安全科学基础理论课件.ppt

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1、第2章 安全科学基础理论,2.1 安全科学的哲学基础,一、安全与危险的统一性和矛盾性 二、安全科学的联系观和系统观 三、安全中的质变与量变 1、流变与突变的相对性 2、流变和突变的层次性 3、流变和突变的相互转化 四、安全问题的简单性和复杂性，精确性和模糊性五、安全事件的必然性和偶然性,2.1 安全科学的哲学基础,一、安全与危险的统一性与矛盾性（一）安全的相对性 1绝对安全状态不存在 2安全标准是相对的 3对安全的认识是不断深化的（二）危险的绝对性 危险存在于一切系统的任何时间和空间中。（三）安全与危险的矛盾统一性 1对立性：安全度越高危险势就越小；安全度越小危险势就越大。2统一性：互相依存，

2、共处统一体中 存在着向对方转化的趋势,2.1 安全科学的哲学基础,二、安全科学的联系观和系统观客观世界普遍联系的是唯物辩证法观点之一。安全科学欲反映对安全与危险造成影响的因素的内在规律性，必须全面地分析各要素，利用各个学科已取得的成果，对开放的大系统进行分析和综合，找出安全的客观规律和实现途径。分析中要注意区分主要原因和次要原因，内因和外因、直接原因和间接原因等，在全面分析的基础上又要集中力量抓主要矛盾。在安全领域中，各种安全和危险要素很多，叠加在一起整体影响力会大大增加，所以为了实现系统总体功能向有利的方向发展，我们必须对各要素统筹兼顾，增加安全因子的整体功能，削弱危险因子的整体功能。决不能

3、头痛医头、彼此隔离，那样会大大降低系统的安全功能。,2.1 安全科学的哲学基础,三、安全中的质变与量变哲学中的量变与质变，在安全科学中表现为流变与突变。-来自恩格斯在自然辩证法中的话。统一性表现在三个方面：1流变与突变的相对性。离开了流变，就无所谓突变；离开了突变，流变也无从谈起。2流变与突变的层次性在不同物质层次上，流变和突变有具体表现形式。低层次的突变，高层次可能属于流变。3流变与突变的相互转化,2.1 安全科学的哲学基础,四、安全问题的简单性、精确性和模糊性（一）简单性和复杂性 1简单性：（1）复杂系统可分解成简单要素、单元（2）复杂系统内外部的联系遵循简单的规律。2复杂性：安全系统中包

4、含无穷多层次的矛盾，形成极为复杂的结构和机制，与外部世界又有多种多样的联系，存在多种相互作用。,2.1 安全科学的哲学基础,（二）精确性和模糊性（难点）安全科学的认识，总是从模糊走向精确，模糊和精确是辨证统一的。模糊性可以说明精确性，适当的模糊反而精确。但是，模糊定性描述的边界太广，将会降低安全程度。在具体情况下，有必要处理好精确性和模糊性的关系。,2.1 安全科学的哲学基础,五、安全事件的必然性和偶然性必然性就是客观事物的联系和发展中不可避免，一定如此的趋势。偶然性是在事物发展过程中由于非本质的原因而产生的事件，它在事物的发展过程中可能出现，也可能不出现，可以这样出现，也可以那样出现。比如：

5、具有自燃倾向的煤在富氧和蓄热的条件下必然自燃，但条件的具备带有很大的偶然性，且这种偶然性完全服从于火灾系统内部隐藏的必然性。二者相互联系，相互依赖，在一定条件下相互转化。,2.1 安全科学的哲学基础,马克思哲学是世界观又是认识世界、改造世界的方法论，搞安全要以它为指导，做到：1.一切从实际出发2.在普遍联系中把握事物的本质3.在动态中把握安全规律4.矛盾分析法,2.2 安全科学的数学物理基础,一、基本逻辑运算和逻辑函数（一）基本逻辑运算1847年英国数学家布尔发表了逻辑的数学分析，1854年又发表了思维的规律，这是把逻辑数学化的一次成功的尝试。因此至今人们仍把逻辑代数称之为布尔代数。它比普通代

6、数简单，因为它的变量仅有01两个；变量01并不表示两个数值，而是表示两种不同的逻辑状态；如是与否，真与假，高与低，有与无，开与闭等；在逻辑代数中，最基本的逻辑有3种：与或非；用逻辑代数符号表示也称：与门，或门，非门；可以用一个表来表示Boole代数的基本逻辑运算。,2.2 安全科学的数学物理基础,1.集合的并、交、补运算,为直观起见，用文氏图(Venn Diagram)表示。,(1)集合的并仍为集合,图（a），阴影集合C=AB，集合C为集合A和B的并，或C为A和B的和，符号为，可称并，也可称加，中文表示或的意思（即A和B至少发生一个）。,(2)集合的交 仍为集合,图（b），阴影集合C=AB，集

