CN103226659A

CN103226659A - 基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法

Info

Publication number: CN103226659A
Application number: CN2013101358584A
Authority: CN
Inventors: 周玉刚; 许焕敏; 夏韬
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-07-31

Abstract

本发明公开了一种基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，故障树分析是采用逻辑运算，进行危险分析的方法，本发明通过分析确定挖泥船故障的顶事件，中间事件和底事件，建立故障树，并分析确定事件之间的逻辑关系，对故障树进行定性分析和定量分析，根据最小割集，得到故障树的结构函数，最后通过底事件发生的概率，计算出顶事件即挖泥船发生故障的概率。本发明为测定挖泥船安全性提供了一种新的方法，可以为日后他人研究挖泥船提供参考。

Description

基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法

技术领域

本发明涉及绞吸式挖泥船在施工过程中所发生故障概率的研究，具体为一种基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，属于疏浚工程技术领域。

背景技术

故障树分析(FTA)技术是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程的主要分析方法之一。

故障树分析法（Fault Tree Analysis），通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统故障原因的各种可能组合及其发生概率，以计算系统故障概率，采取相应的纠正措施，提高系统可靠性的一种设计分析方法。

故障树分析法中使用的一些概念取自于数学中的图论。在图论中对树的有关定义是，一个树是由一些节点和边构成，并且是一种无闭环的连通图，如果树中的边是有向的则称为孤，而具有有向边的树称为逻辑树。由于我们常把顶事件确定为系统故障事件，因此所形成树即为故障树。

故障树是一种逻辑树，树枝（边）可代表系统、子系统或元件的事故事件，而节点代表事故事件之间的逻辑关系。故障树的形成是从顶事件的根出发逐级向下发展绘制，直到事件概率已知的基本事件为止，在故障树中表示事件之间最常用的逻辑关系是“与”和“或”的关系。

故障树分析法的特点是首先确定某个不希望系统发生事件（也称顶事件或终端事件）作为问题的出发点，然后运用逻辑的推理分析引起这一顶事件发生的各种原因和影响关系，并画出它们之间的逻辑关系图，这种图形即所谓故障树，最后根据故障树的结构列出计算顶事件发生概率的逻辑关系式。

由于绞吸式挖泥船适用土体范围较大，能够将挖泥、输送、排出和处理等疏浚工序连续完成，所以在我国疏浚工程中具有广泛应用。然而正是因其众多功能环环相扣，甚至有一处部件发生故障就会引起全船停机，从而严重影响挖泥船的生产能力以及施工进度。因此，非常有必要对挖泥船发生故障的概率进行分析。

故障树分析是采用逻辑运算，进行危险分析的方法。它是一种从系统到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。不但可以对系统故障做定性分析，还可以进行定量分析；不仅可以分析由单一构件所引起的系统故障，也可以分析多个构件不同模式故障而产生的系统故障情况，为后来绞吸式挖泥船正常工作打下理论基础。

发明内容

本发明利用故障树分析方法，对绞吸式挖泥船出现故障的概率进行分析，使之能通过逻辑图的方式，计算出顶事件即挖泥船事故发生的概率。

本发明采用的技术方案为：

基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，包括以下步骤：

1）确立顶事件T为绞吸式挖泥船发生工作故障；

2）建立中间事件，从操作人员、挖泥船本身、作业环境方面举例说明，中间事件的集合M为，M={M1，M2……，Mn}，其中，n为中间事件的个数；所述中间事件是指导致顶事件发生的原因事件；

3）确定底事件，底事件的集合X为，X={X1，X2，……，Xk}，其中，k为底事件的个数；所述底事件是指导致顶事件发生的最初始的原因事件，上述步骤2）中的中间事件是底事件造成的结果；

4）根据顶事件，中间事件和底事件设计挖泥船故障树；

5）根据挖泥船故障树得出事件关系，所述事件关系是指顶事件与中间事件之间，中间事件彼此之间，中间事件和底事件之间，底事件彼此之间的逻辑与，逻辑或关系；

6）对事件关系进行定性分析；

7）对事件关系进行定量分析；

8）通过调查或模糊分析获得底事件发生概率，进而计算顶事件T的发生概率。

前述步骤2）中，中间事件的集合M具体为：M1：挖泥船本身发生故障；M2：操作人员操作不当；M3：施工环境导致挖泥船发生故障；M4：挖泥及排泥系统发生故障；M5:水上管线系统故障；M6：绞刀系统故障；M7：钢桩钢缆系统故障。

