趙建忠 鄧建球 曲曉燕 陳 洪

基于改進(jìn)FTA方法的安全保障分析技術(shù)研究

趙建忠1鄧建球1曲曉燕1陳 洪2

（1. 海軍航空工程學(xué)院 山東煙臺264001；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所鄭州450007）

在事故樹分析法基本原理的基礎(chǔ)上，給出了編制事故樹、求最小割（徑）集、進(jìn)行重要度分析等事故樹分析法的實(shí)施步驟。首先將事故樹要素劃分為不同的層次，形成一個(gè)層次分析模型。采用改進(jìn)層次分析法求取基本事件重要度，無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，提高了運(yùn)算速度，減少了判斷矩陣調(diào)整的繁瑣。并且利用此方法，還可以求取最小割（徑）集重要性順序，拓展了事故樹分析中重要度的分析范圍。案例分析說明了該方法的應(yīng)用過程，并驗(yàn)證了方法的有效性。

機(jī)載導(dǎo)彈 安全 事故樹分析 層次分析法

隨著我軍建設(shè)轉(zhuǎn)型工作的不斷推進(jìn)，航空兵部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化演練及遂行非戰(zhàn)爭行動任務(wù)不斷增多。機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障系統(tǒng)涉及因素多，安全標(biāo)準(zhǔn)高，運(yùn)行組織嚴(yán)密。航空兵部隊(duì)在參與重大軍事任務(wù)中，動用機(jī)載導(dǎo)彈裝備比較頻繁，而在機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障過程中充滿了不確定性因素，隱藏著潛在性安全風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎就可能發(fā)生事故。全面深入地分析機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障的可能安全隱患，找出影響安全的因素，對于做好機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障安全工作至關(guān)重要。而科學(xué)的安全分析方法，能夠幫助我們更快地找到導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因及其之間的關(guān)聯(lián)性，從而有效地減少各種事故的發(fā)生。

事故樹分析法由故障樹分析發(fā)展而來，常用于系統(tǒng)危險(xiǎn)性的辨識和評價(jià)，既能分析出事故的直接原因，又能深入地揭示出事故的潛在原因，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。它可以直觀、明了地表示出事故的因果關(guān)系，結(jié)構(gòu)清晰，邏輯性強(qiáng)[1]。為了從本質(zhì)上探尋機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障中安全事故產(chǎn)生的原因，把握機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障安全工作的特點(diǎn)規(guī)律，有效預(yù)防各類事故發(fā)生，確保航空兵部隊(duì)安全順利地完成各項(xiàng)任務(wù)，本文提出運(yùn)用事故樹分析保障機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)的安全方法。運(yùn)用事故樹分析方法，不僅能夠分析出事故的直接原因，而且也能深入揭示事故的潛在危險(xiǎn)因素，對事故原因進(jìn)行總結(jié)，指導(dǎo)機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障過程中如何避免和控制事故的發(fā)生。

目前，事故樹分析中的定性分析大都采用結(jié)構(gòu)重要度分析法[2]。它的最大缺點(diǎn)是不考慮基本事件發(fā)生概率這一重要因素。層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是1977年由美國匹茲堡大學(xué)教授T．L．Saaty提出的一種定性與定量相結(jié)合、層次化、系統(tǒng)化的決策分析方法[3]。有些學(xué)者運(yùn)用灰色統(tǒng)計(jì)決策方法、模糊數(shù)學(xué)理論、可拓學(xué)等理論和方法對其進(jìn)行了改進(jìn)，使不確定性因素的處理得以改善[4-6]。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，層次分析法的很多運(yùn)算可以借助軟件來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，已成為一種應(yīng)用廣泛的分析與決策方法。本文采用改進(jìn)的層次分析法對事故因素的重要度進(jìn)行分析。

1 事故樹分析法概述

事故樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種從結(jié)果到原因的演繹推理法，目的是找出與事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系、邏輯關(guān)系，分析系統(tǒng)中事故產(chǎn)生的原因和潛在危險(xiǎn)。它應(yīng)用邏輯推理方法，從一個(gè)可能的事故開始，一層一層逐步尋找引起事故發(fā)生的觸發(fā)事件、直接原因和間接原因，用事故樹表示事故原因之間的相互邏輯關(guān)系，再進(jìn)行事故樹的定性與定量分析，分析確定事故發(fā)生的主要原因，為制定安全對策提供可靠依據(jù)，以便預(yù)防或控制事故。所謂事故樹，就是從結(jié)果到原因描繪事故發(fā)生的有向邏輯樹。該事故樹遵循從結(jié)果分析原因的邏輯分析原則，基本事件（節(jié)點(diǎn)）之間通過邏輯門連接。事故樹的基本要素主要包括事件、邏輯門（與門、或門、條件與門、條件或門等）[7,8]。

