空间故障网络理论与系统故障演化过程研究

为描述和分析系统故障演化过程,提出了空间故障网络理论。该理论基于先期提出的空间故障树理论,继承了其多因素影响分析、故障大数据处理及因果关系分析的能力。实际系统故障演化过程较为复杂,使用空间故障树树形结构难以描述,因此提出空间故障网络。故障演化过程的实质是由事件和连接组成的按照一定因果关系相连的网络结构。又由于事件由对象及其状态表示,空间故障网络研究的是故障演化过程中对象、状态和连接之间的关系。论述了以往研究的不足,给出了各概念的物理含义、转化步骤、单向环分类、最终事件发生概率计算方法等。论述了空间故障网络研究存在的不足及今后需要研究的关键问题。     

空间故障网络中单向环转化与事件发生概率计算

为了研究系统故障演化过程,提出了空间故障网络理论。论述了前期空间故障网络中单向环研究的不足,并针对不足展开研究。认为环状结构中最终事件发生概率是每次循环中最终事件发生概率的累加,且每次循环最终事件发生概率都是下次的条件概率。基于上述最终事件发生概率的诠释,制定了3种典型环状结构的网络描述形式,以及其对应的空间故障树转化机制;并根据需要定义了环状结构、有序关系、同位事件和同位连接的概念,给出了3种形式最终事件发生概率计算方法。最后论述了研究的不足和下一步需要研究的内容。     

SFT下云化因素重要度和因素联合重要度的实现与认识

为了使SFT的概念,特别是DSFT的概念能表示系统实际运行的故障数据的离散性、随机性和模糊性(不确定性),同时为方便应用和简化计算,使用云模型对SFT理论中的概念进行重构。SFT理论的构建是通过特征函数实现的,因此该过程的基础是云化特征函数。基于云化特征函数重构了因素重要度分布和因素联合重要度分布的计算方法,即形成了云化因素重要度分布和云化因素联合重要度分布。这样做的好处是可将故障数据的不确定性较好地保留到最终结果,另一方面也使重要度分布的计算方法和过程更为简单且方便计算。使用这两个概念计算了一个典型系统对于温度和湿度因素的云化重要度分布和联合重要度分布。得到了系统适宜工作和应避免工作的环境区域,进而指导系统的实际运行。     

SFT下的云化故障概率分布变化趋势研究

为了扩展空间故障树SFT的应用性,特别是处理具有离散性、随机性和模糊性(不确定性)的实际运行中系统产生的故障数据,利用云模型重构系统故障概率分布变化趋势的计算方法。通过故障概率分布变化趋势可得到系统故障概率随某一因素变化情况。建立云化故障概率分布变化趋势方法的目的在于,对于可靠性数据普遍存在的不确定性可使用云模型进行表示;构建的故障概率分布函数是连续的,可进行函数求导以方便得到变化趋势。将云化故障概率分布变化趋势方法应用于经典实例,得到了一些定性和定量结果。论述了该方法在理论和实际应用上的价值。     

系统故障演化过程最终事件状态及发生概率研究

为探究系统故障演化过程(SFEP)中系统故障的发生特征,基于空间故障网络(SFN)和量子博弈理论提出最终事件状态及发生概率确定方法,以管理者和操作者的安全和不安全行为制定博弈假设,通过量子力学方法表示混合策略概率;研究单一事件混合策略的概率、事件逻辑关系的量子博弈表示、最终事件状态形式及发生概率。结果表明:利用管理者和操作者的静态博弈确定预期收益,求导得到各方安全和不安全行为概率,即可得到最终事件全部状态的发生概率;但由于安全和不安全行为概率是由管理者和操作者收益确定的,因此最终事件全部状态的发生概率是不精确的。     

01SFT中逐条分析法的系统因素结构反分析

为了解影响系统可靠性的环境因素,得到有益于系统安全工作的因素状态组合,同时进行逻辑推理,形成系统关于可靠性的等效响应结构。在空间故障树(SFT)框架内,建立系统关于可靠性的因素结构反分析框架;定义适用于系统因素结构反分析(IASFS)的01型SFT及其结构化表示方法,即逐条分析法(IIA),并给出过程和数学描述。推理结果表明,就系统可靠性与因素的状态关系而言,所给实例的系统可靠性因素结构为T=A1·A4+A3·A5+A1·A2·A3。用IIA能得到一个等效响应结构,该结构与被分析系统可靠性对工作环境因素变化的响应是相同的。     

大型火电机组故障处理策略与方法

为提高大型火力发电机组生产过程中故障处理的正确性和准确性,揭示火力发电生产过程故障的趋势、规律和特征,量化分析故障趋势的关键点、诱发因子和临界点,提出树形结构的故障应对策略,针对不同故障源和故障分类,制定相应的处理方法,提炼火力发电生产故障处理的注意事项。研究表明:针对大型火电机组构建树形结构故障处理策略和方法,有助于火电机组操作人员提升处理能力。从故障源类型、设备类型、机组状态等方面采取针对性的故障处理方法,有助于处理大型火力发电机组的生产故障,减少人因失误。     

