一種確定元件故障概率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及安全系統(tǒng)工程，特別是涉及僅利用實(shí)際故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定不同工作環(huán) 境下元件故障概率變化。
【背景技術(shù)】
[0002] 故障樹(shù)是安全系統(tǒng)工程中的重要理論基礎(chǔ)。典型故障樹(shù)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析入手，將 系統(tǒng)劃分為基本單元，根據(jù)基本單元的連接方式來(lái)描述系統(tǒng)。經(jīng)典故障樹(shù)分析系統(tǒng)的前提 是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本單元已知，即相當(dāng)于一種"白盒"處理方式。實(shí)際上這種充分了解系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和性質(zhì)的情況并不多見(jiàn)，而且經(jīng)典故障樹(shù)對(duì)于實(shí)際問(wèn)題的處理也存在著不適應(yīng)之處。為 了解決這些問(wèn)題，眾多學(xué)者提出了不同的改進(jìn)方案。侯金麗等構(gòu)建了含故障統(tǒng)計(jì)相依組件 的多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)故障樹(shù)；于德介等基于本體故障樹(shù)對(duì)關(guān)鍵機(jī)組診斷決策進(jìn)行了研究；苗祚 雨等基于二元決策圖研究了故障樹(shù)最小割集的求解算法；王波等基于時(shí)態(tài)失效邏輯研究了 割序集模型量化方法；范會(huì)來(lái)等構(gòu)建了擴(kuò)展故障樹(shù)，并對(duì)非線性鏈表化故障診斷進(jìn)行了研 究；徐丙鳳等提出了一種狀態(tài)事件故障樹(shù)的定量分析方法JulwanHendryPurba等研究了 通過(guò)定量處理數(shù)據(jù)，對(duì)故障樹(shù)基本事件進(jìn)行模糊可靠性評(píng)價(jià)的方法；LimaoZhang等使用故 障樹(shù)構(gòu)建了一種概率方法來(lái)分析安全風(fēng)險(xiǎn)；ChaonanWang等從顯性和隱性角度，研究了的 概率失效分析的方法。
[0003] 12年提出的空間故障樹(shù)（SpaceFaultTree，SFT)的概念，從另一個(gè)角度發(fā)展了 經(jīng)典故障樹(shù)。SFT的基本理論認(rèn)為系統(tǒng)工作于環(huán)境之中，由于組成系統(tǒng)的基本事件或物理元 件的性質(zhì)決定了其在不同條件下工作的故障發(fā)生概率不同。如電氣系統(tǒng)中的二極管，它的 故障概率就與工作時(shí)間、工作溫度、通過(guò)電流及電壓等有直接關(guān)系。如果對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分 析，各個(gè)元件的工作時(shí)間和工作適應(yīng)的溫度等可能都不一樣，隨著系統(tǒng)整體的工作時(shí)間和 環(huán)境溫度的改變，系統(tǒng)的故障概率也是不同的。其相關(guān)研究已取得了一些進(jìn)展，形成了相應(yīng) 的理論基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步研究的需要，將上述SFT進(jìn)行更具體的限定為連續(xù)型空間故障樹(shù) (ContinuousSpaceFaultTree，CSFT)，具體概念見(jiàn)第一節(jié)。雖然CSFT分析系統(tǒng)的角度發(fā) 生了變化，但分析仍需要了解系統(tǒng)中元件及其聯(lián)接特征，即CSFT仍是"白盒"的處理方式。
