模糊故障樹(shù)的自動(dòng)扶梯安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)*

鄧方華　方　夏　許有才　陶　然　郭　澍　李新仕　茍　敏　李　琨

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院　昆明　650500)(2.云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院　昆明　650228)

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模糊故障樹(shù)的自動(dòng)扶梯安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)*

鄧方華1,2方夏1許有才1,2陶然1,2郭澍2李新仕2茍敏1李琨1

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院昆明650500)(2.云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院昆明650228)

摘要論文針對(duì)自動(dòng)扶梯安全問(wèn)題,應(yīng)用模糊故障樹(shù)分析方法研究自動(dòng)扶梯的可靠性。首先,將自動(dòng)扶梯分為6個(gè)子系統(tǒng)。然后,以自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)事故為頂事件的故障樹(shù)為例,采用上行法進(jìn)行定性分析,得到該故障樹(shù)的11個(gè)最小割集。最后,引入模糊集理論中的模糊數(shù)概念,采用三角模糊數(shù)描述故障樹(shù)中各底事件發(fā)生故障的概率區(qū)間,按照模糊算子定量計(jì)算各故障樹(shù)中間事件及頂事件發(fā)生的概率區(qū)間,最終得到自動(dòng)扶梯模糊故障率區(qū)間。研究結(jié)果表明:對(duì)于很難或無(wú)法獲得底事件發(fā)生概率準(zhǔn)確值的自動(dòng)扶梯而言,模糊故障樹(shù)是一種有效實(shí)用的可靠性分析方法,而且計(jì)算出來(lái)的結(jié)果要比傳統(tǒng)方法得出來(lái)的結(jié)果更加科學(xué)合理,更接近工程實(shí)際。

關(guān)鍵詞自動(dòng)扶梯; 安全評(píng)價(jià)系統(tǒng); 模糊故障樹(shù); 自動(dòng)扶梯事故

Class NumberU391

1引言

自動(dòng)扶梯是一種帶有循環(huán)運(yùn)行梯級(jí)的典型機(jī)電合一設(shè)備,主要用于向上和向下傾斜運(yùn)輸乘客,已經(jīng)成為當(dāng)前軌道交通中重要的代步工具之一,其重要性毋庸置疑。這就要求自動(dòng)扶梯具有很好的可靠性和安全性[1]。因此,需要依靠先進(jìn)的故障診斷方法對(duì)設(shè)備中存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和分析,判斷設(shè)備發(fā)生事故和危害的可能性及其嚴(yán)重程度來(lái)提高自動(dòng)扶梯的運(yùn)行效率[2]。

本文根據(jù)事故致因理論將自動(dòng)扶梯分為六個(gè)子系統(tǒng),以逆轉(zhuǎn)事故為例,采用故障樹(shù)分析方法,應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)逆轉(zhuǎn)事故故障樹(shù)進(jìn)行定性、定量分析,得到頂事件的模糊故障率[3]。從而采取有效預(yù)防和改進(jìn)措施以防止事故的發(fā)生。

2自動(dòng)扶梯模糊故障樹(shù)的確定

自動(dòng)扶梯是一種機(jī)械與電氣結(jié)合十分緊密的交通運(yùn)輸設(shè)備。目前,公共場(chǎng)所應(yīng)用的自動(dòng)扶梯類(lèi)型較多,雖然它們的電氣控制系統(tǒng)及梯級(jí)系統(tǒng)的差別很大,但是它們的主要結(jié)構(gòu)卻基本相同。因此,本文將研究的自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示[4]。

圖1　自動(dòng)扶梯結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)扶梯是一個(gè)多層次、非線(xiàn)性、動(dòng)態(tài)、模糊的復(fù)雜系統(tǒng),要科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)電梯系統(tǒng)的安全性,首先必須確定能夠反映自動(dòng)扶梯安全狀況的所有評(píng)價(jià)指標(biāo),建立科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。安全性研究就是將系統(tǒng)中的全部風(fēng)險(xiǎn)因素作為一個(gè)整體,應(yīng)用科學(xué)的方法對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成安全威脅的各個(gè)要素進(jìn)行全面綜合的分析,通過(guò)分析對(duì)系統(tǒng)做出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。根據(jù)自動(dòng)扶梯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及總結(jié)自動(dòng)扶梯事故的類(lèi)型。根據(jù)事故致因理論[5],并總結(jié)前人研究成果,首先將自動(dòng)扶梯故障劃分為六個(gè)事故類(lèi)型,如圖2所示。