事故樹分析法具有以下特點(diǎn)：（1）它是一種用圖形演繹導(dǎo)致事故發(fā)生的各因果關(guān)系的邏輯方法。從頂上事件開始，逐層進(jìn)行分析，找出基本事件與頂上事件的邏輯關(guān)系；（2）可以對導(dǎo)致系統(tǒng)事故發(fā)生的人、機(jī)、環(huán)境等諸多原因進(jìn)行分析，靈活性強(qiáng)，考慮因素全面；（3）可以對系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量分析，以便發(fā)現(xiàn)和解決安全問題。

2 事故樹分析法的改進(jìn)

運(yùn)用層次分析法對事故樹重要度的計(jì)算方式進(jìn)行改進(jìn)，其基本步驟如下：

1）繪制事故樹圖

首先確定所要分析的對象，即頂事件。通過事故調(diào)查分析，深入挖掘事故原因，找出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件。根據(jù)國標(biāo)GB7829《故障樹分析程序》對邏輯門符號的規(guī)定用相應(yīng)的邏輯門將基本事件和中間事件聯(lián)系起來，就能夠得到完整的故障樹。再對故障樹進(jìn)行規(guī)范化和簡化，得到該類事故的事故樹。

2）求出最小割（徑）集

最小割集是割集中引起頂上事件發(fā)生的充分必要的基本事件的集合。它表明哪些最少基本事件的發(fā)生會導(dǎo)致頂上事件發(fā)生，反映系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。一個(gè)最小割集對應(yīng)著事故發(fā)生的一種模式[7,8]。通常利用布爾代數(shù)求得事故樹的最小割集。

徑集表示的意義與割集相反。最小徑集則是頂上事件不發(fā)生所要求的最小的基本事件集合。它表示在哪些基本事件不發(fā)生的情況下頂上事件就不會發(fā)生，反映系統(tǒng)的安全性。有幾個(gè)最小徑集就表示有幾個(gè)消除事故的途徑。求取最小徑集時(shí)，利用它與最小割集的對偶性，即將事故樹中的與門換成或門、或門換成與門，將事故樹換成安全樹，求出安全樹的最小割集，就是原事故樹的最小徑集。

3）根據(jù)事故樹建立事故樹層次分析模型

根據(jù)事故樹各要素之間的邏輯關(guān)系，可以將事故樹轉(zhuǎn)換為由最小割（徑）集表示的層次分析模型。

4）求比較矩陣

把最小割（徑）集內(nèi)各個(gè)基本事件的重要性進(jìn)行兩兩比較，得到基本事件的相對重要性。采用三標(biāo)度法[9]表示基本事件的相對重要性，得到比較矩陣D。

5）計(jì)算重要性排序指數(shù)

根據(jù)公式

6）求基本事件在最小割（徑）集的重要度

7）求最小割（徑）集相對于頂上事件T的重要度

求各最小割（徑）集相對于頂上事件的重要度，方法和步驟同前。

8）求基本事件相對于頂上事件T的重要度

基本事件相對頂上事件的重要度，按公式（10）計(jì)算：

9）最后得到各基本事件的層次重要度順序。

3 案例分析

裝備吊裝是機(jī)載導(dǎo)彈裝備技術(shù)保障中的一項(xiàng)重要工作。由于裝備吊裝需要用到機(jī)械、液壓、吊具等設(shè)備，而且又涉及空中作業(yè)，尤其是室外或野外作業(yè)時(shí)，需要用到機(jī)動起重設(shè)備，所以裝備吊裝是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較大的活動。

根據(jù)調(diào)查分析吊裝作業(yè)過程中的安全事故，有以下幾種典型原因：（1）高空墜物：是指吊裝作業(yè)過程中，吊物或起重機(jī)上的吊鉤、巴桿、機(jī)件、工屬具等物件從高處墜落。（2）吊機(jī)傾覆：是指吊機(jī)在吊裝作業(yè)過程中失去平衡導(dǎo)致傾翻。（3）物體撞壓、打擊：是指在吊裝作業(yè)時(shí)受到擺蕩的吊鉤、吊物、工屬具等撞擊或彈飛的鋼絲繩等物體打擊。（4）吊物摔落：是指起吊或放下吊物時(shí)吊物垂直掉落下來。根據(jù)以上各種原因，繪制機(jī)載導(dǎo)彈裝備吊裝的事故樹，如圖1所示。

