基于“事故樹”的高校云計算數據中心機房火災風險分析

葉俊

南京信息職業技術學院

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展和“大數據”時代的到來，云計算技術已經成為社會發展的重要驅動力，而云計算技術不僅能提高高校的信息化建設水平，還是信息學院教育教學的重點方向，其中數據儲存技術是云計算的關鍵技術之一，云計算數據中心機房的消防安全是數據儲存技術的前提。我院計算機與軟件學院的云計算數據中心機房不僅搭建了“企業網技術教學平臺”“物聯網技術應用教學平臺”及“大數據教學平臺”等教學平臺，還是大學生計算機等級考試的模擬訓練平臺，因此機房使用頻率高、人員流動大，機房內存在較多火災隱患，而高校機房一旦發生火災事故，不僅會使整個學校的網絡系統癱瘓，也會造成巨大的經濟損失。

2017年4月，北京郵電大學網絡數據中心發生火災，事故雖未造成人員傷亡，但是導致北京多所高校網絡中斷數天，事故是由UPS蓄電池組故障引起。因此，有必要采用有效的安全分析方法，來辨識高校機房火災可能發生的原因，及早發現火災隱患，預防火災事故的發生。

隨著安全科學的不斷發展，目前已形成多種安全分析方法，總體上可以分為安全定性分析方法和安全定量分析方法。安全定性分析方法主要是根據經驗和直觀判斷能力來識別可能發生事故的原因，主要包括安全檢查表法（SCL）、預先危險性分析法（PHA）和危險與可操作性研究法（HAZOP）。但是安全定性分析方法無法確定不同事故原因發生的概率及后果嚴重程度。而定量安全分析方法是根據實驗數據和事故統計等方法得到評價因子數量，然后對分析對象的安全條件進行定量計算。定量安全分析方法主要包括事故樹分析法（FTA），事件樹分析法（ETA）和層次分析法（AHP）。其中，事故樹分析法是采用邏輯推理來識別和評價系統的危險性，既可以發現事故的直接原因，也可以挖掘出事故潛在原因，既能定性分析，又能定量分析，而且可以直觀、形象地看出事故和各種原因之間的因果和邏輯關系，因而在國內外被廣泛使用。

本文將采用事故樹分析方法對我院計算機與軟件學院云計算數據中心機房火災進行分析，通過匯總影響高校機房的一系列安全因素，確定事故樹的頂上事件，分析可能導致機房火災的基本事件，建立相應的事故樹圖，并通過最小割集、最小徑集和結構重要度等指標，對機房火災做出定量安全分析，最后根據事故樹分析結果提出預防機房火災的安全對策措施。

1 機房火災原因分析

影響高校機房安全的因素眾多，但是要造成機房火災往往是多種因素交叉結合在一起的結果。通過以往事故案例和邏輯分析，可以得到可能造成機房火災的因素如下：

（1）人的因素。機房內人員流動密集，如果不服從機房安全管理，違反機房操作規程，如亂接電線、堆放雜物和增加負載等都有可能給機房帶來火災隱患。

（2）物的因素。機房內設備較多，線纜密布，可能會造成電線老化脫落、靜電累積和漏電保護器故障等問題，另外如果火災報警和自動滅火系統失效，也可能會引發機房火災事故。

（3）管理因素。若機房沒有完善的安全管理制度、沒有明確的職責分工或未指定專人定期進行消防安全檢查等，都有可能給機房帶來火災隱患。

2 事故樹分析

事故樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）是一種逆時序的分析方法，它是由結果開始向下尋找原因事件的過程，通過邏輯分析，以一個可能的事故作為頂上事件，并一層一層地分析可能造成事故的原因，原因之間的邏輯關系采用布爾邏輯運算，“與門”表示多種原因必須同時發生才會導致事故的發生，“或門”表示其中一種原因發生即可造成事故的發生。通過事故樹分析，可以找出產生事故的主要原因和次要原因，針對發現的原因采取相應的對策措施，能起到預防火災事故發生的效果。

