吳振宇 朱朝峰

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢430060）

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基于事故樹的系統(tǒng)故障診斷和修復(fù)

吳振宇 朱朝峰

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢430060）

［摘 要］采用事故樹分析法對(duì)故障系統(tǒng)進(jìn)行分析，在事故樹邏輯簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上分別構(gòu)建系統(tǒng)的故障診斷模型和故障維修模型；在事故樹定性和定量分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)事故樹模型中的基本原因事件的故障檢測(cè)時(shí)效比和維修時(shí)效比進(jìn)行分析；制定系統(tǒng)的故障診斷和修復(fù)流程，快速、及時(shí)地對(duì)故障系統(tǒng)做出響應(yīng)，保證艦船生命力。結(jié)果表明：基于事故樹的系統(tǒng)故障分析法為系統(tǒng)的故障檢測(cè)和搶修決策提供依據(jù)，對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)的生命力研究具有一定的適用性。

［關(guān)鍵詞］事故樹分析法；故障診斷；故障修復(fù)；邏輯簡(jiǎn)化

朱朝峰（1984-），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶電氣。

引 言

艦船生命力即艦船在戰(zhàn)斗損傷和故障損傷條件下能否繼續(xù)保持航行和作戰(zhàn)的能力，是艦船戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)［1］。如何在戰(zhàn)損和故障條件下，制定艦船的搶修決策方案、實(shí)現(xiàn)艦船的故障修復(fù)，是一個(gè)亟待研究解決的問題。故障診斷分析依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，查找故障源并提出解決方案，對(duì)系統(tǒng)的搶修決策和故障修復(fù)具有指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的故障診斷方法是在故障檢測(cè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和功能特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的故障因素進(jìn)行事故樹定性定量分析，探討各種故障原因的結(jié)構(gòu)重要程度和概率重要度等，從而指導(dǎo)事故控制方案的制定和實(shí)施。然而，傳統(tǒng)的故障診斷方法僅立足于艦船的安全，并不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)設(shè)備的維修時(shí)間等因素對(duì)故障修復(fù)的影響［2-5］。

系統(tǒng)故障修復(fù)過(guò)程中如何憑借有限資源快速、準(zhǔn)確、高效地修復(fù)艦船生命力？本文將在傳統(tǒng)故障診斷方法的基礎(chǔ)上，立足于系統(tǒng)的故障檢測(cè)和修復(fù)，建立系統(tǒng)的事故樹分析模型。在結(jié)構(gòu)重要度的基礎(chǔ)上，探討不同故障因素的診斷時(shí)效比和修復(fù)時(shí)效比，為艦船生命力的故障診斷和搶修決策提供指導(dǎo)。

1　基于事故樹的系統(tǒng)故障分析法

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）又稱因果樹分析法，在系統(tǒng)的可靠性分析和故障診斷方面具有廣泛的應(yīng)用，是指導(dǎo)系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)、薄弱環(huán)節(jié)分析和運(yùn)行維修的有力工具。將事故樹分析法用于系統(tǒng)的故障診斷和修復(fù)，既能通過(guò)演繹分析探索出系統(tǒng)的故障所在，加深對(duì)系統(tǒng)故障和故障原因的理解，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障修復(fù)；又能對(duì)重要部位系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)的故障診斷和搶修決策進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，滿足特定工況下的艦船生命力需求。圖1為基于事故樹的系統(tǒng)故障分析流程。

圖1　基于事故樹的系統(tǒng)故障分析流程

事故分析樹以特定環(huán)境下的系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件（即人們關(guān)心的影響人員、裝備使用安全和任務(wù)完成的系統(tǒng)故障）為頂事件，在對(duì)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理和功能的基礎(chǔ)上，采用因果分析法，自上而下、逐層尋找頂事件的直接原因事件和間接原因事件，直到影響系統(tǒng)故障的基本原因事件，并用邏輯圖直觀的表達(dá)不同事件之間的邏輯關(guān)系，建立系統(tǒng)的事故樹模型［6］。

