潛水器海試保障方案的定量評估方法

郁 榮，向楊君，邱中梁，王 靜

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

潛水器海試保障方案的定量評估方法

郁 榮，向楊君，邱中梁，王 靜

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

提出一種基于故障樹分析的潛水器海試保障方案的定量評估方法。采用專家打分和模糊集理論相結(jié)合的方法，將操作經(jīng)驗(yàn)定量化，得出故障樹中基本事件發(fā)生的模糊概率，并進(jìn)行故障樹的定量分析。以潛水器無法完成吹除上浮為例，簡要闡述了潛水器海試保障方案定量評估方法的一般評估流程。

潛水器；海試；故障樹；模糊集理論

0 引言

潛水器海試是潛水器研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是潛水器交付使用之前對潛水器總體性能的一次綜合檢驗(yàn)。海試過程中，影響潛水器功能正常發(fā)揮的因素較多，因此制定嚴(yán)格、規(guī)范、細(xì)致、合理的海試保障方案尤為重要。海試保障方案的制定和執(zhí)行，可最大限度地保證海試的順利進(jìn)行、保證參試人員的生命安全和參試潛水器的財(cái)產(chǎn)安全。

傳統(tǒng)海試保障方案的制定多依賴于參試人員的操作經(jīng)驗(yàn)，多為定性判斷，缺乏對保障方案有效性的定量評估。故障樹方法因果關(guān)系直觀明了、邏輯性強(qiáng)，且能考慮設(shè)備部件的失效、人員操作、環(huán)境影響等諸多因素，因此被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。近年來，故障樹方法在船舶總體可靠性[1,2]、拖帶安全性[3]、作業(yè)安全性[4]的定量評估等領(lǐng)域取得應(yīng)用。本文提出一種基于故障樹的潛水器海試保障方案的定量評估方法。

故障樹分析中需有基本事件發(fā)生的概率作為輸入，而對于潛水器而言，很多基本事件存在種種客觀和人為因素，難以通過常規(guī)的大樣本統(tǒng)計(jì)手段定量獲取其發(fā)生概率，尤其是與操作人員操作經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)的因素。采用專家評估打分值代替?zhèn)鹘y(tǒng)的統(tǒng)計(jì)值，根據(jù)模糊集理論將專家評估值進(jìn)行模糊分析，這樣即可將參試人員的定性經(jīng)驗(yàn)定量化，得到基本事件發(fā)生的模糊概率，進(jìn)而進(jìn)行故障樹的定量分析。

本文即基于上述思路建立潛水器海試保障方案的定量評估方法，并以潛浮系統(tǒng)的典型故障“主壓載水艙無法吹除”為例，演示了該評估方法的一般流程，初步證明了其技術(shù)可行性。

1 基于故障樹的定量評估方法

1.1 評估流程

圖1是潛水器海試保障方案的定量評估方法的評估流程圖，主要步驟是：1）設(shè)定故障樹頂事件，建立故障樹并求取基本事件；2）對基本事件進(jìn)行專家打分，并運(yùn)用模糊集理論求取基本事件發(fā)生的概率；3）定量計(jì)算頂事件的發(fā)生概率；4）依據(jù)海試安全性評判標(biāo)準(zhǔn)判斷海試安全性是否滿足，若不滿足，則對進(jìn)行整改并輸出海試保障的整改方案、并重新進(jìn)行專家評判，直至滿足海試安全性要求。

圖1 潛水器海試保障方案定量評估的流程

1.2 定性與定量分析

故障樹定性分析的目的在于找出故障樹的最小割集，是進(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)。最小割集通常通過上行法或者下行法求取，用Ki(i=1,2，…Nk)表示，其中Nk表示最小割集的數(shù)量。

求取了最小割集之后，便可定量計(jì)算頂事件的發(fā)生概率，即：

其中P(t)表示頂事件發(fā)生的概率，P(Ki)表示第i個(gè)割集發(fā)生的概率。

工程中常用重要度表示基本事件對頂事件發(fā)生的影響程度，有概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度和關(guān)鍵重要度等。其中，關(guān)鍵重要度表征基本事件發(fā)生概率的變化率所引起的頂事件發(fā)生概率的變化率，根據(jù)基本事件關(guān)鍵重要度的大小順序可指導(dǎo)排列優(yōu)化順序等[5]，因此本文中采用關(guān)鍵重要度進(jìn)行基本事件的重要性排序。用Pi(t)表示第i個(gè)基本事件的發(fā)生概率，用(t)表示第i個(gè)基本事件的關(guān)鍵重要度，則關(guān)鍵重要度可用如下式描述：

2 基本事件的發(fā)生概率

故障樹中基本事件發(fā)生的概率，一般通過大樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到。然而在潛水器海試中，一些基本事件（尤其是與人員操作相關(guān)的基本事件）無法通過大樣本統(tǒng)計(jì)得出其發(fā)生的客觀概率。采用專家評估團(tuán)的評估判斷值來代替基本事件的發(fā)生概率，不僅可解決無法獲取大樣本統(tǒng)計(jì)的難題，而且可將參試人員的定性經(jīng)驗(yàn)定量化、增加了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的可操作性。