前述步骤3）中，底事件的集合X具体为：X1：吸泥口或吸泥管阻塞；X2：排泥管阻塞；X3：泥泵阻塞；X4：横移锚走锚；X5：管线脱节撕裂；X6：绞刀机跳闸及故障；X7：绞刀架横移滑轮故障；X8：钢桩绞顶；X9：钢缆出槽；X10：钢桩弯曲；X11钢桩断裂；X12：不能根据仪器做出正确判断；X13：河底垃圾；X14：水流过大。

前述产生中间事件M1的原因事件为中间事件M2，中间事件M3，中间事件M4，中间事件M5，中间事件M6和中间事件M7；产生中间事件M2的原因事件为底事件X12；产生中间事件M3的原因事件为底事件X13和底事件X14；产生中间事件M4的原因事件为底事件X1，底事件X2和底事件X3；产生中间事件M5的原因事件为底事件X4和底事件X5；产生中间事件M6的原因事件为底事件X6和底事件X7；产生中间事件M7的原因事件为底事件X8，底事件X9，底事件X10和底事件X11。

前述步骤5）中，事件关系具体为：中间事件M2与中间事件M3为逻辑与关系，中间事件M3与中间事件M4为逻辑与关系；中间事件M4与中间事件M5为逻辑或关系；中间事件M5与中间事件M6为逻辑或关系；中间事件M6与中间事件M7为逻辑或关系；底事件X13与底事件X14为逻辑或关系；底事件X1与底事件X2为逻辑或关系；底事件X2与底事件X3为逻辑或关系；底事件X4与底事件X5为逻辑或关系；底事件X6与底事件X7为逻辑或关系；底事件X8与底事件X9为逻辑或关系；底事件X9与底事件X10为逻辑或关系；底事件X10与底事件X11为逻辑或关系。

前述步骤6）中对事件关系进行定性分析包括：

6-1）根据逻辑与、逻辑或门的性质和割集的定义，找出故障树的割集；

6-2）采用下行法计算最小割集。

前述故障树的割集为：{X1},{X2},{X3}，{X1，X2},{X1，X3}，{X2，X3}，{X1，X2,X3}，{X4},{X5}，{X4，X5}，{X6},{X7},{X6，X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X8，X9}，{X8，X10}，{X8，X11}，{X9，X10}，{X9，X11}，{X10，X11}，{X8，X9,X10}，{X8，X9，X11}，{X9，X10，X11}，{X8，X9，X10，X11},{X12，X13},{X12，X14},{X12，X13，X14}；

最小割集为：

{X1},{X2},{X3},{{X4},{X5},{X6},{X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X12,X13},{X12,X14}。

前述步骤7）中对事件关系进行定量分析具体为：

7-1）对故障树进行数学描述：

7-2）根据最小割集，得到故障树的结构函数f，即为顶事件发生的概率P（T）

f＝f(X),X＝(X1,X2,…Xk)，k为底事件的个数。

前述故障树的结构函数f具体为：

f(X)＝(X1)∪(X2)∪(X3)∪(X4)∪(X5)∪(X6)∪(X7)∪(X8)

∪(X9)∪(X10)∪(X11)∪{(X12)∩(X13)}∪{(X12)∩(X14)}。

本发明采用基于用故障树分析法对绞吸式挖泥船发生故障进行分析，从顶事件发生的概率方面来研究挖泥船的安全性。实际引起挖泥船故障的中间事件是错综复杂的，而且相互之间还具有一定的关联，但是把它们组合成故障树的形式，即使再复杂也不过是树干与枝叶的关系，由此分析过程就具有一定的方向性，对于顶事件的发生也可以“顺蔓摸瓜”，找出哪项是导致挖泥船故障的关键因素，由此可以着重解决这一因素，这样不仅节省了时间，也提高了效率。本发明为测定挖泥船安全性提供了一种新的方法，可以为日后他人研究挖泥船提供参考。

