译者序
近几十年来,作为识别和分析复杂系统风险的主要方法,概率风险评价(Probabilistic Risk Assessment,PRA)和风险指引型决策方法在风险管理中的作用已被航空航天、核能、电力、石油化工和国防等多个工业领域的实践所证实。20 世纪 80 年代以来,清华大学、哈尔滨工程大学、海军工程大学,以及各大核电集团等单位开展了相关技术研究,并积极推动其在我国核工业领域的应用。近十几年来,中国航天科技集团公司中国航天标准化研究所、第一研究院、第五研究院、第八研究院,中国科学院,国防科技大学,北京航空航天大学等单位相继开展了 PRA 技术研究及其在航天、航空领域的应用,取得了阶段性成果。目前,我国许多高校开设了复杂系统可靠性与风险分析相关课程,讲授内容及所采用的教材多以国内外可靠性技术及特定领域风险评价技术为主(如系统可靠性分析、人因可靠性分析、概率安全评价等)。国内出版的同类书籍中,与系统可靠性分析相关的较多,与概率风险评价相关的较少。因此,翻译和出版一部概率风险评价及综合风险工程相关主题的图书是十分必要的。
通常认为,确定论分析方法可为系统的风险和可靠性提供定性见解,能够为系统各关键因素的裕度设计提供充足信息,却难以全面、准确地表征系统的总体风险;而概率论方法可提供系统风险的量化评估,既关注事故后果的可能性,也关注事故后果的严重性,能提供更为全面的风险信息。当前,概率论方法更多是作为确定论分析方法的一种补充,基于风险见解和指引进行决策的体系还不够成熟,确定论分析结果与概率论分析结果的融合和集成也是一个亟待解决的难题。本书提出了一种综合风险工程(Integrated Risk Based Engineering,IRBE)方法,综合确定论分析的定性见解和概率风险评价的定量见解,以解决设计、运行和维护中的安全问题,本书认为,确定性和概率性对于任何问题空间都是必不可少的两个方面,对于一个实际工程问题的整体解决方案,需要对这两方面进行适当的综合处理,以实现有效合理的安全案例建模和分析。此外,本书介绍了关于风险指引型决策的相关内容,在风险指引型决策方法中,概率风险评价的见解与其他见解共同构成了一种输入信息(如设计、运行或监管的可用边界或深度防御)以为决策提供支持。
本书全面涵盖了技术背景下风险建模和分析的各个方面。它采用系统方法对工程中的风险和可靠性问题进行建模,同时包括风险分析和数学工具的关键概念,用于评估和解决工程问题中的风险。本书还强调了将基于风险的结构纳入设计和运营的相关过程,特别强调人为因素和行为风险。本书提出的 IRBE 方法的基本框架和理论突破了确定论分析和概率论分析的界限,综合利用两者优势,是一种适用于各类系统设计、运行和审评的集成框架。
考虑到国内可靠性与风险领域对相关主题图书的需求,以及本书在内容完整性、技术前沿性、研究深度与广度的结合等方面的突出优点,译者团队决定翻译本书,期望能够为装备设计、制造和使用等环节提供重要支撑,促进风险指引型决策理念和方法在装备领域的推广应用。本书适用于可靠性与风险建模领域的学生、研究人员和专业人员,可作为工程风险和可靠性方面的本科和研究生课程的参考书籍,也可作为相关领域工程技术人员运用风险指引方法解决实际问题的参考资料。
由于可靠性与风险评价领域涉及面广、工程实践性强,限于译者团队的学识水平,书中不妥之处在所难免,恳切希望广大读者批评指正。
译者
2025 年 11 月于武汉
关于作者
Prabhakar V. Varde 教授是可靠性和概率风险评价在核电厂应用领域的专家,目前担任印度孟买巴巴原子研究中心霍米巴巴国家研究所研究反应堆服务部主任和高级教授。他还在印度原子能管理委员会(AERB)和印度霍米巴巴国家研究所担任咨询和行政职务。他是可靠性和安全性协会(SRESA)的创始人和主席,并且是国际期刊《寿命周期可靠性和安全工程》的主要编辑之一。他于 1983 年从雷瓦政府工程学院毕业获得了学士学位(Mech),并于 1984 年加入孟买 BARC,担任反应堆运行部值班工程师。1996 年,他在孟买印度理工学院获得了可靠性工程博士学位,随后在韩国原子能研究院担任博士后研究员,在美国马里兰大学先进寿命周期工程中心(CALCE)担任客座教授。
