CN104298825A - 一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，该系统主要由以下7个模块组成：建模目标解析器，建模任务分解器，权限管理器，权限映射器，冲突预防器，模型合并器和模型分析器组成。该系统从建模目标解析和任务定义到具体的建模流程都引入了协同技术，在权限管理和映射机制的作用下，可以实现多人多角色合作故障树建模分析；为故障树建模人员提供了协同合作的平台，可以完成航海、航空航天以及核电能源等领域大型复杂系统的故障树建模任务；满足了目前大型复杂系统故障树建模中出现的模型规模方面和多学科交叉方面的需求，使得具有不同知识背景和专业技术的建模人员可以通过分工合作高效完成故障树建模分析这一任务。

Description

一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统

技术领域

本发明涉及一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，属于系统可靠性和概率安全分析中的故障树分析技术领域。

背景技术

故障树分析(Fault Tree Analysis，FTA)方法是美国航空航天局和国防部于20世纪60年代发展的一种安全分析技术，60年代初在航空航天工业中得到应用，此后有了迅速发展，并成为反应堆、化工等领域不可缺少的分析工具之一。故障树建模(Fault Tree Modeling)是在系统设计过程中通过对可能造成系统失效的各种因素进行分析，画出逻辑框图的过程，该框图是系统失效模式的一种抽象。

要建立尽可能符合系统实际失效状况的故障树，首先要求建模分析者或专家熟悉系统的组成及工作原理。只有充分深入地分析系统的结构和工作机理，才能准确地把握系统的元件、部件(模块)间的影响关系和逻辑关系，这是故障树建模的关键；其次，对底事件、顶事件和故障状态进行准确地定义；第三，收集底事件的完整失效信息，分析各种故障形成的原因。这些过程要反复迭代进行，获得的结论要经过多次修正。具体建立步骤如下：

(1)分析系统的结构和工作机理，广泛收集系统的设计、运行资料、流程图、设备技术规范和描述系统有关状态的技术数据；

(2)选择和确定顶事件；

(3)寻找引起顶事件发生的直接原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件。根据事件间的逻辑关系，用适当的逻辑门来连接输入事件；

分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件(子模块的顶事件)；

(4)重复步骤2～4，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必再分解为止。

依次执行上述步骤，则可建立一棵倒树状逻辑图——故障树。

随着现代科技和工业水平的不断发展，大型复杂系统的故障树建模对于传统的计算机辅助建模技术提出了挑战，传统计算机辅助建模为建模人员提供了一个可视化的工作平台，建模人员可以借助计算机的运算性能和操作便利性来提高自己的工作效率，并且可以有效地与后端的分析相结合，但是现代的大型复杂系统无论在规模上和包括的学科背景上都呈现出快速增长的趋势，传统的代表性故障树分析软件CAFTA，RiskSpectrum等仍然采用单人单计算机建模的方式，无论从效率和正确性上已经不能满足现代大型复杂故障树建模的需要。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，使得建模分析流程的效率和正确性得到提高。

本发明的技术方案如下：一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，如图1所示包括：

(1)建模目标解析器：完成对故障树顶事件失效模式的初步解析，解析器接收顶事件失效的详细数据，存储数据到服务器端数据库中，同时发送数据到分析人员或者专家的系统客户端，分析人员或专家根据对数据的分析结果确立建模目标；

(2)建模任务分解器：根据建模目标确立建模任务，顶事件的失效被分解到子系统单元的失效上，相当于故障树被分解成为次级故障树，建模任务被分解为下一层次级建模任务，次级建模任务根据需求可继续分解为多级子建模任务，建模管理人员或专家确立分配原则，分解器根据分解原则将次级建模任务分配到各个建模小组，建模管理人员或专家可以对分配结果进行手动调整；

(3)权限管理器：对所有使用建模系统的人员按照角色定义进行动态权限分配和管理，管理员按照建模人员的知识背景和分工为其定义一个角色，并为该角色分配建模权限，该建模权限定义了建模人员对模型的操作类型；

(4)权限映射器：将建模人员的操作权限映射到模型的具体部分，建模人员拥有的操作权限只可以在被分配到的建模任务中使用，根据实际需求映射器能将单个建模人员的操作权限映射到多个建模任务中，也能将多个拥有操作权限的建模人员映射到单个建模任务中；

(5)冲突预防器：避免不同建模人员对同一建模任务的操作产生冲突，预防器实时读取模型的结构和模型中的逻辑门，基本事件等单元的状态，状态中包含目前该单元当前的操作情况，根据操作情况对单元进行读写限制，避免该单元多个修改同时进行造成的冲突；

(6)模型合并器：将所有已完成的子建模任务按照分解时的逻辑关系连接起来，组成最终的故障树模型，各个子建模任务都作为单独的子故障树保存在模型文件中，合并器将这些文件按照合并协议合并起来，通过建模组的审核之后此合并模型才能成为最终结果；

(7)模型分析器：模型合并器完成子故障树的合并之后将最终结果发送到模型分析器，模型分析器将建模最终结果的故障树文件转化为后台计算引擎的计算文件并将计算文件发送到后台计算引擎，故障树分析任务被分析器发送到分析人员或者专家的系统客户端，分析人员或专家完成分析设置之后分析器生成分析设置文件发送到后台计算引擎，计算引擎根据分析设置文件分析计算文件，分析结果发送到分析人员或专家客户端。