空间故障树与空间故障网络理论综述

为了研究多因素变化对系统可靠性的影响,在2012年提出空间故障树理论。随着研究的深入,在2015年逐渐将智能科学和大数据技术引入空间故障树,作为分析故障大数据和因素间因果逻辑关系的处理方法。进一步地,由于实际故障发生过程中事件和影响因素多是相互联系的网状结构,在空间故障树基础上提出空间故障网络理论。其主要用于描述自然灾害和人工系统故障发生过程,是研究系统故障演化过程的理论。上述理论发展可归纳为3个阶段:空间故障树基础、空间故障树改进、空间故障网络基础。通过综述形式总结并论述了以往空间故障树及空间故障网络的提出、发展过程和作用,以使读者对空间故障树和空间故障网络有一个较为全面的认识,并以此为基础在安全科学,特别是系统可靠性领域做出更大贡献。     

基于QPSO的多因素影响下系统故障概率变化程度研究

为适应快速系统故障分析,在多因素影响下了解系统故障变化程度范围,预先判断故障变化速度趋势,在空间故障树(Space Fault Tree,SFT)理论框架下提出了一种基于量子粒子群优化算法(Quantum Particle Swarm Optimization,QPSO)的分析方法.论述了 QPSO的基本模型和步骤,在SFT中给出了描述系统故障概率变化的表达式,进而提出了多因素影响下系统故障概率变化程度范围的确定方法.方法适合于连续因素组成的连续空间中系统故障概率分布的优化,可实现单因素和多因素联合影响下的故障变化程度范围确定.使用经典算例进行分析,结果表明,算法得到的结果虽精度降低,但与传统解析结果相似,同时提高了分析速度.因此方法有利于系统故障的应急分析、预测和判断.     

基于GSPABN的拓扑结构系统状态动态分析

介绍了贝叶斯网络(BN)应用现状及其优势,引入GSPA理论,提出了基于GSPA-BN拓扑结构节点状态分析模型,讨论了节点状态联系度及其重要度表示方法,提出了BN拓扑结构节点态势概念。结果表明,以构建的锅炉缺水烧干事件的BN拓扑结构为例,得到了各根节点重要度排序;同时得到了叶节点、中间节点状态联系度及其态势等级,且中间状态的变化会对其节点态势及其等级产生一定的影响,甚至发生节点态势逆转现象,为动态了解BN拓扑结构节点态势发展奠定了理论分析依据。     

基于双链量子遗传算法的系统故障概率分布研究

为简化空间故障树理论中的系统故障概率分布计算方法,提出基于双链量子遗传算法计算该分布.双链量子遗传算法有收敛快、计算量小的特点;同时系统故障概率分布原有方法基于分段函数解析计算,虽可得到精确分布,但计算较为复杂,不适合现场应用.据此,给出了基于双链量子遗传算法的系统故障概率分布确定步骤,并使用该方法分析了以往系统的故障概率分布.对比于前期研究成果,得到的故障分布可以分区表示故障的变化范围,且形成的分布图更为直观,同时体现了原分布中故障概率的变化特征,进而可得到符合故障概率要求的因素范围.     

基于空间故障树理论的系统可靠性评估方法研究

为了研究可靠性对工作环境变化敏感的一类系统,利用空间故障树SFT的思想和方法,并结合T-S模糊故障树和贝叶斯网络,建立了一种系统可靠性评估方法。总结了T-S模糊故障树和BN网络评价系统可靠性时存在的问题,并在所提出的方法中予以解决。方法中将事件的故障状态划分为:无故障a、轻度故障b、严重故障c、完全故障d四种状态,分别用a,b,c,d表示。故障率为[0~30%)、[30%~60%)、[60%~85%)、[85%~100%),并得到了划分的规则。研究了该系统在不同故障状态下的有效范围。得到了系统在不同状态之间过渡时的特征,并分析了过渡期间的可靠性对因素敏感度问题。     

基于特征函数和联系数的系统故障模式识别

为识别具有确定性和不确定性的系统故障模式,提出一种系统故障模式识别方法。利用已有故障标准模式识别故障样本模式,使用集对分析联系数表示识别的确定性和不确定性;使用空间事故树的特征函数计算联系数的分量系数,通过联系度和识别度识别故障样本模式;借助电气系统实例分析,有效识别在多因素影响下的系统故障模式。结果表明:基于特征函数和联系数的模式识别方法可表示模式识别的确定性和不确定性;该方法可使用特征函数确定联系数分量系数,利用联系度和识别度识别故障模式。     

龙门起重机主梁腹板拓扑优化

目前国内起重机等大型设备金属结构的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论半经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法,设计的精度比较低。而有限元分析方法因其建模方便快捷、计算结果准确等突出优点,近年来得到广泛应用。本文依据结构拓扑优化理论,用先进的拓扑优化方法对龙门起重机的主梁腹板结构进行优化,得到了腹板的最优空间拓扑结构。该方法最大限度地发挥了腹板材料的使用效率,为主梁腹板的后续详细设计提供了参考优化模型。     