Varde 教授还是许多国际组织的顾问 / 专家 / 印度专家,包括巴黎的 OECD / NEA(WGRISK)、维也纳国际原子能机构、美国马里兰大学、韩国原子能研究所。基于他的研发工作,他在期刊和会议上发表了 200 多篇文章,包括 11 本会议论文集。
Michael G. Pecht 教授是电子和信息系统的战略规划、设计、测试和风险评价方面的世界知名专家。Pecht 教授拥有物理学学士、电气工程硕士学位,以及威斯康星大学麦迪逊分校工程力学硕士学位和博士学位。他是教授级工程师、IEEE 会员、ASME 会员、SAE 会员和 IMAPS 会员。他是 IEEE Access 的主编,并担任过 IEEE Transactions on Reliability 总编辑 9 年、Microelectronics Reliability 总编辑 16 年。他曾为美国国家科学院的三项研究工作、两次美国国会汽车安全性调查服务,以及担任美国食品和药物管理局(FDA)的专家。他是马里兰大学先进寿命周期工程中心(CALCE)的创始人和所长,该中心由 150 多家世界领先的电子公司提供资助,年资助超过 600 万美元。CALCE 于 2009 年获得 NSF 创新奖和国防工业协会奖。Pecht 教授目前是马里兰大学机械工程系首席教授以及应用数学、统计学和科学计算的教授。他撰写了 20 多部关于产品可靠性、开发、使用和供应链管理的专著。他还编写了一系列有关中国、韩国、日本和印度电子行业的著作。他撰写了 700 多篇技术文章,并拥有 8 项专利。2015 年,因在基于失效物理学和基于预测的电子封装可靠性方法方面具有远见卓识,他被授予 IEEE 部件、封装和制造奖。他还获得了中国科学院院长国际奖学金。2013 年,他获得威斯康星大学麦迪逊分校工程学院杰出成就奖。2011 年,由于在风险管理方面的新理念,他获得了马里兰大学创新奖。2010 年,他因在故障预测和系统健康管理方面的创新而获得 IEEE 杰出技术成就奖。2008 年,他获得了最高可靠性荣誉,即 IEEE 可靠性协会的终身成就奖。
目录
第 1 章 引言
1.1 简介
1.2 关于概率风险评价和基于风险应用的历史观点
1.3 基于风险的综合工程方法
1.4 安全性因子和不确定性
1.5 基于风险的综合工程基本框架
1.6 基于风险的综合工程的主要分析因素
参考文献
第 2 章 风险表征
2.1 背景
2.2 风险的定义
2.3 风险表征
2.3.1 风险表征政策和原则
2.3.2 风险表征的主要要素
2.3.3 人员和组织的作用
2.4 风险评价技术
2.4.1 失效模式和影响分析
2.4.2 危害与可操作性分析
2.4.3 概率风险评价
2.4.4 定量风险评价
2.4.5 其他风险评价方法
2.5 风险指标
参考文献
第 3 章 可靠性工程的概率论方法
3.1 引言
3.2 寿命特征:浴盆曲线
3.3 概率理论:主要概念
3.3.1 可靠性
3.3.2 从第一原理导出可靠性函数
3.3.3 可靠性特征量
3.4 概率密度函数
3.4.1 连续分布函数
3.4.2 离散分布
3.4.3 联合概率和边际分布
3.4.4 确定适用的分布
3.5 失效率的统计估计
3.5.1 点估计
3.5.2 置信区间估计
3.6 拟合优度检测
3.6.1 2 检验
3.6.2 Kolmogorov Smirnov 检验
3.7 回归分析
参考文献
第 4 章 系统可靠性建模
4.1 背景和综述
4.2 可靠性框图
4.2.1 串联结构
4.2.2 并联结构
4.2.3 复杂结构
4.3 失效模式与影响分析
4.4 故障树分析
4.4.1 故障树中基本实体对象
4.4.2 故障树分析:一般考虑
4.4.3 定量分析
4.5 事件树分析
4.6 马尔可夫模型
4.6.1 单部件不可修复系统的马尔可夫模型
