浅析基于故障树的船舶机电系统的可靠性评估

浅析基于故障树的船舶机电系统的可靠性评估

鲁枫郭洁辉王赛

沪东中华造船（集团）有限公司上海200129

摘要：故障树分析法是当前阶段应用于船舶机电系统可靠性评估中较为常见的分析方法，这种分析方法能够通过确立分析策略、形成故障树符号的方式，完成评判。本文在针对船舶机电系统的可靠性研究中，提出了运用故障树分析法进行可靠性分析的基本策略。同时结合船舶机电系统的一般特征，形成了故障树的符号表示方法，最终完成机电系统的可靠性评估，保证船舶机电系统能够达到精准的定型检测标准。

关键词：船舶机电系统；故障树分析法；可靠性评估；定型检测

前言：与船舶其他部件的构成方式不同，船舶内部所采用的机电系统，有着十分密集且复杂的结构构成，其内部元器件造价相对较高，导致整个系统价格也较为昂贵。因此在检测和可靠性评估时，无法运用专项鉴定来完成。为了保证系统的安全性和可靠性，在船舶定型出厂交付前，则需要借助其他类型的技术手段进行可靠性评估，故障树评估作为一种精准、高效率的评估分析手段，应用十分广泛。

一、船舶机电系统故障树的建构策略

（一）深入分析系统特征

故障树所面对的船舶机电系统有着其内在的复杂性，因此在开展可靠性评估之前应当对系统内部的具体情况和特征进行全面分析。故障树为了能够对机电系统进行精确表示，需要首先利用辨识系统，对机电系统内部所能够形成的各种运行或停止状态进行模式分析，从而计算得到机电系统中不同单元之间已经形成的对应关系，以及不同模式之间完成相互转换的过程[1]。

（二）获取故障顶事件

故障树分析法在进行分析中，需要对机电系统中可能存在的故障问题的相关性顺序进行排列，从而明确故障的来源和故障的发展过程。在进行了对系统的深入了解和判断之后，故障树需要借助系统资源分析方法，探求故障问题和主次关系，并进行列举，从中探寻故障目标，完成对于故障顶事件的精确定位。

（三）对故障树进行演绎

在完成了机电系统故障顶事件的判断和定位后，就可以根据故障顶事件进行整个故障树的框架建设。在顶事件下方，设置故障树第二排的故障问题充分必要原因，从而实现系统内部的逻辑联系。故障树中依靠逻辑门，可以直接进行故障现象和故障原因的对应表述，并依照故障树原则向下发展，最终获取故障底事件。

二、故障树的符号分析策略

（一）故障树主要采用的符号内容

在故障树的演绎过程中，为了能够依据逻辑关系进行顶事件到底事件的推演，故障树需要运用逻辑门和事件两种因素来共同作用。在开展符号分析时，这两种因素则可以分别总结为两种符号，从而完成对于机电系统内部故障变化规律的表述。其中事件符号用以表达故障树中的故障事件，根据事件所处的故障树位置不同，又被氛围矩形符号和圆形符号两种事件符号，其中圆形符号表示故障树中所有的底事件，而矩形符号则表示除底事件外的全部事件；逻辑门符号则用来表现故障与故障之间存在的逻辑关系，两个故障同时存在或者不同时存在，则可以分为“与门”符号以及“或门”符号。

为了能够对故障树的演绎过程进行判断，在故障树的分析过程中，爱需要对机电系统内部的部件、元器件等进行判断，分析其是否处于正常工作状态。并利用数字“1”和数字“0”分别对故障状态和正常状态进行表示。设xi为底事件，ф表述顶事件所处的状态变量，则可以根据正常状态和故障状态形成关系集合进行故障树的事件表达。此事设底事件数量为n，则可以利用布尔函数，对系统状态进行分析，从而获取了与门结构和或门结构两种函数。

（二）故障树定性计算

故障树在进行逻辑门演绎和结构函数设置完成后，就可以清楚地表现出机电系统内部可能存在的故障现象、故障影响原因以及故障组合。为了能够对系统可靠性作出精确判断，完成对系统故障排查的指导，还需要结合故障树的演绎过程进行故障的定性计算。首先需要完成的是底事件的割集获取，割集所表示的是故障树中底事件发生后顶事件必然发生的故障集合。为了对割集进行不断简化，从而获取故障概率最高的最小割集，在进行故障树分析评估时，还会采用上行法进行计算。故障树由下至上不断进行或门事件和与门事件分析，形成输出事件的并交层级，其中并层级向上不断代入，通过等幂律完成化简。最终获得积项所对应的故障树集合，则为最小割集[2]。最小割集可以判断故障对于顶事件所产生出的影响概率，概率越高表明故障发生的可能性越大，越值得开展定向检修。

三、故障树分析法的机电系统可靠性评估实验

（一）完成故障树建模

根据以往的工作经验，船舶所采用的机电系统所面临的最大故障挑战为机电系统整体失灵，因此在进行故障树设定时，笔者将机电系统失效作为故障树的顶事件，利用这一顶事件对机电系统进行分析和总结，形成关于故障问题的产生和演化的故障模型，从而利用模型模拟出机电系统内部故障的转化和扩大规律。

（二）故障树的模拟实验信息获取

利用故障树模型，主要针对机电系统内部的计算机设备、主控站设备以及熔断器设备进行实验模拟信息的获取，获取信息除了包括工作总时长、故障发生次数外，还需要统计其任务时长和等效任务数量等信息。其中工作时长最长为主控站，超过1000小时，其次为熔断器500小时，计算机工作时长最短，为400小时。设定任务时间为其总时长的10%左右，并记录故障次数。故障树模拟发现，计算机故障发生一次，等效任务数量约为5，主控站和熔断器故障发生两次，等效任务数量分别为11和5次。通过故障树模拟分析可以发现，工作总时长越长，其内部发生故障的概率越大，产生对于顶事件的影响也更为明显。在进行船舶出厂前定型检测时，应当格外注重机电系统内部工作时间较长的元器件部分的运行状态，提高机电系统的整体可靠性。

结论：综上所述，机电系统是否具有较高的可靠性，关乎船舶在实际使用中的安全特性。而受到机电系统自身架构的影响，在进行出厂定型检查时，无法利用定向检查来对其进行判断。故障树分析法是一种能够精确模拟机电系统孤战的评估方法，能够对故障产生和故障变化进行识别，对于机电系统的可靠性评估来说，具有极高的应用价值。

参考文献：

[1]晁立坤,马剑,程玉杰等.基于多智能体的船舶机电健康监测原型系统设计[J].系统仿真技术,2017,13(03):195-200.

[2]刘勇.现有评估方法运用于船舶机电系统的问题与可靠性评估[J].科协论坛(下半月),2012(05):77-78.