说明书附图

图1为本发明的绞吸式挖泥船故障树；

图2为本发明绞吸式挖泥船故障树的事件关系结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，详细说明本发明的技术方案。

故障树法作为一种分析法，可以逐个输入案例，根据树形图逐层分析，将导致事故原因的事件按因果逻辑关系逐层列出，根据底事件（挖泥船事故的根本原因）的概率或模糊计算的概率计算顶事件（挖泥船事故）及中间事件（挖泥船事故的直接原因）的概率，最后可以通过列表等方式得出定性或定量的原因结论，从而提出对策。

本发明采用基于故障树的分析方法对绞吸式挖泥船发生故障的概率进行分析，其中，故障树分析方法的基本流程为：

1.熟悉系统：详细了解系统状态及各种参数，绘出工艺流程图或布置图。

2.调查事故：收集事故案例，进行事故统计，设想给定系统可能发生的事故。

3.确定顶事件：要分析的对象即为顶事件。对所调查的事故进行全面分析，从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶事件。

4.确定目标值：根据经验教训和事故案例，经统计分析后，求解事故发生的概率(频率)，以此作为要控制的事故目标值。

5.调查原因事件：调查与事故有关的所有原因事件和各种因素。

6.画出故障树：从顶事件起，逐级找出直接原因的事件，直至所要分析的深度，按其逻辑关系，画出故障树。

7.分析：按故障树结构进行简化，确定各基本事件的结构重要度。

8.事故发生概率：确定所有事故发生概率，标在故障树上，并进而求出顶事件(事故)的发生概率。

9.比较：比较分可维修系统和不可维修系统进行讨论，前者要进行对比，后者求出顶事件发生概率即可。

故障树分析方法中涉及到的数学知识包括：

1.数学基础

(1)集:从最普遍的意义上说，集就是具有某种共同可识别特点的项(事件)的集合，这些共同特点使之能够区别于他类事物。

(2)并集:把集合A的元素和集合B的元素合并在一起，这些元素的全体构成的集合叫做A与B的并集，记为A∪B或A+B。若A与B有公共元素，则公共元素在并集中只出现一次。

(3)交集：两个集合A与B的交集是两个集合的公共元素所构成的集合，记为A∩B或A·B。根据定义，交是可以交换的。

(4)补集：在整个集合(Ω)中集合A的补集为一个不属于A集的所有元素的集。补集又称余，记为￢A或A'。

2.布尔代数规则

布尔代数用于集的运算，与普通代数运算法则不同。它可用于故障树分析，布尔代数可以帮助我们将事件表达为另一些基本事件的组合。将系统失效表达为基本元件失效的组合。演算这些方程即可求出导致系统失效的元件失效组合，即最小割集，进而根据元件失效概率，计算出系统失效的概率。布尔代数规则如下(X、Y代表两个集合)：

(1)交换律：X·Y=Y·X，X+Y=Y+X

(2)结合律：X·(Y·Z)=(X·Y)·Z，X+(Y+Z)=(X+Y)+Z

(3)分配律：X·(Y+Z)=X·Y+X·Z，X+(Y·Z)=(X+Y)·(X+Z)

(4)吸收律：X·(X+Y)：X，X+(X·Y)：X

(5)互补律：X+￢X=Ω=1（Ω表示整个集合），X·￢X=φ(φ表示空集)

(6)幂等律:X·X=X，X+X=X

(7)狄·摩根定律:￢(X·Y)=￢X+￢Y，￢(X+Y)=￢X·￢Y

(8)对合律：￢(￢X)=X

(9)重叠律：X+￢XY=X+Y=Y+￢Y X

基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法具体为：

绞吸式挖泥船在我国疏浚行业中扮演着愈来愈重要的角色，其中有50%以上的河道是通过这种类型的挖泥船进行作业的，然而，众多故障因素严重制约着挖泥船的正常工作，因此，能够确保绞吸式挖泥船连续不断的进行疏浚作业，成为衡量挖泥船产量的重要标志。

