CN103399820A - 一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统及方法，包括：数据输入模块，获取给定系统可靠性数据和结构数据，并以故障树模型和事件树模型的方式存储；事件树解析模块，对给定的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；故障树预处理模块对给定的故障树模型进行预处理；故障树分析模块对给定的故障树模型进行故障模式分析及概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析；图表显示模块以图表形式显示给定系统的故障分析结果。本发明能准确的构建序列和后果故障树，对事件树的每个功能事件的成功分支分别进行各种近似计算和精确计算，提高了可靠性。

Description

一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统及方法，属于可靠性和安全评价领域。

背景技术

事件树分析（Event Tree Analysis）是一种时序逻辑的事故分析方法，通常用于核电系统和其它大型复杂系统的安全评价和可靠性分析当中，事件树分析已成为核电厂概率安全评价（Probabilistic Safety Assessment）中的重要部分。它分析由始发事件（Initial Event，也称之为“初因事件”）与相关的电厂系统响应组合而形成的各种事故序列，然后建立事件树（即事件树模型）。这些相关的电厂系统在事件树中表现为功能事件（Function Event，也称之为“题头事件”），事故序列在事件树模型中就表现为事件树的序列。根据电厂系统响应的成功或失效（系统的响应类型一般有两种，少数情况下也会考虑部分成功），功能事件在事件树序列中也相应的体现为成功分支或失效分支。某一个序列对应的（整个系统或某个子系统的）最终状态就是该序列的后果。一个系统的事件树模型，一般包括：始发事件，功能事件及其系统故障树模型；功能事件的成功处理方法、分析边界条件；事件树序列的名称和后果，事件树序列所包含的始发事件和功能事件，以及功能事件在事件树序列中的顺序和分支类型（成功或失效）等等。

对事件树进行分析的时候，对于失效分支的计算比较容易；而对于成功分支的计算则比较难，考虑到时间和资源的耗费，现在国内外流行的概率安全评价系统，一般都不支持成功分支的精确计算，而是根据分析精确度的需要，采用各种近似计算方法，这些近似方法建造故障树的流程是不一样的。传统的事件树的序列（Sequence）或后果（Consequence）求解方法，其思想一般都是根据始发事件和功能事件对应的系统故障树模型，直接把某一个序列或后果展开为一个整体故障树（即事件树的序列故障树模型或事件树的后果故障树模型），然后对其进行统一处理，并不能对每个单独的功能事件，根据分析精确度的需求进行不同的成功分支处理；比较耗费计算资源和时间，或者无法满足分析的需求。

后来发展的一些新方法可以对每个单独的功能事件进行不同的成功分支处理，但是其直接建造故障树进行分析的方法，使得建树和分析计算都非常耗时，很难胜任较大规模的序列故障树特别是后果故障树的建造和分析任务；而且一旦改变成功处理方法，就需要重新建造故障树。还有一种“三步法”，是在《原子能科学技术》第42卷第8期的《核电厂PSA中事故序列后果分析方法研究》论文中提出的，它采用替代的方式分步建树，节省了建树和分析的时间；但由于它是简单的直接替代，所以只能用于功能事件的失效分支，而不能用于成功分支，导致对系统的故障模式分析不全、得到的故障概率与实际相差较大。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统及方法，能根据分析者的需求，按照不同的成功处理方法准确的构建序列和后果故障树，对事件树的每个功能事件的成功分支分别进行各种近似计算和精确计算，对给定系统故障的分析结果更符合分析者的精度要求和速度要求，提高可靠性。

本发明的技术方案如下：一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统，包括：

（1）数据输入模块，获取给定系统的可靠性数据和结构数据，并以故障树模型和事件树模型的方式进行存储，送给事件树解析模块；

（2）事件树解析模块，对给定的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型，送给故障树预处理模块；

（3）故障树预处理模块，对给定的故障树模型进行预处理，预处理方法包括房型事件处理、特殊门处理、故障树化简与故障树模块化；预处理之后送给故障树分析模块；所述特殊门是一种故障树逻辑门，不是与门也不是或门；