在對(duì)故障進(jìn)行事故樹分析求解過(guò)程中，由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性導(dǎo)致所建立的事故樹模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為事故樹的定性定量分析帶來(lái)了困難。因此本文在建立系統(tǒng)事故樹的基礎(chǔ)上，提出對(duì)系統(tǒng)事故樹的邏輯簡(jiǎn)化：以某種順序遍歷事故樹，依次對(duì)每個(gè)門下的子樹進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，事故樹的邏輯簡(jiǎn)化過(guò)程遵循相關(guān)的局部?jī)?yōu)化規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)事故樹的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在事故樹邏輯簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致系統(tǒng)故障的原因和原因組合，確定系統(tǒng)的最小割集和最小路集，識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)及所有可能的失效模式，求得單元概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度和關(guān)鍵重要度等系統(tǒng)指標(biāo)。

在系統(tǒng)故障診斷過(guò)程中，結(jié)合系統(tǒng)基本事件的故障檢測(cè)時(shí)間，定量分析故障系統(tǒng)的故障判明時(shí)效比，并以此作為系統(tǒng)故障診斷優(yōu)先級(jí)排序的依據(jù)，以最小的代價(jià)換取最佳效果的最優(yōu)診斷方案，并對(duì)系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行檢測(cè)定位。

在系統(tǒng)故障診斷事故樹的基礎(chǔ)上，建立故障系統(tǒng)的維修性事故樹模型（其中在建立系統(tǒng)的維修性事故模型時(shí)，僅需要對(duì)系統(tǒng)的故障診斷事故樹模型中的“與”門用“或”門代替即可）［7］，并對(duì)其進(jìn)行定性定量分析，計(jì)算對(duì)應(yīng)原因事件的修復(fù)時(shí)效比。在事故樹定量分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)原因事件故障修復(fù)的實(shí)際對(duì)系統(tǒng)故障部件的修復(fù)順序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的故障修復(fù)，為系統(tǒng)的搶修決策提供指導(dǎo)。

1.1事故樹邏輯簡(jiǎn)化

事故樹邏輯簡(jiǎn)化，其全局優(yōu)化準(zhǔn)則是事故樹中的節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，局部?jī)?yōu)化準(zhǔn)則是每個(gè)門下的子樹節(jié)點(diǎn)數(shù)最少。本文采用貪心算法結(jié)合事故樹的邏輯簡(jiǎn)化規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜事故樹的邏輯簡(jiǎn)化?；谪澬乃惴ǖ氖鹿蕵溥壿嫼?jiǎn)化可大幅度提高分析求解速度，解決大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷和分析問題。

在事故樹邏輯簡(jiǎn)化過(guò)程中遵循以下局部?jī)?yōu)化準(zhǔn)則［8］。

1.1.1收縮規(guī)則

規(guī)則1：若相鄰兩層門類型相同，則可合并。

規(guī)則2：在同一個(gè)門的輸入中，相同的底事件可以合并。

規(guī)則3：如果一個(gè)門只有一個(gè)輸入，則這個(gè)門可以刪除，其輸入上移。

1.1.2刪除規(guī)則

規(guī)則1：如果在事故樹的某個(gè)門G1下有基本事件B，同時(shí)在以門G1為頂?shù)淖訕涞呐紨?shù)層上的某個(gè)門G2下也有基本事件B，則以門G2為頂?shù)淖訕淇梢詣h去。

規(guī)則2：如果在事故樹的某個(gè)門G1下有基本事件B，同時(shí)在以門G1i頂?shù)淖訕涞钠鏀?shù)層上的某個(gè)門G2下也有基本事件B，則可以刪去G2下面的基本事件B。

1.1.3提取規(guī)則

提取規(guī)則即相同底事件處在一層的若干個(gè)門中，可將該事件提取出來(lái)，其應(yīng)用前提是事故樹中的門的類型隔層相同。

1.2基于事故樹的系統(tǒng)故障診斷

對(duì)故障系統(tǒng)進(jìn)行事故樹分析旨在判明故障原因，排除故障單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷和修復(fù)。事故樹定性定量分析只是對(duì)各個(gè)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析，反映系統(tǒng)故障的貢獻(xiàn)大小，因此還需要對(duì)系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行檢測(cè)定位。