运用故障树分析法对挖泥船发生故障的概率进行计算，具体为：

1）确立顶事件T为绞吸式挖泥船发生工作故障；

2）建立中间事件，中间事件是指导致顶事件发生的原因事件，从操作人员、挖泥船本身、作业环境等方面举例说明，用集合M表示中间事件，本发明列举几种常见的导致挖泥船工作故障的事件有：M1：挖泥船本身发生故障；M2：操作人员操作不当；M3：施工环境导致挖泥船发生故障；M4：挖泥及排泥系统发生故障；M5:水上管线系统故障；M6：绞刀系统故障；M7：钢桩钢缆系统故障。

3）确定底事件，底事件是指导致顶事件发生的最初始的原因事件，同时中间事件是底事件造成的结果，用集合X表示底事件，具体包括：X1：吸泥口或吸泥管阻塞；X2：排泥管阻塞；X3：泥泵阻塞；X4：横移锚走锚；X5：管线脱节撕裂；X6：绞刀机跳闸及故障；X7：绞刀架横移滑轮故障；X8：钢桩绞顶；X9：钢缆出槽；X10：钢桩弯曲；X11钢桩断裂；X12：不能根据仪器做出正确判断；X13：河底垃圾；X14：水流过大。

4）根据经验设计挖泥船故障树，如图1所示；

5）根据挖泥船故障树得出事件关系，事件关系是指顶事件与中间事件之间，中间事件彼此之间，中间事件和底事件之间，底事件彼此之间的逻辑与，逻辑或关系；如图2所示。图中“·”表示逻辑与关系，“+”表示逻辑或关系；

6）对事件关系进行定性分析

参照图2，根据逻辑与、逻辑或门的性质和割集的定义，可方便找出挖泥船故障树的割集是{X1},{X2},{X3}，{X1，X2},{X1，X3}，{X2，X3}，{X1，X2,X3}，{X4},{X5}，{X4，X5}，{X6},{X7},{X6，X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X8，X9}，{X8，X10}，{X8，X11}，{X9，X10}，{X9，X11}，{X10，X11}，{X8，X9,X10}，{X8，X9，X11}，{X9，X10，X11}，{X8，X9，X10，X11},{X12，X13},{X12，X14},{X12，X13，X14}；

用下行法计算最小割集，“与门”使割集容量增加，而不增加割集的数量；“或门”使割集的数量增加，而不增加割集的容量。这种方法是从顶事件开始，用下一层事件代替上一层事件，把“与门”连接的事件，按行横向排列；把“或门”连接的事件，按列纵向摆开。这样，逐层向下，直至各基本事件，列出若干行，最后利用布尔代数化简。化简结果，就得出若干最小割集。具体如表1所示:

表1 下行法计算最小割集步骤

得到最小割集为:

{X1},{X2},{X3},{{X4},{X5},{X6},{X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12,X13},{X12,X14}；

7）对事件关系进行定量分析

故障树的数学描述：

根据最小割集，得到故障树的结构函数f--表示系统整体的布尔函数，即为顶事件发生的概率P（T）

f＝f(X),X＝(X1,X2,…Xk)，k为底事件的个数

根据上述步骤6）得到的最小割集，本发明结构函数可写成

f(X)＝(X1)∪(X2)∪(X3)∪(X4)∪(X5)∪(X6)∪(X7)∪(X8)

∪(X9)∪(X10)∪(X11)∪{(X12)∩(X13)}∪{(X12)∩(X14)}

本发明中底事件X1,X2,……,X14均为可通过调查或模糊分析获得其发生概率的事件，由于这些数据出于保密原因，先假定设其发生的概率分别为：

P(X1)＝0.01，P(X2)＝0.02，P(X3)＝0.01，P(X4)＝0.03，P(X5)＝0.02,P(X6)＝0.03,

P(X7)＝0.02,P(X8)＝0.04,P(X9)＝0.03,P(X10)＝0.02P(X11)＝0.01，P(X12)＝0.02，

P(X13)＝0.03，P(X14)＝0.02；

则根据结构函数和布尔代数规则，顶事件T发生的概率为：

P(T)＝P(X1)+P(X2)+P(X3)+P(X4)+P(X5)+P(X6)+P(X7)+

P(X8)+P(X9)+P(X10)+P(X11)+P(X12)P(X3)+P(X12)P(X14)

