基于事故樹的系統故障診斷和修復

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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基于事故樹的系統故障診斷和修復

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故障系統進行分析，在事故樹邏輯簡化的基礎上分別構建系統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上，對系統事故樹模型中的基本原因事件的故障檢測時效比和維修時效比進行分析；制定系統的故障診斷和修復流程，快速、及時地對故障系統做出響應，保證艦船生命力。結果表明：基于事故樹的系統故障分析法為系統的故障檢測和搶修決策提供依據，對大型復雜系統的生命力研究具有一定的適用性。

［關鍵詞］事故樹分析法；故障診斷；故障修復；邏輯簡化

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斗損傷和故障損傷條件下能否繼續保持航行和作戰的能力，是艦船戰斗力的基礎［1］。如何在戰損和故障條件下，制定艦船的搶修決策方案、實現艦船的故障修復，是一個亟待研究解決的問題。故障診斷分析依據系統運行狀態，查找故障源并提出解決方案，對系統的搶修決策和故障修復具有指導意義。

傳統的故障診斷方法是在故障檢測的基礎上，依據系統的結構、原理和功能特點，對系統的故障因素進行事故樹定性定量分析，探討各種故障原因的結構重要程度和概率重要度等，從而指導事故控制方案的制定和實施。然而，傳統的故障診斷方法僅立足于艦船的安全，并不能準確反映系統設備的維修時間等因素對故障修復的影響［2-5］。

系統故障修復過程中如何憑借有限資源快速、準確、高效地修復艦船生命力？本文將在傳統故障診斷方法的基礎上，立足于系統的故障檢測和修復，建立系統的事故樹分析模型。在結構重要度的基礎上，探討不同故障因素的診斷時效比和修復時效比，為艦船生命力的故障診斷和搶修決策提供指導。

1　基于事故樹的系統故障分析法

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）又稱因果樹分析法，在系統的可靠性分析和故障診斷方面具有廣泛的應用，是指導系統最優化設計、薄弱環節分析和運行維修的有力工具。將事故樹分析法用于系統的故障診斷和修復，既能通過演繹分析探索出系統的故障所在，加深對系統故障和故障原因的理解，實現系統的故障修復；又能對重要部位系統狀態進行分析，對系統的故障診斷和搶修決策進行優先級排序，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故障分析流程。

圖1　基于事故樹的系統故障分析流程

事故分析樹以特定環境下的系統最不希望發生的事件（即人們關心的影響人員、裝備使用安全和任務完成的系統故障）為頂事件，在對系統的組成、結構、工作原理和功能的基礎上，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，直到影響系統故障的基本原因事件，并用邏輯圖直觀的表達不同事件之間的邏輯關系，建立系統的事故樹模型［6］。

在對故障進行事故樹分析求解過程中，由于系統本身的復雜性導致所建立的事故樹模型結構復雜，為事故樹的定性定量分析帶來了困難。因此本文在建立系統事故樹的基礎上，提出對系統事故樹的邏輯簡化：以某種順序遍歷事故樹，依次對每個門下的子樹進行局部結構優化，事故樹的邏輯簡化過程遵循相關的局部優化規則，從而實現對整個事故樹的結構優化。

在事故樹邏輯簡化的基礎上采用傳統的方法進行分析，找出導致系統故障的原因和原因組合，確定系統的最小割集和最小路集，識別系統的薄弱環節及所有可能的失效模式，求得單元概率重要度、結構重要度和關鍵重要度等系統指標。

在系統故障診斷過程中，結合系統基本事件的故障檢測時間，定量分析故障系統的故障判明時效比，并以此作為系統故障診斷優先級排序的依據，以最小的代價換取最佳效果的最優診斷方案，并對系統的故障原因進行檢測定位。

在系統故障診斷事故樹的基礎上，建立故障系統的維修性事故樹模型（其中在建立系統的維修性事故模型時，僅需要對系統的故障診斷事故樹模型中的“與”門用“或”門代替即可）［7］，并對其進行定性定量分析，計算對應原因事件的修復時效比。在事故樹定量分析的基礎上，結合系統原因事件故障修復的實際對系統故障部件的修復順序進行優先級排序，實現在最短時間內對系統的故障修復，為系統的搶修決策提供指導。

1.1事故樹邏輯簡化

事故樹邏輯簡化，其全局優化準則是事故樹中的節點數最少，局部優化準則是每個門下的子樹節點數最少。本文采用貪心算法結合事故樹的邏輯簡化規則實現對復雜事故樹的邏輯簡化。基于貪心算法的事故樹邏輯簡化可大幅度提高分析求解速度，解決大規模、復雜系統的故障診斷和分析問題。

在事故樹邏輯簡化過程中遵循以下局部優化準則［8］。

1.1.1收縮規則

規則1：若相鄰兩層門類型相同，則可合并。

規則2：在同一個門的輸入中，相同的底事件可以合并。

規則3：如果一個門只有一個輸入，則這個門可以刪除，其輸入上移。

1.1.2刪除規則

規則1：如果在事故樹的某個門G1下有基本事件B，同時在以門G1為頂的子樹的偶數層上的某個門G2下也有基本事件B，則以門G2為頂的子樹可以刪去。

規則2：如果在事故樹的某個門G1下有基本事件B，同時在以門G1i頂的子樹的奇數層上的某個門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提取規則