（4）故障树分析模块，对给定的故障树模型进行故障模式即最小割集分析及概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析，得到给定系统的故障分析结果；

（5）图表显示模块：以图表形式显示给定系统的故障分析结果。

所述数据输入模块实现过程如下：

（1）给定系统的可靠性数据由分析人员建造成故障树的基本事件可靠性模型；本模块预留了所有可靠性模型的接口，并提供6种比较常用的标准可靠性模型给分析人员进行选择；每一种模型都包含若干可靠性参数；

（2）给定系统的结构数据由分析人员根据各子系统的部件和结构建造各子系统的故障树模型；并由分析人员对整个系统的可能故障情况进行分析，建造若干个事件树模型。

所述事件树解析模块采用分别替代法，实现过程如下：

（1）将事件树序列和后果的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，构造出序列故障树和后果故障树，本发明把它们称之为功能故障树，并根据需要对功能故障树进行化简；

（2）根据功能事件的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；

（3）用基于步骤（2）得到的处理后的系统故障树去替换基于步骤（1）得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树模型和后果故障树模型。

所述故障树预处理模块实现过程如下：

（1）对给定故障树模型，进行房型事件移除的处理；

（2）对步骤（1）的结果，进行包括KN门即表决门、异或门在内的特殊门的替代和展开处理；

（3）对步骤（2）的结果，采用来自布尔代数的化简规则对故障树进行化简；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型节点，进行合适的编号，然后根据编号结果进行模块化。

所述故障树分析模块实现过程如下：

（1）对给定故障树模型，进行故障模式分析；

（2）基于步骤（1）的结果，对给定故障树模型，进行故障模式概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析；

（3）以文件形式存储给定系统的故障分析结果。

所述图表显示模块实现过程如下：

（1）从文件中读取给定系统的故障分析结果；

（2）对分析结果进行二次数据处理，包括但不限于：各类结果的排序，结果的数值微积分，转换为对数坐标，最小二乘法曲线拟合；

（3）根据二次数据处理后的结果，以图表形式向分析人员显示出给定系统的故障分析结果。

一种基于事件树的序列和后果分析的故障分析方法，实现步骤如下：

（1）获取给定系统的可靠性数据和结构数据，并以故障树模型和事件树模型的方式进行存储；

（2）对步骤（1）的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；所述的分别替代法流程如下：

第一步，将事件树的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，构造出功能故障树；

第二步，根据功能事件的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；

第三步，用基于第二步得到的处理后的系统故障树去替换基于第一步得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树和后果故障树；

（3）对步骤（2）的序列故障树模型和后果故障树模型进行预处理，预处理方法包括房型事件处理、特殊门处理、故障树化简或故障树模块化；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型进行分析，得到给定系统的所有故障模式；

（5）根据步骤（4）的结果，对步骤（3）处理后的故障树模型进行故障模式概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析；

（6）对上述最终结果进行二次数据处理，并以图表形式显示所有结果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）能够灵活的根据分析者的需求，以尽可能快的速度获取恰好满足精确度需求的结果；而不会浪费时间获取超过需求精确程度的结果，或者计算速度很快却不够精确；

（2）应用范围广，能适用于目前常用的各种功能事件的成功处理方法，以及各种功能事件的分析边界条件；

（3）在建造故障树过程中的化简能使包含功能事件成功分支的序列或后果故障树的结构变得比较简单；提高了建造故障树的灵活性和普适性，并且节省了建造故障树的时间，以及后续的故障树分析时间，从而更快的获取给定系统的故障分析结果；

（4）在需要改变功能事件的成功处理方法的情况下，事件树解析模块的结果是可以直接重复使用的；在需要分析多个序列或者后果的情况下（以功能事件的成功处理方法不变为前提），故障树分析模块的结果也是可以直接重复使用的；这些对分析结果的重复利用，也在很大程度上节省了分析时间，从而更快的判断系统故障。而这两种情况，在具体的系统分析实践中是经常碰到的。