其具体实现步骤如下：

(1)分析人员或专家根据建模目标解析其提供的数据对故障树顶事件进行全面分析，提出故障树建模的目标；

(2)建模任务分解器根据制定的建模目标建立建模任务并制定相应的分配方案，建模管理人员或专家对任务分解和分配方案进行检查之后分解器实施方案；

(3)权限管理器按照角色指定所有参与本次建模任务的建模人员的权限，管理员对权限分配方案按照实际情况进行确认和调整之后实施权限分配方案；

(4)权限映射器获取权限分配方案和任务分解分配方案，根据任务分解分配方案中建模任务和人员的对应关系将人员权限映射到任务相关的模型部分中；

(5)建模人员在上述步骤完成之后开始各自的建模任务，在建模过程中冲突预防器实时监测当前时刻建模人员对模型的修改，防止冲突的产生；

(6)每一个建模人员的模型完成之后，模型合并器将保存的模型文件按照分解器的任务分解分配逻辑框架重新合并起来，输出为整体故障树模型。

(7)在建模完成后分析器接收整体故障树模型作为输入，将故障树模型转化为故障树计算文件，再读取界面保存的分析设置生成计算设置文件，后台计算引擎以计算文件和计算设置文件为输入开始计算，计算完成后分析器将计算结果显示到客户端。

所述建模任务分解器对建模任务进行分解的具体实现方式如下：首先分解器从建模目标解析器获取建模目标的分析结果，即故障树顶事件的失效信息，分解器从任务分解数据库中检索该失效信息，如果存在则从数据库中下载该失效信息，数据库中的数据表存储表示为三元组<TOP,DE,DS>，TOP为失效事件，DE为之前的典型分解方案，分解器按照该方案直接对任务进行分解，DS为之前采用的任务分工方案，分解器按照方案将子任务分配到各个建模小组；如果数据库中不存在该失效信息，则分解器将任务分解相关信息发送到专家或建模管理人员的客户端，按照他们设定的分解和分配方案来进行任务分解分配，一次任务分解完成之后，此次分解过程保存为一个三元组，分解器将该三元组发送到专辑或建模管理人员客户端，经过检查后存入失效信息数据库。

所述权限管理器对建模人员的权限管理具体实现如下：权限管理器将每一个使用系统的建模人员抽象为一个多元组PM＝<U,R,P,UR,RP>，U表示的是建模人员集合，R表示的是人员角色，角色代表了一种资格、权利和责任，系统有默认的一套角色集合，管理员也可按照实际需求自定义角色加入默认集合，P是权限集合，，w为写权限，表示建模人员可以对模型进行新建、删除和编辑操作；r为只读权限，表示建模人员只可以浏览模型，不能对模型进行任何修改；f为禁止访问，表示建模人员没有对模型的任何操作权限，s表示的是核查权限，即对系统各个方案决策进行复核，该权限仅面向建模管理人员或专家，a为分析权限，表示对建模任务进行分析相关的操作，例如建模目标的建立和建模任务的分解分配等，限制在建模管理人员和专家的范围内，UR是人员角色分配关系集合，UR＝(u，r|u|U，r|R}，其中u,r不是一一对应的关系，即一个建模人员可以被分配多个角色，同一角色也可以分配给多个建模人员，RP是角色权限配置关系集合，RR＝(r，p|r|R，p|P}，表示的是某一角色所对应的权限，PM保存在数据库中的权限数据表中。

每一个建模人员使用系统的时候，权限管理器都会从数据库中的权限数据表中检索该人员的记录，即PM，根据PM提供的信息，管理器赋予建模人员相应的操作权限，对权限外的操作加以限制，系统初次运行权限数据表为空，只有系统默认的权限集合P和角色集合R，管理员们根据建模组内的实际分工为每个成员分配相应的角色和权限，建模组的权限分配方案同样也需要经过管理人员或者专家的复核和调整，复核之后才可以在系统内实施。

所述权限映射器的将权限映射到建模任务的具体实现如下：权限映射器的输入为建模人员多元组PM以及建模任务分解器的分配方案，映射器以任务分解器和权限管理器的输出作为输入，输出为将建模人员操作权限映射到建模任务具体模型部分的映射方案，该方案可以表示为一个多元组MAP＝<DIS,PM>，映射器将分配方案抽象为一个二元组DIS＝<M,T>，M为建模子任务集合，T为建模小组集合，其中t是一个数组，表示该小组包含的成员，映射器可以根据DIS找到每一个建模人员对应的建模任务，再根据该建模人员的身份信息在PM中进行检索，找到该建模人员的权限多元组pm，映射器首先将建模任务所包含的模型部分进行任务定位，即根据操作所在分支确定当前该人员正在完成哪项任务，定位完成之后将这部分模型按照pm中提供的角色信息开放给该建模人员，该人员只能对自己被分配到的任务进行所拥有权限范围内的操作。