在故障檢測(cè)定位過(guò)程中，假設(shè)單元i的故障檢測(cè)時(shí)間為Ti。由于不同單元的故障檢測(cè)時(shí)間Ti差異很大，可能存在某一單元的關(guān)鍵重要度比較小，但是其故障維修時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)。因此，從單元系故障檢測(cè)時(shí)間診斷效果看，平均單位時(shí)間內(nèi)故障修復(fù)效果較差?？傊?，以關(guān)鍵重要度或結(jié)構(gòu)重要度作為依據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷并不合適。本文把關(guān)鍵重要度與單元故障檢測(cè)時(shí)間的比值Ret（i）（即故障修復(fù)時(shí)效比）作為排序的依據(jù)［3］，按照從大到小的順序確定故障診斷的先后次序，以最小的代價(jià)制定系統(tǒng)故障診斷的最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障原因的定位。Ret（i）由式（1）算出。

1.3基于事故樹的系統(tǒng)搶修決策

為能夠協(xié)調(diào)單元結(jié)構(gòu)重要度或概率重要度與單元故障維修時(shí)間之間的矛盾，本文引入故障修復(fù)時(shí)效比作為系統(tǒng)維修優(yōu)先級(jí)排序的依據(jù)。假設(shè)單元i的故障率為λi、故障維修時(shí)間為ti，則關(guān)鍵重要度與單元維修時(shí)間的比值Lct（i）（即故障修復(fù)時(shí)效比）按照從大到小的順序確定故障單元維修的先后次序，制定系統(tǒng)的最優(yōu)搶修決策方案，以最小的時(shí)間代價(jià)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障恢復(fù)。Lct（i）由式（2）算出。

此外，本文對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，其中平均修復(fù)時(shí)間為：

結(jié)合系統(tǒng)的故障發(fā)生率、概率重要度、系統(tǒng)的維修時(shí)間和平均時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)籌綜合考慮，從而為提高艦船生命力提供參考性意見。

2　實(shí)例應(yīng)用

以某船突發(fā)電力系統(tǒng)失電故障［3］為例，以基于事故樹的系統(tǒng)故障分析法作為系統(tǒng)分析方法，確定系統(tǒng)的故障診斷優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障定位，并制定系統(tǒng)的搶修決策方案，以最短的時(shí)間為代價(jià)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障修復(fù)。根據(jù)該船內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系，建立如下頁(yè)圖2所示電力系統(tǒng)失電的故障診斷事故樹模型。

圖2中：X1為主配電板故障；X2為應(yīng)急電源蓄電池組故障；X3為電力分電箱故障；X4為電源轉(zhuǎn)換開關(guān)故障；X5為80 A整流器故障；X6為充放電板故障；X7為滑油泵故障；X8為輔機(jī)蓄電池組故障；X9為柴油機(jī)故障；X10為發(fā)電機(jī)故障；X11為變壓器故障；X12為手搖泵故障；X13為燃油泵故障；X14為海水泵故障；X15為淡水泵故障； X16為熱交換器故障；X17為膨脹水箱故障；A為電力系統(tǒng)失電；B為電源不能正常供電；C為主電源不能正常工作；D為柴油發(fā)電機(jī)組不能正常工作；E為燃油管路不能正常工作；F為冷卻系統(tǒng)不能正常工作。

圖2　某電力系統(tǒng)失電事故樹的故障診斷模型

由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，忽略系統(tǒng)邏輯簡(jiǎn)化過(guò)程，通過(guò)計(jì)算求得系統(tǒng)的最小割集共14個(gè)，即：{X1}、{X3}、{X2，X4，X5}、{X2，X4，X6}、{X2，X4，X12，X13}、{X2，X4，X7}、{X2，X4，X14}、{ X2，X4，X15}、{X2，X4，X16}、{X2，X4，X17}、{X2，X4，X8}、{X2，X4，X9}、{X2，X4，X10}、{ X2，X4，X11}。

若已知系統(tǒng)的各個(gè)基本原因事件的故障診斷時(shí)間Ti、故障率λi、故障維修時(shí)間ti，則可獲得相對(duì)應(yīng)原因事件的概率重要度和故障診斷時(shí)效比，如表1所示。