在事故樹分析中，各種異常情況都稱之為事故事件，通?？煞譃榛臼录⒔Y果事件和特殊事件?；臼录鞘鹿蕵浞治鲋袃H導致其他事件發生的原因事件，位于事故樹的低端。結果事件是事故樹分析中由其他事件或事件組合所導致的事件，可分為頂上事件和中間事件。頂上事件是事故樹分析中所關心的結果事件，位于事故樹頂端；中間事件是導致頂上事件發生的原因事件，而且這種原因事件可以繼續分析，位于基本事件與頂上事件之間。特殊事件是在事故樹分析中需要表明其特殊性或引起注意的事件。

2.1 事故樹圖

本文以“高校機房火災”為頂上事件，逐層剖析可能造成頂上事件的原因，繪制的事故樹圖如圖1所示。

高校機房火災事故樹分析圖

事故樹中的基本事件見表1。

表1 高校機房火災事故樹基本事件表

2.2 最小割集分析

最小割集是指能夠使事故樹頂上事件發生的數量最少的基本事件的集合。如果最小割集里面的基本事件同時發生，則頂上事件的事故 一定會發生，因此，最小割集體現了系統的危險性，其危險性隨最小割集數量的增加而增大。

常用的計算最小割集的方法包括行列法、結構法和布爾代數化簡法，由于布爾代數化簡法簡單且計算速度快，因此本文選擇該方法計算“高校機房火災事故數”的最小割集，具體化簡過程如下：

將上面的式子進一步展開可以得到最小割集的數量為54個， 包 括 {X1，X4，X6}，{X1，X4，X9}，{X1，X4，X11，X12}，{X1，X4，X14}，{X2，X4，X6}，{X3，X4，X6}，{X2，X4，X9}，{X3，X4，X9}，{X2，X4，X11，X12}，{X3，X4，X11，X12}，{X2，X4，X14}，{X3，X4，X14}，{X1，X4，X7}，{X1，X4，X8}，{X2，X4，X7}，{X2，X4，X8}，{X3，X4，X7}，{X3，X4，X8}，{X1，X4，X10}，{X2，X4，X10}，{X3，X4，X10}，{X1，X4，X11，X13}，{X2，X4，X11，X13}，{X3，X4，X11，X13}，{X1，X4，X15}，{X2，X4，X15}，{X3，X4，X15}，{X1，X5，X6}，{X1，X5，X9}，{X1，X5，X11，X12}，{X1，X5，X14}，{X2，X5，X6}，{X3，X5，X6}，{X2，X5，X9}，{X3，X5，X9}，{X2，X5，X11，X12}，{X3，X5，X11，X12}，{X2，X5，X14}，{X3，X5，X14}，{X1，X5，X7}，{X1，X5，X8}，{X2，X5，X7}，{X2，X5，X8}，{X3，X5，X7}，{X3，X5，X8}，{X1，X5，X10}，{X2，X5，X10}，{X3，X5，X10}，{X1，X5，X11，X13}，{X2，X5，X11，X13}，{X3，X5，X11，X13}，{X1，X5，X15}，{X2，X5，X15}，{X3，X5，X15}。只有最小割集里面的基本事件同時發生時，頂上事件才會發生，因此，在實際事故預防和控制中，只要采取措施保證最小割集中的各個基本事件不同時發生，就可以避免事故的發生。

2.3 最小徑集分析

最小徑集的概念是從不讓頂上事件發生的角度來考慮的，如果最小徑集里面的基本事件不同時發生，則頂上事件一定不會發生。最小割集體現了系統的危險性，而最小徑集則體現了系統的安全性。

在計算事故樹的最小徑集時，一般是從最小割集的對偶性角度來分析，首先將事故樹里的“與門”改為“或門”，“或門”改為“與門”，得到其對偶的成功樹，將基本事件發生改成不發生，再根據上節的布爾代數化簡法，可以求出成功樹最小割集經過對偶變換后的原事故樹的最小徑集，通過分析，“高校機房火災”的最小徑集有4個，包括{X6，X7，X8，X9，X10，X12，X13，X14，X15}，{X1，X2，X3}，{X4，X5}，{X6，X7，X8，X9，X10，X11，X14，X15}，由此我們可以分析得出，只要上述4組事件任何一組不發生，則頂上事件就不會發生。最小徑集的數量越多，可以采取措施控制的方法就越多，系統也就越安全，而且控制最小徑集中的基本事件少的比控制最小徑集中基本事件多的經濟有效，本例中，基本事件最少的最小徑集是{X4，X5}，因此只要采取措施控制這兩個基本事件不同時發生，則可以使頂上事件不發生。

