基于FTA-BN的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析

謝尊賢 郝聰，2 張志遠(yuǎn) 張傲雪

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055；2.中國(guó)華電內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

0 引言

煤炭產(chǎn)業(yè)是我國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，安全生產(chǎn)至關(guān)重要。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是礦井“六大系統(tǒng)”中的關(guān)鍵組成部分，具有安全預(yù)警避險(xiǎn)和指導(dǎo)安全生產(chǎn)的功能，是煤礦日常安全管理和災(zāi)害防治不可或缺的安全裝備［1］。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)具有采集、傳輸、處理、報(bào)警、控制等多個(gè)功能，能夠有效地監(jiān)測(cè)礦井各類氣體濃度，同時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器數(shù)量龐大且分布復(fù)雜，系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。近幾年我國(guó)對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)制性升級(jí)改造，大大提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。學(xué)者們對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的研究較多，鄒哲強(qiáng)［2］從失效范圍、規(guī)模限定、應(yīng)力設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行設(shè)想，提出2種煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)測(cè)定方法；高超［3］從故障表現(xiàn)、處理方法、檢驗(yàn)方法等方面對(duì)井下各類傳感器常見故障進(jìn)行了歸納總結(jié)；姜文超［4］針對(duì)傳感器的誤報(bào)警，從內(nèi)、外因兩個(gè)角度進(jìn)行了探索并提出了解決方案。但是目前尚無(wú)對(duì)新安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況可靠性分析的文獻(xiàn)，且目前故障樹對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析還主要停留在分析事故原因階段，缺乏原因?qū)е率鹿拾l(fā)生的可能性推測(cè)方面的研究。因此，本文綜合故障樹模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建FTA-BN復(fù)合模型對(duì)目前我國(guó)煤礦廣泛使用的KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行可靠性分析，并利用BN的反向推理技術(shù)，尋找安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)管理措施，以期為提高煤礦安全管理和安全生產(chǎn)水平提供參考。

1 FTA與KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況故障樹繪制

1.1 FTA

故障樹模型中的事件包含兩種狀態(tài)，即故障和正常。通過(guò)繪制故障樹，連接邏輯門可以清晰地描述頂上事件、中間事件和基本事件之間的邏輯關(guān)系，適用于分析故障機(jī)理確定、故障邏輯清晰的系統(tǒng)。而在實(shí)際生活生產(chǎn)中，大部分系統(tǒng)中的事件具有多態(tài)性，故障樹中的邏輯門難以描述此類多態(tài)性事件，系統(tǒng)中故障因果關(guān)系復(fù)雜，其中的因果關(guān)系存在不確定性，在這種情況下采用概率進(jìn)行描述更為合理。

1.2 繪制KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況故障樹

本文對(duì)內(nèi)蒙古某礦的KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，該礦于2010年正式投產(chǎn)，核定年產(chǎn)能1 500萬(wàn)t，2019年被認(rèn)定為國(guó)家一級(jí)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化礦井。該礦KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)包含模擬量、開關(guān)量等各類傳感器300余個(gè)，遍布于2綜采面、4掘進(jìn)面和各類大小硐室23個(gè)，系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控設(shè)備制造精密，數(shù)量繁多，工作環(huán)境惡劣，出現(xiàn)故障的原因也多種多樣。本文通過(guò)研究2020年1月1日至12月31日安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的大量歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)設(shè)備異常報(bào)警記錄和臺(tái)賬，對(duì)KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)各部分故障進(jìn)行歸納總結(jié)，首先將安全監(jiān)控系統(tǒng)異常確定為故障樹的頂上事件T，其次確定引起安全監(jiān)控系統(tǒng)異常的23個(gè)基本事件，并將其分為4類，分別為傳感器異常，交換機(jī)異常，光端機(jī)異常，中心站異常，圍繞這4類中間事件，繪制KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況故障樹如圖1，其中故障樹事件符號(hào)及含義如表1。