由表1可知：系統(tǒng)各個(gè)基本事件的故障診斷優(yōu)先級(jí)排列如下：主配電板——電力分電箱——電源轉(zhuǎn)換開關(guān)——應(yīng)急電源蓄電池組——充放電板——80 A整流器——輔機(jī)蓄電池組（變壓器）——熱交換器（膨脹水箱）——滑油泵（海水泵、淡水泵）——發(fā)電機(jī)——柴油機(jī)——手搖泵——燃油泵。

表1　某電力系統(tǒng)失電的故障事故樹分析

圖3　某電力系統(tǒng)失電事故樹的故障維修模型

在圖2所示的系統(tǒng)故障事故樹模型的基礎(chǔ)上，利用前文的相關(guān)事故樹理論，建立該系統(tǒng)維修事故樹模型，如圖3所示?？傻檬鹿蕵涞淖钚「罴癁閧X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}。其中每個(gè)最小割集代表故障系統(tǒng)的一次維修事件。

已知系統(tǒng)的維修事故樹模型中各個(gè)基本原因事件的故障率λi、故障維修時(shí)間ti，通過(guò)對(duì)該事故樹模型定性定量分析可得對(duì)應(yīng)事件的維修時(shí)效比，如表2所示。

表2　某電力系統(tǒng)失電的維修事故樹分析

由表2可知：

系統(tǒng)各個(gè)基本事件的維修優(yōu)先級(jí)排序如下：電源轉(zhuǎn)換開關(guān)——手搖泵——海水泵（淡水泵、膨脹水箱）——80 A整流器（變壓器、熱交換器）——滑油泵（燃油泵）——充放電板——應(yīng)急電源蓄電池組——電力分電箱——輔機(jī)蓄電池組——主配電板——發(fā)電機(jī)——柴油機(jī)。這一優(yōu)先級(jí)序列與系統(tǒng)的維修時(shí)間密切相關(guān)，系統(tǒng)越復(fù)雜，維修時(shí)間就越長(zhǎng)，應(yīng)該最后考慮對(duì)該系統(tǒng)的維修。

在對(duì)系統(tǒng)的維修性分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮事故樹中各個(gè)基本原因事件的事故發(fā)生率、概率重要度和系統(tǒng)的平均維修時(shí)間，縮短柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的維修時(shí)間對(duì)提高系統(tǒng)的故障修復(fù)效果顯著，這一分析結(jié)果與實(shí)際的維修過(guò)程是一致的。

3　結(jié) 論

本文以某船電力失效故障為例，在事故樹邏輯簡(jiǎn)化理論的基礎(chǔ)上，分別建立基于事故樹的系統(tǒng)故障診斷模型和修復(fù)模型；在對(duì)系統(tǒng)事故樹模型定性定量分析的基礎(chǔ)上，探討系統(tǒng)的故障檢測(cè)時(shí)效比和故障維修時(shí)效比；并以此作為系統(tǒng)故障檢測(cè)和故障修復(fù)的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障定位和故障修復(fù)，為系統(tǒng)的搶修決策提供建設(shè)性意見。事故樹分析方法簡(jiǎn)單、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)模型的邏輯簡(jiǎn)化，能夠滿足復(fù)雜系統(tǒng)的故障分析需求，在艦船生命力的設(shè)計(jì)階段和使用階段具有適用性。

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Fault diagnosis and recovery based on fault tree analysis

WU Zhen-yu ZHU Chao-feng
(Naval Representative Offi ce Based in 438 Factory, Wuhan 430060, China)

Abstract:The fault system is analyzed by the fault tree analysis(FTA) method. The fault diagnosis model and the maintenance model are constructed following the fault tree logical reduction strategy. The ratios of efficiency to time of fault diagnosis and the maintenance for the basic causation events of the system fault tree model are analyzed based on the qualitative and quantitative FTA. The programs for fault diagnosis and the maintenance are established to quickly and timely response to the malfunction system, ensuring the ship survivability. The results show that the system fault analysis based on FTA can provide a basis for the fault diagnosis and maintenance and can be applied to the investigation of the complex system survivability.

Keywords:fault tree analysis(FTA); fault diagnosis; fault recovery; logical reduction

［中圖分類號(hào)］U672

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）02-0031-05

［收稿日期］2015-10-19；［修回日期］2015-11-24

［作者簡(jiǎn)介］吳振宇（1987-），男，助理工程師，研究方向：船舶電氣。