CN104268432B - 一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统，本发明的一次可靠性分配主要为三步：在第一步根据专家知识库对系统中需要改进可靠性的关键设备和部件进行初步的可靠性分配；第二步根据用户输入修改系统模型和专家知识库，形成最终系统模型和最终的关键设备和部件列表；第三步对最终的关键设备和部件的可靠性进行循环微调，直到系统可靠性完全满足用户要求。本系统以含共因失效的故障树分析方法为主，结合了专家知识库方法，从而能对含共因失效的复杂系统进行有约束的可靠性分配。

Description

一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统

技术领域

本发明涉及一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统，属于考虑共因失效的复杂系统的可靠性分配领域。

背景技术

通过可靠性设计可以获得产品的高可靠性，其主要由可靠性预计和可靠性分配两个重要环节组成。可靠性分配是根据系统设计书中规定的系统可靠性指标，按照一定的法则把目标可靠性分配给组成系统的分系统、子系统或元器件。

系统的可靠性分配不仅仅是一种简单的数量上的分配，而在再分配过程中要考虑诸多影响因素。系统的可靠性是一个随着功能部件所要完成的功能类型、系统的复杂程度等方面而变化的量，在系统设计初期，由于缺少对影响系统可靠性的各类因素的考虑，使可靠性分配问题变得非常困难。此时，对系统可靠性的分配工作通常依据前期的经验数据或者专家经验，可靠性技术人员会对各个子系统进行调整，使整机的可靠性等于子系统的可靠性之积。得对整机和各个子系统的可靠性进行协调，从而达到规定的系统可靠性。对那些可靠性较高，并且通过花费巨额的代价也不能使其可靠性有明显提高的子系统，对其提出较低的可靠性要求；对于那些可靠性较低，并且通过一些具体的手段，在代价不是很大的情况下可以对其可靠性有明显提高的子系统，可以给予较高的可靠性要求，这样可以有效降低整机的研发费用。

可靠性分配方法主要分为两大类：有约束的可靠性分配方法和无约束的可靠性分配方法。对于大型复杂系统，现有的可靠性分配方式有着各自不同的缺点和局限性，如无法考虑共因失效，主观性太强，分配过于简单等等所导致的分配不够合理。

例如：通用生成函数法、动态规划法和遗传算法可以对有约束的包含共因失效的串并联系统进行可靠性分配，但是其计算量大，无法处理大型系统，也不能处理包含冷储备情况的复杂系统。

而传统的基于故障树的分配方法是一种无约束的可靠性分配方法，可以对大型系统和复杂系统进行包含共因失效的分析，但无法对约束条件进行考虑。

本发明所使用的方法基于故障树分析，并考虑专家的约束意见对故障树模型的改变和分配策略的调整。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种基于故障树和专家知识相结合的可靠性分配系统，让专家知识的条件约束与故障树的快速计算相结合，使得可靠性分配更加的科学合理，同时减少可靠性分配的计算量。

本发明技术方案如下：一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统，其特征在于包括3个模块：(1)数据收集器、(2)专家知识库、(3)故障树分析器；

数据收集器：对给定系统获得由分析人员根据系统结构信息建造的含共因失效的系统故障树模型；同时存储基本事件可靠性模型、共因失效模型、可靠性分配的中间结果和最终结果，以及修改后的系统故障树模型；供其它2个模块使用；

专家知识库：存储通用的基本串联系统、并联系统的可靠性分配策略，并存储用户输入的可靠性分配策略和系统故障树模型的修改策略；其中用户输入的策略具有优先权；供故障树分析器模块使用；

故障树分析器：从数据收集器获取给定系统的故障树模型，对其进行分析，得到给定系统的可靠性分析结果；并根据专家知识库的策略，修改系统故障树模型，计算出修改后的系统可靠性结果，将所有结果存储到数据收集器。

根据上面所述的一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统，其特征在于此系统采用的可靠性分配方法分为三大步：

第一步是由故障树分析器对给定系统模型进行分析，得到定性和定量的分析结果：最小割集、重要度、敏感性和不确定性等信息；然后根据从专家知识库获取的可靠性分配策略，选出系统中需要改进可靠性的关键设备和部件的列表，并根据整个系统的目标可靠性对列表中的关键设备和部件的目标可靠性进行初步的分配；