2.1 專家團(tuán)及各專家的權(quán)值

2.2 專家評估的模糊數(shù)

工程中常用“事件發(fā)生的可能性“很大”、“較小”等類似的語言來定性地描述某事件發(fā)生的概率。本文將這種評判用一種語言值集合表示為：{小，較小，中等，較大，大}，并用對應(yīng)的符號(hào)表示為{S，F(xiàn)S，M，F(xiàn)L，L}。用圖2中所示的模糊數(shù)表示語言值集合[6]，圖2中，橫坐標(biāo)x表示模糊數(shù)，縱坐標(biāo)u(x)表示隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)分別為：

圖2 語言值的模糊數(shù)

對于某事件發(fā)生的概率，n位專家評估的語言值選擇按加權(quán)組合模型 M(·，+)得到專家評估團(tuán)對該事件評估的語言值模糊數(shù)：

其中，m、s、t、u、v分別表示評估的語言值為“小”、“較小”、“中等”、“較大”、“大”的專家數(shù)，wSi、wFSi、wMi、wFLi、wLi分別表示評估的語言值為“小”、“較小”、“中等”、“較大”、“大”的專家的權(quán)值，fZ(x)表示加權(quán)之后得到的總評估語言值所對應(yīng)的模糊數(shù)Z的隸屬度函數(shù)。

由于一個(gè)模糊數(shù)可能代表不同的隸屬度函數(shù)的許多實(shí)數(shù)，為了在故障樹分析中進(jìn)行定量分析，還需將模糊數(shù)Z轉(zhuǎn)化為清晰的模糊可能性值（FPS）。本文利用左右模糊排序法將加權(quán)之后的模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊可能性值，定義最大模糊集和最小模糊集為：

3 計(jì)算示例

潛水器的潛浮系統(tǒng)通過向壓載水艙內(nèi)注排水來實(shí)現(xiàn)潛水器的上浮下潛狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，是關(guān)鍵系統(tǒng)之一，本文以潛浮系統(tǒng)的典型故障“主壓載水艙無法吹除”為例，演示基于故障樹和模糊失效率的定量評估方法的一般流程。

3.1 安全性評估標(biāo)準(zhǔn)

潛水器海試的安全性由故障的發(fā)生概率和危害等級決定。對以往的潛水器海試的資料進(jìn)行歸納整理，經(jīng)專家評估分析，根據(jù)故障的發(fā)生概率和危害等級得出海試保障的安全性評估標(biāo)準(zhǔn)，用安全性評估矩陣的形式描述[7]（圖3）。

故障的發(fā)生概率可由故障樹方法定量求取，危害等級可利用故障模式、影響及危害分析通過專家評估得出。專家對某故障的危害等級評估值表示為ci(0≤ci≤1)，則故障的危害等級可表示為：

圖3 安全性評估矩陣

3.2 典型事件的故障樹分析

“主壓載水艙無法吹除”是潛水器潛浮系統(tǒng)的典型故障，本文以此為例演示評估方法的一般流程。圖4是潛水器潛浮系統(tǒng)的原理圖，對系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的故障模式、影響及危害分析（FMEA），弄清系統(tǒng)的基本失效模式，在此基礎(chǔ)上建立“主壓載水艙無法吹除”為頂事件的故障樹（圖5）。圖5中，A為主壓載水艙無法吹除，B為吹除管路不供氣，C為吹除閥組失效，x1為通氣閥未關(guān)閉，x2為壓縮空氣瓶內(nèi)氣壓低（出航前未及時(shí)補(bǔ)氣），x3為手動(dòng)閥出航前未打開，x4為正常吹除閥失效，x5為應(yīng)急吹除閥失效，表示邏輯或門，表示邏輯與門。

故障樹的基本事件為x1～x5，用下行法求得全部最小割集為{x1}、{x2}、{x3}、{x4，x5}，任意一個(gè)最小割集中的基本事件全部發(fā)生時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頂事件發(fā)生。在五個(gè)基本事件中，x4、x5的發(fā)生概率可依據(jù)閥組的使用時(shí)間由元器件的失效密度函數(shù)求得，x1、x2和x3等三個(gè)基本事件的發(fā)生概率與人員的操作密切相關(guān)，無法通過大樣本統(tǒng)計(jì)獲得，因此建立專家評估團(tuán)，通過專家評估進(jìn)行分析獲取其發(fā)生概率。專家評估團(tuán)中專家的信息如表1所示。

圖4 潛浮系統(tǒng)原理圖

圖5 主壓載水艙無法吹除上浮的故障樹

表1 專家評估團(tuán)中專家的信息

專家評估團(tuán)中6位專家對“主壓載水艙無法吹除”故障危害等級的打分依次為0.6、0.8、0.55、0.7、0.65、0.6，利用（8）式加權(quán)計(jì)算得出其危害等級為0.656。同時(shí)，專家評估團(tuán)利用模糊語言值對基本事件x1、x2和x3依次進(jìn)行評估，以求出其模糊概率。篇幅所限，本文僅列出對基本事件x2發(fā)生概率的計(jì)算過程。6位專家對基本事件x2發(fā)生概率的評估值依次為“中等”、“較小”、“較小”、“中等”、“小”和“較小”，利用模糊集理論，根據(jù)（3）式將專家評估的語言值加權(quán)組合為模糊數(shù)：