冲突预防器避免建模人员对模型相同部分操作冲突的具体实现如下：首先冲突预放器对整个模型进行遍历，每遍历到一个故障树节点，就对该节点进行编号，编号的集合为，将节点类型、命名和编号抽象为一个三元组Node＝<TYPE,ID,NUM>，TYPE表示节点类型，TYPE＝{type|type|TYPE}，包含逻辑门，基本事件，房型事件等故障树节点类型，STAT表示该节点的状态，STAT＝{free|edit|tocked}，将该三元组保存到一张数据表中，在遍历过程中每访问到一个节点就对这张表进行检索，如果该节点存在说明之前已经出现过该节点，直接将原有编号赋给该节点，冲突预防器为每个节点定义了以下三种状态：修改中、冻结中、空闲中，修改中说明有建模人员正在对该节点进行修改，其他建模人员无法对该部分进行修改操作，冻结中是为了避免间接冲突而设置，目前正在修改中的节点可能在故障树其他部分出现，如果在其他部分中被修改，同样会造成冲突，冲突避免器为目前正在与被修改的节点分布在模型其他部分相同的节点加上冻结锁，避免间接冲突，空闲中代表目前该节点没有人员操作产生，拥有该节点相应权限的建模人员可以对节点进行修改，修改中和冻结中两种状态在操作完成建模人员保存之后解除，节点恢复成空闲中状态。

模型分析器以合并器输出的最终结果故障树模型文件为输入，获取建模完成之后的故障树模型文件之后分析器首先对文件中的故障树逻辑进行解析，解析采用自上而下的方式，从顶事件开始到所有的底事件，解析过程中按照解析出的逻辑生成后台计算引擎的计算文件，计算文件按照后台计算引擎所要求的文件格式生成，包括所分析故障树的逻辑结构、基本事件参数、基本事件可靠性模型、参数数值，后台计算引擎直接读取计算文件作为计算输入，后台计算引擎准备完毕后分析器将该次分析任务相关信息发送到分析人员或者专家客户端，分析人员或者专家在客户端可视化界面上对此次分析进行设置，包括概率截断值、阶数截断值、顶事件失效率计算类型、定量分析选项，设置完成之后保存，分析器按照保存之后的设置生成分析设置文件并发送到后台计算引擎，分析设置文件是分析器与后台计算引擎之间的控制接口文件，分析器通过分析设置文件将界面所保存的分析设置发送到后台计算引擎，后台计算引擎按照该分析设置来分析计算文件中的故障树，分析完毕后分析器解析后台计算引擎输出的结果文件，将计算结果发送到分析人员或专家客户端。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)、现有的故障树建模技术仍然采用的是单人次的计算机辅助建模，而且这种计算机辅助建模仅为建模人员提供了一个可视化的工作平台，大部分操作仍然需要建模人员手动去完成，如果采用传统的技术去完成大型复杂系统的故障树建模会给建模人员带来较大的工作负担，而且由于模型自身涉及到的多学科背景，单人次的建模方式也不能保证最终结果的正确性。本发明将协同工作流程引入到故障树建模中，通过建模工作组的方式来完成大型建模任务，采用半自动的建模任务分解器将建模任务分解成为相对独立的子任务，再将任务分配到各个建模组，权限管理映射机制明确每个人员在建模组内的角色，通过角色来确定每个人的责任、权利和资格，将权限映射到具体的建模任务中去，使每个建模人员只可以在规定的任务中按照自己所拥有的权限进行工作，冲突预防器在建模过程中实时监测模型的修改情况，采用模型锁的方式来防止冲突的产生，当每个建模组完成了各自的建模任务之后，模型合并器按照分解策略将各个子模型合并成为最终的故障树，整个故障树协同建模流程都是可控的，管理员和专家可以对建模目标、任务分解、权限分配等方案策略进行复核和调整，通过复核的方案策略可以保存在系统数据库中以便下次使用。

(2)、采用了权限管理映射机制，权限管理器可以有效地确立每个建模组成员在任务中的角色，建模人员根据各自的权限及对应的权限对模型进行操作，映射器结合任务分解策略中的分工方案将用户的权限映射到与其任务相对应的模型部分中去，相当于将每一个建模人员定位到各自的任务模块中，既避免了重复工作，又在一定程度上减少了协同过程中产生冲突的几率。

(3)、冲突预防器在实际的建模过程中避免了冲突的产生，预防器实时遍历整个故障树模型，对故障树中的所有节点进行编号并加锁，当建模人员对模型进行修改的时候预防器对改动进行监测，根据节点当前的状态对建模人员的操作请求进行判断，如果该节点被加上修改锁或者冻结锁，则拒绝建模人员对当前节点的操作，有效避免了协同过程中的直接冲突和间接冲突，确保了最终结果的正确性。

(4)、实现了建模组的理念，将故障树建模从一个单人次的简单任务升级为一个团队协同的流程，建模组内每个人都有自己被分配的角色，每个人员按照角色代表的资格、权利和责任在系统平台上完成自己的工作，既可以保证整个建模流程的顺利进行，又可以实现对整个建模任务的控制，充分满足了现代大型复杂系统的多学科交叉特性，也解决了单人次工作量过大的问题。

(5)、完成了从故障树建模到分析的完整流程，建模任务解析器、分解器、权限管理器、分配器、冲突预防器、模型合并器完成故障树的多人多计算机协同建模任务，完成之后的最终故障树模型结果作为分析器的输入，分析器能够根据后台计算引擎的需求进行计算文件格式的转换，将界面的计算设置保存输入到后台计算引擎，读取计算引擎输出的计算结果并显示在可视化界面上。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的系统工作流程图；

