安全科學技術(shù)

空間故障樹的徑集域與割集域的定義與認識

崔鐵軍，馬云東

摘要：目的：對系統(tǒng)進行故障分析時，可發(fā)現(xiàn)各元件的工作時間t和工作適應(yīng)溫度c等都不一樣，隨著系統(tǒng)整體運行環(huán)境的改變，其故障概率也是不同的。為從環(huán)境因素變化角度分析可靠性，研究在某些因素條件組合下系統(tǒng)可靠性是否滿足要求，提出徑集域與割集域的概念。徑集域描述系統(tǒng)可靠性滿足要求時的因素條件組合；割集域描述不滿足要求時的因素條件組合。這兩個概念不再像傳統(tǒng)的徑集與割集，只關(guān)注基本事件的組合，而是更關(guān)注系統(tǒng)的工作環(huán)境條件。方法：論文提出的徑集域與割集域的概念是空間故障樹理論體系的基本概念，包括單一基本事件（元件故障）的徑集域與割集域及頂事件（系統(tǒng)故障）的相關(guān)概念。這些定義是基于空間故障樹已有概念和方法的。割集域是單一基本事件發(fā)生（故障）的可能性大于預定的或必要的概率的空間區(qū)域（在研究區(qū)域中）。這個區(qū)域為定義者所不能接受的區(qū)域，定義者認為這個區(qū)域的故障率過高，應(yīng)使該元件避免在這個區(qū)域工作，或采取措施降低故障率。徑集域是單一基本事件發(fā)生（故障）的可能性小于預定的或必要的概率的空間區(qū)域（在研究區(qū)域中）。這個區(qū)域為定義者所能接受的區(qū)域，定義者認為這個區(qū)域的故障率不高，應(yīng)使該元件盡量在這個區(qū)域工作，不用采取措施降低故障率。域邊界Pb是上述定義中所述的預定的或必要的概率等值線或面或更高維形式。徑集域、割集域和域邊界組成了整個的研究區(qū)域。域邊界曲線或面或更高維形式應(yīng)是閉合的。系統(tǒng)的徑集域、割集域和域邊界的性質(zhì)及其相互關(guān)系與單一基本事件的相同，但形態(tài)更加復雜。結(jié)果：使用上述徑集域、割集域和域邊界的概念分析了實例系統(tǒng)中元件X1，并實現(xiàn)了系統(tǒng)更換周期的計算。對于元件X1進行分析。設(shè)Pb=0.6，X1的故障概率分布圖中的2個黑色封閉粗線即為Pb=0.6的域邊界曲線。圖中割集域為域邊界以外的區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)的t和c組合是X1所要避免的。徑集域為域邊界以內(nèi)的區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)的t和c組合適合X1工作。同時這些概念也可以參照模糊數(shù)學思想，將域邊界也擴展成一個區(qū)域，這個區(qū)域為徑集域和割集域的過度區(qū)域。如果原本在徑集域工作的元件由于條件的變化進入過度域，那么就應(yīng)立即采取措施，使元件回到徑集域。確定系統(tǒng)的最優(yōu)更換周期。根據(jù)事件更換周期TLiα和系統(tǒng)更換周期的概念 TLα，說明最優(yōu)更換方案 MTLα的求解過程：設(shè)系統(tǒng)故障概率小于0.7，即α=70%。根據(jù)元件X1～5的故障特點按照一定方式更換元件使系統(tǒng)的故障概率保持小于70%。這種更換方案很多，需同時考慮成本和故障概率尋找最優(yōu)更換方案MTL70%。該系統(tǒng)可靠性變化過程可用 X1～5最大理想更換周期 PT（t,c）。設(shè) Pb=0.7，圖中黑色折線圍成的區(qū)域內(nèi)為系統(tǒng)的徑集域，黑色折線為域邊界，黑色線外的區(qū)域為割集域。實施了最優(yōu)更換周期后的系統(tǒng)徑集域不斷擴大，割集域不斷減小。同時也可以通過徑集域占整個研究區(qū)域的大小來判更換方案的優(yōu)劣程度。當5個元件都被替換時，用集合表示系統(tǒng)徑集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[14,30]}；同理割集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[0,14)∩(30,50]}。如果更加準確簡潔地表示，可將這個研究區(qū)域分為徑集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[14,30]}；割集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[0,10]∩[35,50]}；過度域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈(10,14)∩(30,35)}。結(jié)論：在空間故障樹概念的框架內(nèi)，定義徑集域與割集域。這兩個概念不僅考慮了基本事件與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，還考慮了基本事件在不同環(huán)境下表現(xiàn)出來的故障概率的變化特征，進而可從宏觀的系統(tǒng)工作環(huán)境角度來衡量系統(tǒng)的故障特征。它可以判定系統(tǒng)在什么環(huán)境下的故障概率可接受或不可接受，將原有故障樹的徑集與割集發(fā)展為針對運行環(huán)境角度上的徑集域與割集域。