附图说明

图1为本发明系统的组成框图；

图2为图1中数据输入模块的实现流程图；

图3为图1中事件树解析模块的实现流程图；

图4为图1中故障树预处理模块的实现流程图；

图5为图1中故障树分析模块的实现流程图；

图6为图1中图表显示模块的实现流程图；

图7为本发明方法实现流程图；

图8是引用自第三代核电站AP1000的一个丧失主给水的未紧急停堆的预期瞬态（ATWS）事件树图；

图9是本发明应用于图8事件树的CD后果的计算的功能故障树图；

图10是火车运行中脱钩溜车事故的事件树图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括数据输入模块、事件树解析模块、故障树预处理模块、故障树分析模块、图表显示模块。

如图2所示，本发明中数据输入模块的具体实现如下：

（1）根据分析目标的可靠性数据，由分析人员构造成基本事件可靠性模型；

（2）根据分析目标的系统结构数据，由分析人员建造故障树模型，以及事件树模型；

（3）全部输入数据在数据输入模块中存储为以下内容：始发事件的名称；功能事件的名称、功能事件对应的子系统故障树模型、成功处理方法；事件树序列的名称和后果，事件树序列所包含的始发事件和功能事件，以及功能事件在事件树序列中的顺序和分支类型。

如图3所示，本发明中事件树解析模块具体实现如下：

（1）获得事件树序列或者后果的结构参数和分析实例参数，并生成分析目标的事件列表；包括以下内容：

第一，从始发事件开始，对分析目标（序列或者后果）进行遍历，针对每个始发事件或者功能事件，根据事件本身的参数设置，生成事件节点。节点中要包含建树所需的各种信息（事件名称，顺序，分支类型，实际输入，成功处理方法，分析边界条件集等）；

第二，将事件节点按照顺序，插入分析目标的事件列表中（例外情况：如果成功处理方法为“忽略成功分支”的时候，此类功能事件就不插入事件列表中）；

第三，若分析目标是后果，则对后果所包含的序列进行循环，重复前面2个操作，建立每个序列对应的列表。

（2）根据事件列表和分析实例的参数设置，形成以事件树序列或者后果的始发事件和功能事件为叶子节点（当作基本事件）的功能故障树；并使用传统的化简方法，将得到的功能故障树进行化简，作为重要的中间结果进行保存；适用的化简方法包括而不限于以下内容：收缩规则，删除规则，提取规则。

（3）根据分析需求选择合适的成功处理方法，同时根据事件本身和分析实例的各种参数设置，对始发事件和功能事件的实际输入进行处理，作为重要的中间结果进行保存。本发明可以适用于目前国内外概率安全评价软件常用的全部成功处理方法；

（4）用基于第（3）步得到的实际输入，分别替代基于第（2）步得到的功能故障树的各个叶子节点，得到传统的序列故障树或者后果故障树（例外情况：如果成功处理方法为“仅做定性分析”或者“简单量化分析”的时候，此类功能事件就不会被替代，而仅根据第（3）步的处理结果，设置其成功概率便可）。

（5）根据以上4个步骤，对每一个要分析的事件树序列进行循环操作，直到循环结束。

如图4所示，本发明中故障树预处理模块具体实现如下：

（1）对给定故障树模型，进行房型事件移除的处理；

（2）对步骤（1）的结果，进行KN门、异或门等特殊门的替代和展开处理；

（3）对步骤（2）的结果，进行故障树化简，采用的化简规则可以包括但不限于：收缩规则，删除规则，提取规则；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型节点，进行合适的编号，然后根据编号结果进行模块化。