圖1 機(jī)載導(dǎo)彈裝備吊裝作業(yè)事故樹

根據(jù)上述建立的故障樹，利用布爾代數(shù)法可以求出事故樹的最小徑集為下述三個(gè)：

K1={X4，X5，…，X17}；

K2={X1，X3}；

K3={X1}。

表1是某類軍工企業(yè)裝設(shè)備吊裝數(shù)年來發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)。

表1 貨物吊裝事故統(tǒng)計(jì)表

1）建立事故樹的層次分析模型

考慮到圖1事故樹最小徑集相對最小割數(shù)目集少，故采用最小徑集來構(gòu)建事故樹的層次分析模型，如圖2所示。

圖2 事故樹層次分析模型

2）求比較矩陣

這里，以中間層P1中的基本事件作為計(jì)算示例。由表1可知，P1中基本事件數(shù)目比較多，且有些基本事件的發(fā)生次數(shù)一樣。因此，可以將相同發(fā)生次數(shù)的基本事件用其中一項(xiàng)代表，以便簡化計(jì)算過程。采用三標(biāo)度法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 比較矩陣的結(jié)果

3）計(jì)算重要性排序指數(shù)

根據(jù)公式（2）、（3），計(jì)算得表3。

表3 判斷矩陣結(jié)果

4）求基本事件在最小徑集的重要度

根據(jù)公式（4），計(jì)算傳遞矩陣，得表4。

表4 傳遞矩陣結(jié)果

根據(jù)公式（5），計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣，得表5。

表5 最優(yōu)傳遞矩陣結(jié)果

根據(jù)公式（6），計(jì)算擬優(yōu)一致矩陣，得表6。

表6 擬優(yōu)一致矩陣結(jié)果

根據(jù)公式（7）、（8）和（9），計(jì)算擬優(yōu)一致矩陣的特征向量。

5）求最小徑集相對于頂上事件T的重要度

6）求基本事件相對于頂上事件T的重要度

據(jù)公式（10）求取，如表7所示。

表7 各初始原因?qū)哟慰偱判蛴?jì)算結(jié)果

由此可知，各基本事件的重要度順序如下：

利用通常的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算公式求得結(jié)果為[7,8]：

由此可見，利用層次分析法求取重要度的排序結(jié)果更加詳細(xì)、具體，更符合實(shí)際情況。運(yùn)用層次分析法改進(jìn)的事故樹分析法，克服了結(jié)構(gòu)重要度分析忽略頂上事件的發(fā)生受基本事件發(fā)生概率影響的缺點(diǎn)，又彌補(bǔ)了概率重要度，臨界重要度計(jì)算過程中不易得到基本事件發(fā)生概率這一局限。因此，在事故樹分析中，層次分析法是一種更為可行、有效的重要度確定方法。

4 結(jié)語

機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障是復(fù)雜的系統(tǒng)，從防患未然的角度加強(qiáng)安全管理，有利于提高機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障的科學(xué)管理水平。本文提出了基于事故樹分析和層次分析法的機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障安全分析新方法，即用事故樹分析法對機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障中可能事故的影響因素進(jìn)行定性分析，并運(yùn)用改進(jìn)的層次分析法確定各基本事件的重要度順序，從而確保分析結(jié)果更加科學(xué)、合理。

（1）提出將事故樹要素劃分為不同的層次，構(gòu)建事故樹的層次分析模型。采用改進(jìn)層次分析法求取基本事件重要度，無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，提高了運(yùn)算速度，減少了判斷矩陣調(diào)整的繁瑣。

（2）研究了最小割（徑）集重要度的求取問題，而傳統(tǒng)事故樹分析中只涉及基本事件重要性的分析，拓展了事故樹分析中重要度的分析范圍。

（3）運(yùn)用層次分析法確定基本事件及最小割（徑）集的重要度，能夠?yàn)橹贫ò踩桨负痛胧┨峁└鼮榭煽康睦碚撘罁?jù)。

事故樹分析方法是進(jìn)行機(jī)載導(dǎo)彈技術(shù)保障可能事故分析的有效工具。它可以找到引起事故發(fā)生因素及其相互之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生的模式及預(yù)防事故發(fā)生的最佳方法。對于大型的事故樹系統(tǒng)，還可借助事故樹分析軟件求解分析結(jié)果。

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