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基于事故樹的系統(tǒng)故障診斷和修復(fù)

文檔作者：吳振字朱朝峰文檔來源：海軍駐武漢四三八廠軍事代表室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月17日
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基于事故樹的系統(tǒng)故障診斷和修復(fù)
吳振字朱朝峰
(海軍駐武漢四-Jk廠軍事代表室武漢430060)
[摘要]采用事故樹分析法對故障系統(tǒng)進(jìn)行分析，在事故樹邏輯簡化的基礎(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，對系統(tǒng)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(jìn)行分析；
制定系統(tǒng)的故障診斷和修復(fù)流程，快速、及時地對故障系統(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)的故障檢測和搶修決策提供依據(jù)，對大型復(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)；邏輯簡化
[中圖分類號]U672 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]1001—9855(2016)02—0031—05
Fault dia~ "and recovery based ault diat~nosis an~1 0on fault tree annalyst‘s
W U Zhen-yu ZH U Chao--feng
(Naval Representative Ofice 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 eficiency
to time of fault diagnosis and the maintenance for the basic causation events of the system fault tree model are
an alyzed based on the qualitative an d quan titative FTA．The programs for fault diagnosis and the maintenan ce are
established to quickly and timely response to the malfunction system．ensunng the ship survivability．T}le results
show that the system fault an alysis based on m can provide a basis for the fault diagnosis and maintenance and
can be applied to the invesfigation of the complex system survivability．
Keywords：fault tree analysis(FTA)；fault diagnosis；fault recovery；logical reduction
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)?。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
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
維修時間等因素對故障修復(fù)的影響 。
系統(tǒng)故障修復(fù)過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)
[收稿日期]2015—10—19；[修回日期]2015—11-24
[作者簡介]吳振宇(1987一)，男，助理工程師，研究方向：船舶電氣。

可以合并。
規(guī)則3：如果一個門只有一個輸入，則這個門
可以刪除，其輸人上移。
1．1．2 柵4除規(guī)則
規(guī)則1：如果在事故樹的某個門G 下有基本
事件 ，同時在以門G 為頂?shù)淖訕涞呐紨?shù)層上的
某個門G 下也有基本事件 ，則以門G2為頂?shù)淖?
樹可以刪去。
規(guī)則2：如果在事故樹的某個門G 下有基本
事件 ，同時在以門G 頂?shù)淖訕涞钠鏀?shù)層上的某
個門G2下也有基本事件占，則可以刪去G2下面的
基本事件 。
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門
中，可將該事件提取出來，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各個基本原因事件的結(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
此還需要對系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行檢測定位。
在故障檢測定位過程中，假設(shè)單元i的故障檢
測時間為 。由于不同單元的故障檢測時間 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(nèi)故障修
復(fù)效果較差。總之，以關(guān)鍵重要度或結(jié)構(gòu)重要度作
為依據(jù)對系統(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時間的比值R (i)(即故
障修復(fù)時效比)作為排序的依據(jù) 』，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(tǒng)故障診斷的最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障原
因的定位。 (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
單元故障維修時間之間的矛盾，本文引入故障修復(fù)
時效比作為系統(tǒng)維修優(yōu)先級排序的依據(jù)。假設(shè)單元
f的故障率為 、故障維修時間為 ，則關(guān)鍵重要
度與單元維修時間的比值三 (i)(即故障修復(fù)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(tǒng)的最優(yōu)搶修決策方案，以最小的時
間代價實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障恢復(fù)。 。 (f)由式(2)算出。
