基于圖論的艦船水消防系統(tǒng)故障診斷順序確定方法

田奕洋 邱金水 劉伯運(yùn)

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033

基于圖論的艦船水消防系統(tǒng)故障診斷順序確定方法

田奕洋 邱金水 劉伯運(yùn)

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033

快速地準(zhǔn)確診斷出艦船水消防系統(tǒng)的故障，可以顯著改善艦船損管水平，提出了一種圖論與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法，將故障搶修時(shí)間為準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)公式值作為診斷路徑中弧的權(quán)值，運(yùn)用“反向追蹤”算法計(jì)算從故障現(xiàn)象到具體可修理的故障部件的最短路徑，以確定水消防系統(tǒng)的故障診斷順序。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該方法不僅綜合權(quán)重各潛在故障對(duì)水消防系統(tǒng)的重要性，所確定的故障診斷順序與損管的經(jīng)驗(yàn)做法相符。

圖論；水消防系統(tǒng)；故障診斷；損管

1 引言

艦船水消防系統(tǒng)是艦船最常用也是最重要的滅火系統(tǒng)，是保障艦船生命力的重要系統(tǒng)之一［1］。水消防系統(tǒng)故障診斷是搶修故障水消防系統(tǒng)的前提，準(zhǔn)確、快速、簡(jiǎn)潔的診斷方法確定對(duì)于排除故障、保障水消防系統(tǒng)生命力有重要影響。當(dāng)前艦船水消防系統(tǒng)故障診斷限于依據(jù)損管人員的經(jīng)驗(yàn)，尚未形成理論上的可行方案。為此，本文采用圖論［2］的方法，以用時(shí)最小為準(zhǔn)則確定水消防系統(tǒng)的故障診斷順序，優(yōu)化故障診斷順序決策，最快時(shí)間恢復(fù)艦船水消防系統(tǒng)生命力。

傳統(tǒng)的故障診斷方法是損傷樹分析法（Damage Tree Analysis，DTA），即把系統(tǒng)某一損傷事件作為分析出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)損傷現(xiàn)象判斷造成該現(xiàn)象的原因，以及依次分析下去的深層次原因，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T將這些事件連接成倒立的樹狀圖即損傷樹。但由于樹的同一層系統(tǒng)元素之間相互獨(dú)立，并不能精確反映系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，而圖不僅能反映層與層之間的隸屬關(guān)系，還能反映同一層元素之間的聯(lián)系，如艦船水消防系統(tǒng)隔離閥與管路均會(huì)因破損而漏水。因此，圖論方法更適合解決艦船水消防系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題［3］。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 圖模型

如圖1所示，有向圖［4］D＝（V，A）；V是圖頂點(diǎn)的集合，V＝｛vi｝，vi表示故障與由可能引發(fā)故障的設(shè)備與部件；A是弧關(guān)系的集合，＝（vi， vk）｝，每一個(gè)弧a＝（vi，vk）代表造成弧兩端因果關(guān)系的權(quán)值w（a）＝wik。設(shè)P是D中從vs到vj的一條路徑，定義路徑P的權(quán)是路徑P中所有弧的權(quán)之和記為w（P），vs到vj的最短路徑就是vs到vj權(quán)最小的路P0，P0＝minw（P）。

圖1 故障分析圖Fig.1 Faults analysis route

2.2 診斷時(shí)間權(quán)值函數(shù)的確定

考慮到艦船在海上航行或作戰(zhàn)對(duì)時(shí)間的苛刻要求，對(duì)于每一段弧用診斷過(guò)程所需時(shí)間作為有向圖弧的權(quán)值。影響診斷時(shí)間的因素很多，作為作戰(zhàn)艦船的水消防系統(tǒng)，主要依據(jù)的診斷搶修準(zhǔn)則［5-6］是：

1）先修重要設(shè)備，即對(duì)水消防滅火影響大的設(shè)備，其值記為s1；

2）先修容易修復(fù)的設(shè)備，即具有良好搶修性設(shè)計(jì)，備件充足，技術(shù)力量達(dá)到要求的設(shè)備，其值記為s2；

3）先修所需修理工時(shí)短的設(shè)備，即恢復(fù)水消防功能所需維修工時(shí)最少的設(shè)備，其值記為s3；

4）先修經(jīng)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)故障的設(shè)備，即維修人員經(jīng)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)故障的設(shè)備，其值記為s4。

