空間故障樹的徑集域與割集域的定義與認(rèn)識(shí)

崔鐵軍，馬云東

摘要：目的：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障分析時(shí)，可發(fā)現(xiàn)各元件的工作時(shí)間t和工作適應(yīng)溫度c等都不一樣，隨著系統(tǒng)整體運(yùn)行環(huán)境的改變，其故障概率也是不同的。為從環(huán)境因素變化角度分析可靠性，研究在某些因素條件組合下系統(tǒng)可靠性是否滿足要求，提出徑集域與割集域的概念。徑集域描述系統(tǒng)可靠性滿足要求時(shí)的因素條件組合；割集域描述不滿足要求時(shí)的因素條件組合。這兩個(gè)概念不再像傳統(tǒng)的徑集與割集，只關(guān)注基本事件的組合，而是更關(guān)注系統(tǒng)的工作環(huán)境條件。方法：論文提出的徑集域與割集域的概念是空間故障樹理論體系的基本概念，包括單一基本事件（元件故障）的徑集域與割集域及頂事件（系統(tǒng)故障）的相關(guān)概念。這些定義是基于空間故障樹已有概念和方法的。割集域是單一基本事件發(fā)生（故障）的可能性大于預(yù)定的或必要的概率的空間區(qū)域（在研究區(qū)域中）。這個(gè)區(qū)域?yàn)槎x者所不能接受的區(qū)域，定義者認(rèn)為這個(gè)區(qū)域的故障率過高，應(yīng)使該元件避免在這個(gè)區(qū)域工作，或采取措施降低故障率。徑集域是單一基本事件發(fā)生（故障）的可能性小于預(yù)定的或必要的概率的空間區(qū)域（在研究區(qū)域中）。這個(gè)區(qū)域?yàn)槎x者所能接受的區(qū)域，定義者認(rèn)為這個(gè)區(qū)域的故障率不高，應(yīng)使該元件盡量在這個(gè)區(qū)域工作，不用采取措施降低故障率。域邊界Pb是上述定義中所述的預(yù)定的或必要的概率等值線或面或更高維形式。徑集域、割集域和域邊界組成了整個(gè)的研究區(qū)域。域邊界曲線或面或更高維形式應(yīng)是閉合的。系統(tǒng)的徑集域、割集域和域邊界的性質(zhì)及其相互關(guān)系與單一基本事件的相同，但形態(tài)更加復(fù)雜。結(jié)果：使用上述徑集域、割集域和域邊界的概念分析了實(shí)例系統(tǒng)中元件X1，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)更換周期的計(jì)算。對(duì)于元件X1進(jìn)行分析。設(shè)Pb=0.6，X1的故障概率分布圖中的2個(gè)黑色封閉粗線即為Pb=0.6的域邊界曲線。圖中割集域?yàn)橛蜻吔缫酝獾膮^(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)的t和c組合是X1所要避免的。徑集域?yàn)橛蜻吔缫詢?nèi)的區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)的t和c組合適合X1工作。同時(shí)這些概念也可以參照模糊數(shù)學(xué)思想，將域邊界也擴(kuò)展成一個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域?yàn)閺郊蚝透罴虻倪^度區(qū)域。如果原本在徑集域工作的元件由于條件的變化進(jìn)入過度域，那么就應(yīng)立即采取措施，使元件回到徑集域。確定系統(tǒng)的最優(yōu)更換周期。根據(jù)事件更換周期TLiα和系統(tǒng)更換周期的概念 TLα，說明最優(yōu)更換方案 MTLα的求解過程：設(shè)系統(tǒng)故障概率小于0.7，即α=70%。根據(jù)元件X1～5的故障特點(diǎn)按照一定方式更換元件使系統(tǒng)的故障概率保持小于70%。這種更換方案很多，需同時(shí)考慮成本和故障概率尋找最優(yōu)更換方案MTL70%。該系統(tǒng)可靠性變化過程可用 X1～5最大理想更換周期 PT（t,c）。設(shè) Pb=0.7，圖中黑色折線圍成的區(qū)域內(nèi)為系統(tǒng)的徑集域，黑色折線為域邊界，黑色線外的區(qū)域?yàn)楦罴?。?shí)施了最優(yōu)更換周期后的系統(tǒng)徑集域不斷擴(kuò)大，割集域不斷減小。同時(shí)也可以通過徑集域占整個(gè)研究區(qū)域的大小來判更換方案的優(yōu)劣程度。當(dāng)5個(gè)元件都被替換時(shí)，用集合表示系統(tǒng)徑集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[14,30]}；同理割集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[0,14)∩(30,50]}。如果更加準(zhǔn)確簡(jiǎn)潔地表示，可將這個(gè)研究區(qū)域分為徑集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[14,30]}；割集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[0,10]∩[35,50]}；過度域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈(10,14)∩(30,35)}。結(jié)論：在空間故障樹概念的框架內(nèi)，定義徑集域與割集域。這兩個(gè)概念不僅考慮了基本事件與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，還考慮了基本事件在不同環(huán)境下表現(xiàn)出來的故障概率的變化特征，進(jìn)而可從宏觀的系統(tǒng)工作環(huán)境角度來衡量系統(tǒng)的故障特征。它可以判定系統(tǒng)在什么環(huán)境下的故障概率可接受或不可接受，將原有故障樹的徑集與割集發(fā)展為針對(duì)運(yùn)行環(huán)境角度上的徑集域與割集域。