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

1.2基于事故樹的系統故障診斷

對故障系統進行事故樹分析旨在判明故障原因，排除故障單元，實現系統的故障診斷和修復。事故樹定性定量分析只是對各個基本原因事件的結構重要度進行分析，反映系統故障的貢獻大小，因此還需要對系統的故障原因進行檢測定位。

在故障檢測定位過程中，假設單元i的故障檢測時間為Ti。由于不同單元的故障檢測時間Ti差異很大，可能存在某一單元的關鍵重要度比較小，但是其故障維修時間相對比較長。因此，從單元系故障檢測時間診斷效果看，平均單位時間內故障修復效果較差。總之，以關鍵重要度或結構重要度作為依據對系統進行故障診斷并不合適。本文把關鍵重要度與單元故障檢測時間的比值Ret（i）（即故障修復時效比）作為排序的依據［3］，按照從大到小的順序確定故障診斷的先后次序，以最小的代價制定系統故障診斷的最優方案，實現對系統故障原因的定位。Ret（i）由式（1）算出。

1.3基于事故樹的系統搶修決策

為能夠協調單元結構重要度或概率重要度與單元故障維修時間之間的矛盾，本文引入故障修復時效比作為系統維修優先級排序的依據。假設單元i的故障率為λi、故障維修時間為ti，則關鍵重要度與單元維修時間的比值Lct（i）（即故障修復時效比）按照從大到小的順序確定故障單元維修的先后次序，制定系統的最優搶修決策方案，以最小的時間代價實現系統的故障恢復。Lct（i）由式（2）算出。

此外，本文對整個系統的平均修復時間進行計算，其中平均修復時間為：

結合系統的故障發生率、概率重要度、系統的維修時間和平均時間進行統籌綜合考慮，從而為提高艦船生命力提供參考性意見。

2　實例應用

以某船突發電力系統失電故障［3］為例，以基于事故樹的系統故障分析法作為系統分析方法，確定系統的故障診斷優先級，實現系統的故障定位，并制定系統的搶修決策方案，以最短的時間為代價實現系統的故障修復。根據該船內部結構及功能關系，建立如下頁圖2所示電力系統失電的故障診斷事故樹模型。

圖2中：X1為主配電板故障；X2為應急電源蓄電池組故障；X3為電力分電箱故障；X4為電源轉換開關故障；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為輔機蓄電池組故障；X9為柴油機故障；X10為發電機故障；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為柴油發電機組不能正常工作；E為燃油管路不能正常工作；F為冷卻系統不能正常工作。

圖2　某電力系統失電事故樹的故障診斷模型

由于該系統結構簡單，忽略系統邏輯簡化過程，通過計算求得系統的最小割集共14個，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}。

若已知系統的各個基本原因事件的故障診斷時間Ti、故障率λi、故障維修時間ti，則可獲得相對應原因事件的概率重要度和故障診斷時效比，如表1所示。

由表1可知：系統各個基本事件的故障診斷優先級排列如下：主配電板——電力分電箱——電源轉換開關——應急電源蓄電池組——充放電板——80 A整流器——輔機蓄電池組（變壓器）——熱交換器（膨脹水箱）——滑油泵（海水泵、淡水泵）——發電機——柴油機——手搖泵——燃油泵。

表1　某電力系統失電的故障事故樹分析

圖3　某電力系統失電事故樹的故障維修模型

在圖2所示的系統故障事故樹模型的基礎上，利用前文的相關事故樹理論，建立該系統維修事故樹模型，如圖3所示。可得事故樹的最小割集為{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}。其中每個最小割集代表故障系統的一次維修事件。

已知系統的維修事故樹模型中各個基本原因事件的故障率λi、故障維修時間ti，通過對該事故樹模型定性定量分析可得對應事件的維修時效比，如表2所示。

表2　某電力系統失電的維修事故樹分析

由表2可知：

系統各個基本事件的維修優先級排序如下：電源轉換開關——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——應急電源蓄電池組——電力分電箱——輔機蓄電池組——主配電板——發電機——柴油機。這一優先級序列與系統的維修時間密切相關，系統越復雜，維修時間就越長，應該最后考慮對該系統的維修。

在對系統的維修性分析的基礎上，綜合考慮事故樹中各個基本原因事件的事故發生率、概率重要度和系統的平均維修時間，縮短柴油機和發電機的維修時間對提高系統的故障修復效果顯著，這一分析結果與實際的維修過程是一致的。

3　結 論

本文以某船電力失效故障為例，在事故樹邏輯簡化理論的基礎上，分別建立基于事故樹的系統故障診斷模型和修復模型；在對系統事故樹模型定性定量分析的基礎上，探討系統的故障檢測時效比和故障維修時效比；并以此作為系統故障檢測和故障修復的依據，實現系統的故障定位和故障修復，為系統的搶修決策提供建設性意見。事故樹分析方法簡單、方便，能夠實現系統模型的邏輯簡化，能夠滿足復雜系統的故障分析需求，在艦船生命力的設計階段和使用階段具有適用性。

［參考文獻］

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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］U672

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）02-0031-05

［收稿日期］2015-10-19；［修回日期］2015-11-24

［作者簡介］吳振宇（1987-），男，助理工程師，研究方向：船舶電氣。