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1、第1 9 卷第5 期海军工程大学学报2 0 0 7 年1 0 月J O U R N A LO FN A V A l，U N I V E R S I T YO FE N G I N E E R I N GV 0 1 1 9N o 5O c t 2 0 0 7文章编号：1 0 0 9-3 4 8 6(2 0 0 7)0 5 0 0 5 6 一0 6舰船拖带安全评估的故障树方法黄祥兵，黄兴玲，刘燕红(海军工程大学船舶与动力学院，武汉4 3 0 0 3 3)摘要：提出了一种从故障村分析的角度进行舰船抱带安垒评估的方法。采用专謇评估和模糊集理论相结夸的原理得到故障树中垂奉事件发生的模糊概率，然后进行故障
2、树定性和定量分析。谊方法能合理和有效地预测作业系统的安全性应其薄弱环节。以断境事件分析为倒，时谊安全评估方法做了概要阐速。关键词：舰船拖带 安垒评估；敌障树分析 模糊概率中图分类号：U 6 7 6 X 9 1 3文献标志码：AF a u l tt r e ea p p r o a c ht os a f e t ya s s e s s m e n to fw a r s h i pt o w i n gH U A N GX i a n g-b i n g，H U A N GX i n g-l i n g，L I UY a n h o n g(C o l l e g eo fN a v a l
3、A r c h i t e c t u r ea n dP o w e r，N a y s lU n i v o fE n g i n e e r i n g，W u h a n4 3 0 0 3 3，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rp r o p o s e san e ws a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o df o rw a r s h i pt o w i n gf r o maf a u l tt r e ea n a l y s i s ss t a n d p o i n t U s i
4、 n gt h ee x p e r t s7e s t i m a t i o na n df u z z ys e t st h e o r y。i td e r i v e st h ef u z z yf a i l u r er a t e so ft h eb a s i ce v e n t si nt h ef a u l tt r e e，a n dt h e nm a k e saf a u l tt r e ea n a l y s i s(F T A)q u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y I
5、nt h i sw a y，t h em e t h o dc a nf o r e c a s tt h es y s t e m ss a f e t ya n dw e a k n e s sp r o p e r l ya n de f f e e t i v e l y T a k i n gt h et o w l i n e sf a u l tt r e ea n a l y s i sf o re x a m p l e。t h es a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o di se x p l s i n e ds u m m a r
6、i l y K e yw o r d s：w a r s h i pt o w i n g；s a f e t ya s s e s s m e n t f a u l tt r e ea n a l y s i s；f u z z yp r o b a b i l i t y故障树分析(F T A)是一种在工程上广泛应用于计算复杂系统可靠性、安全性的系统方法，1 9 8 9 年即已颁布进行故障树分析的国家军用标准(G J B 7 6 8)，并已广泛应用于航天工业、电子设备等领域的可靠性分析中“1。在传统的故障树分析中，基本事件的概率计算按照传统的统计方法进行。然而，在舰船拖带作业中，很多基本