7、合C为集合A和B的交，或C为A和B的积，符号，可称交，也可称乘，中文表示与、且的意思（即A和B必须同时发生）。,(3)集合的补 也是集合图（c），阴影集合，集合C 为集合B的补，或C为B的对立集合，符号“”,“”也可“”，可称“补”，也可称非，中文表示“不是”之意。,2.2 安全科学的数学物理基础,1、与运算也叫逻辑乘运算，简称逻辑乘，表示输入变量为a、b时，输出z=a.b，即决定事件z的条件a与b全部具备时，事件z才会发生，否则不会发生。2、或运算也叫逻辑加运算，简称逻辑加。表示输入变量为a、b时，输出Z=a+b，即决定事件z的条件a或b只要一个或两个全具备时z才会发生。当a与b都不具备时，

8、z才不会发生。3、非运算也叫逻辑求反运算，简称逻辑非(或逻辑否定)。表示输入变量为a时，输出z=a，读作a非。即决定事件z的条件为a时，z与a相反，a存在z则不会发生，反之亦然。（二）逻辑变量与逻辑函数 一般来讲，如果输入变量a,b,c的取值确定之后，输出变量z的值也就确定了。那么，就称z是abc的逻辑函数，并写成：z=F(abc)在逻辑代数中，不管是变量还是函数，它们只有两个取值(0与1)。,2.2 安全科学的数学物理基础,（三）布尔代数的运算法则（1）幂等法则 或（2）交换法则 或（3）结合法则 或（4）分配法则 或（5）吸收法则,2.2 安全科学的数学物理基础,二、随机事件与概率运算（一

9、）随机事件 可以看作在相同的一组条件下，进行一系列试验或观察，而每次试验或观察的可能结果不止一个，在每次试验或观察之前无法预知确切的结果，即呈现出不确定性。在数学上把这类现象称为“随机现象”，也称“随机事件”，简称为“事件”。1子事件：如果事件A发生必然导致事件B的出现，则称事件A是事件B的子事件 2和事件：如果事件A发生或者事件B发生(两事件A、B中至少有一个发生)必然导致事件C发生，称事件C为事件A与B的和事件 3积事件：在任试验中，若A事件发生，B事件也同时发生，我们把两个事件同时发生的这事件称为A与B的积 4.互斥事件：设A、B是两个互斥事件，若事件A与事件B不能同时发生、则称事件A与

10、事件B是互斥(不相容)事件,2.2 安全科学的数学物理基础,5事件的逆事件：在试验中，事件A与事件B中必然有一个发生，且仅有一个发生，则称事件A和事件B互逆，又称A是B的对立事件6差事件：有A、B两事件，如果C发生就是事件A发生且事件B不发生的一个事件，我们则称事件C为事件A与事件B的差，记作CA-B,2.2 安全科学的数学物理基础,B,B,B,A,B,子事件,和事件,积事件,互斥事件,2.2 安全科学的数学物理基础,A,A,A,S,A,B,对立事件,差事件,2.2 安全科学的数学物理基础,（二）频率与概率1、频率 若随机事件A在n次试验中发生了m次，则比值mn称为随机事件A的频率（或相对频率

11、），记作W（A），用公式表示如下：由于，所以随机事件的频率值分子0与1之间。必然事件的频率恒等于1；不可能事件的频率恒等于0。在一组条件下，重复做n次相互独立的试验，设m为在n次试验中事件A发生的次数。如果对于大量的试验（即n很大），频率mn稳定在某一数值q左右摆动，则称q为事件A在这组条件下发生的概率。记作：，且 0 1,2.2 安全科学的数学物理基础,2、概率的统计定义定义：在同一条件下进行n次重复试验，其中事件人出现m次，事件 A的频率mn随试验次数的变化稳定在某一个数值P，则定义事件 A的概率为P，则定义事件 A的概率为P，记为。一般，数值P很难等到准确值，因此，实际上当n充分大时，以

12、事件A的频率作为事件A的概率的近似值，即：由定义可以看出事件的概率与频率一样，有下列几个性质：；,2.2 安全科学的数学物理基础,3概率的古典定义 定义：一个随机试验，若：只有有限个可能的结果（基本事件）；每个结果的出现都是等可能的。则称这样的随机现象模型为古典概率。在古典概率中，如果基本事件的总数是n，而且事件A包含了其中的m个，则事件A的概率定义为：,2.2 安全科学的数学物理基础,4、独立事件的概率计算 在一组随机事件中，按事件的影响关系，又可分为独立事件与排斥事件。若A事件的发生与否，并不影响B事件的概率，反之亦然，则称两事件相互独立。即独立事件是一组概率互不影响的事件。设事件A，B，