图3是本发明的建模目标解析器工作流程图；

图4是本发明的建模任务分解器工作流程图；

图5是本发明的权限管理器工作流程图；

图6是本发明的权限映射器工作流程图；

图7是本发明的冲突预防器工作流程图；

图8是本发明的模型合并器工作流程图；

图9是本发明的模型分析器工作流程图；

图10是本发明的一个具体应用实例的常规故障树模型。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，先对一些基本概念进行一些解释说明。

故障树：一种表达系统失效模型的树形结构，通过对系统失效机理进行逐层展开建模，直至无需或无法继续展开的基本部件为止；

中间事件：故障树中逻辑门的输出即为中间事件；

顶事件：故障树的顶节点，通常为系统失效，是一种特殊的中间事件；

底事件：故障树的叶子节点，即系统故障树中无需或无法继续展开的基本部件；

下面结合附图对本发明进行详细说明

如图1所示，本发明面向故障树分析领域的基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统包括建模目标解析器，建模任务分解器，权限管理器，权限映射器，冲突预防器和模型合并器6大模块。

图2是该系统的工作流程图，整个实现过程如下：

(1)、首先获取本次故障树建模的任务对象，即顶事件，建模目标解析器对该事件进行失效分析，产生相应的失效信息和数据结果；

(2)、解析器的分析结果输出到建模任务分解器，分解器综合失效信息库和专家意见生成任务的分解分配方案，将一个大建模任务分解为规模较小的子任务并且分配到各个建模组，该方案经过建模管理人员或专家复核之后由系统实施；

(3)、在分析任务的解析和分解进行的同时，权限管理器初始化权限信息表，由管理员完善建模组全体成员的信息并为每个人分配角色权限，分配策略和方案经过建模任务管理人员或专家复核之后由系统实施；

(4)、任务分解分配和权限分配方案作为权限映射器的输入，映射器将每个建模人员被分配到的子任务和权限对应起来，首先对建模子任务进行定位，然后将建模人员的操作权限限定在定位的区域；

(5)、在实际的建模过程中，冲突预防器实时遍历当前的故障树模型，对节点进行编号，在不同子模型中出现多次的节点编号相同，根据当前各个节点的状态对节点上锁，锁定状态的节点不允许修改直到锁定解除；

(6)、模型合并器根据任务分解分配策略生成一个顶层逻辑，自顶向下从左到右找到分配策略中的子任务，按照逻辑门的输入输出逻辑将子模型连接起来，形成的总模型经过专家复核后作为最终输出。

(7)、模型分析器接收合并器输出的模型作为输入，将模型转化为故障树计算文件，再读取界面保存的分析设置生成计算设置文件，后台计算引擎以计算文件和计算设置文件为输入开始计算，计算完成后分析器将计算结果发送到客户端并予以显示。

上述各模块的具体实现如下：

1.建模目标解析器：

该模块的实现如图3所示：

解析器的输入是故障树建模的对象，即失效顶事件，解析器接收并存储顶事件的相关信息数据，将这些信息和数据可视化的展示在系统界面上，建模分析人员或专家可以在界面上查看该顶事件并且对其进行分析，分析完成之后该顶事件的故障树的建模目标就已经建立完成，这些建模目标作为解析器的输出到达系统的其他模块；

2.建模任务分解器：

该模块的实现如图4所示：

首先分解器从建模目标解析器获取建模目标的分析结果，即故障树顶事件的失效信息，分解器从任务分解数据库中检索该失效信息，如果存在则从数据库中下载该失效信息，数据库中的数据表存储表示为三元组MA＝<TOP,DE,DS>，TOP为失效事件，DE为之前的典型分解方案，分解器按照该方案直接对任务进行分解，DS为之前采用的任务分工方案，分解器按照方案将子任务分配到各个建模小组；如果数据库中不存在该失效信息，则分解器将任务分解相关信息发送到专家或建模管理人员的客户端，按照他们设定的分解和分配方案来进行任务分解分配，一次任务分解完成之后，此次分解过程保存为一个三元组，分解器将该三元组发送到专辑或建模管理人员客户端，经过检查后存入失效信息数据库。

建模任务分解器采用的是半自动的分配策略，在第一次使用系统的时候，任务分解器的失效信息表是不包含失效信息的，在多次完成建模任务之后，其中存储的失效信息以及典型分配策略会逐渐增加，形成一个失效信息库，在之后的建模任务中可以直接采用这种分配方案而不用每次都采用专家分配的方式，对于一些通用性较强的顶事件，可以集成对应的失效信息库，相当于系统初始的失效信息库。

分解方案DE和分工方案DS都采用特定格式来存储，DE描述从顶事件向下的分解逻辑，相当于故障树顶层逻辑框架，框架中的子任务都是相对独立的故障树逻辑模块，DS描述的是子任务与建模组的对应关系，确定某个建模组负责某个子任务。