带入数据得:P(T)＝0.241

本发明用故障树法对绞吸式挖泥船发生故障进行分析，为测定挖泥船安全性提供了一种新的方法，可以为日后他人研究挖泥船提供参考。

Claims

1.基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确立顶事件T为绞吸式挖泥船发生工作故障；

4）根据顶事件，中间事件和底事件设计挖泥船故障树；

6）对事件关系进行定性分析；

7）对事件关系进行定量分析；

2.根据权利要求1所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述步骤2）中，中间事件的集合M具体为：M1：挖泥船本身发生故障；M2：操作人员操作不当；M3：施工环境导致挖泥船发生故障；M4：挖泥及排泥系统发生故障；M5:水上管线系统故障；M6：绞刀系统故障；M7：钢桩钢缆系统故障。

3.根据权利要求1所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述步骤3）中，底事件的集合X具体为：X1：吸泥口或吸泥管阻塞；X2：排泥管阻塞；X3：泥泵阻塞；X4：横移锚走锚；X5：管线脱节撕裂；X6：绞刀机跳闸及故障；X7：绞刀架横移滑轮故障；X8：钢桩绞顶；X9：钢缆出槽；X10：钢桩弯曲；X11钢桩断裂；X12：不能根据仪器做出正确判断；X13：河底垃圾；X14：水流过大。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述产生中间事件M1的原因事件为中间事件M2，中间事件M3，中间事件M4，中间事件M5，中间事件M6和中间事件M7；产生中间事件M2的原因事件为底事件X12；产生中间事件M3的原因事件为底事件X13和底事件X14；产生中间事件M4的原因事件为底事件X1，底事件X2和底事件X3；产生中间事件M5的原因事件为底事件X4和底事件X5；产生中间事件M6的原因事件为底事件X6和底事件X7；产生中间事件M7的原因事件为底事件X8，底事件X9，底事件X10和底事件X11。

5.根据权利要求1所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述步骤5）中，事件关系具体为：中间事件M2与中间事件M3为逻辑与关系，中间事件M3与中间事件M4为逻辑与关系；中间事件M4与中间事件M5为逻辑或关系；中间事件M5与中间事件M6为逻辑或关系；中间事件M6与中间事件M7为逻辑或关系；底事件X13与底事件X14为逻辑或关系；底事件X1与底事件X2为逻辑或关系；底事件X2与底事件X3为逻辑或关系；底事件X4与底事件X5为逻辑或关系；底事件X6与底事件X7为逻辑或关系；底事件X8与底事件X9为逻辑或关系；底事件X9与底事件X10为逻辑或关系；底事件X10与底事件X11为逻辑或关系。

6.根据权利要求1所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述步骤6）中对事件关系进行定性分析包括：

6-2）采用下行法计算最小割集。

7.根据权利要求5或6所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述故障树的割集为：{X1},{X2},{X3}，{X1，X2},{X1，X3}，{X2，X3}，{X1，X2,X3}，{X4},{X5}，{X4，X5}，{X6},{X7},{X6，X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X8，X9}，{X8，X10}，{X8，X11}，{X9，X10}，{X9，X11}，{X10，X11}，{X8，X9,X10}，{X8，X9，X11}，{X9，X10，X11}，{X8，X9，X10，X11},{X12，X13},{X12，X14},{X12，X13，X14}；

所述最小割集为：

{X1},{X2},{X3},{{X4},{X5},{X6},{X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12,X13},{X12,X14}。

8.根据权利要求1所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述步骤7）中对事件关系进行定量分析具体为：

7-1）对故障树进行数学描述：

f＝f(X),X＝(X1,X2,…Xk)，k为底事件的个数。

9.根据权利要求7或8所述的基于故障树分析法的绞吸式挖泥船故障分析方法，其特征在于，所述故障树的结构函数f具体为：

f(X)＝(X1)∪(X2)∪(X3)∪(X4)∪(X5)∪(X6)∪(X7)∪(X8)

∪(X9)∪(X10)∪(X11)∪{(X12)∩(X13)}∪{(X12)∩(X14)}。