7、事件的发生不仅有客观原因，而且存在人为因素，有些还是一次性事件，难以甚至无法通过统计试验得到其发生的概率。针对这种情况，采用专家评估团评估判断值代替基本事件发生的概率统计值，根据模糊集理论将专家们评估的语言值按专家的权值组合成一个总的模糊数，再进行模糊分析，便得到基本事件发生的模糊概率，然后进行故障树分析，将是一种简便有效的方法。按照此思路，本文以拖带中断缆分析为例，探讨了利用模糊故障树分析理论进行舰船拖带安全性评估的一种方法。1 故障树分析方法系统的故障树分析一般按照以下步骤进行：选择合理的顶事件；建造故障树；故障树定性分析；故障树定量分析；确定系统的薄弱环节；采取措施提高系统的可靠性、安全
8、性。收稿日期：2 0 0 7 0 4 0 5 修回日期：2 0 0 7 0 5 2 6。作者简介：黄祥兵(1 9 6 6 一)男，副教授，博士生。万方数据笙!塑童鲎墨量!堡垒垫雯童鱼塑竺竺些壁丛查生：!：1 1 定性分析定性分析的目的就是找出故障树的最小割集，并对最小割集进行定性比较。最小割集可以通过下行法或上行法嘲求得，用K。(卢1，2，M)表示，其中M 为最小割集的数量。1 2 定量分析顶事件发生的概率尸(T)可用基本事件而(j=1，z，N，N 表示基本事件的数目)发生的概率P(弓)来表示，即P(丁)=g(P(x-)，P(x z)，P(x w)。然而，对复杂系统进行故障树分析时，常常是通过
9、最小割集K。(i 一1，2，。)来求顶事件发生的概率的，即：”心P(丁)一P(K。)一P(K，K，)+P(K：K，K)+(一1)雌P(K。，K：，K M)(1)式中：P(丁)为顶事件发生的概率；P(K，)为第i 个割集发生的概率。基本事件对顶事件发生的影响程度称为基本事件的重要度嘲。在系统设计、系统故障预防中，按照基本事件的重要度排队处理是十分必要的。基本事件z，的重要度J，可表示为：L=g P(x。)，P(x z)。，P(x)一g P(x 1)，P(x 2)，P(x，I)，0，P(x)，P(x)(2)2 基本事件发生概率的确定故障树中基本事件发生的概率，一般用大量数据统计得到，即客观概率。然
10、而，在舰船拖带作业中，有些基本事件是一次性事件，不可重复，无法通过统计的手段来获得其客观概率。采用领域专家评估团的评估判断值(即模糊概率)来代替基本事件发生的概率统计值，可以解决获得统计数据难的问题。客观概率和模糊概率都是反映随机事件发生可能性大小的度量，不同的是前者描述可重复的随机现象，后者则用来描述不可重复的随机现象，即一次性事件。2 1 评估团中专家的权值由于评估团中每位专家的学识、工作经验、对所研究领域的了解程度存在差异，因此他们的评估判断值不能同等对待。本文按上述3 个方面，将专家评估的权威程度分为不同的等级，并分别给出等级分值(见表1)。然后，将每位专家的总的权分数W S。(i=1
11、，2，n，n 为表示评估团中的专家数)归一化处理后得到其权值。(i 一1，2，n)，即w，=W S。W S：。I；1表1 评估团中专家的权分数分配寰项目项目级别权分数项目项目级别权分数资深专家53 0 年及以上5学高级设计或使用人员41黜；4。识中缎设计或使用人员3薹矗蒜；一般使用或技术人员2熟悉非常熟悉5程度熟悉32，2 专家评估的模糊数安全评估中常用一些类似“某事件发生的可能性高”或“非常高”之类的语言值，来评估事件发生的概率本文将这种对事件发生概率的评估判断，用一种语言值集合表示为：(很小，小，较小，中等，较大，大，很大)，并用对应的符号表示为：(V S，S，F S M，F L，L，V
12、L)。专家用此语言值集合来评估判断故障树中基本事件发生概率的大小。语言值集合 V S，S，F S，M，F L，L，V L 可用图1 所示的模糊数表示，其隶属度函数分别为；万方数据5 8 海军工程大学学报第1 9 卷f10 z 0 1，一(o 2 一x)O 10 1 z 0 2【0其它f(z 一0 1)o 10 1 z 0 2，s 一(o 3 一x)O 10 2 z 0 3【0其它对于，F s，f M，f F。，L，f w 也可类似地表示出来。对于某事件发生的概率，n 位专家评估的语言值，可以按下式加权组台得到评估团集体对该事件评估的语言值模糊数”1 为：首百蘸悟恺噬摇模糊数r图1 语言值的近似