3.权限管理器：

模块的实现如图5所示：

权限管理器将每一个使用系统的建模人员抽象为一个多元组PM＝<U,R,P,UR,RP>，U表示的是建模人员集合，R表示的是人员角色，角色代表了一种资格、权利和责任，系统有默认的一套角色集合，管理员也可按照实际需求自定义角色加入默认集合，P是权限集合，w为写权限，表示建模人员可以对模型进行新建、删除和编辑操作；r为只读权限，表示建模人员只可以浏览模型，不能对模型进行任何修改；f为禁止访问，表示建模人员没有对模型的任何操作权限，s表示的是核查权限，即对系统各个方案决策进行复核，该权限仅面向建模管理人员或专家，a为分析权限，表示对建模任务进行分析相关的操作，例如建模目标的建立和建模任务的分解分配等，限制在建模管理人员和专家的范围内，UR是人员角色分配关系集合，UR＝(u，r|u|U，r|R}，其中u,r不是一一对应的关系，即一个建模人员可以被分配多个角色，同一角色也可以分配给多个建模人员，RP是角色权限配置关系集合，RR-(r，p|r|R，p|P}，表示的是某一角色所对应的权限，PM保存在数据库中的权限数据表中。

每一个建模人员使用系统的时候，权限管理器都会从数据库中的权限数据表中检索该人员的记录，即PM，根据PM提供的信息，管理器赋予建模人员相应的操作权限，对权限外的操作加以限制，系统初次运行权限数据表为空，只有系统默认的权限集合P和角色集合R，管理员们根据建模组内的实际分工为每个成员分配相应的角色和权限，建模组的权限分配方案同样也需要经过管理人员或者专家的复核和调整，复核之后才可以在系统内实施。

在建模分析和任务分解正在进行的时候，权限管理器初始化权限信息库，读取所有建模组成员的角色权限信息，按照人员角色权限的对应关系生成权限分配方案，每一个建模人员的角色权限以及分配策略都用PM多元组的形式保存在系统数据库中，权限分配方案的生成采用专家建议的方式，建模管理人员或专家根据不同建模组的知识背景和能力差别来为每个成员定义角色，每一个角色定义有默认权限，系统每次进行故障树建模任务的时候需要建模管理人员或专家确定参与此次建模的所有人员并为每个人分配角色。

4.权限映射器：

该模块的实现如图6所示：

权限映射器的输入为建模人员多元组PM以及建模任务分解器的分解分配方案，映射器以任务分解器和权限管理器的输出作为输入，输出为将建模人员操作权限映射到建模任务具体模型部分的映射方案，该方案可以表示为一个多元组MAP＝<DIS,PM>，映射器将分配方案抽象为一个二元组DIS＝<M,T>，M为建模子任务集合，T为建模小组集合，其中t是一个数组，表示该小组包含的成员，映射器可以根据DIS找到每一个建模人员对应的建模任务，再根据该建模人员的身份信息在PM中进行检索，找到该建模人员的权限多元组pm，映射器首先将建模任务所包含的模型部分进行定位，即根据操作所在分支确定当前该人员正在完成哪项任务，定位完成之后将这部分模型按照pm中提供的角色信息开放给该建模人员，该人员只能对自己被分配到的任务进行所拥有权限范围内的操作。

映射器的主要操作分为两种，一种是按照人员名对分配方案和权限数据表进行检索，检索到该人员负责参与的子任务及其具备的权限，另外一种是对子任务对应的子模型进行定位，定位需要用到任务分解方案MA中的分解方案DE，DE确定了顶事件到各个子任务的逻辑框架，即指定了该子任务所在的分支，当确定了该人员拥有的权限及子任务之后，映射器将子任务定位到模型的对应分支上，该人员只能在子任务包含的范围内进行权限允许的操作，映射器将分解器和权限管理器的分配方案策略实施到具体建模过程中去。

5.冲突预防器：

该模块的实现如图7所示：

首先冲突预防器对整个模型进行遍历，每遍历到一个故障树节点，就对该节点进行编号，编号的集合为，将节点类型、命名和编号抽象为一个多元组Node＝<TYPE,ID,NUM，STAT>，TYPE表示节点类型，TYPE＝{type|type|TYPE}，包含逻辑门，基本事件，房型事件等故障树节点类型，STAT表示该节点的状态，STAT＝{free|edit|tocked}，将该三元组保存到一张数据表中，在遍历过程中每访问到一个节点就对这张表进行检索，如果该节点存在说明之前已经出现过该节点，直接将原有编号赋给该节点，冲突预防器为每个节点定义了以下三种状态：修改中、冻结中、空闲中，修改中说明有建模人员正在对该节点进行修改，其他建模人员无法对该部分进行修改操作，冻结中是为了避免间接冲突而设置，目前正在修改中的节点可能在故障树其他部分出现，如果在其他部分中被修改，同样会造成冲突，冲突避免器为目前正在与被修改的节点分布在模型其他部分相同的节点加上冻结锁，避免间接冲突，空闲中代表目前该节点没有人员操作产生，拥有该节点相应权限的建模人员可以对节点进行修改，修改中和冻结中两种状态在操作完成建模人员保存之后解除，节点恢复成空闲中状态。