圖2　自動(dòng)扶梯評(píng)價(jià)體系

3自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)事故的故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析法不僅能夠?qū)⒂绊懽詣?dòng)扶梯的因素條理、簡(jiǎn)明、形象化,而且能夠通過(guò)布爾代數(shù)法化解故障樹(shù)的結(jié)構(gòu),得到自動(dòng)扶梯的最小割集(最小故障模式)。模糊故障樹(shù)分析法既可以通過(guò)最小割集或最小徑集(自動(dòng)扶梯的全部正常工作模式)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析,也可以通過(guò)模糊量化對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析,充分表現(xiàn)了用系統(tǒng)工程方法來(lái)研究設(shè)備安全問(wèn)題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。

3.1逆轉(zhuǎn)故障樹(shù)的建立

故障樹(shù)分析(FTA)是一種圖形演繹的邏輯方法,把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的狀態(tài)作為邏輯分析的目標(biāo),找出導(dǎo)致這一故障狀態(tài)可能發(fā)生的所有直接因素,再跟蹤循跡找出導(dǎo)致這些中間故障事件可能發(fā)生的全部直接原因,一直追尋到引起部件發(fā)生故障的全部原因。最后用相應(yīng)的邏輯門(mén)把頂事件、中間事件、底事件聯(lián)接成樹(shù)形圖,即為故障樹(shù)[6]。

通過(guò)對(duì)重大自動(dòng)扶梯事故的統(tǒng)計(jì),全面查清引起事故的原因和事實(shí)真相。經(jīng)過(guò)與資深專(zhuān)家討論,運(yùn)用邏輯推理對(duì)復(fù)雜的事故逐個(gè)地、系統(tǒng)地進(jìn)行深入分析,構(gòu)造以自動(dòng)扶梯逆轉(zhuǎn)事故為頂上事件的故障樹(shù)結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示,事件編碼如表1所示。

圖3　自動(dòng)扶梯逆行故障樹(shù)

事件符號(hào)事件名稱(chēng)事件符號(hào)事件名稱(chēng)T自動(dòng)扶梯逆行x3減速箱齒輪齒合時(shí)效M1非操縱性逆轉(zhuǎn)x4主機(jī)固定不變M2力矩鏈?zhǔn)Х€(wěn)或斷鏈x5驅(qū)動(dòng)鏈質(zhì)量低劣M3動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈x6驅(qū)動(dòng)鏈長(zhǎng)期磨損嚴(yán)重M4雙排斷鏈x7驅(qū)動(dòng)齒輪變形破斷M5電壓波動(dòng)x8雙排鏈松動(dòng)M6電機(jī)選型錯(cuò)誤x9保護(hù)裝置失效x1超載x10電網(wǎng)供電不足x2零件破損,摩擦突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩因素過(guò)小x11電機(jī)功率過(guò)小

3.2故障樹(shù)的定性分析

故障樹(shù)反映的是事故的整體結(jié)構(gòu)和全部原因,為了對(duì)事故的原因進(jìn)行系統(tǒng)、全面的分析,現(xiàn)對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行處理[7]。在故障樹(shù)中,割集是能使頂事件發(fā)生的一些底事件的集合,如果割集中的任一底事件不發(fā)生,頂事件就不發(fā)生,這樣的割集稱(chēng)之為最小割集[8]。故障樹(shù)的分析方法有上行法和下行法,本文采用上行法劃分故障樹(shù)。因此,由自動(dòng)扶梯逆行故障樹(shù)可得:

T=M1+M2+M3+M4+M5+M6

(1)

經(jīng)布爾代數(shù)法化解得[9]:

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6

+X7+X8+X9+X10+X11

(2)

因此,自動(dòng)扶梯逆行故障的最小割集為

{X1},{X2},{X3},{X4},{X5},{X6},{X7},{X8},{X9},{X10},{X11}

(3)

3.3故障樹(shù)的定量分析

3.3.1故障樹(shù)底事件的模糊量化

對(duì)自動(dòng)扶梯逆行故障樹(shù)的各因素進(jìn)行故障率確定。常用的方法有模糊統(tǒng)計(jì)法、德?tīng)柗品?、?duì)比排序法等。為增加故障率的準(zhǔn)確性,采用德?tīng)柗品╗10](即Delphi法)。主要步驟:

1) 選資料(故障樹(shù)的結(jié)構(gòu),電梯機(jī)械、電氣設(shè)備的狀態(tài)等資料)送給n位專(zhuān)家,n位專(zhuān)家分別對(duì)U0∈U,給出A(U0)隸屬度的估計(jì)值m;

(4)

(5)

3) 將所得到的均值和離差送給n位專(zhuān)家重新再評(píng);

4) 重復(fù)2)、3)的步驟直至離差小于或等于預(yù)先給定的標(biāo)準(zhǔn)a(a>0);

6) 對(duì)均值進(jìn)行最后處理。設(shè)r是事先給定的標(biāo)準(zhǔn),0

(6)

(7)

記三角函數(shù)A=(m-α,m,m+β),其λ的截集為

Aλ=[(m-α)+αλ,(m+β)-βλ]

(8)

根據(jù)云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院電梯部對(duì)8年多自動(dòng)扶梯事故的統(tǒng)計(jì),結(jié)合課題組專(zhuān)家、技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn),找出其中涉及逆行事故的100多個(gè)案例進(jìn)行歸納、總結(jié)和分析,得出自動(dòng)扶梯逆行事故各底事件故障概率的均值及其置信下、上限α、β(假定模糊數(shù)的左右分布參數(shù)統(tǒng)一取0.5)如表2所示。

表2　電梯墜人故障樹(shù)底事件故障率估計(jì)數(shù)據(jù)

3.3.2頂上事件故障率的計(jì)算

在本文的模糊故障樹(shù)分析中,設(shè)電梯墜人事故各底事件故障率為模糊數(shù)Fi(i=1,2,3,…,11),則頂事件的故障率F=φ(F1,F2,…,F11)。其中φ為故障樹(shù)的模糊結(jié)構(gòu)函數(shù)[13]。其定義為

(9)

式中:n=11,mi,αi,βi(i=1,2,3,…,16)見(jiàn)表2。故障樹(shù)的與門(mén)結(jié)構(gòu)和或門(mén)結(jié)構(gòu)的模糊算子分別如下:

Fors= 1-∏ni=1(1-Fλi)

+αiλ,(mi+βi)-βiλ]}

(10)

,

(11)

根據(jù)上述求解的最小割集,結(jié)合式(8),代入表2所示的相關(guān)均值、置信下、上限參數(shù),利用Matlab將式(9)～式(10)反復(fù)迭代運(yùn)算,忽略λ的二次及以上的高次項(xiàng),得出頂事件發(fā)生的模糊概率函數(shù)[14～15]為

φλ=[0.0011+0.0015λ,0.0051-0.0025λ]

φλ為以λ為自變量的區(qū)間函數(shù),當(dāng)λ=1時(shí),相當(dāng)于頂事件的發(fā)生概率為確定值,φλ=0.0026。當(dāng)λ=0時(shí),頂事件的發(fā)生概率為一模糊數(shù)。φλ值的區(qū)間為[0.0011,0.0051]。

4自動(dòng)扶梯模糊故障率的確定

根據(jù)自動(dòng)扶梯逆行事故故障樹(shù)的原理,可以求得其它故障樹(shù)頂事件發(fā)生的模糊故障率如表3所示。

表3　電梯系統(tǒng)子系統(tǒng)的模糊故障率

根據(jù)式(10)的模糊算子,可求得電梯系統(tǒng)的模糊故障率[16]為

φ(λ)=[0.0029+0.0039λ,0.0155-0.0087λ]

