基于GO法的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠性分析

于博文，王益祥

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前我國城市中有很多高層建筑，由于一些火警噴水滅火壓力達(dá)不到要求，所以這些高層建筑一旦起火，后果將不堪設(shè)想。

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)具有使用方便、日常的維護(hù)簡單、安全可靠、滅火及時(shí)、適用范圍廣的特點(diǎn)[1]。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，周圍的熱空氣進(jìn)入到自動(dòng)噴水滅火的噴頭中，系統(tǒng)就會開啟噴水系統(tǒng)進(jìn)行滅火。這樣可以有效地控制火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，減少了人員和財(cái)產(chǎn)的損失，也為后續(xù)的滅火工作創(chuàng)造了有利條件。

但多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)供水問題、噴頭或閥門故障、水泵老化的原因，可能導(dǎo)致最終系統(tǒng)沒有達(dá)到滅火、控制火情的目的。

通過對基于GO法的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠性分析，了解到該系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)各個(gè)元部件的可靠性概率，以便于找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)采取解決辦法，提高可靠性的水平。

1 GO法分析

1.1 GO法的發(fā)展

美國Kaman科學(xué)公司在20世紀(jì)60年代中期首先創(chuàng)立了一種高效的系統(tǒng)可靠性分析方法—GO法[2]。GO法被美國軍事部門用來并分析武器系統(tǒng)，從而提高了它們的安全性和可靠性。80年代GO法得到快速的發(fā)展，90年代日本又發(fā)明了GO-FLOW方法。近幾年隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析的需求，GO法又得到了新的發(fā)展[3]。

1.2 GO法介紹

GO法是一種系統(tǒng)的可靠性分析方法，是一種以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)概率分析技術(shù)。它從操作符的輸入開始，根據(jù)下一個(gè)操作符的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，這樣逐個(gè)進(jìn)行運(yùn)算，最終得到系統(tǒng)的概率[4]。對GO圖內(nèi)各個(gè)操作符正常工作的概率進(jìn)行歸納整理，并通過特定的運(yùn)算規(guī)則，最終得到的是系統(tǒng)成功的概率[5]。

GO法特點(diǎn)是根據(jù)決策樹的理論，GO圖的形成是通過系統(tǒng)的原理圖和流程圖進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換而來的。該方法適用于流動(dòng)的物體作為研究對象，比如氣流、水流等[6]。

2 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)簡介

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)主要的組成部分有：噴頭、延遲器、報(bào)警止回閥、壓力開關(guān)、水力警鈴、水流指示器、供水設(shè)施、管道系統(tǒng)、報(bào)警裝置和控制室等[7]。當(dāng)有火情發(fā)生時(shí)，火災(zāi)周圍空氣的溫度會升高，從而使噴水噴頭中的啟動(dòng)裝置感應(yīng)到，最終開始灑水。伴隨著灑水的過程，管道里的水流產(chǎn)生流動(dòng)，流動(dòng)的水流指示器的擋板閉合，電源接通，產(chǎn)生報(bào)警信號，并傳至消防控制室。消防控制室的人員根據(jù)系統(tǒng)灑水的位置可以判斷出火災(zāi)產(chǎn)生的具體位置。消防中心人員開啟水泵，為噴頭提供持續(xù)的水源。同時(shí)，經(jīng)過報(bào)警閥的水流會觸動(dòng)報(bào)警鈴聲和壓力開關(guān)，壓力開關(guān)接通后，觸發(fā)開啟水泵的裝置[8]。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)動(dòng)作流程圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)動(dòng)作流程圖

3 運(yùn)用GO法進(jìn)行自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠性分析

用GO法對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，首先要從分析該系統(tǒng)的原理圖開始，用GO圖的操作符表示系統(tǒng)參與工作的的各個(gè)元部件，用信號流表示操作符的輸入和輸出信號，也就是操作符之間的關(guān)系，用信號流把操作符按照系統(tǒng)的流程圖連接起來，就建立起了系統(tǒng)的GO圖。建立GO圖后，就可以對系統(tǒng)進(jìn)行GO法的可靠性分析，它包括了輸入的數(shù)據(jù)、定性和定量GO法分析和系統(tǒng)的GO法可靠性評價(jià)。