圖論中弧段的權(quán)值wij由以上診斷搶修準(zhǔn)則值s1，s2，s3，s4確定：wij＝f（s1，s2，s3，s4）。由于判斷診斷時(shí)間的因素有很多不確定因素，各準(zhǔn)則的取值由領(lǐng)域?qū)＜掖_定，s1分為：很重要、重要、比較重要、基本不重要與不重要，依次取值為1～5；s2分為：容易、比較容易、中等、比較難與很難，依次取值為1～5；s3為修理工時(shí)，由機(jī)電維修人員按修理時(shí)間由短到長(zhǎng)依次取值為1～5；s4為故障出現(xiàn)的頻率高低，從高到低分別取值為1～5。權(quán)值函數(shù)關(guān)系式：

式中，a1、a2、a3、a4是其各準(zhǔn)則的修正系數(shù)，隨著艦船的任務(wù)、作戰(zhàn)要求與所處環(huán)境不同而取不同值。

3 基于圖論確定其診斷順序的過(guò)程

故障診斷過(guò)程就是求以時(shí)間為權(quán)值的最短路徑過(guò)程，即從故障開始逐層分析原因，直至可以確定故障、維修故障的最底層事件，其路程時(shí)間最少。本文采取“反向追蹤”算法［7］，其基本思想是：一條最短路徑的任一部分一定也是連通該部分的最短路徑。假設(shè)已知最短路徑d（vs，vj），尋求一點(diǎn)vk，使得d（vs，vk）＋wkj＝d（vs，vj），記錄下（vk，vj），再考察d（vs，vi），使得d（vs，vi）＋wik＝d（vs，vk），如此等等，直至到達(dá)故障vs為止，于是可得最短路徑為（vs，…，vi，vk，vj）。

計(jì)算流程如圖2a所示，圖中沒(méi)有后續(xù)的節(jié)點(diǎn)為可以直接診斷是否出現(xiàn)故障的水消防設(shè)備，算法如下：

1）若最短路徑經(jīng)過(guò)v3，則d（v3，vj）＝2；若經(jīng)過(guò)v4，則d（v4，vj）＝w49＝2；同理，對(duì)于v5、v6，d（v5，vj）＝2，d（v6，vj）＝1；

2）若最短路徑經(jīng)過(guò)v1，則有d（v1，vj）＝min［w13＋d（v3，wj），w14＋d（v4，vj），w15＋d（v5，vj）］＝w14＋d（v4，vj）＝4；同理，對(duì)于 v2，d（v2，vj）＝min［w25＋d（v5，vj），w26＋d（v6，vj）］；

圖2 故障診斷圖Fig.2 The faults diagnosis route

3）從而可得，d（vs，vj）＝min［ws1＋d（v1，vj），ws2＋d（v2＋vj）］＝ws1＋d（v1，vj），將 1）、2）代入可得，d（vs，vj）＝ws1＋d（v1，vj）＝ws1＋w14＋d（v4，vj）＝ws1＋w14＋w49＝6；

4）由以上1）、2）、3）可知，vs到vj的最短路徑為（vs，v1，v4，v9，vj）。

通過(guò)以上“反向追蹤”算法可知，應(yīng)當(dāng)最先診斷設(shè)備v9，若經(jīng)診斷設(shè)備v9完好無(wú)損，則斷定其不是引起水消防系統(tǒng)故障的原因，則應(yīng)在流程圖中去除v9及其連接線，如圖2b。然后按上述方法繼續(xù)計(jì)算，找出下一診斷設(shè)備確定其是否出現(xiàn)故障，直到找出引起故障的設(shè)備，診斷結(jié)束，得到診斷的順序?yàn)椋╲9，v11，v8，v7，v10，v12），當(dāng)診斷是否為v11故障時(shí)，應(yīng)考慮v5、v6兩個(gè)方面。

4 實(shí)例分析

艦船水消防系統(tǒng)用水端供水壓力不足是艦船水消防系統(tǒng)用水端最常見(jiàn)的故障［8］，其故障分析如圖3，以此為例說(shuō)明圖論在艦船水消防系統(tǒng)故障診斷順序中的作用。

