型，采用方框图直观表示所有单元间依赖关系；

（6）按照系统功能将已建好的任务可靠性框图分析模型划分为几个虚单元；

（7）分步建立系统的任务可靠性数学模型；（首先建立各虚单元的数学模型，再将其代入简化后的可靠性框图中建立可靠性框图数学模型。）

（8）通过需求分析，明确所需系统设备的可靠性参数类型，根据实际情况选择适用的数据收集方法，获取所需的服务器、现场控制器等设备的可靠性数据，并进行分析处理；

（9）运用故障树分析等方法分析计算系统的MTBF、可用度等参数；

（10）分析结果，判别其是否满足设计或采购要求，提出提高系统可靠性的措施建议。

3　实例分析

3.1确定分析任务

此次可靠性分析的主要任务是估算系统MTBF及可用度（A），提出改进措施建议。

3.2系统功能分析

系统结构模型如图1所示。

图1　某安防监控集成系统结构模型

探测报警信号通过8个报警控制器接入系统；出入口识别及控制信号通过12个门禁控制器接入系统；摄像机视频通过14个编码器接入系统。报警控制器、门禁控制器、编码器通过接入交换机接入局域网。集成服务器为各子系统提供服务；视频服务器用于录像存储管理；存储单元用于视频及其他信息存储；管理工作站负责系统日常管理；汇聚及核心交换机均为冗余设置。系统电源均经由UPS供电，柴油发电机冷备用。

3.3系统故障定义

凡影响到系统正常供电、前端设备正常工作，以及系统数据交换存储、系统服务与管理等功能正常完成的事件均为系统故障事件。

3.4确定限制条件

假设软件系统、人员及传输线路是完全可靠的；假设旁联系统转换装置以及表决系统表决器的可靠度均为1。

3.5建立任务可靠性框图

分析系统结构和功能，建立系统任务可靠性框图如图2所示：

图2　某安防监控集成系统任务可靠性框图模型

表1　可靠性框图中代码含义

图2中代码如表1所示。

3.6建立任务可靠性数学模型

（1）虚单元1：

（2）虚单元2：

（3）虚单元3：

（4）虚单元4：

（5）系统总的可靠度与故障率分别为：

3.7获取设备可靠性参数

查询设备手册或咨询厂家得设备的MTBF以及平均修复时间（MTTR）如表2所示。

3.8定量计算

（1）系统平均故障间隔时间（MTBF）计算

按照数学模型计算得电源、前端设备、数据交换设备及服务器四部分的故障率分别为0.01383次/年、0.7076次/年、0.0902次/年、0.0440次/年，系统总故障率为0.8556次/年，系统MTBF为426.59天（10238.16小时）。

表2　设备可靠性参数表

（2）系统可用度（A）计算

已知系统各部分可用度，利用故障树分析法可以得到系统总可用度。用或逻辑将任一部分失效会导致上一级失效的所有部分的不可用度加起来，用与逻辑将只有所有部分都失效才会导致上一级失效的所有部分的不可用度乘起来，根据这样的原则从底部向上依次构造故障树，得到系统总不可用度。根据可靠性模型建立失效故障树，部分如图3所示。

图3　某安防监控集成系统失效故障树示例

应用故障树下行分析法计算得电源、前端设备、数据交换设备及服务器四部分的不可用度依次为1.4360×10-8、1.9487×10-3、3.9898×10-4、6.5383×10-8，系统总不可用度为2.3478×10-3，系统总可用度为99.77%。

3.9结果分析

（1）系统MTBF为10238.16小时，可用度为99.77%，满足系统正常运行可靠性要求。

（2）对系统可靠性影响程度由大到小依次为前端设备、数据交换设备、服务器、电源设备。

3.10改进措施建议

（1）由于系统前端的报警控制器、门禁控制器、视频编码器等设备数量较多，且在可靠性框图中均呈串联组合，因此，前端设备对系统可靠性的影响最大。工程中应选择可靠性较高的前端设备，必要的情况下应考虑前端设备的冗余备份。

（2）分析计算未考虑软件系统、传输线路等因素对整个系统可靠性的影响。因此，工程中应选择稳定性高、安全性强、操作界面简洁的软件系统；应保证电缆敷设的施工质量，避免由于传输线路中断而导致整个系统失效。

4　结论

本文给出了一种安防监控集成系统可靠性分析方法，应用该方法能够对安防监控集成系统的可靠性进行分析计算，得出系统可靠度、MTBF、可用度等可靠性参数。进行结果分析可得出对系统可靠性影响较大的因素，进而采取必要的改进措施，如：选取高可靠性的控制器、工作站、服务器等设备；对关键设备如核心交换机、电源等采取必要的冗余备份措施；对传输电缆、光缆等采取必要的保护措施等。本文给出的分析方法能够为提高安防监控系统的可靠性水平提供技术支持。

参考文献

[1]程五一,王贵和,吕建国.系统可靠性理论[M],北京:中国建筑工业出版社,2010,3.

[2]芦杉,朱彦伟.基于层次分析法的安防监控系统可靠性分析[J].智能建筑与城市信息,2015,7:62-65.

[3]曾声奎.可靠性设计与分析[M],北京,国防工业出版社,2011,4.

芦杉，硕士，现供职于中国核电工程有限公司郑州分公司，研究方向：安防监控系统研发与工程设计。

章小强，硕士，现供职于中国核电工程有限公司郑州分公司，研究方向：安防监控系统研发与工程设计。

作者简介：