亦即隸屬度函數(shù)可化為：

FFR=0.0021，亦即得到基本事件x2發(fā)生的模糊概率P(x2)=0.0021。采用同樣的流程，可求得P(x1)=0.0011，P(x3)=0.0021。

利用故障樹理論的（1）、（2）式可求得頂事件的發(fā)生概率、各基本事件的關(guān)鍵重要度及其排序（表2中左側(cè)欄）。“主壓載水艙無法吹除”發(fā)生的概率為0.0053，從圖3中的安全性評估矩陣可知，海試行為處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，需采取措施化解風(fēng)險(xiǎn)。從關(guān)鍵重要度排序中可看出，x1、x2、x3對海試的安全性影響較大，整改措施也應(yīng)首先從這三方面著手。

表2 專家評估團(tuán)對整改前后的評估值對比

為保證潛水器海試安全，決定采取以下措施：

1）在備航表中增加“出航前檢查壓縮空氣瓶的氣壓，并及時(shí)補(bǔ)氣”和“出航前檢查手動(dòng)閥是否打開”兩個(gè)條款；

2）在潛水器操作規(guī)程中增加“下潛后立即關(guān)閉通氣閥”的條款；

3）對備航表和操作規(guī)程中的相應(yīng)條款落實(shí)專人實(shí)施，將操作責(zé)任具體落實(shí)到專人。采取整改措施之后，重新對基本事件x1～x3進(jìn)行專家打分，計(jì)算出基本事件發(fā)生的概率分別為 0.0007、0.0007和0.0007，頂事件發(fā)生的概率和關(guān)鍵重要度的計(jì)算結(jié)果同樣列于表2右側(cè)欄。從整改后評估值可以看出，“主壓載水艙無法吹除”發(fā)生的概率為0.0021，查圖3中的安全性評估矩陣可知海試行為是合理可行的，海試安全性可以保證，定量評估流程結(jié)束。

4 結(jié)束語

利用專家評估的可能性語言值代替基本事件的大樣本統(tǒng)計(jì)概率，將人員的定性操作經(jīng)驗(yàn)定量化，得到小樣本事件的發(fā)生概率，并與故障樹方法結(jié)合，建立一套試驗(yàn)保障方案的定量評估方法，可用于指導(dǎo)制定潛水器海試保障方案。

試驗(yàn)保障人員的操作經(jīng)驗(yàn)對評估值的影響較大，經(jīng)驗(yàn)積累直接關(guān)系到保障方案的合理性。在保障方案研究制定中，應(yīng)當(dāng)尊重事實(shí)、實(shí)事求是，重視經(jīng)驗(yàn)積累，尤其是對以往事故的分析與總結(jié)。只有做好了這些工作，故障樹的建立、專家團(tuán)隊(duì)組建和保障方案的定量評估才會(huì)更加客觀、準(zhǔn)確，海試保障方案才能成為潛水器海試成功強(qiáng)有力的保證。

[1] 梁曉峰, 張?jiān)７? 易宏. 基于相當(dāng)故障樹的艦船復(fù)雜系統(tǒng)可用性評估方法研究[J]. 造船技術(shù), 2006(5):24-26.

[2] 邊信黔, 牟春暉, 嚴(yán)浙平. 基于故障時(shí)的無人潛航器可靠性研究[J]. 中國造船, 2011,52(1):71-77.

[3] 黃祥兵, 黃興玲, 劉燕紅. 艦船拖帶安全評估的故障樹方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 19(5):56-61.

[4] 黃興玲, 黃祥兵. 深潛器援潛救生作業(yè)綜合安全評估[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 23(6):101-106.

[5] 易宏. 船舶可靠性工程導(dǎo)論[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1996.

[6] 楊綸標(biāo), 高英儀. 模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2003.

[7] 張圣坤, 白勇, 唐文勇. 船舶與海洋工程風(fēng)險(xiǎn)評估[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

Quantitative Evaluating Method for Safeguard of Underwater Vehicle Sea Trial Based on FTA

Yu Rong, Xiang Yang-jun, Qiu Zhong-liang, Wang Jing
(China ship scientific research centre, Wuxi Jiangsu 214082, China)

A quantitative evaluating method for safeguard of underwater vehicle sea trial based on fault tree analysis is established in this paper. Using expert estimation and fuzzy sets theory, the fuzzy failure rates of the basic events in fault tree are derived, and then fault tree analysis (FTA) is performed quantitatively. At last, taking the fault of ballast system for instance, the new method for safeguard of underwater vehicle sea trial is briefly discussed.

underwater vehicle; sea trial; fault tree; fuzzy sets theory

U661.4

A

1005-7560(2014)01-0025-05

郁榮（1986-），男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)工作。