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基于事故树的系统故障诊断和修复

文档作者：吴振字朱朝峰文档来源：海军驻武汉四三八厂军事代表室		点击数：	更新时间： 2021年09月17日
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基于事故树的系统故障诊断和修复
吴振字朱朝峰
(海军驻武汉四-Jk厂军事代表室武汉430060)
[摘要]采用事故树分析法对故障系统进行分析，在事故树逻辑简化的基础上分别构建系统的故障诊断模型和故障维修模
型；在事故树定性和定量分析的基础上，对系统事故树模型中的基本原因事件的故障检测时效比和维修时效比进行分析；
制定系统的故障诊断和修复流程，快速、及时地对故障系统做出响应，保证舰船生命力。结果表明：基于事故树的系统故
障分析法为系统的故障检测和抢修决策提供依据，对大型复杂系统的生命力研究具有一定的适用性。
[关键词]事故树分析法；故障诊断；故障修复；逻辑简化
[中图分类号]U672 [文献标志码]A [文章编号]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
舰船生命力即舰船在战斗损伤和故障损伤条
件下能否继续保持航行和作战的能力，是舰船战斗
力的基础⋯。如何在战损和故障条件下，制定舰
船的抢修决策方案、实现舰船的故障修复，是一个
亟待研究解决的问题。故障诊断分析依据系统运行
状态，查找故障源并提出解决方案，对系统的抢修
决策和故障修复具有指导意义。
传统的故障诊断方法是在故障检测的基础上，
依据系统的结构、原理和功能特点，对系统的故障
因素进行事故树定性定量分析，探讨各种故障原因
的结构重要程度和概率重要度等，从而指导事故控
制方案的制定和实施。然而，传统的故障诊断方法
仅立足于舰船的安全，并不能准确反映系统设备的
维修时间等因素对故障修复的影响 。
系统故障修复过程中如何凭借有限资源快速、
准确、高效地修复舰船生命力?本文将在传统故障
诊断方法的基础上，立足于系统的故障检测和修复，
建立系统的事故树分析模型。在结构重要度的基础
[收稿日期]2015—10—19；[修回日期]2015—11-24
[作者简介]吴振宇(1987一)，男，助理工程师，研究方向：船舶电气。

可以合并。
规则3：如果一个门只有一个输入，则这个门
可以删除，其输人上移。
1．1．2 栅4除规则
规则1：如果在事故树的某个门G 下有基本
事件 ，同时在以门G 为顶的子树的偶数层上的
某个门G 下也有基本事件 ，则以门G2为顶的子
树可以删去。
规则2：如果在事故树的某个门G 下有基本
事件 ，同时在以门G 顶的子树的奇数层上的某
个门G2下也有基本事件占，则可以删去G2下面的
基本事件 。
1．1．3 提取规则
提取规则即相同底事件处在一层的若干个门
中，可将该事件提取出来，其应用前提是事故树中
的门的类型隔层相同。
1．2 基于事故树的系统故障诊断
对故障系统进行事故树分析旨在判明故障原
因，排除故障单元，实现系统的故障诊断和修复。
事故树定性定量分析只是对各个基本原因事件的结
构重要度进行分析，反映系统故障的贡献大小，因
此还需要对系统的故障原因进行检测定位。
在故障检测定位过程中，假设单元i的故障检
测时间为 。由于不同单元的故障检测时间 差
异很大，可能存在某一单元的关键重要度比较小，
但是其故障维修时间相对比较长。因此，从单元系
故障检测时间诊断效果看，平均单位时间内故障修
复效果较差。总之，以关键重要度或结构重要度作
为依据对系统进行故障诊断并不合适。本文把关键
重要度与单元故障检测时间的比值R (i)(即故
障修复时效比)作为排序的依据 』，按照从大到
小的顺序确定故障诊断的先后次序，以最小的代价
制定系统故障诊断的最优方案，实现对系统故障原
因的定位。 (i)由式(1)算出。
1．3 基于事故树的系统抢修决策
为能够协调单元结构重要度或概率重要度与
单元故障维修时间之间的矛盾，本文引入故障修复
时效比作为系统维修优先级排序的依据。假设单元
f的故障率为 、故障维修时间为 ，则关键重要
度与单元维修时间的比值三 (i)(即故障修复时效
比)按照从大到小的顺序确定故障单元维修的先后
次序，制定系统的最优抢修决策方案，以最小的时
间代价实现系统的故障恢复。 。 (f)由式(2)算出。
(2)
