安全仪表系统(Safety Instrumented System,SIS)是专门用于检测设备的异常动作及应对可能发生的潜在危害的安全屏障,以使整个装置实现可控的安全停车,避免事故的发生。目前,已被广泛应用于大部分石油化工装置中。然而由于安全仪表系统本身结构、硬件等因素的影响,在需要其执行安全功能时却无法正常执行相应的安全功能,从而导致严重事故的发生。因此,如何对安全仪表系统的可靠性和可用性进行合理准确的定量评估,以保证安全仪表系统安全功能可靠执行,是目前亟需解决的问题。本文在国内外安全仪表系统功能安全研究的基础上,对异型冗余系统KooN结构的可靠性和可用性定量评估公式进行优化。同时考虑实际应用中存在多重表决结构安全仪表系统的“特殊”情况。又对其需求失效概率(Probability of Failure on Demand,PFD)和误跳车率(Suprious Trip Rate,STR)计算模型进行了进一步研究。可靠性优化评估首先基于IEC-61508标准和需求失效概率基本原理,考虑不同失效率、通道失效顺序及共因失效(Common Cause Failure,CCF)对系统失效概率的影响,建立异型冗余设备KooN结构PFD计算模型。此外,对于需考虑在线局部测试和对计算结果精度要求更高的安全仪表系统,在解决传统多阶段马尔可夫模型CMM(Conventional Multi-phase Markov)存在建模过程复杂、维数爆炸等问题的基础上,提出一种多阶段马尔可夫模型简化算法SMM(Simplified Muti-phase Markov)。对于可用性评估优化,通过分析联锁回路(Safety Instrumented Function,SIF)中传感器、逻辑解算器、执行机构引发误跳车的不同失效机理和模型,考虑共因失效对误跳车率的影响,给出异型冗余设备KooN结构的新的子系统误跳车率计算模型SNRS(STR of Non-identical Redundant System)。与此同时,通过考虑传感器、逻辑解算器、执行机构三部分之间的关联联系,建立一种从全新角度分析的安全联锁功能回路误跳车率的计算框架RST(Reliability based Spurious Trip)。鉴于多重表决结构可靠性评估存在结果非保守、保守结果计算过程过于复杂的问题,通过确定PFD计算修正因子RF,对传统计算模型进行改进。建立新的多重表决结构PFD计算模型。另外考虑目前缺少对可用性组间结构的计算模型,确定STR修正因子AF,创新性提出SIS多重表决结构的可用性评估计算模型。上述SIS定量评估优化公式在相应案例研究结果表明,通过与目前主流的多种计算方法进行数值计算对比,验证了本文提出的SIS可靠性和可用性定量评估优化模型的有效性,同时改进模型不但使计算结果更加准确,还解决SIS功能安全评估不合理的情况。而且能在维持计算精度的同时避免复杂的建模过程,极大地降低了计算量。因此,均在一定程度上降低了事故灾害发生的概率,减小了灾害发生的风险。