13、模糊数f z(x)一m a x(”m f v s(X)W s f s(x)A W r s s(z)”w f M(x)AI 一11 2 1i 2 1I=10Ot，孔(z)A W“，。(z)w v“f v。(z)(3)l Ii；lf=1式中：m，s，“，。，q，p 分别为评估的语言值为“很小”、“小”、“较小”、“中等”、“较大”、“大”，“很大”的专家数。且m+s+“+口+q+声=”；埘，叫&，t F，W M，训F，叫“，叫分别为评估值为“很小”、“小”、“较小”、“中等”、“较大”、“大”、“很大”的专家的权值；(z)为加权组合后得到总的评估语言值所对应的模糊数Z 的隶属度函数，其可根据。截集
14、理论求解。2 3 模糊概率采用模糊数分析基本事件发生的概率，使故障树分析中引入了模糊排序问题。由于一个模糊数可能代表不同的隶属度函数的许多实数，在故障树分析中就很难把最终得到的结果进行比较，所以必须把模糊数转化为一个清晰值，即模糊可能性值(f u z z yp o s s i b i l i t ys c o r e，F P S)o 4 ，其代表了评估团专家们对某一事件发生可能性的置信度。本文利用左右模糊排序法把组合后代表评估团评估值的模糊数转化为F P S。该方法定义最大模糊集和最小模糊集为：一；。誉1 惴一肾。誓1则模糊数z 的左、右模糊可能性值分别为：F P S L(Z)=s u p(五
15、(z)厶。(2)；F P S R(Z)=s u p(正(工)，：，(卫)(5)模糊数Z 的F P S 即为：F P S 一 1 一F P s L(z)+F P S R(z)2(6)对于故障树基本事件发生的概率，有的是统计得到的，有的是根据模糊集理论和专家评估得到的。为保证基本事件发生概率一致性，须将F P S 转化为模糊失效率(f u z z yf a i l u r er a t e，F F R)n。，即：F F R：1 1 0 F P 8 o(7)1 0F P S 一0其中：女=(1-F P S)F P S “3 2 3 0 1。在故障树分析中，已知基本事件发生的概率时，直接用其概率精确值
16、表示；基本事件发生的概率不明确时，则经专家评估团评估后转化为模糊失效率，其发生概率用模糊失效率(模糊概率)表示。3 基于故障树分析的拖带作业安全性评估3 1 拖带作业安全性评估标准拖带作业的安全性是由各子系统发生故障的模糊概率及其危害等级决定的。通过前面的方法可求 万方数据釜!塑董鲎墨箜!堡垒垫堂童全堡笪塑苎壁盟查鲞：!：出系统故障的模糊概率，利用故障模式、影响及危害分析2 4 1，通过专家评估可得到故障的危害等级C(O C 1)。若专家对某故障的危害等级的评估值为o(o f，1)，该专家在评估团中的权重为w，则故障的危害等级为：c=c m(8)根据故障的模糊概率及其危害等级，可以经专家评估分
17、析，初步制定出一份拖带作业的安全性评估标准口。9 3(文中用风险矩阵的形式描述)，供作业决策参考(见图2)。概经常性率较少的范根少的围不太可能0 1 0 0 1 _ 0 0 00 0 1 5 O 1 0 0O 0 0 5 0 0 1 5O 00 0 5轻度的临界的致命的灾难的危害等级E g 蒌l l l 弱不可接受的：l l 圈高风险的：E l l l i l l 羽合理可行的：可忽略的图2 拖带作业的风险矩阵3 2 拖带作业中典型事件的故障树分析舰船拖带作业中，造成拖船与难船海损的主要原因有断缆、急牵、拖钩失灵、碰撞、搁浅触礁、配载不当、突遇大浪和在大浪里拖带航行中操作不当等，其中断缆是较为
18、常见的事故。本文以断缆这一典型事故为例，介绍基于模糊失效率故障树分析的舰船拖带作业的安全性评估方法。根据文献 1 中所述的案例，作者按照国军标故障树建造的要求“，构建了该拖带任务中断缆事件的故障树(见图3)。用下行法求出全部的最小割集为：K-一 z，尬一 蔬)，K a=z，K t 一 缸)，K。一 z，K。一 上。，z。)，K，!z。，z。)，K。=函，工；)。任一最小割集中的事件全部发生时，将会导致拖带时断缆。口p拖缋强度不足 掣5 了拖带前检查失误-拖带前检查失谋h拖船尾轴失效 D拖船尾轴未加周J 5，设计人员、厂对被拖船、厂突遇大浪时、，突然用车、，风蒲咂、厂缆长及悬、竺竺!墨：竺三墨一