來源出版物：中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 24(4)： 27-32

入選年份：2017

褐煤燃燒階段烴生成規(guī)律研究

周西華，白剛，聶榮山，等

摘要：目的：褐煤變質(zhì)程度低，自然發(fā)火期短，極易發(fā)生自燃。煤礦發(fā)生火災(zāi)后，生成氣體組分復(fù)雜，可燃性氣體較多，尤其是高瓦斯礦井火災(zāi)，極易誘發(fā)瓦斯煤塵爆炸等次生災(zāi)害?；馂?zāi)生成的烴類氣體混入后改變了瓦斯爆炸界限，增加了瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性?，F(xiàn)有的研究主要集中在低溫氧化階段火區(qū)氣體預(yù)測(cè)，而火災(zāi)發(fā)生后烴類氣體生成規(guī)律、火區(qū)溫度分布與燃燒狀態(tài)判定未進(jìn)行研究，為此有必要研究火災(zāi)時(shí)期烴類氣體生成規(guī)律。方法：采用熱重實(shí)驗(yàn)與管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法，通過熱重實(shí)驗(yàn)研究煤質(zhì)量變化率、熱流率變化規(guī)律，基于質(zhì)量變化量劃分原則，劃分瑞安褐煤燃燒過程的3個(gè)階段，確定褐煤燃燒階段溫度范圍。利用管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)?zāi)M褐煤燃燒過程，利用氣相色譜分析儀分析不同溫度下生成碳?xì)浠衔餁怏w的體積分?jǐn)?shù)，得出耗氧量、碳?xì)浠衔餁怏w生成量與溫度之間的變化關(guān)系，并對(duì)烷烴類氣體濃度及其相對(duì)比例以及鏈烷比與C2H2/CH4比值隨溫度變化關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果：根據(jù)熱重實(shí)驗(yàn)與管式爐程序升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出：① 基于煤樣質(zhì)量變化量劃分原則，褐煤燃燒的 3個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的溫度分別為：失水失重階段20～117℃，氧化增重階段117～247℃，燃燒階段247～433℃，在408℃左右達(dá)到快速燃燒狀態(tài)；② 隨著溫度升高，耗氧量、燃燒產(chǎn)生的碳?xì)浠衔餁怏w變化規(guī)律相似，均是先升高后下降。耗氧量及 C2H6，C3H8，C2H4，C2H2氣體在 200～399℃氣體生成量迅速上升，399～438℃氣體生成量下降，CH4氣體在 200～348℃氣體生成量迅速上升，348～438℃氣體生成量下降，348℃達(dá)到最大值，C2H6、C3H8、C2H4與C2H2氣體體積分?jǐn)?shù)較CH4達(dá)到峰值溫度滯后一段時(shí)間，均于399℃達(dá)到最大值。③ 耗氧量、CH4、C2H4、C3H8體積分?jǐn)?shù)與溫度符合近線性變化關(guān)系，C2H6和C2H2體積分?jǐn)?shù)與溫度符合指數(shù)變化關(guān)系。④ 隨著溫度升高，褐煤燃燒烷烴類氣體濃度及其相對(duì)比例(C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8)比值升高，CH4/(CH4+C2H6+C3H8)比值、CH4/(C2H6+C3H8)比值均降低。隨著溫度增加，鏈烷比C3H8/C2H6比值升高，C2H6/CH4比值下降，C2H2/CH4比值下降。⑤ 隨著溫度升高，燃燒階段C2H2/CH4比值和 C2H6/CH4比值呈指數(shù)關(guān)系增大，C3H8/C2H6與溫度呈指數(shù)關(guān)系減小。結(jié)論：根據(jù)褐煤燃燒階段耗氧量、燃燒生成的氣體組分及其體積分?jǐn)?shù)變化可判別火區(qū)溫度及氣體分布，并對(duì)火區(qū)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合瓦斯爆炸界限實(shí)驗(yàn)可判定火災(zāi)誘發(fā)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性，確定瓦斯爆炸易爆區(qū)域。根據(jù)烷烴類氣體濃度及其相對(duì)比例(C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8)、CH4/(CH4+C2H6+C3H8)、CH4/(C2H6+C3H8)比值與鏈烷比（C3H8/C2H6、C2H6/CH4）與C2H2/CH4比值關(guān)系及指標(biāo)氣體優(yōu)選的3個(gè)原則可判定火區(qū)燃燒狀態(tài)。研究成果可以應(yīng)用于褐煤燃燒階段預(yù)測(cè)指標(biāo)，但燃燒階段指標(biāo)氣體優(yōu)選還需進(jìn)一步深入研究。

來源出版物：中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 1(1)： 58-63

入選年份：2017