蔡舒妤

摘 要：故障樹分析方法是系統(tǒng)可靠性工程學(xué)的重要分支作為一種評估復(fù)雜系統(tǒng)的實用方法，在飛行器制造工程專業(yè)的課程體系之中多有涉及。該文根據(jù)教學(xué)改革創(chuàng)新的實際，設(shè)計并實現(xiàn)了由計算機輔助的故障樹分析方法智能網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。通過對故障樹繪制生成方法以及協(xié)同建樹方法的研究，實現(xiàn)了多用戶的故障樹可視建立過程；通過提取故障樹結(jié)構(gòu)完整性規(guī)則，保證故障樹結(jié)構(gòu)邏輯合理；通過定性定量分析算法，實現(xiàn)故障樹的智能分析。該平臺彌補了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，為提高課程教學(xué)質(zhì)量提供了支持。

關(guān)鍵詞：故障樹分析法 協(xié)同建樹 可視化 智能教學(xué)平臺

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0006-02

故障樹分析方法，簡稱FTA（Fault Tree Analysis），是系統(tǒng)可靠性工程學(xué)的重要分支作為一種評估復(fù)雜系統(tǒng)的實用方法，通過故障樹分析方法對飛機某一系統(tǒng)的某一故障進行可靠性與安全性的定量定性分析，在飛行器制造工程專業(yè)的課程體系之中多有涉及。

然而，飛機系統(tǒng)復(fù)雜性高，各個系統(tǒng)所含部件眾多，傳統(tǒng)手工建樹及分析過程難度較高，工作量較大，在教學(xué)中以飛機某系統(tǒng)或某部件為案例進行講解分析耗時較長，難以滿足教學(xué)學(xué)時要求，同時學(xué)生動手實踐的機會較少，影響了學(xué)生對故障樹分析法完整全面的理解和應(yīng)用。借助專業(yè)的軟件平臺實現(xiàn)故障樹分析不失為一個行之有效的解決方案。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對FTA分析程序與軟件的研究日趨廣泛。美國針對FTA的分析任務(wù)，研制出一系列功能各異的故障樹分析計算機程序，如PREP/MOCUS、AL-LCUTS等定性分析程序，KITT/PRANTIC等定量分析程序。德國的RISA程序用于FTA 的定量分析，日本、英國則把FTA技術(shù)和可靠性設(shè)計廣泛應(yīng)用于民用產(chǎn)品的生產(chǎn)中，使其產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，增加了經(jīng)濟效益，贏得了廣闊的信譽和市場。

我國FTA技術(shù)引進較晚。清華大學(xué)核能技術(shù)研究所研制了MFFTAAP多功能故障樹，航空航天部502研究所將R.R.WILLE的FTA程序消化移植到計算機上，便于推廣應(yīng)用。西安電子科技大學(xué)研究開發(fā)的和國防科技大學(xué)ART 重點實驗室開發(fā)了故障樹分析軟件。

當(dāng)前故障樹輔助分析軟件系統(tǒng)的不足之處有：故障樹建立操作繁瑣，輸入信息較多；僅提供與門、或門等基本邏輯門的支持；沒有考慮冗余系統(tǒng)的分析，更沒有對共因失效進行分析。此外，可視化水平不高、應(yīng)用領(lǐng)域固定、購買軟件成本高等也是這些軟件難以應(yīng)用于教學(xué)的主要原因。

因此，為了滿足教學(xué)的需要，加深學(xué)生對于飛機可靠性分析方法與過程的認識和理解，對故障樹分析智能教學(xué)平臺進行設(shè)計，將故障樹協(xié)同建立、數(shù)據(jù)模型管理、定量定性分析、運算結(jié)果存儲等功能集成于一體，通過“所見即所得”的可視化建樹過程和智能數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對飛機系統(tǒng)的智能完整的故障樹分析過程。

2 故障樹分析智能教學(xué)平臺的需求分析

2.1 可視化協(xié)同建樹方法

通過引入“所見即所得”的可視化模式，實現(xiàn)多人參與的故障樹模型協(xié)同建立。通過對故障樹基本元素的分析，定義事件符號、邏輯門符號等基本元素符號的屬性和邏輯含義，使故障樹的描述清晰直觀；設(shè)計故障樹基本元素的表示方式和存儲結(jié)構(gòu)，為后續(xù)分析過程提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支持；同時考慮使用人員的建樹思路和操作習(xí)慣以及多人參與的協(xié)同機制，使故障樹建立過程方便快捷。

