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基于改進成功流法的消防系統(tǒng)可靠性研究

2016-04-11 10:46:57 安裝信息網(wǎng)

阮德振，宋文華，王悅，周昊，張苗，郝英才，程寶東

（1．天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津300387；2．天津城建大學控制與機械工程學院，天津300384；

3．天津華能楊柳青熱電有限責任公司，天津，300380；4．天津市公安消防總隊，天津300090；

5．天津市龍安科技發(fā)展有限公司，天津，300381）

摘要：在多信號輸入系統(tǒng)的可靠性研究中，傳統(tǒng)GO法存在計算復雜、易出現(xiàn)誤差和遺漏的缺點。將卡諾圖化簡法引入傳統(tǒng)GO運算，利用其“合并同項，簡化運算”的特點構(gòu)建研究多信號輸入系統(tǒng)可靠性的新GO模型。將其應用于預作用噴水滅火系統(tǒng)，對具有多啟動方式的給水泵進行可靠性分析，并與事件樹運算結(jié)果比較，證明新GO模型適用于具有多信號輸入系統(tǒng)的可靠性研究。研究表明，通過采取措施降低多信號元器件故障概率可以提高系統(tǒng)整體可靠性。

關(guān)鍵詞：多信號輸入；GO法；卡諾圖化簡法；可靠性；消防系統(tǒng)

中圖分類號：X913.4 文獻標志碼：A doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2015. 10. 027

0 引言

消防系統(tǒng)是集預警、防火、滅火功能于一身的綜合系統(tǒng)，其可靠性直接影響設(shè)備的風險水平。

成功流的方法（Go Oriented，即GO法）是以成功為導向的系統(tǒng)可靠性研究方法。20世紀60年代，美國Kaman科學公司首次提出利用該方法解決復雜系統(tǒng)的可靠性問題，后經(jīng)完善和發(fā)展，被廣泛應用于機械、航天、物流等領(lǐng)域。其中，杜玉龍、付建民等學者成功將GO法應用于消防系統(tǒng)，探討了GO法在消防系統(tǒng)可靠性研究中的適用性。

GO法適用于分析多狀態(tài)、有時序、有信號反饋系統(tǒng)的可靠性，可直接進行系統(tǒng)正常工作或故障概率定性定量分析，而不需事先求出最小割集‘6。引。系統(tǒng)中存在多信號輸入時，GO模型中會出現(xiàn)“或”門，導致系統(tǒng)的割集增多。GO法在遇到多信號輸入時，常用公式化簡法，該法要求熟練掌握邏輯代數(shù)的公式和定律，且步驟多，計算量大，易出現(xiàn)遺

漏或誤差。

卡諾圖法是由美國工程師卡諾（Karnaugh）提出的描述邏輯函數(shù)的化簡方法，基本原理是具有相鄰性的最小項可以合并，實現(xiàn)消去不同因子�？ㄖZ圖化簡法簡單、不易造成組合的遺漏或重復，能解決在事件不完全獨立的情況下帶來的計算誤差。丁少帥將卡諾圖化簡法引入GO法，簡化了尋找成功狀態(tài)組合的過程。

消防系統(tǒng)中許多元器件的啟動存在多信號輸入的情況，是分析消防系統(tǒng)可靠性時易出現(xiàn)誤差的環(huán)節(jié)。本文將卡諾圖化簡法引入GO運算，探討新GO模式在研究多信號輸入系統(tǒng)可靠性問題的適應性。

1 新GO模式的構(gòu)建

新GO模式是在傳統(tǒng)GO法基礎(chǔ)上引入卡諾圖化簡法，并將其局部應用于多信號輸入元器件的可靠性運算環(huán)節(jié)。

1.1 確定系統(tǒng)、邊界及成功準則

首先定義所研究的系統(tǒng)、明確分析目的、確定系統(tǒng)功能。

GO原理中，GO法適用于多狀態(tài)系統(tǒng)，這個多態(tài)是指多種成功狀態(tài)，而消防系統(tǒng)也是一個多態(tài)系統(tǒng)，但它的多態(tài)是指多種失效狀態(tài)，成功狀態(tài)只有一種，即正常啟動滅火。似乎有悖于GO原理，但若將消防系統(tǒng)末端噴頭有信號輸出即能滅火作為成功準則，則它的故障狀態(tài)就只有末端噴頭無法動作一種狀態(tài)，即符合GO原理。

明確系統(tǒng)后，要定義系統(tǒng)的邊界條件及成功準則。消防系統(tǒng)可靠性一般指系統(tǒng)自接到火災報警信號起，直至系統(tǒng)正常啟動滅火過程的可靠性，是指機械結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.2 繪制GO圖