第二步是由用户对第一步的结果进行判断，如果符合用户的基本需求则直接进行第三步的微调；如果不符合需求，则用户对系统故障树模型进行修改并补充新的可靠性分配策略到专家知识库中，然后重新进行第一步和第二步；如此循环，直到第一步的结果符合用户的基本需求为止，形成最终的系统故障树模型，并确定了需要改进可靠性的关键设备和部件的最终列表，再进行第三步；

第三步是根据专家知识库存储的可靠性分配策略对最终列表里面的关键设备和部件的可靠性进行循环的细微优化，并对用户展示这些关键设备和部件的可靠性的变化趋势；由用户判断其是否合理，如果不合理则补充新的可靠性分配策略到专家知识库中，如果合理则继续；如此循环，直到系统的可靠性完全满足目标可靠性。

本发明的优点在于：

(1)把故障树分析法引入到包含共因失效的可靠性分配中，极大地简化了系统计算量，提高了可靠性分配的准确性，使含共因失效因素的大型复杂系统的可靠性分配成为可能。

(2)在可靠性分配的过程中，创新性地利用故障树和专家知识相结合的方法，综合了专家判断的条件约束和故障树的快速定量分析，使得可靠性分配更加的科学合理，同时减少可靠性分配的迭代次数和计算量。

附图说明

图1为可靠性分配系统总图；

图2为第一步流程图；

图3为第二步流程图；

图4为第三步流程图；

图5为一个涉及共因失效的冗余分流系统；

图6为图5系统的故障树模型。

具体实施方式

本发明的系统总图如图1所示，以图5所示的一个涉及共因失效的冗余分流系统为实例进行说明，其中入口到出口共有3条大通路，只要其中任意2条通路畅通则系统处于正常运作状态；此实例的系统当前可靠度是：99.65％，目标可靠度是99.85％。本发明的可靠性分配系统运作方式如下：

第一步是由数据收集器从给定系统收集系统故障树模型(此分流系统的故障树结构如图6所示，其中包括系统的可靠性数据：部件A的可靠度是0.99，1B和2B的可靠度都是0.98，1C和2C的可靠度都是0.97)，然后由故障树分析器对给定系统模型进行分析，得到最小割集、重要度、敏感性等信息。此实例的结果如表1和表2所示，其中敏感性计算采用(Simple Sensitivity Analysis)SSA方法，重要度采用(Fussell-Vesely)FV部件重要度，具体计算公式为可靠性/概率安全分析行业内所公知，这里不再列出。

表1割集结果

表2定量结果

编号	原可靠度	基本事件	敏感性	FV重要度
						0.97	2C	1.042E+1	5.148E-1
	0.97	1C	1.042E+1	5.148E-1
						0.98	1B	5.884E00	3.432E-1
	0.98	2B	5.884E00	3.432E-1
						0.99	A	4.788E00	2.860E-1

然后从专家知识库获取可靠性分配策略，根据多个策略的综合考虑，从故障树分析结果中选出系统中需要改进可靠性的关键设备和部件；例如：原可靠度比较低且市场价格便宜，同时重要度和敏感性都比较高的设备和部件。

例如本实例，如果不需要考虑价格因素，则可以根据表2的定量结果结合下面的公式1计算每个部件的可靠性提高的分配权重：

R_A＝(r_s*A_sens+r_i*A_impt)/(r_Re*A_Reli) (公式1)

其中R_A是某部件(例如A)的可靠性分配权重，A_sens是故障树分析结果中某部件的敏感性，A_impt是故障树分析结果中某部件的重要度，A_Reli是某部件原来的可靠性；r_s、r_i和r_Re分别是他们的比例权重因子。

根据公式1的计算结果，用户可以自行选择权重比较大的前几个部件作为此系统的关键部件。对于本实例，则可以发现由于1C和2C的敏感性和FV重要度最高，同时原可靠度最低，所以选择他们作为系统中需要改进可靠性的关键设备，而且他们的分配权重为1:1，即1C和2C需要提高到同样的目标可靠性。