19、、堡竺：至当、旦苎兰查垩墨兰!：上5 2人J 3而毛而U 表示与门-L J衰求或门一：表示项事件或中间事件；：=)表示基本事件(即底事件)图3 某次拖带中断缆事件的故障树根据断缆事件的故障树可知，很多基本事件发生的概率无法通过统计获得，因此文中设置了专家评估团，通过专家评估来进行安全性分析。专家评估团中的1 0 位专家的信息如表2 所示。万方数据：塑：鲞呈三堡查堂堂坚篁!堂裹2 专家评估团中专家的信息经专家评估团中的l O 位专家评估，利用式(8)得到断缆发生的危害等级为0 6 5 5。同时，专家评估团中1 0 位专家利用语言值对故障树中每个基本事件的发生概率逐一评估，以求出其模糊概率。例如，
20、他们对基本事件z，(拖缆老化)发生概率的评估值依次为：“较小”，“小”，“较小”，“中等”，“小”，“较小”，“很小”，“中等”，“较小”，“很小”。利用模糊集理论，根据式(3)将专家评估的语言值加权组合为模糊数：，z(z)一m a x (w 7+w l o)，v s(z)A(w 2+”5)，s(工)A 埘l-4-w；+硼6+劬)，F s(z)A(4+w 8)I(z)=(O 1 口+0 1 8 7)，(o 4 3 0 0 1 a)J隶属度函数可化为：0 1 8 7 z 0 2 8 70。2 8 7 z 0 3 3 00 3 3 0 z 0 4 3 0其它则根据式(4)(7)，F P S L(Z
21、)=s u p(，z(z)A，m i。(z)一o 7 4，F P S R(Z)一s u p(，z(z)A，m。；(z)=J0。3 9，F P S=I-1 一F P S L(z)+F P s R(z)2=o 3 2 5；量一(1 一F P S)F P S 2 3 0 1=2，9 3 58。于是得到基本事件z。发生的模糊概率为F F R=1(1 0+)一0 0 0 11 5 9，即P(x 1)=0 0 0 l1 5 9。同理，经专家评估可得到其它基本事件发生的模糊概率，利用故障树分析理论中的式(1)(2)便能求出断缆发生的模糊概率、各基本事件的重要度及其排序(见表3 中左侧)，即评估团对原始状态的
22、评估值。表3 专家评估团对拖缱作业系统改进前后的评估值从表3 中评估团对原始状态的评估值可以看出，断缆发生的模糊概率为0 0 1 69 1 6 即约为1 6 9 2；前面已求出断缆的危害等级为O 6 5 5，根据图2 中的风险矩阵，拖缆作业处于高风险。从基本事件的重要度分析可知，z。(风流压过大)、z。(缆长及悬垂度过小)、z。(突遇大浪时操作不当)，z。(拖缆老化)对拖缆作业的安全性影响较大。由此可见，拖缆作业风险较高，安全性较差，须采取措施。为保证拖缆作业的安全，决定采取以下措施：选择海况较好的时段拖带，或在拖带中避开风浪较 万方数据第5 期黄祥兵等：舰船拖带安全评估的故障赞志进!大的海域
23、(减小基本事件z。的影响)-适当加长拖缆长度，增加悬垂度(减小基本事件z。的影响)加回头缆，带双缆或将旧缆换新(减小基本事件z。的影响)。评估团对改进后的拖缆作业系统也进行了评估，评估结果如表3 中右侧所示，即评估团对改进后的评估值。从改进后的评估值可以看出，断缆的概率约为0 4 9 8，拖缆作业是合理可行的。改进后，对拖缆安全影响较大的事件为z s(突遇大浪时操作不当)、z t(突然用车用舵)等人为因素。采取上述措施后，拖缆作业较为安全，可正常作业。4 结束语利用专家评估的可能性语言值代替基本事件的统计概率，克服了故障树分析中“一次性事件”的概率不易得到的困难，同时也能保证故障树分析的合理性
24、，为舰船拖带作业等不确定因素较多的作业模式开辟了一种新的安全性评估方法。经验丰富的资深专家对评估值的影响较大，通常能保证评估结果的合理性。因此，专家评估团中应保证有一定数量熟悉该系统的资深专家和较大比例的高级设计或使用人员，同时也应考虑系统的各个领域都有一定比例的专家，以确保安全评估的合理性。对于安全性评估标准也应经过专家充分调研后，根据国家标准和规范，针对具体故障制定出来，并且通过专家评估团的审核和认可。参考文献：1 刘汉明，方剑风险分析方法在救捞工程中的应用探讨 c 教捞专业委员会2 0 0 2 年学术交流会论文集深圳：中国航海学会救助打捞专业委员会，2 0 0 2 2 曾声奎，赵廷弟系统