4.6.2 可修复系统的马尔可夫模型
4.7 先进的系统分析方法:综述
4.7.1 动态故障树
4.7.2 动态事件树
4.7.3 二元决策图
参考文献
第 5 章 寿命预测
5.1 引言
5.2 文献综述
5.3 寿命预测的主要步骤
5.4 寿命试验的材料特性和部件表征
5.4.1 核心 SSC
5.4.2 可更换但代价高的 SSC
5.4.3 可修复和可更换的系统
5.4.4 电气系统
5.5 失效的定义
5.6 材料退化及其特征
5.6.1 微观结构
5.6.2 化学成分
5.6.3 晶体结构在材料失效中的作用
5.7 寿命预测 / 评估方法
5.7.1 无损检测
5.7.2 寿命试验
5.7.3 高加速应力筛选
5.7.4 基于仿真的方法
5.7.5 预测和健康管理
5.8 结论
参考文献
第 6 章 概率风险评价
6.1 引言
6.2 风险的基本要素
6.3 PRA 的三个级别
6.4 PRA 在基于风险应用中的作用
6.5 PRA 及其应用的质量
6.6 PRA 的基本要素
6.6.1 PRA 的目标
6.6.2 PRA 的范围
6.6.3 有限和全范围一级 PRA
6.7 有限范围一级 PRA 方法
6.7.1 组织与管理
6.7.2 熟悉电厂
6.7.3 识别电厂危险源和形成适用的始发事件清单
6.7.4 始发事件分析
6.7.5 事故序列分析
6.7.6 系统建模
6.7.7 失效准则评估
6.7.8 数据收集及分析
6.7.9 始发事件频率定量化
6.7.10 主要部件类别和估计不可用度的模型
6.7.11 相关失效
6.7.12 人员可靠性分析
6.7.13 事故序列定量化
6.7.14 不确定性分析
6.7.15 敏感性分析
6.7.16 重要度分析
6.7.17 堆芯损伤频率相关问题和结果的形成及其解释
6.7.18 文档
6.8 超出有限范围的 PRA 全范围一级 PRA 的其他主要模块
6.8.1 低功率和停堆 PRA
6.8.2 乏燃料水池 PRA
6.8.3 内部危害
6.8.4 外部危害
6.9 二级 PRA
6.9.1 背景
6.9.2 二级 PRA 方法
6.10 三级 PRA
6.10.1 背景
6.10.2 方法概述
6.10.3 源项
6.10.4 气象数据和采样
6.10.5 农业和人口数据
6.10.6 大气扩散和传播
6.10.7 暴露途径
6.10.8 健康影响
6.10.9 对策
6.10.10 经济损失与公众意识
6.10.11 结果与应用
6.11 结论和最后评论
参考文献
第 7 章 基于风险的设计
7.1 引言
7.2 基于风险设计方法的演变过程综述
7.3 方法
7.4 基于风险设计的显著特征
7.5 基于风险设计的主要元素
7.5.1 安全和功能目标识别
7.5.2 质量保证计划
7.5.3 事件和危害的假设
7.5.4 综合设计框架构建
7.5.5 SSCs 失效准则的评估
7.5.6 风险和不确定性目标 / 指标的表征
7.5.7 结构安全裕度评估
7.5.8 纵深防御评估
7.5.9 监测 / 预测与健康管理计划
7.5.10 FMEA 和根原因分析
7.5.11 人员因素的考虑
7.5.12 设计问题的识别和优先级排序
7.5.13 电厂 / 系统配置的评估
7.5.14 文档:安全报告和技术规格书的制定
7.6 宏观 (高层级) 建模:概率风险评价
7.7 微观 (低层级) 建模:结构概率论方法
7.7.1 结构可靠性:应力 / 强度概念
7.7.2 应力 / 强度干涉的可靠性表达式推导
7.7.3 主要的结构可靠性方法
7.8 主要支持工具
7.9 规范和标准
7.10 案例研究:使用安全裕度验证反应堆的安全性
7.11 小结
参考文献
第 8 章 疲劳和断裂风险评价:概率论框架
8.1 简介
8.2 疲劳和断裂:背景
8.3 确定论方法
8.3.1 SN 方法
8.3.2 断裂力学方法
8.4 概率论方法
8.4.1 概率工具和方法
8.4.2 概率疲劳可靠性模型概述