(2)
此外，本文對整個系統(tǒng)的平均修復(fù)時間進(jìn)行計
算，其中平均修復(fù)時間為：
、。
( )= 盟 (3)
厶^
結(jié)合系統(tǒng)的故障發(fā)生率、概率重要度、系統(tǒng)的
維修時間和平均時間進(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 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，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，以最短的時間為代價
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，建立如下頁圖2所示電力系統(tǒng)失電的故障診斷
事故樹模型。
圖2中： 為主配電板故障； 為應(yīng)急電源
蓄電池組故障；墨為電力分電箱故障；五為電源
轉(zhuǎn)換開關(guān)故障； 為80 A整流器故障； 為充放
電板故障； 為滑油泵故障； 為輔機(jī)蓄電池組
故障；蜀為柴油機(jī)故障； 。為發(fā)電機(jī)故障； 為
變壓器故障；xi 為手搖泵故障； 為燃油泵故障；
為海水泵故障；xi 為淡水泵故障； 為熱交
——～—————～ —竺————／ ／
— —
— —
～ — — — — 一
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)簡單，忽略系統(tǒng)邏輯簡化過
程，通過計算求得系統(tǒng)的最小割集共14個，即：
)、 )、 ，x4， )、 ，x4， )、 ，x4，
： ， X13}、{ ，x4， )、 ，x4， )、{ ， ，
}、 ，五， }、 ，x4， )、 ，x4， )、 ，
五，x9)、 ，五，Xl。}、{ ，五， )。
若已知系統(tǒng)的各個基本原因事件的故障診斷
時間 、故障率 、故障維修時間t ，則可獲得相
對應(yīng)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(tǒng)各個基本事件的故障診斷優(yōu)
先級排列如下：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)__—一發(fā)電機(jī)——柴油機(jī)——手搖泵——燃油泵。
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。可得事故樹的最小割集為 )、
表1 某電力系統(tǒng)失電的故障事故樹分析
故礅 鋈 瑟度 疑障診斷 敝障診斷
hl、 ¨ 時間 時羧比 j
1．00 1 0．017 58．82
1．00 2．91× 10一 0．280 1．04 ×10
1．O0 1 0．17O 5．88
1．07 2．72× 10． 0．017 1．60×1O一
0．20 1．07× 10一 0．170 6．31×10一
5．10× 10 1．07× 10一 0．017 6．31×10一
0．83 1．O7× 1O一 0．500 2．15×10一
1．00 1．07× 10一 0．280 3．83 X 10-
墨 10．00 1．07×10一 2．000 5．36×10一 。
o
10．00 1．O7×1O一 0．800 1-34×1O一。
。 0．40 1．07×10一 0．280 3．83×10一
2 O．50 5-36× 10一 0．250 2．15×1O一
3 5．00 5_36× 10一 0．500 1．O7×l0一
4
1．25 1．07×10一 0．500 2．15× 10一。
墨5 1．25 1．07×l0-9 0．500 2．15 X 10一。
0．46 1．07×10一 0．330 3．25× 10一。
7 1．25 1．07×10一 0．330 3．25× 10一
圖3 某電力系統(tǒng)失電事故樹的故障維修模型
— — ～ ～
～ 二二二
#≈ 碡 ¨ l麓
)、 )、 )、 }、 )、 )、 }、 )、 。}、
l、 z)、 }、 )、 )、 l、 ，1。其中
每個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基本原因
事件的故障率 、故障維修時間 ，通過對該事故
樹模型定性定量分析可得對應(yīng)事件的維修時效比，
如表2所示。
表2 某電力系統(tǒng)失電的維修事故樹分析
擘
1．0O 0．996 5 290 O．0034
1．00 0．996 5 200 0．005 0
1．00 0．996 5 220 0．0O4 5
1．07 0．9964 l5 0．0664
0．2O 0．9964 100 0．0100
5．1O×10- 0．996 5 150 0．006 6
O．83 0．996 5 120 0．008 3
1．00 0．996 5 280 0．003 6
五 10．00 0．9974 350 O．002 8
o 10．00 0．9974 300 O．o03 3
1 0．40 0．996 5 100 0．010 0
2 O．50 0．996 5 40 0．0250
3 5．00 0．996 9 120 0．008 3
4 1．25 0．996 6 50 0．019 9
5 1．25 0．9966 50 0．019 9
6 0．46 0．996 5 l0o 0．0100
7 1．25 0．996 6 50 0．019 9
240．52
由表2可知：
系統(tǒng)各個基本事件的維修優(yōu)先級排序如下：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)先級序列與系統(tǒng)
的維修時間密切相關(guān)，系統(tǒng)越復(fù)雜，維修時間就越
在對系統(tǒng)的維修性分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮事
故樹中各個基本原因事件的事故發(fā)生率、概率重要
度和系統(tǒng)的平均維修時間，縮短柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的
維修時間對提高系統(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)的故障檢測時效比和
故障維修時效比；并以此作為系統(tǒng)故障檢測和故障
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
簡單、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)模型的邏輯簡化，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)
計階段和使用階段具有適用性。
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