CN103390104B - 一种船舶消防系统连锁失效的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复杂系统的分析与决策领域，具体涉及一种基于元胞自动机理论和Agent行为模型的船舶消防系统连锁失效的评估方法。本发明包括：构造元胞空间、元胞、邻居、边界；给每个元胞赋初始运行状态参数值；设代表舱室消防单元的每个元胞的舱室火灾危险度状态分布，并任意选取某一个元胞，进行演化；元胞演化。本发明通过给出考虑船舶舱室火灾危险度影响的船舶消防系统连锁失效规律，量化了评估连锁性失效的传播路径、脆性源数量、连锁失效规模，为进一步采取预防控制策略提供了定量评估方法和连锁失效评估软件算法的流程，不仅适用于船舶消防系统，对具有类似结构的其他复杂系统的连锁失效行为的评估具有普适性。

Description

一种船舶消防系统连锁失效的评估方法

技术领域

本发明属于复杂系统的分析与决策领域，具体涉及一种基于元胞自动机理论和Agent行为模型的船舶消防系统连锁失效的评估方法。

背景技术

随着科技的发展，现代船舶功能越来越强，环境越来越复杂，船舶的可靠性和安全性越来越受到重视。船舶火灾是影响船舶安全性的危险事故之一，为了实现火灾的早期确认、自动报警、联动控制及减灾灭火功能，现代船舶综合控制系统中都会配有消防系统，它是一个复杂系统。然而，一旦由于船舶内部环境的变化或人为因素导致了消防系统的子系统失效，相应的船舶环境会由于防御不够或失去了防御而恶化，从而反作用于其他消防子系统，并结合消防系统内部的动力学特征产生连锁反应，使得消防系统的性能降低，甚至影响整个船舶系统功能崩溃，船舶失去生命力。因此船舶消防系统的定量连锁失效评估对提高船舶安全性和船舶生命力具有重要意义。

传统的系统可靠性评估方法，如可靠性框图法、故障树法等，存在如下缺点：一方面这些方法都是在假设系统独立失效的情况下进行可靠性评估，忽略了系统失效的相关性；另一方面，传统的可靠性评估偏重系统硬件的评估。然而，相关性是复杂系统失效的普遍特征，忽略失效的相关性得到的结果过于保守，甚至是错误的，并且复杂系统的连锁失效不仅与系统网络拓扑结构有关，而且与系统的物质、信息、能量的交换和传递息息相关，对系统功能失效的综合评估更重要。由于以上原因，复杂系统的连锁失效评估的相关文献很少，且尚未有关于船舶消防系统连锁失效定量评估的相关理论成果。

元胞自动机是一种时间、空间和状态都离散的动力系统，在每个离散时间步，每个元胞根据其相邻元胞的上一时刻的状态以局部规则进行同步演化，是一种非常适合描述故障传播行为的评估方法，Agent行为则可描述子系统的不同演化。鉴于此，本发明提出了基于元胞自动机和Agent行为的船舶消防系统连锁失效的评估方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量化评估连锁性失效参数、普适性更高的基于元胞自动机和Agent行为模型的船舶消防系统连锁性失效评估方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）构造元胞空间、元胞、邻居、边界：

将甲板消防系统所在舱室抽象为二维元胞自动机，其中，元胞空间为该甲板全部舱室抽象成的二维四边形网格结构，按照船舶长度和宽度构造30×6的网格，在元胞空间的四边形网格结构中，每一个网格为一个元胞，每个元胞容纳一个消防单元，每一元胞具有一个坐标位置(x,y)，每个消防单元在t时刻具有状态状态集{0,1,2,3}中1代表消防单元处于正常状态、2代表消防单元处于异常状态、3代表消防单元处于临界状态、4代表消防单元处于失效状态；一个元胞的东、南、西、北、东北、西北、东南、西南相邻的八个元胞为该元胞的邻居元胞，其中相邻邻居元胞为：

(x,y-1),(x,y+1),(x-1,y),(x+1,y)；

对角邻居元胞为：(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y+1),(x+1,y-1)；

（2）给每个元胞赋初始运行状态参数值赋初值N(x,y)=0，确定时间步t；

（3）设代表舱室消防单元的每个元胞的舱室火灾危险度状态分布，并随机选取某一个元胞，其坐标为(x,y)，加入初始干扰D，如果满足执行步骤4进行演化；如果不满足则结束；