如图5所示，本发明中故障树分析模块具体实现如下：

（1）对预处理后的故障树进行定性分析；获得所有故障模式；

（2）根据定性结果对预处理后的故障树进行定量分析，获得所有故障模式的概率、故障模式的重要度等定量结果；

（3）根据分析人员的选择，进行重要度、敏感性、不确定性等其他定量分析；

（4）以文件形式存储给定系统的故障分析结果。

如图6所示，本发明中图表显示模块具体实现如下：

（1）从文件中读取给定系统的故障分析结果；

（2）对分析结果进行二次数据处理，包括但不限于：各类结果的排序，结果的数值微积分，转换为对数坐标，最小二乘法曲线拟合；

（3）根据二次数据处理后的结果，以图表形式向分析人员显示出给定系统的故障分析结果。

如图7所示，本发明方法实现如下：

（1）分析人员使用数据输入模块，把给定系统的可靠性数据和结构数据，构造成故障树模型（含基本事件可靠性模型）和事件树模型；

（2）对步骤（1）的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；所述的分别替代法流程如下：

第一步，将事件树的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，构造出功能故障树；

第二步，根据功能事件的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；

第三步，用基于第二步得到的处理后的系统故障树去替换基于第一步得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树和后果故障树。

（3）对步骤（2）的序列故障树模型和后果故障树模型进行预处理，包括而不限于：房型事件处理、特殊门处理、故障树化简、故障树模块化；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型进行分析，得到给定系统的所有故障模式；

（5）根据步骤（4）的结果，对步骤（3）处理后的故障树模型进行故障模式概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析；

（6）存储并以图表形式显示所有结果。

实施例1

需要对第三代核电站AP1000的一个丧失主给水的未紧急停堆的预期瞬态（ATWS）事件，进行后果为CD的故障情况分析，其实施步骤如下：

（1）分析人员使用数据输入模块，把给定系统（含3个子系统：保护与安全监测系统（RTPMS），多样性保护系统（DAS），控制棒电机系统（MGSET））的可靠性数据和结构数据，构造成3个子系统的故障树模型（含子系统内所有基本事件的可靠性模型）和事件树模型（事件树模型如图8；子系统的故障树模型的具体形式不影响本发明的实施方式，在此省略）；

（2）对步骤（1）的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；所述的分别替代法流程如下：

第一步，将事件树的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，即ATWS、RTPMS、DAS和MGSET都当作叶子节点，构造出功能故障树（如图9）；

第二步，根据分析人员的需要采用对应的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；本实施例涉及DAS和MGSET的成功处理，如果它们与RTPMS之间没有相关的基本事件，同时又需要比较精确的分析后果CD的概率，则对它们的成功都采用仅简单量化分析来处理，即把其对应的子系统故障树当作一个特殊的基本事件，且其失效概率（实际数据一般非常的接近0）直接根据其系统故障树计算出来；而如果仅需要比较快的计算出后果CD的大概概率，则同样把它们的对应子系统故障树当作一个特殊的基本事件，且其失效概率假设为0；如果3个子系统之间有相关的基本事件，而且在这次分析中，分析人员需要计算这种相关性的影响，则采用德摩根展开的方法把这些子系统故障树模型展开到分析人员通过分析边界条件集指定的边界；

第三步，用基于第二步得到的处理后的各个子系统的故障树模型去替换基于第一步得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树和后果故障树；

（3）对步骤（2）的序列故障树模型和后果故障树模型进行预处理，包括而不限于：房型事件处理、特殊门处理、故障树化简、故障树模块化；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型进行分析，得到给定系统的所有故障模式；

（5）根据步骤（4）的结果，对步骤（3）处理后的故障树模型进行故障模式概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析；

（6）存储并以图表形式显示所有结果。

实施例2

需要对以火车运行中,车箱脱钩可能造成溜车事故，进行后果为异常的故障情况分析，其实施步骤如下：

（1）分析人员使用数据输入模块，把给定系统（含3个子系统：自动刹车系统（ZS），手动刹车系统（SS），导致无损坏的偶然因素（OR））的可靠性数据和结构数据，构造成3个子系统的故障树模型（含子系统内所有基本事件的可靠性模型）和事件树模型（事件树模型如图10；子系统的故障树模型的具体形式不影响本发明的实施方式，在此省略）；