故φ(λ)為以λ為自變量的區(qū)間函數(shù),隸屬度如圖4所示。當(dāng)λ=1時(shí),自動(dòng)扶梯的故障率為確定值,φ(λ)=0.0068,即電梯系統(tǒng)發(fā)生故障的概率為0.68%。當(dāng)λ=0時(shí),表示自動(dòng)扶梯發(fā)生事故的概率為一模糊數(shù),φ(λ)的值為一區(qū)間[0.0029,0.0155],即自動(dòng)扶梯發(fā)生故障的概率為0.29%～1.55%。說(shuō)明此自動(dòng)扶梯的安全性比較好。該定量分析結(jié)果可以作為評(píng)判自動(dòng)扶梯安全性的重要參考依據(jù),為自動(dòng)扶梯安檢人員在今后的自動(dòng)扶梯安全評(píng)價(jià)工作中提供重要的參考依據(jù)。

圖4　φ(λ)的隸屬度函數(shù)

5結(jié)語(yǔ)

本文將自動(dòng)扶梯故障分為六個(gè)子系統(tǒng)。其中,結(jié)合實(shí)例,以逆轉(zhuǎn)事故為例,通過(guò)對(duì)逆轉(zhuǎn)事故的原因進(jìn)行分析,建立逆轉(zhuǎn)事故故障樹(shù)模型,并進(jìn)行了定性、定量分析。這種方法將實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)得到的大量數(shù)據(jù)與技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái),具有很大的適用性。為自動(dòng)扶梯安檢和維護(hù)人員進(jìn)行故障排除提供了可靠的參考依據(jù)。

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Escalator Safety Evaluation System of Fuzzy Fault Tree

DENG Fanghua1,2FANG Xia1XU Youcai1,2TAO Ran1,2GUO Shu2LI Xinshi2GOU Min1LI Kun1

(1. Institute of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500)(2. Special Equipment Safety Inspection Institute in Yunnan Province, Kunming650228)

AbstractThis paper which is based on fuzzy fault tree analytic method is aimed at the security problems of elevator system to study the reliability of the elevator system. First of all, the elevator system is divided into six subsystems. Then, the paper takes the fault tree of escalator reverse accident as the top event as a example, applying the ascending method for qualitative analysis to find out 11 minimum cut sets in the fault tree. Finally, the escalator fuzzy fault probability interval comes out through introducing the concept of fuzzy number in fuzzy set theory, using the triangular fuzzy number to describe the probability interval of bottom events occurrence fault in the fault tree, making a fuzzy operator quantify to calculation the probability interval in middle events and top events in the fault tree. The results show that the fuzzy fault tree is an effective and practical method for reliability analysis when it is difficult or unable to obtain the accurate probability of bottom events in terms of the elevator system. And the results are more scientific, reasonable and close to the engineering practice than the traditional method.

Key Wordselevator, safety evaluation system, fuzzy fault tree, elevator fall accident

* 收稿日期:2015年11月4日,修回日期:2015年12月23日

基金項(xiàng)目:國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2013QK104);云南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2013ynzjkj02)資助。

作者簡(jiǎn)介:鄧方華,男,碩士研究生,研究方向:電梯安全評(píng)價(jià)。方夏,男,碩士研究生,研究方向:自動(dòng)扶梯安全評(píng)價(jià)。許有才,男,碩士研究生,研究方向:故障診斷。陶然,男,博士研究生,研究方向:電梯安全評(píng)價(jià)。郭澍,男,高級(jí)工程師,研究方向:電梯安全評(píng)價(jià)。李新仕,男,高級(jí)工程師,研究方向:電梯安全評(píng)價(jià)。茍敏,女,副研究員,研究方向:電梯安全評(píng)價(jià)軟件開(kāi)發(fā)。李琨,男,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:電梯安全評(píng)價(jià)軟件開(kāi)發(fā)。

中圖分類(lèi)號(hào)U391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.022