（4）元胞演化：

当元胞受到扰动D∈{D₁,D₂,D₃,D₄}，其中{D₁,D₂,D₃,D₄}为船舶舱室火灾危险度的四个等级，D₁火灾危险度[0,0.5]，状态负荷分配0；D₂火灾危险度[0.5,0.65]，状态负荷分配1；D₃火灾危险度[0.65,0.9]，状态负荷分配2；D₄，火灾危险度[0.9,1]，状态负荷分配3；

如果满足即该元胞代表的消防单元失效，元胞崩溃，退出系统运行，同时该元胞将向邻居元胞分配一个额外的状态负荷，使邻居元胞的状态发生变化，则有

$S_{(x,y)}^{t+1}=0;$

$S_{(x\±1,y)}^{t+1}=S_{(x\±1,y)}^t+1,S_{(x,y\±1)}^{t+1}=S_{(x,y\±1)}^t+1;$

$S_{(x\±1,y\±1)}^{t+1}=S_{(x\±1,y\±1)}^t+1,S_{(x\±1,y\stackrel{\‾}{+}1)}^{t+1}=S_{(x\±1,y\stackrel{\‾}{+}1)}^t+1;$

其中S代表消防单元的状态；

如果邻居元胞的状态大于该邻居元胞也退出系统的运行，同时，邻居元胞向本身的邻居元胞提供一个额外的状态负荷，如果邻居元胞运行状态小于或等于该邻居元胞仍参与系统运行，不向其邻居元胞分配额外的状态负荷；

用N(x,y)表示每个元胞崩溃后所引发的崩溃元胞的总数，初始赋值，当引起一个邻居元胞崩溃后，有N(x,y)=N(x,y)+1；

当x取值为1或30，y取值为1或6时，元胞本身不参与演化。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种船舶消防系统连锁失效的评估方法，通过给出考虑船舶舱室火灾危险度影响的船舶消防系统连锁失效规律，量化了评估连锁性失效的传播路径、脆性源数量、连锁失效规模，为进一步采取预防控制策略提供了定量评估方法和连锁失效评估软件算法的流程，不仅适用于船舶消防系统，对具有类似结构的其他复杂系统的连锁失效行为的评估具有普适性。

附图说明

图1船舶火灾自动报警系统分布图；

图2船舶消防系统单个消防单元信息流图；

图3元胞自动机模型及邻居分类；

图4船舶消防单元智能体行为模型。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明，具体步骤为：

本发明基于元胞自动机和Agent理论，通过构造元胞空间，给出考虑船舶舱室火灾危险度影响的船舶消防系统连锁失效规则，并结合提出的船舶消防单元失效的Agent行为模型，量化了评估连锁性失效的传播路径、脆性源数量、连锁失效规模。

船舶消防系统连锁失效的评估包括如下过程：

（1）构造元胞空间、元胞、邻居、边界：

将船舶消防系统所在舱室抽象为二维元胞自动机，元胞空间为船舶舱室抽象成的二维四边形网格结构，其中每一个网格为一个元胞，每个元胞容纳一个消防单元，每一元胞具有一个坐标位置，每个消防单元在某时刻都处于正常、异常、临界（脆性熵达到消防单元最大承载量）和失效中的某种状态，且构造任一个元胞的邻居元胞，并给出元胞边界。

（2）构造元胞演化规则：

①设船舶舱室火灾危险度等级，当元胞受到某种等级的扰动后，如果其状态超出临界状态，即该元胞容纳的消防单元失效，则元胞崩溃，退出系统运行，同时该元胞将向邻居元胞分配一个额外的状态负荷，使邻居元胞的状态发生变化；如果邻居元胞的状态也超出临界状态，该邻居元胞也退出系统的运行，同时，邻居元胞向本身的邻居元胞提供一个额外的状态负荷；如果邻居元胞运行状态未达到临界状态，该邻居元胞仍参与系统运行，不向其邻居元胞分配额外的状态负荷。