來源出版物：中國安全科學學報, 2014, 24(4)： 27-32

入選年份：2017

褐煤燃燒階段烴生成規(guī)律研究

周西華，白剛，聶榮山，等

摘要：目的：褐煤變質(zhì)程度低，自然發(fā)火期短，極易發(fā)生自燃。煤礦發(fā)生火災(zāi)后，生成氣體組分復雜，可燃性氣體較多，尤其是高瓦斯礦井火災(zāi)，極易誘發(fā)瓦斯煤塵爆炸等次生災(zāi)害?；馂?zāi)生成的烴類氣體混入后改變了瓦斯爆炸界限，增加了瓦斯爆炸的危險性?，F(xiàn)有的研究主要集中在低溫氧化階段火區(qū)氣體預測，而火災(zāi)發(fā)生后烴類氣體生成規(guī)律、火區(qū)溫度分布與燃燒狀態(tài)判定未進行研究，為此有必要研究火災(zāi)時期烴類氣體生成規(guī)律。方法：采用熱重實驗與管式爐程序升溫實驗相結(jié)合方法，通過熱重實驗研究煤質(zhì)量變化率、熱流率變化規(guī)律，基于質(zhì)量變化量劃分原則，劃分瑞安褐煤燃燒過程的3個階段，確定褐煤燃燒階段溫度范圍。利用管式爐程序升溫實驗?zāi)M褐煤燃燒過程，利用氣相色譜分析儀分析不同溫度下生成碳氫化合物氣體的體積分數(shù)，得出耗氧量、碳氫化合物氣體生成量與溫度之間的變化關(guān)系，并對烷烴類氣體濃度及其相對比例以及鏈烷比與C2H2/CH4比值隨溫度變化關(guān)系進行分析。結(jié)果：根據(jù)熱重實驗與管式爐程序升溫試驗數(shù)據(jù)分析，得出：① 基于煤樣質(zhì)量變化量劃分原則，褐煤燃燒的 3個階段所對應(yīng)的溫度分別為：失水失重階段20～117℃，氧化增重階段117～247℃，燃燒階段247～433℃，在408℃左右達到快速燃燒狀態(tài)；② 隨著溫度升高，耗氧量、燃燒產(chǎn)生的碳氫化合物氣體變化規(guī)律相似，均是先升高后下降。耗氧量及 C2H6，C3H8，C2H4，C2H2氣體在 200～399℃氣體生成量迅速上升，399～438℃氣體生成量下降，CH4氣體在 200～348℃氣體生成量迅速上升，348～438℃氣體生成量下降，348℃達到最大值，C2H6、C3H8、C2H4與C2H2氣體體積分數(shù)較CH4達到峰值溫度滯后一段時間，均于399℃達到最大值。③ 耗氧量、CH4、C2H4、C3H8體積分數(shù)與溫度符合近線性變化關(guān)系，C2H6和C2H2體積分數(shù)與溫度符合指數(shù)變化關(guān)系。④ 隨著溫度升高，褐煤燃燒烷烴類氣體濃度及其相對比例(C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8)比值升高，CH4/(CH4+C2H6+C3H8)比值、CH4/(C2H6+C3H8)比值均降低。隨著溫度增加，鏈烷比C3H8/C2H6比值升高，C2H6/CH4比值下降，C2H2/CH4比值下降。⑤ 隨著溫度升高，燃燒階段C2H2/CH4比值和 C2H6/CH4比值呈指數(shù)關(guān)系增大，C3H8/C2H6與溫度呈指數(shù)關(guān)系減小。結(jié)論：根據(jù)褐煤燃燒階段耗氧量、燃燒生成的氣體組分及其體積分數(shù)變化可判別火區(qū)溫度及氣體分布，并對火區(qū)溫度進行預測，結(jié)合瓦斯爆炸界限實驗可判定火災(zāi)誘發(fā)瓦斯爆炸危險性，確定瓦斯爆炸易爆區(qū)域。根據(jù)烷烴類氣體濃度及其相對比例(C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8)、CH4/(CH4+C2H6+C3H8)、CH4/(C2H6+C3H8)比值與鏈烷比（C3H8/C2H6、C2H6/CH4）與C2H2/CH4比值關(guān)系及指標氣體優(yōu)選的3個原則可判定火區(qū)燃燒狀態(tài)。研究成果可以應(yīng)用于褐煤燃燒階段預測指標，但燃燒階段指標氣體優(yōu)選還需進一步深入研究。

來源出版物：中國安全科學學報, 2016, 1(1)： 58-63

入選年份：2017