[0004] 對(duì)于構(gòu)成復(fù)雜，或只能通過(guò)表象來(lái)了解系統(tǒng)性質(zhì)的情況，CSFT就無(wú)法處理了。例 如廠礦的安全檢查，設(shè)備維護(hù)記錄，事故調(diào)查等，都是描述系統(tǒng)(如機(jī)械設(shè)備等）在特定環(huán)境 條件下如何發(fā)生故障和發(fā)生故障的客觀外在環(huán)境因素等事項(xiàng)，進(jìn)而描述這個(gè)被檢查系統(tǒng)的 故障特征。即日常積累的數(shù)據(jù)都是外在的對(duì)系統(tǒng)的描述，這些描述不涉及系統(tǒng)內(nèi)部的連接 結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)。這樣的分析是一種"黑盒"分析?？梢哉f(shuō)這些數(shù)據(jù)如果用于基于經(jīng)典故障 樹(shù)的系統(tǒng)分析毫無(wú)意義。對(duì)于CSFT來(lái)說(shuō)，這些積累的數(shù)據(jù)是離散的，直觀上無(wú)法構(gòu)建起用 于空間故障樹(shù)分析的故障概率分布曲面，所以CSFT同樣不適用。
[0005] 針對(duì)這樣的"黑盒"分析，如何能從表象上的數(shù)據(jù)窺探系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵問(wèn) 題。進(jìn)而建立起表象因素與系統(tǒng)內(nèi)在因素之間的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系和內(nèi)在因素組成了可以代 表系統(tǒng)特征的實(shí)體，即"黑盒"的白化過(guò)程。通過(guò)這個(gè)實(shí)體便可了解在外在因素變化情況下 系統(tǒng)可能做出的響應(yīng)。這個(gè)過(guò)程類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，但更注重于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性，及內(nèi)因 和外因組成的因素空間的推理性。當(dāng)然這個(gè)關(guān)系，及內(nèi)外因素可能并不是客觀真實(shí)的，而是 某種等效，其目的是為了系統(tǒng)對(duì)外因做出合理的響應(yīng)。上述的系統(tǒng)分析方法就是論文提出 的離散型空間故障樹(shù)（DiscreteSpaceFaultTree，DSFT) 〇
[0006]方法主要研究DSFT中的最基本問(wèn)題，即在不清楚元件性質(zhì)的情況下，通過(guò)累計(jì)的 故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到一個(gè)元件的故障概率空間分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 1連續(xù)型空間故障樹(shù)（CSFT)的基本概念 CSFT所處理的數(shù)據(jù)，即系統(tǒng)中發(fā)生基本事件的元件對(duì)于工作環(huán)境變化導(dǎo)致元件故障變 化的規(guī)律是已知的，這些規(guī)律可以用函數(shù)表示，可以是初等函數(shù)，也可以是分段函數(shù)。如下 簡(jiǎn)要介紹CSFT形成過(guò)程中的相關(guān)概念。
[0008] 給出CSFT建立過(guò)程中的例子。該系統(tǒng)由多個(gè)二極管組成，二極管的額定工作狀態(tài) 受很多因素影響，其中，主要的是工作時(shí)間t和工作溫度c，其經(jīng)典故障樹(shù)如圖1所示。
[0009]已定義的概念如下： 1)多維故障樹(shù)：基本事件的發(fā)生概率不是固定的，是由η個(gè)因素決定的，這樣的故障樹(shù) 稱為多維故障樹(shù)，用Γ表示。由圖1的故障樹(shù)化簡(jiǎn)得
[0010] 2)基本事件的影響因素：使基本事件發(fā)生概率產(chǎn)生變化的因素。例中，t表示時(shí)間 因素，c表示溫度因素。
[0011]3)基本事件發(fā)生概率的特征函數(shù)(簡(jiǎn)稱特征函數(shù)）：基本事件在單一因素影響下， 隨影響因素的變化表現(xiàn)出來(lái)的發(fā)生概率變化特征的表示函數(shù)?？梢允浅醯群瘮?shù)，分段函數(shù) 等，用_||表示，i表示第i個(gè)元件，試_@|表示影響因素。
[0012] 4)基本事件的發(fā)生概率空間分布：基本事件在η個(gè)影響因素影響下，隨他們的變 化在多維空間內(nèi)表現(xiàn)出來(lái)的發(fā)生概率的變化。η個(gè)影響因素作為相互獨(dú)立的自變量，基本事