2.2 故障樹分析中的NP（Non-deterministic Polynomial）問題

在故障樹的定性定量分析過程中，都存在著組合爆炸問題，即NP問題。它的產(chǎn)生是由于在進行故障樹分析中，算法遍歷所有可能的解決方案以保證分析結(jié)果正確而導(dǎo)致的。系統(tǒng)將引入計算復(fù)雜性相關(guān)理論，通過早期邏輯簡化、早期模塊分解和早期不交化等方法，降低NP問題發(fā)生的可能性。

3 故障樹分析智能教學(xué)平臺的設(shè)計

立足教學(xué)質(zhì)量提升及課程改革創(chuàng)新的需要，對故障樹分析法的教學(xué)需求進行分析，故障樹分析智能教學(xué)平臺功能架構(gòu)如圖1所示。

（1）系統(tǒng)管理功能，涵蓋了對系統(tǒng)用戶及權(quán)限的管理，其中包含如下子功能：

用戶管理，系統(tǒng)能夠?qū)κ褂谜叩男畔⑦M行管理，實現(xiàn)添加、修改、刪除用戶，并可以對用戶分配角色，將不同的功能權(quán)限授予不同的用戶，用戶無法看到和使用不具備的功能。

權(quán)限管理，系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)權(quán)限信息進行管理，實現(xiàn)權(quán)限的添加、修改和刪除。

角色管理，系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)角色信息進行管理，實現(xiàn)角色的添加、修改和刪除，并可以對角色進行權(quán)限分配。

日志管理，系統(tǒng)記錄用戶的使用情況。自用戶登錄開始到退出整個過程進行跟蹤記錄，以記錄用戶的操作內(nèi)容。

（2）項目管理模塊，支持項目的創(chuàng)建、打開、保存和關(guān)閉操作。

（3）故障樹建立模塊。定義故障樹基本元素控件，提供界面友好、操作簡單的可視化故障樹模型建立的人機交互接口；設(shè)計協(xié)同機制，實現(xiàn)多名使用人員共同參與的故障樹建立過程；對建立的故障樹進行完整性檢測，確保故障樹滿足其邏輯規(guī)則；此外，規(guī)范故障樹存儲結(jié)構(gòu)，為后續(xù)定性定量分析提供統(tǒng)一高效的數(shù)據(jù)存儲。

（4）定性分析模塊，提供故障樹最小割集、最小路集等定性分析的多種算法，可對平臺中建立的故障樹快速完成定性分析。

（5）定量分析模塊，提供故障樹頂事件概率、底事件重要度等定量分析的多種算法，實現(xiàn)對平臺中故障樹快速準(zhǔn)確的定量分析。

（6）分析報告模塊，當(dāng)故障樹建立及分析過程完成后，可生成故障樹及分析結(jié)果的報告，并上傳至服務(wù)器或保存至本地。

（7）技術(shù)報告管理功能，提供對分析報告的查看和下載功能。

（8）文件管理功能，實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)文檔的添加、修改和刪除功能，并能夠上載、下載相應(yīng)的文件。

（9）搜索功能，實現(xiàn)了對系統(tǒng)中的文件、報告信息的各項數(shù)據(jù)內(nèi)容的搜索。

（10）幫助功能，提供使用系統(tǒng)的幫助信息。

性能上，系統(tǒng)能有效、快速、安全、可靠和無誤的完成上述操作。用戶界面要簡單明了，易于操作，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫利于維護。

4 故障樹分析智能教學(xué)平臺的實現(xiàn)

故障樹分析智能教學(xué)平臺基于C#語言面向局域網(wǎng)實現(xiàn)C/S結(jié)構(gòu)模式。系統(tǒng)集故障樹協(xié)同建立、數(shù)據(jù)模型管理、定量定性分析、運算結(jié)果存儲、生成報表等功能于一體，為飛機可靠性分析與故障診斷提供有力的軟件支持。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

5 結(jié)語

故障樹分析方法是系統(tǒng)可靠性工程學(xué)的重要分支作為一種評估復(fù)雜系統(tǒng)的實用方法，在飛行器制造工程專業(yè)的課程體系之中多有涉及。本文將設(shè)計實現(xiàn)由計算機輔助的故障樹分析方法智能網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，通過引入“所見即所得”的可視化建樹模式，支持基于局域網(wǎng)的多人參與的故障樹模型協(xié)同建立；同時提供完整性檢測算法支持，確保其滿足邏輯規(guī)則；通過解決組合爆炸問題，自動完成故障樹定性定量分析并生成分析報告。該平臺為教學(xué)提供有力的軟件支持，解決了目前教學(xué)軟件采購成本高、適用性差、功能擴展困難的尷尬局面，在增強學(xué)生的教學(xué)參與度，提高教學(xué)質(zhì)量的同時，培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程實際問題的能力。

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