2.4 結構重要度分析

分析結構重要度是以各個基本事件發生概率相等的前提下進行的，從事故樹的結構入手，分析各個基本事件對頂上事件發生的影響。常用的分析結構重要度的方法是從最小割集或最小徑集角度來分析各個基本事件的結構重要度順序。一般而言，若最小割集中的基本事件個數不等，則基本事件個數少的割集中的基本事件的結構重要度大于基本事件數多的割集中的基本事件，且最小割集中某個基本事件出現次數越多，則該基本事件的結構重要度越大。通過分析，“高校機房火災”事故樹中的基本事件的結構重要度順序如下：

I[X4]=I[X5]＞I[X1]=I[X2]=I[X3]＞I[X6]=I[X7]=I[X8]=I[X9]=I[X10]=I[X14]=I[X15]＞I[X11]＞I[X12]=I[X13]

上述內容是根據基本事件在最小割集和最小徑集中出現的頻率和頻數來得出結構重要度的，為了進一步說明每種基本事件對頂上事件影響程度的大小，可以采用基本事件結構重要度系數來定量計算出基本事件對頂上事件的貢獻度。在事故樹中，每個基本事件都有兩種狀態，基本事件發生時，Xi=1，反之，Xi=0，如果基本事件狀態從0變到1時且其他事件沒有變化，且頂上事件狀態從Φ（0i，X）變成Φ（1i，X），則說明基本事件對頂上事件的發生產生作用，即：

式中，I（i）為基本事件Xi的結構重要度系數，結構重要度系數計算結果見表2。

表2 基本事件結構重要度系數表

3 預防措施

根據前面事故樹的分析，X4（火災報警系統故障）、X5（自動滅火系統故障）兩個基本事件的結構重要度系數最大，對事故樹頂上事件發生的影響最大，是高校機房火災事故中的重要因素。因此應該定期檢查火災報警系統是否處于正常運行狀態，可以增設手動報警裝置，選擇感煙和感溫兩種功能的探測器，并對其進行經常檢查維護，確保出現火情時能夠及時發現并處理，防止火災事故的發生。另外也需要定期對自動滅火系統進行檢查，保證氣體滅火系統及所需的輔助電氣設備正常運行。

除此之外，針對事故樹中其他的基本事件，還應采取下列措施來預防機房火災事故的發生：

（1）建立健全高校云計算數據中心機房消防安全責任制，做到責任落到實處，職責明確，定期組織消防安全檢查，及時發現火險隱患并整改。

（2）高校云計算數據中心機房的設計與施工應符合《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）和《電子信息系統機房施工及驗收規范》（GB50462-2008）等法律法規的要求，內部裝修應符合《建筑內部裝修設計防火規范》（GB50222-2017），選用裝修材料的燃燒性能應符合要求。

（3）在機房電器設備選型時，應選用防火型、阻燃型或耐火型的電線，選擇截面較大的導線，導線應盡量暗敷，在使用時杜絕電線亂扯亂拉和超負荷運行情況。

（4）機房的地板或地面應有靜電泄放措施和接地構造，應采用防靜電活動地板或防靜電地面，工作臺宜采用導靜電或靜電耗散材料，所有設備的金屬外殼、各類金屬管道、金屬線槽、建筑物金屬結構等必須進行等電位聯結并接地；應定期對防靜電及接地效果進行檢查、測試，以確保其完好。

（5）由于高校機房人員流動量大，應做好消防培訓工作，在墻上張貼操作規程，嚴格按照規定進行管理，防止人為原因造成的火災。

4 結論

高校云計算數據中心機房是進行教學任務和實驗實訓的主要保障，一旦發生火災等事故會造成大量的經濟損失和數據丟失。因此本文采用事故樹分析方法對機房火災事故進行定性、定量分析，得到可能導致機房火災事故的基本事件，并定量計算出各個基本事件對頂上事件發生起到的重要度，根據結構重要度系數大小針對性地提出了預防事故發生的對策措施。通過研究，發現事故樹分析方法應用在高校機房火災事故的預防中效果較好。