件發(fā)生概率作為函數(shù)值。用表示，η為影響因素個(gè)數(shù)，例中為i?(w)=1 -σ-片(οχ? -濘幻)。
[0013]5)頂上事件發(fā)生概率空間分布：經(jīng)過(guò)故障樹(shù)結(jié)構(gòu)化簡(jiǎn)后得到的頂上事件發(fā)生概 率的表達(dá)式，在η維影響因素變化的情況下，在η+1維空間中表現(xiàn)出來(lái)的空間分布。用
[0014] 6)概率重要度空間分布：第i個(gè)基本事件發(fā)生概率的變化引起頂上事件發(fā)生概 率變化的程度，在η維影響因素變化的情況下，在η+1維空間中表現(xiàn)出來(lái)的空間分布。用
[0015] 7)關(guān)鍵重要度空間分布：第i個(gè)基本事件發(fā)生概率的變化引起頂上事件發(fā)生概率 的變化率，在η維影響因素變化變化的情況下，在η+1維空間中表現(xiàn)出來(lái)的空間分布。用

[0016] 8)頂上事件發(fā)生概率空間分布趨勢(shì):就頂上事件發(fā)生概率空間分布(AA「對(duì) 某一影響因素d求導(dǎo)后得到的針對(duì)d的n+1維的空間分布。 對(duì)頂上事件發(fā)生概率空間分布的時(shí)間趨勢(shì)設(shè)定為：
[0017] 9)事件更換周期：為保證某基本事件在指定影響因素范圍內(nèi)，其基本事件發(fā)生概 率在其他因素上連續(xù)小于某發(fā)生概率值，按固定周期更換該基本事件，這個(gè)周期即是基本 事件更換周期，用？^表示。#為要求的發(fā)生概率值。
[0018] 10)系統(tǒng)更換周期為系統(tǒng)要求的運(yùn)行時(shí)頂上事件發(fā)生概率。系統(tǒng)更換周期是 一套更換方案，該方案保證某系統(tǒng)在指定影響因素范圍內(nèi)，其頂上事件發(fā)生概率在所有因 素上連續(xù)小于某發(fā)生概率值:￥:，而按照一定周期更換基本事件的方案。用.表 示。當(dāng)_值求和最大時(shí)__為最優(yōu)更換方案
[0019] 11)單一基本事件的徑集域與割集域：割集域是單一基本事件發(fā)生(故障）的可能 性大于預(yù)定的或必要的概率的空間區(qū)域(在研究區(qū)域中）。徑集域是單一基本事件發(fā)生(故 障）的可能性小于預(yù)定的或必要的概率的空間區(qū)域(在研究區(qū)域中）。
[0020] 12)系統(tǒng)的徑集域與割集域概念：割集域是頂上事件（系統(tǒng)）發(fā)生(故障）的可能 性大于預(yù)定的或必要的概率的空間區(qū)域(在研究區(qū)域中）。徑集域是頂上事件（系統(tǒng)）發(fā)生 (故障)的可能性小于預(yù)定的或必要的概率的空間區(qū)域(在研究區(qū)域中）。域邊界Pb是上述定 義中所述的預(yù)定的或必要的概率等值線或面或更高維形式。
[0021] 上述構(gòu)建了基本的CSFT理論框架，用于分析系統(tǒng)也是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰的情況下 進(jìn)行的，而分析的角度不是基于系統(tǒng)元件，而是系統(tǒng)工作的外部環(huán)境條件的變化與系統(tǒng)可 靠性的關(guān)系。當(dāng)然也可以拋開(kāi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)本身的對(duì)于工作環(huán)境的響應(yīng)現(xiàn)象來(lái) 直接使用環(huán)境因素與故障率的關(guān)系來(lái)分析系統(tǒng)可靠新，但需要大量的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。
[0022] 2離散型空間故障樹(shù)概念 實(shí)際上，觀測(cè)數(shù)據(jù)(如安全檢查，設(shè)備維護(hù)記錄，事故調(diào)查）一般都是非連續(xù)的，特別是 對(duì)于系統(tǒng)故障這樣的被控制事件，且其信息量較小。借助已有的對(duì)于CSFT的研究成果和性 質(zhì)，可采用一些方法將這些非連續(xù)的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其可使用CSFT進(jìn)行處理。為了 對(duì)應(yīng)于CSFT，這里提出