即利用GO操作碼和信號流將系統(tǒng)原理圖“翻譯”成GO圖。

1.3GO運算

目前，消防系統(tǒng)要求定期檢測和維護，檢測和維護的資料是評估其可靠性的主要數(shù)據(jù)。

GO運算時，選用如下特征量作為消防系統(tǒng)的可靠性參數(shù)。

M TBF= 1/�

MTTR= 1/μ

111CT= MTBF+ MTTR

A=μ／（�+μ）

f =1/MCT

式中：�為故障概率，次/a；μ為維修率，次/h;MTBF( Mean Time Between Failures)為平均工作時間，h;MTTR( Mean Time To Repair)為平均維修時間，h；MCT( Mean Cycle Time)力平均壽命時間，h；A為平均工作概率，ƒ為單位時間平均周期數(shù)，次/a。

新GO模式的運算包括兩部分，即應用傳統(tǒng)GO運算規(guī)則計算一般信號流的概率和局部應用卡諾圖化簡法計算多信號輸入的信號流概率。

傳統(tǒng)GO運算規(guī)則指GO操作符的運算規(guī)則，下面介紹4種常用的操作符運算公式：

定義Pc為可修系統(tǒng)有效度，從而，l- Pc為可修系統(tǒng)無效度，μC為維修率，�c為故障率。穩(wěn)態(tài)可靠度分析時，i表示狀態(tài)值，1表示成功，2表示故障。各狀態(tài)的操作符參數(shù)為Pc(i)，�c(i)，μc(i)。�c、μC表示達到穩(wěn)態(tài)。

1)類型1 兩狀態(tài)單元

PR(1) =Ps(l)Pc(l)

PR(2) =Ps(2) +Ps(l)Pc(2)

�R =�s +�c

μR= �RPR(1)/PR(2)

2)類型2或門

PR(1) =1 -PR(2)

PR(2)=PSi(2)

�R= μR PR(2)/PR(1)

3)類型5單信號發(fā)生器

PR(1) =Pc(l)

PR(2)=Pc(2)

�R =�c

μR =μC

4)類型6有條件信號而導通的元件

PR(1) =Psi(l) PS2(1) Pc(l)

PR(2)=Ps2(2) +PSl(l)PS2(2)+Ps1(l)PS2(l)Pc(2)

�R =�s1+�S2 +�c

μR =�RPR(1)/PR(2)

局部應用卡諾圖化簡法是根據(jù)GO圖做出真值表，利用變量在卡諾圖中的分布規(guī)律將真值表用卡諾圖表示，在卡諾圖中找出最小項的相鄰項，并將表征相鄰最小項的相鄰小方格“圈”在一起進行合并，達到用一個簡單“與”項代替若干最小項的目的。根據(jù)“兩個相鄰最小項可以合并為一個與項并消去一個互反變量”的原理，求得GO圖中邏輯函數(shù)的表達式。

以兩變量函數(shù)為例，計算過程如下：

做兩變量真值表，如表1。

用卡諾圖表示真值表，并化簡。見圖1。

3)求取邏輯函數(shù)。

P(L)=PA1+PB1 – PA1PB1

1.4結(jié)果驗證與分析討論

比較新GO模式與事件樹運算的結(jié)果，分析卡諾圖化簡法對計算有多信號輸入元器件的系統(tǒng)可靠性的影響。根據(jù)運算結(jié)果，定性、定量分析消防系統(tǒng)可靠性。

2案例分析

預作用噴水滅火系統(tǒng)具有“管道內(nèi)平時無水、啟動后可迅速充水”的特點，在實踐中應用廣泛。同時，為保證預作用噴水滅火系統(tǒng)正常啟動，系統(tǒng)中給水泵的啟動由多種方式控制。筆者以該系統(tǒng)為例，對新GO模式的應用性進行探討。

2.1 預作用噴水滅火系統(tǒng)可靠性分析

預作用噴水滅火系統(tǒng)工作原理如圖2。

預作用噴水滅火系統(tǒng)的輸入是消防水箱，故水源用類型5操作符，輸出是噴頭噴水，只有成功和失敗兩種狀態(tài)，用類型1操作符。探測器動作信號、發(fā)現(xiàn)火情來自系統(tǒng)外部，用類型5操作符。電磁閥、預作用閥、給水泵可由多種方式啟動，只要一種方式成功，系統(tǒng)便能成功啟動，用類型2操作符。圖3為預作用噴水滅火系統(tǒng)GO圖。