预防器遍历整个模型开始于每一次建模人员保存修改之后，保存完成之后预防器开始遍历整个模型，对节点进行重新编号，编号原则保持不变，这样可以将上一轮建模中新增加的节点也进行编号，编号完毕之后预防器对新编号的模型进行状态监测，对开始要进行修改的按照加锁原则进行加锁，只有空闲中的节点才可以加锁，已经加修改锁的节点不可以再加锁，也不允许对其有任何的操作，已经加了冻结锁的节点不可以被修改，但是可以进行结构上的编辑，包括删除，增加和移动，对节点本身的修改完成之后该节点解锁，重新进入空闲状态，拥有这部分子模型写操作权限的建模人员可以进行修改操作。

6.模型合并器：

该模块的实现如图8所示：

模型合并器启动是在建模的最终阶段，所有的子任务都已经完成，对应的子模型都已经存储在系统中，合并器首先接收建模任务分解器的任务分解方案DE，根据DE当中的故障树逻辑框架生成初步的连接线，子模型的部分先不处理，然后合并器从系统中接收各个子模型，每接收一个子模型，合并器从分解方案DE中检索到这个子模型对应的子任务信息，按照该信息将子模型连接到框架中去，重复这一操作直到所有的子模型都被连接到框架中。

连接完毕之后并不代表最终的模型已经完成，合并器的输出结果需要经过建模管理人员或专家的复核才可以作为最终的建模输出。

7.模型分析器：

该模块的实现如图9所示：

分析器在建模的所有阶段都完成之后启动，分析器从合并器接收故障树模型最终结果，对最终结果文件进行解析，解析完成后按照解析结果中的逻辑的数据生成计算文件，计算文件发送到后台计算引擎，之后分析器将此次分析任务相关信息发送到专家或者分析人员的客户端，专家或者分析人员在界面上完成计算设置并保存，分析器按照该设置生成计算设置文件，计算设置文件发送到后台计算引擎之后引擎会检测计算文件和设置文件的可用性，如果发现错误则重新进行解析生成的步骤直到检测正确为止。

两个文件接收完毕之后后台计算引擎开始计算输入计算文件中的故障树即所建故障树，计算完毕之后结果输出为文件，分析器读取解析文件并将结果输出到专家或者分析人员客户端界面。

下面以蒸汽锅炉缺水爆炸故障为例来进行详细说明。蒸汽锅炉作为一个独立的系统，其故障树建模在规模和知识背景上并没有达到超出单人次能力范围的程度，但是它基本具备了大型复杂系统的基本要素，可以作为本发明的分析对象，假设这次建模是系统初次运行。

建模目标解析器接收蒸汽锅炉缺水爆炸故障这一顶事件作为输入，将这一故障、产生环境以及影响分类显示在系统界面上，建模分析人员与专家直接查看并进行分析，对于蒸汽锅炉缺水爆炸故障来说，其发生原因主要可以分为两类，一类是锅炉自身的设备故障，一类是操作人员失误，即人因故障。锅炉设备故障也分为两种，一种是锅炉机械装置部件故障，另外一类是安全防护装置故障，状态异常没有及时预警。根据以上分析结果，解析器确定建模目标为三个：安全装置故障，机械装置故障，人因故障。

建模任务分解器获取建模目标之后，在失效信息表MA中检索该失效信息，未检索到锅炉失水相关的三元组，将建模目标显示在系统分解器的界面上，建模管理人员或专家查看各个建模目标并建立对应的建模任务，经过对三个建模目标的分析，分解器将建模任务分解为以下三个顶事件的建模子任务：警报器失灵，内部水位下降，人员未发现，将锅炉缺水爆炸作为顶事件TOP1，三个子任务依次为X1，M1，M2，其组成的故障树顶层逻辑和各自的信息作为分解方案DE1，分解器获取此次建模任务参与的建模组信息，此次任务一共有三个建模组T1，T2，T3参与，如图9第一层所示。管理人员根据三个建模组的知识背景和工作能力将X1分配给T2，M1分配给T1，M2分配给T3，这种分配关系作为分工方案DS1，其组成的三元组ma1＝<TOP1,DE1,DS1>即为锅炉缺水爆炸故障的失效信息，复核通过之后保存至失效信息表中。

系统启动的时候权限管理器开始初始化权限数据表，由于是初次运行，建模管理员需要定义建模组的角色权限，权限管理器首先获取管理员输入的所有建模组成员信息，之后将管理员为每个成员定义的角色与该成员关联起来形成UR，最后将角色与所拥有的权限对应起来形成RP，本次任务中建模管理人员A1，A2被分配了管理员角色，专家B1，B2被分配了管理员和分析员的角色，建模分析人员C1被分配了分析员角色，建模小组成员T1a，T1b，T2a，T3a，T3b被分配了建模人员角色，这种分配关系保存在多元组集合pm1中，每个成员根据自己的角色参与到本次建模任务的各个环节，根据自己所拥有的权限进行建模操作。

任务分解器和权限管理器工作结束之后，权限映射器接受此次任务的任务分解分配方案ma1和权限分配方案pm1，按照人员集合U中的人员对ma1和pm1进行检索，在MA的DS1中检索到该人员对应的建模任务，例如T1a对应了任务M1内部水位下降，映射器就将T1a定位到M1所在的故障树逻辑分支下，再到pm1中检索T1a，T1a被分配了建模人员的角色权限，映射器将T1a的操作按照建模人员的角色权限限定在M1的分支下，T1a无法对其他分支进行操作，也无法对M1分支进行建模人员权限以外的操作。