3.1 建立GO圖

首先要對系統(tǒng)的原理圖和流程圖進(jìn)行研究，了解系統(tǒng)的整個(gè)流程，按照各個(gè)元部件之間的關(guān)系，建立GO圖。

該系統(tǒng)主要的組成部分有：噴頭、延遲器、報(bào)警止回閥、壓力開關(guān)、水力警鈴、水流指示器、供水設(shè)施、管道系統(tǒng)、報(bào)警裝置和控制室等[6]。類型5輸入操作符代表火災(zāi)的產(chǎn)生，即是系統(tǒng)的輸入邊界。噴頭、壓力開關(guān)、壓力繼電器、噴淋泵、消防蓄水池和過濾管道都是有2個(gè)輸出狀態(tài)的元件，用類型1操作符表示。感溫(煙)元件、密封墊、水流指示器控制室和水力警鈴都是除了成功、故障狀態(tài)外，還有提前狀態(tài)(當(dāng)元件處于提前狀態(tài)時(shí)，沒有輸入也會有輸出)的元件，所以用類型3操作符表示。控制室的操作員的響應(yīng)和延時(shí)器是有延遲響應(yīng)的元部件，所以用類型8操作符表示。類型12操作符表示有路徑分離器的作用報(bào)警閥，其有1個(gè)輸入信號，2個(gè)輸出信號。類型2操作符表示連接操作員相應(yīng)的信息流和壓力繼電器接通的信息流的“或”門。

按照自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)原理圖中的元部件對上面選擇的操作符進(jìn)行布置，根據(jù)元部件之間的聯(lián)系來確定操作符之間的信號流，這樣自動(dòng)噴水系統(tǒng)的GO圖就構(gòu)造完成了。如圖2所示。

1—火災(zāi)產(chǎn)生；2—感溫探測器；3—噴頭密封墊；4—灑水噴頭；5—水流指示器；6—控制室；7—操作人員；8—報(bào)警閥；9—壓力開關(guān)；10—延時(shí)器；11—壓力繼電器；12—或門；13—噴淋水泵；14—消防水池；15—過濾管道；16—水力警鈴圖2 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)GO圖

在GO圖的操作符中，前后的序號分別代表的是操作符的類型和操作符的序號，序號與各個(gè)元件之間的關(guān)系如圖2所示，信號流上的數(shù)字代表的是信號流序號。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的GO圖中信號流和操作符分別為18和16。操作符中功能操作符有15個(gè)，輸入操作符有1個(gè)，邏輯“或”門操作符是序號12操作符，它表示控制室里操作員和壓力繼電器的輸出是“與”邏輯關(guān)系。信號流中輸出信號流17是系統(tǒng)的輸出信號流，它可代表整個(gè)系統(tǒng)的可靠性性能，輸出信號流18是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中拉響警鈴的輸出信號流，它的可靠度數(shù)據(jù)表示自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中拉響警鈴的可靠性數(shù)值。

3.2 定量GO運(yùn)算

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的各個(gè)元部件的狀態(tài)的概率值見表1。根據(jù)圖2自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)GO圖各個(gè)元部件所對應(yīng)的操作符序號一一列出，狀態(tài)值0表示該元件的提前狀態(tài)，狀態(tài)值1表示該元部件工作正常，狀態(tài)值2表示該元部件工作故障。利用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)元部件的基本失效率。按照系統(tǒng)工作一年的時(shí)間，即t=8 760 h求自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠度。

表1 自動(dòng)滅火系統(tǒng)各元部件狀態(tài)概率表

續(xù)表1

表1中報(bào)警閥部件0.988為輸出信號流9正常狀態(tài)的概率，0.98為輸出信號流16正常狀態(tài)的概率，報(bào)警閥部件正常狀態(tài)的概率為0.988×0.98=0.968。

在GO法的運(yùn)算中，假設(shè)PRi(1)為操作符輸出信號正常狀態(tài)概率，PRi(2)為操作符輸出信號異常狀態(tài)概率；PCi(0)為類型3操作符提前狀態(tài)的概率，PCi(1)為類型1、類型3、類型8操作符的正常狀態(tài)概率，PCi(2)為類型1、類型3、類型8、類型12操作符的異常狀態(tài)概率，PV8(1)為類型12輸出信號流9正常的概率，PW8(1)為類型12輸出信號流16正常的概率；PSi(1)為操作符輸人信號正常狀態(tài)概率，PSi(2)為操作符輸入信號故障狀態(tài)概率。其中，i為操作符序號和信號流序號。采用狀態(tài)概率計(jì)算公式，推導(dǎo)出系統(tǒng)各個(gè)信號流成功概率的計(jì)算表達(dá)式如下：