圖3 水消防系統(tǒng)水壓不足故障分析Fig.3 Faults analysis to the hydraulic pressure insufficiency of water fire－fighting system

專家為各準(zhǔn)則因素打分，采用經(jīng)驗(yàn)公式f（s1，s2，s3，s4）＝s1＋2s2＋2s3＋s4，計(jì)算各部件權(quán)值，見(jiàn)表1。

運(yùn)用以上“反向追蹤”算法，可以得出其診斷順序應(yīng)為（v35，v31，v36，v32，v33，v34，v37）。 即當(dāng)用水處出現(xiàn)水壓不足情況時(shí)，應(yīng)首先診斷隔離閥是否關(guān)閉，若診斷得隔離閥出現(xiàn)故障無(wú)法關(guān)閉時(shí)應(yīng)先修理隔離閥。當(dāng)確認(rèn)隔離閥關(guān)閉且無(wú)故障時(shí)再依次診斷水泵內(nèi)是有空氣、系統(tǒng)漏水（隔離閥與管路）、泵底閥故障、止回閥故障、葉輪磨損和管路堵塞。若部件經(jīng)診斷卻又故障，則修理該故障部件；若部件經(jīng)診斷沒(méi)有故障，則排除該因素，按診斷順序繼續(xù)診斷下一部件，直至找出故障源頭。

表1 各部件權(quán)值Tab.1 The weight of the equipment

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本方法能夠較好地反映艦船水消防系統(tǒng)的故障診斷搶修過(guò)程，避免了純粹的依據(jù)經(jīng)驗(yàn)診斷故障原因，可為戰(zhàn)時(shí)水消防系統(tǒng)故障診斷節(jié)約時(shí)間，為消滅艦船火災(zāi)贏得時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)依據(jù)人員的判斷、任務(wù)、作戰(zhàn)要求與所處環(huán)境不同而有所不同，如消防管路漏水的修理時(shí)間應(yīng)在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)采取的處理方式不同而取不同的值。該診斷方法的不足之處是，若水消防系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上故障部件時(shí)，不能直接比較故障部件之間的診斷順序。

［1］邱金水，易祥烈，吳曉輝.基于Visual C＋＋的艦船水消防系統(tǒng)仿真研究［J］.中國(guó)艦船研究，2008，3（6）：38－40，48.

［2］劉桂真.圖與網(wǎng)絡(luò)：優(yōu)化決策的圖論方法［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008.

［3］易祥烈，邱金水.艦艇電力系統(tǒng)生命力評(píng)估中的圖論分析法［J］.船海工程，2007，36（3）：107－110.

［4］嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語(yǔ)言版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［5］顏炳斌，徐航，石全.基于多準(zhǔn)則的戰(zhàn)損裝備搶修排序決策模型［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，19（1）：1－3.

［6］AUTAR R K.An automated diagnostic expert system for diesel engines［J］.Transaction of ASME，Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1996，118（7）：117－125.

［7］甘應(yīng)愛(ài)，田豐，李維錚，等.運(yùn)籌學(xué)（第三版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［8］王書文，唐立毅，劉秀峰.艦船恒壓消防供水技術(shù)［J］.中國(guó)艦船研究，2006，1（5－6）：57－60.

The Faults Diagnosis Order Method Based on Graph Theory of Ship Water Fire-Fighting System

Tian Yi－yang Qiu Jin－shui Liu Bo－yun
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Fast and accurate faults diagnosis can dramatically improve the efficiency of ship water firefighting.A method combined the graph theory with empirical formula was presented.It chose the empirical formula results based on the repair time of the faults as the weight for the arcs in the diagnosis path，which adopted“reserve－track”to calculate the shortcut from damaged status to the specific repairable equipment and ascertained the fault diagnosis order.The results show that the diagnosis order，governing almost all of the fault-repair principles which influence the water fire extinguishing system，is practical and accorded with the practical applications.

graph theory；water fire extinguishing system；fault diagnosis；damage control

U664.88

：A

：1673－3185（2011）04－72－03

2010-07-23

田奕洋（1987－），男，碩士研究生。研究方向：艦艇安全技術(shù)。E-mail：739785745＠qq.com

邱金水（1963－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：艦艇消防技術(shù)，防險(xiǎn)救撈技術(shù)。

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.015