石化装置BN拓扑结构节点同异反概率重要度分析

为解决石化装置贝叶斯网络(BN)拓扑结构节点状态不确定系统难以分析节点重要度的问题,借助广义集对分析(GSPA)理论探讨节点重要度。针对节点的不同逻辑关系,讨论基于GSPA理论与BN方法集成的节点状态概率表达方式。从同一性、差异性、对立性3方面,提出节点同异反概率重要度分析方法,并将其应用到某反应器火灾爆炸事件的BN拓扑结构中。结果表明:各根节点故障状态概率会影响该反应器火灾爆炸事件发生概率,各根节点联系度同一性、差异性、对立性不同,会产生不同的同异反概率重要度分布情形。     

单一事件故障状态中管理者和操作者的收益关系研究北大核心CSCD

为了更深刻地了解系统故障演化过程(System Fault Evolution Process,SFEP)中事件故障状态受管理者和操作者安全和不安全行为的影响,基于量子博弈模型提出了单一事件故障状态量子博弈模型,并对管理者和操作者的收益情况进行了研究。首先论述了利用量子博弈研究单一事件故障状态的可行性并提出假设;其次研究了管理者和操作者在博弈后的期望收益;最后探讨了管理者和操作者混合策略中各行为的实施概率,得到了针对事件故障状态变化的量子博弈模型。结果表明该博弈一般是非对称博弈。管理者采取安全行为且操作者采取不安全行为对双方收益的影响最大;操作者选择安全行为的概率越大,管理者越有利;管理者选择安全行为的概率越大,操作者越有利;确定了双方采取混合策略时各自的期望收益;最后通过实例说明了模型的使用方法。该混合策略具有纳什均衡非博弈演化稳定性,可应用于空间故障网络(Space Fault Network,SFN)的系统故障状态量子博弈分析。     

SFN中不同角色事件重要性分析方法研究

为了了解系统故障演化过程(System Fault Evolution Process,SFEP)中不同事件以不同角色对演化过程的影响,提出了一种基于场论的事件重要性分析方法.在SFEP中,相同事件可以作为原因事件、结果事件或两者兼备,但不同角色发挥作用不同.场论可以研究SFEP中各事件与相邻事件的相互作用.使用空间故障网络(Space Fault Network,SFN)描述SFEP,将场论分析需要的参数替换为SFN参数分析各事件相互作用.将场论中的距离等效为传递概率的倒数,质量等效为事件的入度和出度,并提出了一系列概念和方法实现事件重要性确定.试验表明,通过该方法可得到SFEP中不同事件分别作为原因事件、结果事件和两者兼备情况下的事件重要性排序,包括综合入度势、综合出度势和综合入出度势.研究可为SFEP的防治和预测提供方法.     

广义安全结构理论研究

为加强对安全科学及安全工程的理论研究,基于生物信息学和因素空间理论,提出广义安全结构理论。阐明安全问题的本质规律,建立安全结构的组成要素及其数学逻辑分析框架,并研究主动安全管控系统的组成及其构建过程。结果表明:安全是人或物质活动与活动环境相互作用形成的结构形态,结构形态的变化规律是安全问题孕育、发生和演化的本质规律;安全结构由安全事件结构、环境结构、活动结构及活动与环境的相互作用组成;主动安全管控系统范式体系由环境因素属性空间、活动因素空间、信息空间、系统外部扰动、安全调控及各部分之间的关联(映射)构成。     

工程复杂系统灾害形成与自愈防范原理研究

工程安全科学是涵盖机电工程、过程工程、信息论、系统论、控制论、耗散结构理论、医学、人文科学、社会科学的一门新兴科学。工程安全科学应该而且必将列入我国基础学科发展的行列。笔者探讨了工程安全科学的定义,重点研究工程活动中人-机-过程-环境复杂系统故障、事故发生发展及其防治、根除的规律,研究危险源隐患转化为危害或灾害的条件和影响因素及其监测、预防和控制。提出并讨论了工程系统灾害形成的机理,工程复杂系统灾害形成遵循的共性规律,工程复杂系统故障和事故的诊断预测以及灾害的防治原理。安全度既取决于危险又取决于控制能力。与故障作斗争是与疾病作斗争以另一种方式的延续。借鉴医学的“自主调理是治疗学的第一原理”和系统科学的自组织理论,提出并研究了故障自愈原理及安全的动态评价与灾害的自愈防范机制。该研究的理论和成果是落实科学发展观、促进人-机和谐和实现安全、绿色、节约型流程制造的重要途径。     

蒸汽管道环焊缝开裂失效的启示

石化公司蒸汽管道发生管道泄漏,通过对失效样品进行断口形貌、组织结构和理化性能等测试分析,发现泄漏处为直管段环焊缝焊趾位置发生周向开裂,各层焊道靠近熔合线母材侧位置存在大量的再热裂纹、未熔合等缺陷,且大量的孔洞沿着粗大晶粒的边界呈链状分布。此外,焊缝韧性不足,也是导致失效的内在因素。结果表明管道安装质量问题比较突出,应在管道的现场环焊施工过程中,加强监督管理,严格执行工艺规范,提高环焊接头无损检测比例,并建议适当抽样进行理化性能验证。