圖1 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況故障樹

表1 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況故障樹事件符號(hào)及含義

2 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)FTA-BN模型構(gòu)建

2.1 BN

BN（Bayesian Network）是一種有向無(wú)環(huán)圖模型，通過(guò)有向無(wú)環(huán)圖將變量間的復(fù)雜關(guān)系以可視化方式呈現(xiàn)出來(lái)，由代表變量的節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)的有向線構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)的定義如表2所示。

表2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定義

BN與FTA有很多相似處，與FTA相比，它在描述復(fù)雜系統(tǒng)多態(tài)性和探索事件邏輯關(guān)系非確定性方面具有更強(qiáng)的能力。它既可以進(jìn)行正向推理，通過(guò)聯(lián)合概率分布計(jì)算出根節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)組合下子節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率［5］，還可以進(jìn)行反向推理，通過(guò)假設(shè)頂上事件的發(fā)生，反向求出基本事件的發(fā)生概率，因此更適合用于復(fù)雜系統(tǒng)安全性和可靠性分析。

圖2 BN圖

2.2 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)化

BN中的兩大關(guān)鍵部分是描述系統(tǒng)狀態(tài)事件的節(jié)點(diǎn)和描述狀態(tài)事件相互聯(lián)系的概率分布，它們分別對(duì)應(yīng)故障樹中的事件（頂上事件、中間事件、基本事件）和邏輯門（與門、或門）。故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)化原理，即通過(guò)系統(tǒng)故障分析建立可靠性故障樹模型，將故障樹模型中的事件和邏輯門轉(zhuǎn)換為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點(diǎn)和概率分布，從而達(dá)到分析新模型中的節(jié)點(diǎn)和概率分布的目的。

故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)化步驟為：熟悉系統(tǒng)，確定頂上事件，調(diào)查導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的中間事件和基本事件，用合適的邏輯門進(jìn)行連接構(gòu)建故障樹；將故障樹中的事件轉(zhuǎn)換為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)，并用有向線將各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接代替故障樹中的邏輯關(guān)系；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的先驗(yàn)概率即為故障樹中基本事件的發(fā)生概率。

依據(jù)KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)故障樹和故障樹貝葉斯網(wǎng)絡(luò)化原理和步驟，繪制對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖，使得故障樹中的事件與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，故障樹中的邏輯關(guān)系與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的有向線一一對(duì)應(yīng)，建立KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖3。

圖3 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

3 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況可靠性分析

3.1 確定BN先驗(yàn)概率

在故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)化中，BN的先驗(yàn)概率即故障樹的基本事件發(fā)生概率。本文基本事件的發(fā)生概率采用下列2種方法確定：對(duì)于能夠通過(guò)查詢分析KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)得到事件頻率的，用該頻率作為基本事件的發(fā)生概率；對(duì)于不能由異常數(shù)據(jù)得到事件概率的基本事件，通過(guò)咨詢安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)員、設(shè)備生產(chǎn)廠家運(yùn)維工程師、監(jiān)控值班調(diào)度員等專業(yè)技術(shù)人員和查詢交換機(jī)、光端機(jī)、中心站的設(shè)備使用說(shuō)明書確定其發(fā)生概率，最終各基本事件發(fā)生概率如表3。

表3 基本事件發(fā)生概率

本文利用Netica軟件對(duì)KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行演算，該軟件是加拿大NORSYS軟件公司開發(fā)研制的圖模型處理工具，提供了圖形化的建模界面及概率參數(shù)展示界面，簡(jiǎn)潔直觀且易于操作。KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)演算結(jié)果如圖4，通過(guò)演算得出頂上事件概率為14.8%，即KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠度為85.2%。

圖4 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)演算結(jié)果

3.2 確定BN后驗(yàn)概率及敏感度

BN的后驗(yàn)概率是指在已知頂上事件T發(fā)生的情況下，各基本事件的發(fā)生概率。利用Netica軟件貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的反向推理功能，假設(shè)頂上事件T必然發(fā)生，反向推理出各基本事件的后驗(yàn)概率以及先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率的改變量如表4，為了界定基本事件的重要程度，通過(guò)咨詢相關(guān)專家、技術(shù)人員，以及實(shí)踐一線的通風(fēng)隊(duì)隊(duì)員、安全監(jiān)控技術(shù)人員和監(jiān)控值班調(diào)度人員等將改變量的大小分界點(diǎn)確定為0.01，即將改變量為1%作為區(qū)分基本事件的重要程度。