另外，如果需要考虑成本价格，则需要根据用户从专家系统中选择合适的条件约束，例如采用下面的公式2计算各个设备对于改进可靠度的权重：

R_A＝(r_s*A_sens+r_i*A_impt)/(r_ar*A_ar*C_A) (公式2)

其中R_A是某部件(例如A)的可靠性分配权重，A_sens是故障树分析结果中某部件的敏感性，A_impt是故障树分析结果中某部件的重要度，A_ar是某部件需要提高的可靠性百分比；r_s、r_i和r_ar分别是他们的比例权重因子；C_A是某部件可靠性增加1％所需要的成本价格。

上面公式仅仅是举例，专家知识库中可以包含其他可靠性分配的计算公式，以便配合故障树分析进行可靠性分配。

最后根据整个系统的目标可靠性，此实例的系统目标可靠性是99.85％，对列表中的关键设备和部件的目标可靠性进行初步的分配；流程图如图2所示。对于此实例，这里不考虑价格因素，则1C和2C的目标可靠性初步分配结果如表3所示：

表3第一步分配及计算结果

第二步是由用户对第一步的结果进行判断，如果符合需求用户的基本需求则直接进行第三步的微调；如果不符合需求，则用户对系统故障树模型进行修改并补充新的可靠性分配策略到专家知识库中，然后重新进行第一步和第二步；如此循环，直到第一步的结果符合用户的基本需求为止，形成最终的系统故障树模型，并确定了需要改进可靠性的关键设备和部件的最终列表，再进行第三步；流程图如图3所示。此实例的分配结果如表4所示：

表4最终改进列表及计算结果

第三步是根据专家知识库存储的可靠性分配策略对最终列表里面的关键设备和部件的可靠性进行循环的细微优化，并对用户展示这些关键设备和部件的可靠性的变化趋势；由用户对判断其是否合理，如果不合理则补充新的可靠性分配策略到专家知识库中，如果合理则继续；如此循环，直到系统的可靠性完全满足目标可靠性。流程图如图4所示。此实例的分配结果如表5所示：

表5最终分配结果及计算结果

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于故障树分析的共因失效可靠性分配系统，其特征在于：包括3个模块：(1)数据收集器、(2)专家知识库、(3)故障树分析器；其中：

数据收集器：对给定系统获得由分析人员根据系统结构信息建造的含共因失效的系统故障树模型；同时存储基本事件可靠性模型、共因失效模型、可靠性分配的中间结果和最终结果，以及修改后的系统故障树模型；供其它2个模块使用；

专家知识库：存储通用的基本串联系统、并联系统的可靠性分配策略，并存储用户输入的可靠性分配策略和系统故障树模型的修改策略；其中用户输入的策略具有优先权；供故障树分析器模块使用；

故障树分析器：从数据收集器获取给定系统的故障树模型，对其进行分析，得到给定系统的可靠性分析结果；并根据专家知识库的策略，修改系统故障树模型，计算出修改后的系统可靠性结果，将所有结果存储到数据收集器；

此系统采用的可靠性分配方法分为三大步：

第一步是由故障树分析器对给定系统模型进行分析，得到定性和定量的分析结果；然后根据从专家知识库获取的可靠性分配策略，选出系统中需要改进可靠性的关键设备和部件的列表，并根据整个系统的目标可靠性对列表中的关键设备和部件的目标可靠性进行初步的分配；

第二步是由用户对第一步的结果进行判断，如果符合用户的基本需求则直接进行第三步的微调；如果不符合需求，则用户对系统故障树模型进行修改并补充新的可靠性分配策略到专家知识库中，然后重新进行第一步和第二步；如此循环，直到第一步的结果符合用户的基本需求为止，形成最终的系统故障树模型，并确定了需要改进可靠性的关键设备和部件的最终列表，再进行第三步；

第三步是根据专家知识库存储的可靠性分配策略对最终列表里面的关键设备和部件的可靠性进行循环的细微优化，并对用户展示这些关键设备和部件的可靠性的变化趋势；由用户判断其是否合理，如果不合理则补充新的可靠性分配策略到专家知识库中，如果合理则继续；如此循环，直到系统的可靠性完全满足目标可靠性。