在本次建模任务中，M1和M3两个子任务对应是多人的建模组，相当于多人建立子模型，由于拥有权限相同，在实际操作中会出现操作到同一节点的情况，冲突预防器在实际建模开始后遍历目前的整棵故障树，采用深度优先遍历的方法，在遍历的同时进行节点编号，编号保存在node1三元组中，已经出现过的节点采用第一次遍历到的编号，编号之后读取该节点的状态STAT，如果为edit则为该节点加上修改锁，在之后的遍历中发现相同编号则加上冻结锁，这样的实时加锁机制避免了此任务中直接和间接冲突的产生。

子建模任务完成之后，模型合并器启动，首先获取分解器的任务分解分配策略ma1，从ma1中读取分解方案DE1，解析其顶层故障树逻辑，然后读取各个子任务的模型X1，M1，M2，将各个子模型连接到顶层逻辑下。

合并器完成子模型合并之后分析器启动，分析器自顶向下从左到右解析故障树，按照顶事件，X1，M1，M3，M4，M2，M5，M6的大顺序进行解析，即从上到下从左到右按照分支进行逐个解析，将解析的结果以及基本事件数据生成为后台计算引擎要求的文件格式，然后分析人员或者专家对计算进行设置，本例中设置为失效率Q计算类型，概率截断为1.0e-20，阶数截断为12，计算结果显示最小割集包含72个割集，根据锅炉实际运行的基本事件失效数据，顶事件失效概率在1.0e-11这个量级上，可以判定锅炉近阶段的运行状况安全。

本发明未详细描述部分为故障树建模领域的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，其特征在于包括：

建模目标解析器：完成对故障树顶事件失效模式的全面解析，解析器接收顶事件失效相关的详细数据，将数据存储到服务器端数据库中，同时发送数据到分析人员或者专家的系统客户端，分析人员或专家对数据进行分析，系统根据分析结果确立建模目标；

建模任务分解器：根据建模目标确立建模任务，顶事件的失效被分解到子系统部件单元的失效上，相当于故障树被分解成为次级故障树，建模任务被分解为下一层的次级建模任务，次级建模任务根据需求可继续分解为多级子建模任务，建模管理人员或专家根据任务分解方案确立分配原则，分解器根据分配原则将次级建模任务分配到各个建模小组，建模管理人员或专家可以在复核阶段对分解分配方案进行手动调整；

权限管理器：对所有使用建模系统的人员按照角色定义进行动态权限分配和管理，管理员按照建模人员的知识背景和分工为其定义一个角色，并为该角色分配建模权限，该建模权限定义了建模人员对模型的操作类型；

权限映射器：将建模人员的操作权限映射到模型的具体部分，建模人员拥有的操作权限只可以在被分配到的建模任务中使用，根据实际需求映射器能将单个建模人员的操作权限映射到多个建模任务中，也能将多个拥有操作权限的建模人员映射到单个建模任务中；

冲突预防器：避免不同建模人员对同一建模任务的操作产生冲突，预防器实时读取模型的结构和模型中的逻辑门，基本事件等单元的状态，状态中包含目前该单元当前的操作情况，根据操作情况对单元进行读写限制，避免该单元多个修改同时进行造成的冲突；

模型合并器：将所有已完成的子建模任务按照分解时的逻辑关系连接起来，组成最终的故障树模型，各个子建模任务都作为单独的子故障树保存在模型文件中，合并器将这些文件按照合并协议合并起来，通过建模组的审核之后此合并模型才能成为最终结果；

模型分析器：模型合并器完成子故障树的合并之后将最终结果发送到该模型分析器，模型分析器将建模最终结果的故障树文件转化为后台计算引擎的计算文件并将计算文件发送到后台计算引擎，故障树分析任务被分析器发送到分析人员或者专家的系统客户端，分析人员或专家完成分析设置之后分析器生成分析设置文件发送到后台计算引擎，计算引擎根据分析设置文件分析计算文件，分析结果发送到分析人员或专家客户端。

2.根据权利要求1所述基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，其特征在于所述的建模任务分解器具体实现方式如下：

首先分解器从建模目标解析器获取建模目标的分析结果，即故障树顶事件的失效信息，分解器从任务分解数据库中检索该失效信息，如果存在则从数据库中下载该失效信息，数据库中的数据表存储表示为三元组<TOP,DE,DS>，TOP为失效事件，DE为之前的典型分解方案，分解器按照该方案直接对任务进行分解，DS为之前采用的任务分工方案，分解器按照方案将子任务分配到各个建模小组，如果数据库中不存在该失效信息，则分解器将任务分解相关信息发送到专家或建模管理人员的客户端，按照他们设定的分解和分配方案来进行任务分解分配，一次任务分解完成之后，此次分解过程保存为一个三元组，分解器将该三元组发送到专家或建模管理人员客户端，经过复核阶段后存入失效信息数据库。

3.根据权利要求1所述基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，其特征在于所述的权限管理器具体实现方式如下：