表4 基本事件后驗(yàn)概率及改變量

為了進(jìn)一步了解基本事件不發(fā)生時(shí)對(duì)頂上事件概率影響的敏感度，準(zhǔn)確尋找安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，假設(shè)各基本事件獨(dú)自不發(fā)生，利用Netica軟件對(duì)KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行演算，得出各基本事件單獨(dú)不發(fā)生時(shí)，頂上事件發(fā)生概率及敏感度△P（T）如表5。

3.3 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

1）通過(guò)分析KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后驗(yàn)概率表，當(dāng)頂上事件一定發(fā)生時(shí)，基本事件后驗(yàn)概率較先驗(yàn)概率均出現(xiàn)了改變，其中超限報(bào)警X1改變量為16.28%、調(diào)校報(bào)警X2為29.65%、信號(hào)線斷線X4為12.78%、接觸不良X5為3.81%、傳感器進(jìn)水X7為6.29%、人為操作失誤X8為10.99%、網(wǎng)絡(luò)配置錯(cuò)誤X21為1.82%、雙機(jī)熱備異常X22為1.22%、數(shù)據(jù)庫(kù)異常X23為4.47%，這些基本事件先、后驗(yàn)概率改變量均超過(guò)了1%，這9個(gè)基本事件為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

誤報(bào)警X3、接線短路X6、傳感器物理?yè)p壞X9、電源故障X10、電路板故障X11、端口故障X12、背板故障X13、配置錯(cuò)誤X14、病毒攻擊X15、系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤X16、連接器故障X17、纖芯污染X18、光纜故障X19、光端機(jī)物理?yè)p壞X20中的基本事件雖然也有改變，但改變量均沒有超過(guò)1%，因此在安全監(jiān)控系統(tǒng)整體平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，這些基本事件發(fā)生對(duì)頂上事件的影響會(huì)越來(lái)越弱。

2）通過(guò)分析各基本事件單獨(dú)不發(fā)生時(shí)頂上事件發(fā)生概率及各基本事件敏感度表，可以得出在KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，各基本事件的敏感度△（T）排序?yàn)椋篨2＞X1＞X4＞X8＞X7＞X23＞X5＞X21=X22＞X3=X6=X9=X16=X20＞X10=X11=X12=X13=X14=X15=X17=X18=X19，即：電源故障X10、電路板故障X11、端口故障X12、背板故障X13、配置錯(cuò)誤X14、病毒攻擊X15、連接器故障X17、纖芯污染X18、光纜故障X19中的基本事件雖然有概率發(fā)生，但是對(duì)頂上事件發(fā)生的影響幾乎為零；網(wǎng)絡(luò)配置錯(cuò)誤X21、雙機(jī)熱備異常X22、誤報(bào)警X3、接線短路X6、傳感器物理?yè)p壞X9、系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤X16、光端機(jī)物理?yè)p壞X20中的基本事件雖然可以直接引起安全監(jiān)控系統(tǒng)的異常，但是它們發(fā)生的概率依然非常小，且在不發(fā)生的條件下，對(duì)頂上事件的發(fā)生影響同樣非常微弱；而調(diào)校報(bào)警X2、超限報(bào)警X1、信號(hào)線斷線X4、人為操作失誤X8、傳感器進(jìn)水X7、數(shù)據(jù)庫(kù)異常X23、接觸不良X5中的基本事件相比其他基本事件對(duì)頂上事件發(fā)生概率的影響較大，且這些基本事件發(fā)生概率也較高，因此這7個(gè)基本事件就是安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)引起重視。