13、C，N发生的概率依次为，它们的逻辑积与逻辑和的概率如下：逻辑积的概率（独立事件是与门连接的）逻辑和的概率（独立事件是或门连接的）,2.2 安全科学的数学物理基础,5、非独立事件的概率计算设事件A，B，C，N发生的概率依次为，则逻辑和的概率为：逻辑积的概率为：式中 是在 A发生的条件下 B发生的概率（条件概率）；是在B发生的条件下A发生的概率（条件概率）。,2.2 安全科学的数学物理基础,三、可靠性及基本事件发生概率计算（一）可靠性的基本概念 1可靠性 定义：可靠性是指研究对象在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。2可靠度与不可靠度 可靠度是指研究对象在规定的条件下、规定的时间内，完成规

14、定功能的概率。通常记为R。不可靠度是指研究对象在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能的概率，又叫失效概率。通常记为F。R+F=1或R=1-F,2.2 安全科学的数学物理基础,假设：N0个研究对象在规定条件下工作到某规定时间有Nfm个研究对象失效。则不可靠度F为：Nfm/N0,2.2 安全科学的数学物理基础,现在我们把工作时间按t分为一段，每个单位时间t内失效的研究对象数为Nfi,则有 在tm时间内发生失效的概率为Fm：当t0时，,2.2 安全科学的数学物理基础,t越小，分得越细，则右图中的折线就越趋近于一条曲线，该曲线就是失效率和时间的曲线F（t）：,2.2 安全科学的数学物理基础,f(t)

15、是以t为随机变量的概率密度函数，即失效密度函数。F(t)是概率分布函数，即累积失效分布函数，或不可靠度函数。根据事物的发展规律有：,2.2 安全科学的数学物理基础,设在t时间内残存的未失效研究对象数为Ns(t)，则,2.2 安全科学的数学物理基础,3故障率与维修度 故障率表示研究对象在某时刻t的单位时间内发生故障的概率，是工作到某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。记作，称为故障率函数，有时也称为失效率函数。按上述定义，失效率是在时刻 t 尚未失效的产品在 t-t+t 的单位时间内发生失效的条件概率，即：,反映t 时刻失效的速率，故也称为瞬时失效率。,2.2 安全科学的数学

16、物理基础,由条件概率,2.2 安全科学的数学物理基础,2.2 安全科学的数学物理基础,2.2 安全科学的数学物理基础,2.2 安全科学的数学物理基础,失效率的估计值,不论产品是否可修复，产品失效率的估计值均可由下式求得：,例1:对100个某种产品进行寿命试验，在t=100h以前没有失效，而在100105h之间有1个失效，到1000h前共有51个失效，10001005h失效1个，分别求出t=100和t=1000h时，产品的失效率和失效概率密度。,据题意有：,解：（1）求产品在100h时的失效率 和失效概率密度。,据题意有,（2）求产品在1000h时的失效率 和失效概率密度。,由上例计算结果可见，

17、从失效概率观点看，在 t=100 和 t=1000h处，单位时间内失效频率是相同（0.2%）的，而从失效率观点看，1000h处的失效率比100h处的失效率加大一倍（0.4%），后者更灵敏地反映出产品失效的变化速度。,2.2 安全科学的数学物理基础,维修度是表征可维修的难易程度。可定义为：可维修系统在规定条件下和规定时间内，完成维修的概率。在时间t内完成维修的概率记为M(t)。越容易维修的系统，在同样时间内，它的M(t)就越大。维修度M(t)是停工时间TD的分布函数。,2.2 安全科学的数学物理基础,维修率是指在修理时间达到t时，尚未修复的产品在以后的t单位时间内完成修复的概率。,2.2 安全科

18、学的数学物理基础,维修度 是停工时间的分布函数。当（常数）时，4、系统的寿命过程 正常状态的非修复系统过渡到故障状态的工作时间期望值，称为平均无故障时间，记为MTTF（Mean Time To Failure的缩写），也称平均寿命。,2.2 安全科学的数学物理基础,平均故障间隔时间：正常状态的可修复系统过渡到故障状态的工作时间期望值。MTBF（Mean Time Between Failure）MTTR（Mean Time To Repair）系统的平均修复时间。MTTF，MTBF，MTTR表达了系统的寿命过程。对于可修复系统，MTBF是系统平均工作时间，MTTR是系统平均修理时间。对于不可修