权限管理器将每一个使用系统的建模人员抽象为一个多元组PM＝<U,R,P,UR,RP>，U表示的是建模人员集合，R表示的是人员角色，角色代表了一种资格、权利和责任，系统有默认的一套角色集合，管理员也可按照实际需求自定义角色加入默认集合，P是权限集合，w为写权限，表示建模人员可以对模型进行新建、删除和编辑操作；r为只读权限，表示建模人员只可以浏览模型，不能对模型进行任何修改；f为禁止访问，表示建模人员没有对模型的任何操作权限，s表示的是核查权限，即对系统各个方案决策进行复核，该权限仅面向建模管理人员或专家，a为分析权限，表示对建模任务进行分析相关的操作，例如建模目标的建立和建模任务的分解分配等，限制在建模管理人员和专家的范围内，UR是人员角色分配关系集合，其中u,r不是一一对应的关系，即一个建模人员可以被分配多个角色，同一角色也可以分配给多个建模人员，RP是角色权限配置关系集合，表示的是某一角色所对应的权限，PM保存在数据库中的权限数据表中；

每一个建模人员使用系统的时候，权限管理器都会从数据库中的权限数据表中检索该人员的记录，即PM，根据PM提供的信息，管理器赋予建模人员相应的操作权限，对权限外的操作加以限制，系统初次运行权限数据表为空，只有系统默认的权限集合P和角色集合R，管理员们根据建模组内的实际分工为每个成员分配相应的角色和权限，建模组的权限分配方案同样也需要经过管理人员或者专家的复核和调整，复核之后才可以在系统内实施。

4.根据权利要求1所述基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，其特征在于权限映射器的具体实现方式如下：

权限映射器的输入为建模人员多元组PM以及建模任务分解器的分配方案，映射器以任务分解器和权限管理器的输出作为输入，输出为将建模人员操作权限映射到建模任务具体模型部分的映射方案，该方案可以表示为一个多元组MAP＝<DIS,PM>，映射器将分配方案抽象为一个二元组DIS＝<M,T>，M为建模子任务集合，T为建模小组集合，其中t是一个数组，表示该小组包含的成员，映射器可以根据DIS找到每一个建模人员对应的建模任务，再根据该建模人员的身份信息在PM中进行检索，找到该建模人员的权限多元组pm，映射器首先对建模任务所包含的模型部分进行定位，即根据任务分配方案对子任务对应的次级故障树进行定位，每一个次级故障树相当于是整棵树的一个分支，定位完成之后将这部分的分支模型按照pm中提供的角色权限信息开放给该建模人员，该人员只能对自己被分配到的任务对应模型进行所拥有权限范围内的操作。

5.根据权利要求1所述基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，其特征在于冲突预防器的具体实现方式如下：

首先冲突预放器对整个模型进行遍历，每遍历到一个故障树节点，就对该节点进行编号，编号的集合为，将节点类型、命名和编号抽象为一个三元组Node＝<TYPE,ID,NUM>，TYPE表示节点类型，包含逻辑门，基本事件，房型事件等故障树节点类型，STAT表示该节点的状态，STAT-{froe，odtt，lockod}，将该三元组保存到一张数据表中，在遍历过程中每访问到一个节点就对这张表进行检索，如果该节点存在说明之前已经出现过该节点，直接将原有编号赋给该节点，冲突预防器为每个节点定义了以下三种状态：修改中、冻结中、空闲中，修改中说明当前有建模人员正在对该节点进行修改，其他建模人员无法对该部分进行任何修改操作，冻结中是为了避免间接冲突而设置，目前正在修改中的节点可能在故障树其他部分出现，如果在其他部分中被修改，同样会造成冲突，冲突避免器为目前正在与被修改的节点分布在模型其他部分相同的节点加上冻结锁，避免间接冲突，冻结中节点本身的属性信息无法被修改，但是可以对节点整体进行操作，如删除节点、移动节点、新建节点，空闲中代表目前该节点没有人员操作产生，拥有该节点相应权限的建模人员可以对节点进行修改，修改中和冻结中两种状态在操作完成建模人员保存之后解除，节点恢复成空闲中状态。

6.根据权利要求1所述基于权限管理和模型分解的故障树协同分析系统，其特征在于模型分析器的具体实现方式如下：

模型分析器以合并器输出的最终结果故障树模型文件为输入，获取建模完成之后的故障树模型文件之后分析器首先对文件中的故障树逻辑进行解析，解析采用自上而下的方式，从顶事件开始到所有的底事件，解析过程中按照解析出的逻辑生成后台计算引擎的计算文件，计算文件按照后台计算引擎所要求的文件格式生成，包括所分析故障树的逻辑结构、基本事件参数、基本事件可靠性模型、参数数值，后台计算引擎直接读取计算文件作为计算输入，后台计算引擎准备完毕后分析器将该次分析任务相关信息发送到分析人员或者专家客户端，分析人员或者专家在客户端可视化界面上对此次分析进行设置，包括概率截断值、阶数截断值、顶事件失效率计算类型、定量分析选项，设置完成之后保存，分析器按照保存之后的设置生成分析设置文件并发送到后台计算引擎，分析设置文件是分析器与后台计算引擎之间的控制接口文件，分析器通过分析设置文件将界面所保存的分析设置发送到后台计算引擎，后台计算引擎按照该分析设置来分析计算文件中的故障树，分析完毕后分析器解析后台计算引擎输出的结果文件，将计算结果发送到分析人员或专家客户端。