25、可靠性设计分析教程 M 北京：北京航空航天大学出版社t 2 0 0 1 3 D O N GYH，Y uDT E s t i m a t i o no ff a i l u r ep r o b a b i l i t yo fo i la n dg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n e sb yf u z z yf a u l tt r e ea r i a-l y s i s J J o u r n a lo fL o s sP r e v e n t i o ni nt h eP r o c e s sI n d u s t r i e s，2
26、 0 0 5(1 8)：8 3 8 8 4 L 1 NCT，M A OJ，W A N GJ H y b r i df a u l tt r e ea n a l y s i su s i n gf u z z ys e t s 口 R e l i a b i l i t yE n g i n e e r i n ga n dS y s t e mS a f e t y。1 9 9 7 5 8(3)：2 0 5 2 1 3 5 刘勇，胡柏青基于故障树的导航装备故障诊断专家系统研究口 海军工程大学学报，2 0 0 2，1 4(1)：4 1-4 4 6 杨纶标，高英仪模糊数学原理及应用 M 广州：华
27、南理工大学出版社，2 0 0 3 7 T A K E H l S AO A na p p r o a c ht oh u m a nr e l i a b i l i t yi nm a n-m a c h i n es y s t e mu s i n ge r r o rp o s s i b i l i t yE J F u z z yS e t sa n dS y s t e m 1 9 8 8(2 7)：8 7-1 0 3 8 黄样兵，黄*玲，王京齐模糊逻辑系统在船舶风险评估中的应用 J 海军工程大学学报，2 0 0 6，1 8(6)：5 3 5 7 9 张圣坤，白勇，唐文勇船舶与海
28、洋工程风险评估 M 北京：国防工业出版社，2 0 0 3 万方数据舰船拖带安全评估的故障树方法舰船拖带安全评估的故障树方法作者：黄祥兵，黄兴玲，刘燕红，HUANG Xiang-bing，HUANG Xing-ling，LIU Yan-hong作者单位：海军工程大学,船舶与动力学院,武汉,430033刊名：海军工程大学学报英文刊名：JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERING年，卷(期)：2007,19(5)被引用次数：2次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.杨纶标;高英仪 模糊数学原理及应用 20032.刘勇;胡柏青 基于故障树的导航装备故障诊断专家系
29、统研究期刊论文-海军工程大学学报 2002(01)3.LIN C T;MAO J;WANG J Hybrid fault tree analysis using fuzzy sets 1997(03)4.张圣坤;白勇;唐文勇 船舶与海洋工程风险评估 20035.黄祥兵;黄兴玲;王京齐 模糊逻辑系统在船舶风险评估中的应用期刊论文-海军工程大学学报 2006(06)6.TAKEHISA O An approach to human reliability in man-machine system using error possibility 1988(27)7.DONG Y H;YU D T Estimation of failure probability of oil and gas transmission pipelines by fuzzyfault tree ana-lysis 2005(18)8.曾声奎;赵廷弟 系统可靠性设计分析教程 20019.刘汉明;方剑 风险分析方法在救捞工程中的应用探讨会议论文 2002 引证文献(2条)引证文献(2条)1.卢雷.肖文杰 改进的模糊事故树分析方法期刊论文-电光与控制 2010(11)2.邢昌风.隋江波 舰炮武器对驱逐舰目标射击毁伤定律研究期刊论文-海军工程大学学报 2009(4)本文链接：http:/