19、复系统，MTTF是系统的平均寿命，MTTR是系统平均更换时间。,2.2 安全科学的数学物理基础,设产品寿命x的分布函数和分布密度分别为:F(t)=P(xt)，f(t)=dF(t)/dt(t0)在时刻t的可靠度R(t)=P(xt)=1-F(t)R(t)=-f(t),dF(t)=-dR(t),2.2 安全科学的数学物理基础,称随机变量x的数学期望为产品的平均寿命，记为，则有,2.2 安全科学的数学物理基础,指数分布,在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布，适合于失效率为常数的情况。,指数分布不但在电子元器件偶然失效期普遍使用，而且在复杂系统和整机方面以及机械技术的可靠性领域也得到使用。,2

20、.2 安全科学的数学物理基础,1.失效概率密度函数 f（t）,式中 指数分布的失效率，为一常数。,2.2 安全科学的数学物理基础,2.累积失效概率函数 F（t）,累积失效概率函数F（t）的图形如图111所示。,3.可靠度函数R（t）,可靠度函数R（t）的图形如图1-12所示。,4.失效率函数,失效率函数的图形如图113所示。,5.平均寿命（MTTF或MTBF）,因此，当产品寿命服从指数分布时，其平均寿命与失效率 互为倒数。,2.2 安全科学的数学物理基础,5可维修系统的有效度 有效度是可靠度和维修度合起来的尺度。其定义为系统在规定条件下，在任意时刻正常的概率，称为有效度，用 表示。当系统的可靠

21、度与维修度均服从指数分布时，则系统的有效度为；,2.2 安全科学的数学物理基础,（二）基本事件发生概率计算 对于一般可修复系统（即系统故障修复后仍可投入正常运行的系统）其单元故障概率为 因，MTTR=，MTBF=将MTTR和MTBF的表达式代人并整理得：,2.2 安全科学的数学物理基础,一般来说，所以，故有 式中，为平均修复时间。,2.2 安全科学的数学物理基础,例2：某综采工作而据矿井统计，由于前探梁支护不及时，平均每200 d发生1次冒顶，而修复时间平均需1d，求该工作面的瞬时冒顶概率。解：解根据题意，该综采工作面的瞬时冒顶概率为0.005。,2.2 安全科学的数学物理基础,对于不可修复(

22、使用一次就报废)的系统，设备的单元故障概率为式中 t设备运行时间。如果把 按无穷级数展升，且略去后面的无穷小，则可近似为：,2.2 安全科学的数学物理基础,例3：对于井底车场中的运输大巷与回风巷之间的风门，由于每天上下班的工人都要通过此处，若每天风门的打开与关闭的次数为500次。而统计结果真明，这个风门在开闭100000次后，就需修理密封装置，且每次处理需8h，故有：MTBF100000500200(d)20024(h)4800(h)MTTR8(h)于是风门密封故障率为：,2.2 安全科学的数学物理基础,假设风门是一次性报废，则单元的故障率为，其中=1/4800，这样在风门正常运行了400 h

23、的时候，其故障慨率即为：,2.3 安全科学的流变-突变规律,一、流变-突变理论的背景知识“流变”（Rheology）一词来源于古希腊，意即万物皆流，万物皆变。“突变”（Mutation）有彻底改变的意思，最初是1968年Thom在结构稳定性和形态发生学著作中提出的。表示事物发生了具有质的彻底改变。流变、突变综合起来形成了流变突变理论，描述了事物从诞生发展消亡的全部过程。,2.3 安全科学的流变-突变规律,1、流变-突变理论的物质观质中不仅包含定性的质，而且包含定量的质。物质世界在不断流变中突变。2、流变-突变理论的时空观一个事物的空间广延性和时间持续性是该事物的一种内在属性，同其它事物进行对比

24、必须在同一个时空中。一切流变突变现象离不开空间内物质的相互作用。3、流变-突变理论的运动观事物的属性是在流变突变中显示出来的。流变突变是一事物向另一事物转变的流程。,2.3 安全科学的流变-突变规律,二、安全流变-突变的基本特征 根据流变-突变的基本理论，一个事物从诞生到消亡是一个“安全流变与突变”的过程。所谓的“安全流变与突变”就是事物在发展过程中安全与危险的矛盾的运动过程。这一矛盾随时间的运动过程就决定了事物发展各个阶段的安全状态。下面就矿山灾害现象、人的伤亡过程、社会的变革或改革及机械灾害过程等四方面的典型过程简要叙述其“安全流变与突变”的基本特征。,2.3 安全科学的流变-突变规律,1、矿山灾害1）自燃火灾2）冒顶3）煤与瓦斯突出事故2、机械事故3、社会变革或改革4、人的衰亡过程,本章小结,一、安全科学的哲学基础二、布尔代数、概率运算、可靠性在安全工程中的应用。三、安全的流变-突变规律，并应用其解释事故的灾害过程,本章习题,1.安全科学的哲学基础包含了哪些内容？2.流变-突变的哲学基础是什么？,