②将每个元胞崩溃后所引发的崩溃元胞的总数初始赋值为零，当引起一个邻居元胞崩溃后，将崩溃元胞总数增加一个；

③当元胞处于边界处时，元胞本身不参与演化；

（3）根据（2）中的规则对连锁失效传播路径进行仿真，给出脆性源数量、船舶消防系统的平均状态及连锁失效规模的定量计算，并分析它们对系统连锁失效程度的影响。

将船舶消防系统按照功能划分为探测子系统、控制子系统和消防子系统，其中控制子系统主机在消防控制中心，从机分布在各个防火区，探测子系统和消防子系统配套分布在各船舶舱室。将船舶消防系统的连锁失效分为沿某层甲板的连锁失效和在不同甲板间传播的纵向连锁失效。以沿某层甲板的连锁失效评估为例，将船舶消防系统所在该层甲板的舱室抽象为二维元胞自动机，每个元胞容纳一个消防单元，视为一个智能体。

(1)构造元胞空间、元胞、邻居、边界：

对象船舶火灾自动报警系统分布如附图1所示。将船舶消防系统按照功能划分为探测子系统、控制子系统和消防子系统，其中控制子系统主机在消防控制中心，从机分布在各个防火区，探测子系统和消防子系统配套分布在各船舶舱室。以船舶消防系统在某层甲板的连锁失效为例，将该甲板消防系统所在舱室抽象为二维元胞自动机。定义：

①元胞空间为船舶该甲板的全部舱室抽象成的二维四边形网格结构，按照船舶长度和宽度构造30×6的网格。

②在元胞空间的四边形网格结构中，每一个网格就是一个元胞，每个元胞容纳一个消防单元，完成探测、控制和灭火的过程，单个消防单元信息流图见附图2。每一元胞具有一个坐标位置(x,y)取值分别在[1,30]和[1,6]之间。每个消防单元在t时刻具有状态状态集{0,1,2,3}中1代表消防单元处于正常状态、2代表消防单元处于异常状态、3代表消防单元处于临界状态、4代表消防单元处于失效状态，记表示消防单元处于临界状态。每个元胞在开始演化前被随机赋予初值状态{0,1,2,3}中的某一个状态。

③元胞的邻居选择Moore型，即一个元胞的东、南、西、北、东北、西北、东南、西南相邻的八个元胞为该元胞的邻居，其中相邻邻居为(x,y-1),(x,y+1),(x-1,y),(x+1,y)，对角邻居为(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y+1),(x+1,y-1)，并假设所有邻居与中心元胞连通程度都良好，见附图3。

④当x取值为1或30，y取值为1或6时，元胞局部的演化规则不变，即在边界处假定有虚元胞的存在，分担由于元胞崩溃而产生的状态负荷，但其本身不参与演化。

(2)构造元胞演化规则：

当某一元胞突然受到一个扰动D∈{D₁,D₂,D₃,D₄}，其中{D₁,D₂,D₃,D₄}为船舶舱室火灾危险度的四个等级，见表1。

表1舱室火灾危险度等级

如果满足即该元胞代表的消防单元失效，不再参与系统运行，同时该元胞将向邻居元胞分配一个额外的状态负荷，使得邻居元胞的状态发生变化，则有

$S_{(x,y)}^{t+1}=0---\left(1\right)$

$S_{(x\±1,y)}^{t+1}=S_{(x\±1,y)}^t+1,S_{(x,y\±1)}^{t+1}=S_{(x,y\±1)}^t+1---\left(2\right)$

$S_{(x\±1,y\±1)}^{t+1}=S_{(x\±1,y\±1)}^t+1,S_{(x\±1,y\stackrel{\‾}{+}1)}^{t+1}=S_{(x\±1,y\stackrel{\‾}{+}1)}^t+1---\left(3\right)$

如果此时邻居元胞的状态大于该邻居元胞也崩溃，退出系统的运行，同时，邻居元胞向“邻居的邻居”提供一个额外的状态负荷，这样就构成了船舶消防系统的连锁失效。如果邻居元胞运行状态小于或等于该邻居元胞仍参与系统运行，不向其邻居元胞分配额外的状态负荷，连锁失效停止。

用N(x,y)表示每个元胞崩溃后所引发的崩溃元胞的总数，初始赋值N(x,y)=0。当引起一个邻居崩溃后，有N(x,y)=N(x,y)+1。

(3)元胞内单个智能体的行为模型：

每个消防单元都可以完成探测、控制和灭火的过程，可以看作一个智能体，其内部的信息流情况见附图2。当受到外界扰动后，其行为模型见附图4。

(4)系统演化具体步骤：

步骤1：给每个元胞赋初始运行状态参数值赋初值N(x,y)=0，确定时间步t。

步骤2：设置代表舱室消防单元的每个元胞的舱室火灾危险度状态分布，并随机选取某一个元胞，其坐标为(x,y)，加入初始干扰D。如果满足则按规则(1)-(3)演化；如果不满足则结束。