此外，本文对整个系统的平均修复时间进行计
算，其中平均修复时间为：
、。
( )= 盟 (3)
厶^
结合系统的故障发生率、概率重要度、系统的
维修时间和平均时间进行统筹综合考虑，从而为提
高舰船生命力提供参考性意见。
2 实例应用
以某船突发电力系统失电故障 为例，以基
于事故树的系统故障分析法作为系统分析方法，确
定系统的故障诊断优先级，实现系统的故障定位，
并制定系统的抢修决策方案，以最短的时间为代价
实现系统的故障修复。根据该船内部结构及功能关
系，建立如下页图2所示电力系统失电的故障诊断
事故树模型。
图2中： 为主配电板故障； 为应急电源
蓄电池组故障；墨为电力分电箱故障；五为电源
转换开关故障； 为80 A整流器故障； 为充放
电板故障； 为滑油泵故障； 为辅机蓄电池组
故障；蜀为柴油机故障； 。为发电机故障； 为
变压器故障；xi 为手摇泵故障； 为燃油泵故障；
为海水泵故障；xi 为淡水泵故障； 为热交
——～—————～ —竺————／ ／
— —
— —
～ — — — — 一
D为柴油发电机组不能正常工作；E为燃油管路不
能正常工作；F为冷却系统不能正常工作。
图2 某电力系统失电事故树的故障诊断模型
由于该系统结构简单，忽略系统逻辑简化过
程，通过计算求得系统的最小割集共14个，即：
)、 )、 ，x4， )、 ，x4， )、 ，x4，
： ， X13}、{ ，x4， )、 ，x4， )、{ ， ，
}、 ，五， }、 ，x4， )、 ，x4， )、 ，
五，x9)、 ，五，Xl。}、{ ，五， )。
若已知系统的各个基本原因事件的故障诊断
时间 、故障率 、故障维修时间t ，则可获得相
对应原因事件的概率重要度和故障诊断时效比，
如表1所示。
由表1可知：系统各个基本事件的故障诊断优
先级排列如下：主配电板——电力分电箱—— 电源
转换开关—— 应急电源蓄电池组——充放电板——
80 A整流器——辅机蓄电池组(变压器)—— 热
交换器(膨胀水箱)—— 滑油泵(海水泵、淡水
泵)__—一发电机——柴油机——手摇泵——燃油泵。
在图2所示的系统故障事故树模型的基础上，
利用前文的相关事故树理论，建立该系统维修事故
树模型，如图3所示。可得事故树的最小割集为 )、
表1 某电力系统失电的故障事故树分析
故礅 鋈 瑟度 疑障诊断 敝障诊断
hl、 ¨ 时间 时羧比 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
图3 某电力系统失电事故树的故障维修模型
— — ～ ～
～ 二二二
#≈ 碡 ¨ l麓
)、 )、 )、 }、 )、 )、 }、 )、 。}、
l、 z)、 }、 )、 )、 l、 ，1。其中
每个最小割集代表故障系统的一次维修事件。
已知系统的维修事故树模型中各个基本原因
事件的故障率 、故障维修时间 ，通过对该事故
树模型定性定量分析可得对应事件的维修时效比，
如表2所示。
表2 某电力系统失电的维修事故树分析
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：
系统各个基本事件的维修优先级排序如下：电
源转换开关——手摇泵——海水泵(淡水泵、膨胀
水箱)——80 A整流器(变压器、热交换器)——
滑油泵(燃油泵)——充放电板——应急电源蓄电
池组—— 电力分电箱——辅机蓄电池组——主配电
板——发电机——柴油机。这一优先级序列与系统
的维修时间密切相关，系统越复杂，维修时间就越
在对系统的维修性分析的基础上，综合考虑事
故树中各个基本原因事件的事故发生率、概率重要
度和系统的平均维修时间，缩短柴油机和发电机的
维修时间对提高系统的故障修复效果显著，这一分
析结果与实际的维修过程是一致的。
3 结论
本文以某船电力失效故障为例，在事故树逻辑
简化理论的基础上，分别建立基于事故树的系统故
障诊断模型和修复模型；在对系统事故树模型定性
定量分析的基础上，探讨系统的故障检测时效比和
故障维修时效比；并以此作为系统故障检测和故障
修复的依据，实现系统的故障定位和故障修复，为
系统的抢修决策提供建设性意见。事故树分析方法
简单、方便，能够实现系统模型的逻辑简化，能够
满足复杂系统的故障分析需求，在舰船生命力的设
计阶段和使用阶段具有适用性。
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