PR13(1)=1-[1-PR8(1)] [1-PR12(1)] ，

(1)

PR18(1)=PR16(1)PC16(1)=PW8(1)PC16(1)，

(2)

式(1)為自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)正常噴水滅火的可靠度計(jì)算公式，式(2)為水力警鈴在樓棟正常報(bào)警的可靠度計(jì)算公式。將表1中自動(dòng)滅火系統(tǒng)各元部件狀態(tài)概率數(shù)據(jù)代入自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠度計(jì)算式(1)和式(2)中，得到自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)正常噴水滅火的可靠度為：PR17(1)=0.735 8；水力警鈴在樓棟正常報(bào)警的可靠度為：PR18(1)=0.824 4。這與歷年來的長期實(shí)踐中得到的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠度基本符合，所以證明基于GO法的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠性研究方法可行[9]。

3.3 定性GO運(yùn)算

當(dāng)遇到較復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)的定性分析求系統(tǒng)的最小割集時(shí)，由于求解復(fù)雜，可以根據(jù)GO圖進(jìn)行直接定性分析求出系統(tǒng)的最小割集。

直接定性分析方法如下：首先在GO圖中，除了邏輯操作符外有N個(gè)功能操作符，從中選取一個(gè)功能操作符，如果此操作符工作故障，其他操作符正常工作的情況下，整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則此操作符所代表的元部件故障則為系統(tǒng)的一個(gè)一階割集。這樣逐個(gè)進(jìn)行分析，就得到系統(tǒng)的所有一階割集。然后GO圖中，除了一階割集外，其他功能操作符選擇兩個(gè)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則這兩個(gè)操作符所代表的元部件則為系統(tǒng)的二階割集[10]。

按照上述的方法，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)滅火故障的最小割集如表2所示。

表2 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)滅火故障的最小割集表

由表2可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴水滅火故障的一階割集所代表的部件為感溫探測器、密封墊片、灑水噴頭、噴淋水泵、消防水池、過濾管道。所以提高它們的可靠度，對提升自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠性能最為有效。

4 系統(tǒng)可靠性評價(jià)與分析

從上文得到自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)正常噴水滅火的可靠度為：PR17(1)=0.735 8。導(dǎo)致此自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠度比每個(gè)節(jié)點(diǎn)可靠度都低的原因是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都成功運(yùn)行，系統(tǒng)才能成功運(yùn)行，這需要全部節(jié)點(diǎn)相互配合統(tǒng)一，有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠度低就會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠度降低。通過分析表1中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠度和表2系統(tǒng)故障的最小割集，就能看出與信號流14相對的噴淋水泵13和信息流2相對的感溫探測器2可靠度較低。所以提高噴淋水泵和感溫探測器的質(zhì)量品質(zhì)可以明顯提升此系統(tǒng)的可靠度。為提高噴淋水泵的可靠性，選用2個(gè)噴淋水泵，其中一個(gè)為備用水泵來進(jìn)行工作，這樣就簡單高效地提高了噴淋水泵的可靠性，因?yàn)?個(gè)噴淋水泵是并聯(lián)的狀況，所以改進(jìn)后，噴淋水泵的可靠性為：R2=1-(1-R1)2=1-(1-0.86)2=0.9804。對于感溫探測器的改善，是采用靈敏度更高的探測器，而且采用感溫和感煙復(fù)合的探測器，從而提高了感溫探測器的可靠性。但是感溫探測器隨著時(shí)間的推移，可靠性會降低，所以須按期對感溫探測器進(jìn)行檢測、維修和可靠性評估。

基于GO法的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠性分析，通過GO法定量的計(jì)算以及定性的分析不但可以計(jì)算出該系統(tǒng)的可靠性，還可以看到各個(gè)元部件的可靠性。所以這樣可以簡單地判斷出整個(gè)系統(tǒng)中的較弱部分，以便選擇更適合、更有針對性的方法來改善系統(tǒng)整體可靠性。

5 結(jié)語

1) 應(yīng)用GO法對自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)進(jìn)行了定量的計(jì)算，得到了系統(tǒng)的可靠度。GO法思路清晰明了，在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析的應(yīng)用中，可以進(jìn)行正常概率的直接計(jì)算。2) 通過對自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)定性的分析，找出了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的薄弱部件，通過改善和維修的方式，最終達(dá)到了提升系統(tǒng)可靠性的目的。3) GO法的應(yīng)用為提高自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠性提供了新的策略。

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