步骤3：如果步骤2的结果使某个邻近的元胞满足则邻居也按规则(1)-(3)演化，并按N(x,y)=N(x,y)+1给N(x,y)赋值；如果不满足，则结束。

(5)船舶消防系统连锁失效定量评估：

结合(2)中规则及Matlab进行以下几方面的评估：

①利用(1)-(3)仿真某重要舱室消防单元失效后船舶消防系统在同层甲板的连锁失效的传播路径；

②通过对N(x,y)的演化计算可以得出船舶消防系统连锁失效的脆性源数量；

③调整元胞的状态，选取足够多样本，定量评估某时刻船舶消防系统平均状态与连锁失效脆性源数量 $N_s=\left\{\begin{array}{c}{N}_s+1,N(x,y)=180\\ N_s,N(x,y)\≠180\end{array}\right..$ 连锁失效规模x∈[1,30],y∈[1,6]的关系，及消防单元状态分布与连锁失效规模的关系。

Claims (1)

1.一种船舶消防系统连锁失效的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）构造元胞空间、元胞、邻居、边界：

将甲板消防系统所在舱室抽象为二维元胞自动机，其中，元胞空间为该甲板全部舱室抽象成的二维四边形网格结构，按照船舶长度和宽度构造30×6的网格，在元胞空间的四边形网格结构中，每一个网格为一个元胞，每个元胞容纳一个消防单元，每一元胞具有一个坐标位置(x,y)，每个消防单元在t时刻具有状态状态集{0,1,2,3}中1代表消防单元处于正常状态、2代表消防单元处于异常状态、3代表消防单元处于临界状态、4代表消防单元处于失效状态；一个元胞的东、南、西、北、东北、西北、东南、西南相邻的八个元胞为该元胞的邻居元胞，其中相邻邻居元胞为：

(x,y-1),(x,y+1),(x-1,y),(x+1,y)；

对角邻居元胞为：(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y+1),(x+1,y-1)；

（2）给每个元胞赋初始运行状态参数值赋初值N(x,y)=0，确定时间步t；

（3）设代表舱室消防单元的每个元胞的舱室火灾危险度状态分布，并随机选取某一个元胞，其坐标为(x,y)，加入初始干扰D，如果满足执行步骤4进行演化；如果不满足则结束；

（4）元胞演化：

当元胞受到扰动D∈{D₁,D₂,D₃,D₄}，其中{D₁,D₂,D₃,D₄}为船舶舱室火灾危险度的四个等级，D₁火灾危险度[0,0.5]，状态负荷分配0；D₂火灾危险度[0.5,0.65]，状态负荷分配1；D₃火灾危险度[0.65,0.9]，状态负荷分配2；D₄，火灾危险度[0.9,1]，状态负荷分配3；

如果满足即该元胞代表的消防单元失效，元胞崩溃，退出系统运行，同时该元胞将向邻居元胞分配一个额外的状态负荷，使邻居元胞的状态发生变化，则有

$S_{(x,y)}^{t+1}=0;$

$S_{(x\±1,y)}^{t+1}=S_{(x\±1,y)}^t+1,S_{(x,y\±1)}^{t+1}=S_{(x,y\±1)}^t+1;$

$S_{(x\±1,y\±1)}^{t+1}=S_{(x\±1,y\±1)}^t+1,S_{(x\±1,y\stackrel{\‾}{+}1)}^{t+1}=S_{(x\±1,y\stackrel{\‾}{+}1)}^t+1;$

其中S代表消防单元的状态；

如果邻居元胞的状态大于该邻居元胞也退出系统的运行，同时，邻居元胞向本身的邻居元胞提供一个额外的状态负荷，如果邻居元胞运行状态小于或等于该邻居元胞仍参与系统运行，不向其邻居元胞分配额外的状态负荷；

用N(x,y)表示每个元胞崩溃后所引发的崩溃元胞的总数，初始赋值，当引起一个邻居元胞崩溃后，有N(x,y)=N(x,y)+1；

当x取值为1或30，y取值为1或6时，元胞本身不参与演化。