（2）对步骤（1）的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；所述的分别替代法流程如下：

第一步，将事件树的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，即ZS、SS、OR和“火车脱钩溜车”都当作叶子节点，构造出功能故障树（如图9）；

第二步，根据分析人员的需要采用对应的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；本实施例涉及SS和OR的成功处理，它们与ZS之间没有相关的基本事件，同时选择比较精确的分析方法，则对它们的成功都采用仅简单量化分析来处理，即把其对应的子系统故障树当作一个特殊的基本事件，且其失效概率直接根据其系统故障树计算出来；具体概率如下表：

序号	系统名称	失效概率	成功概率
				1	火车脱钩溜车（TG）	0.0001	-
2	自动刹车系统（ZS）	0.001	0.999
				3	手动刹车系统（SS）	0.0005	0.9995
4	导致无损坏的偶然因素（OR）	0.8	0.2

第三步，用基于第二步得到的处理后的各个子系统的故障树模型去替换基于第一步得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树和后果故障树；

（3）对步骤（2）的序列故障树模型和后果故障树模型进行预处理，包括而不限于：房型事件处理、特殊门处理、故障树化简、故障树模块化；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型进行分析，得到给定系统的所有故障模式；

（5）根据步骤（4）的结果，对步骤（3）处理后的故障树模型进行故障模式概率计算；

（6）存储并以图表形式显示所有结果。故障模式及概率如下表：

故障模式序号	模式概率	所含基本事件
			1	9.995e-8	TG失效，ZS失效，SS成功

2

1.0e-11

TG失效，ZS失效，SS失效，OR成功

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统，其特征在于包括：

（1）数据输入模块，获取给定系统的可靠性数据和结构数据，并以基本事件可靠性模型、故障树模型和事件树模型的方式进行存储，送给事件树解析模块；

（2）事件树解析模块，对给定的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型，送给故障树预处理模块；

（3）故障树预处理模块，对给定的故障树模型进行预处理，预处理方法包括房型事件处理、特殊门处理、故障树化简与故障树模块化；预处理之后送给故障树分析模块；所述特殊门是一种故障树逻辑门，不是与门也不是或门；

（4）故障树分析模块，对给定的故障树模型进行故障模式即最小割集分析及概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析，得到给定系统的故障分析结果并存储；

（5）图表显示模块：读取分析结果，对其进行二次数据处理，并以图表形式显示给定系统的故障分析结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于事件树的序列和后果分析的故障判断系统，其特征在于：所述事件树解析模块采用分别替代法，实现过程如下：

（1）将事件树序列和后果的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，构造出功能故障树；

（2）根据功能事件的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；

（3）用基于步骤（2）得到的处理后的系统故障树去替换基于步骤（1）得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树模型和后果故障树模型。

3.一种基于事件树的序列和后果分析的故障分析方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）获取给定系统的可靠性数据和结构数据，并以故障树模型和事件树模型的方式进行存储；

（2）对步骤（1）的事件树模型和故障树模型进行处理，采用分别替代法处理事件树的成功分支，构造成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；所述的分别替代法流程如下：

第一步，将事件树的始发事件和功能事件都当作叶子节点处理，构造出功能故障树；

第二步，根据功能事件的成功处理方法，对功能事件相应的系统故障树进行处理；

第三步，用基于第二步得到的处理后的系统故障树去替换基于第一步得到的功能故障树中的始发事件和功能事件，形成传统的序列故障树模型和后果故障树模型；

（3）对步骤（2）的序列故障树模型和后果故障树模型进行预处理，预处理方法包括房型事件处理、特殊门处理、故障树化简或故障树模块化；

（4）对步骤（3）处理后的故障树模型进行分析，得到给定系统的所有故障模式；

（5）根据步骤（4）的结果，对步骤（3）处理后的故障树模型进行故障模式概率计算、重要度计算、敏感性计算、不确定性分析；

（6）对上述最终结果进行二次数据处理，并以图表形式显示所有结果。

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