3）通過(guò)以上兩種分析方法，選擇它們薄弱環(huán)節(jié)中的共有基本事件，得出超限報(bào)警X1、調(diào)校報(bào)警X2、信號(hào)線斷線X4、接觸不良X5、傳感器進(jìn)水X7、人為操作失誤X8、數(shù)據(jù)庫(kù)異常X23這7個(gè)基本事件為KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，這一結(jié)果與該礦安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀相一致。

4 提高該礦KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的對(duì)策建議

1）通過(guò)對(duì)基本事件后驗(yàn)概率和敏感度的分析，均得出超限報(bào)警X1、調(diào)校報(bào)警X2、信號(hào)線斷線X4、接觸不良X5、傳感器進(jìn)水X7、人為操作失誤X8、數(shù)據(jù)庫(kù)異常X23為KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)這7個(gè)基本事件不發(fā)生時(shí)，可以顯著降低安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行異常的頻率，假設(shè)在理想狀態(tài)下，調(diào)校報(bào)警X2正常作業(yè)忽略不計(jì)，超限報(bào)警X1、信號(hào)線斷線X4、接觸不良X5、傳感器進(jìn)水X7、人為操作失誤X8、數(shù)據(jù)庫(kù)異常X23均不發(fā)生，頂上事件發(fā)生概率僅為0.013 0，較之前頂上事件發(fā)生的概率下降了13.5%，下降約10倍。系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)，可優(yōu)先排查這7個(gè)基本事件，再對(duì)其他基本事件進(jìn)行逐個(gè)排查，礦井應(yīng)當(dāng)在實(shí)際安全生產(chǎn)中特別注意對(duì)這些基本事件的防范。

2）在超限報(bào)警X1、調(diào)校報(bào)警X2、信號(hào)線斷線X4、接觸不良X5、傳感器進(jìn)水X7、人為操作失誤X8和數(shù)據(jù)庫(kù)異常X23這7個(gè)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的基本事件中，除調(diào)校報(bào)警X2外，其余6個(gè)基本事件均與傳感器異常相關(guān)?；诖耍蓮脑O(shè)備和人員兩方面著手進(jìn)行管理，即：可優(yōu)先選用防水防潮的傳感器信號(hào)線和調(diào)校周期更長(zhǎng)、運(yùn)行更穩(wěn)定的激光傳感器來(lái)減少因傳感器異常導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常次數(shù)；采掘工作面推進(jìn)時(shí)，作業(yè)人員要善于保護(hù)各類傳感器，避免造成傳感器損壞；運(yùn)維人員應(yīng)當(dāng)每天檢查監(jiān)控設(shè)備及傳感器信號(hào)線和電纜是否完好，減少線路故障；安全監(jiān)控設(shè)備應(yīng)當(dāng)使用專用電纜和線路，以免造成信號(hào)干擾；同時(shí)還需要提高作業(yè)人員業(yè)務(wù)能力，規(guī)范作業(yè)流程，減少因人為操作失誤造成的系統(tǒng)異常。

5 結(jié)論

1）本文系統(tǒng)梳理了導(dǎo)致KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行異常的中間事件和基本事件以及它們之間的邏輯關(guān)系，建立了FTA-BN復(fù)合模型，解決了故障樹單一模型在分析系統(tǒng)可靠度的片面性和無(wú)法反向推理的問(wèn)題。

2）由本文構(gòu)建的KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型得到的結(jié)果來(lái)看，超限報(bào)警、調(diào)校報(bào)警、信號(hào)線斷線、接觸不良、傳感器進(jìn)水、人為操作失誤和數(shù)據(jù)庫(kù)異常7個(gè)基本事件對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠度有顯著影響。

3）針對(duì)KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提出了日常運(yùn)維的建議和措施。

4）應(yīng)用本文構(gòu)建的FTA-BN復(fù)合模型對(duì)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行可靠性分析，其結(jié)果與礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀相一致。結(jié)果表明用FTA-BN模型分析KJ90X礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性適用和可行，所得結(jié)論及措施可為使用同類安全監(jiān)控系統(tǒng)的礦井安全管理提供參考，也為礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析提供了一種方法。