基于JAVA的故障树分析软件研究与实现.doc

1、 - 1 - 目 录 摘要 . - 3 - ABSTRACT . - 4 - 第一章 绪论 . - 4 - 1.1 论文的意义 . - 4 - 1.1.1 课题的背景及意义 . - 4 - 1.1.2 本课题研究内容 . - 6 - 1.2 故障树分析法简介 . - 6 - 1.3 故障树分析中存在的问题 . - 8 - 第二章 故障树分析法研究 . - 8 - 2.1 常用的故障树术语及符号 . - 8 - 2.2 故障树的建造 . - 9 - 2.2.1 建树方法 . - 9 - 2.2.2 建树步骤 .- 10 - 2.2.3 建树规则 .- 11 - 2.3 故障树的定性分析 .- 1

2、1 - 2.3.1 割集与最小割集 .- 11 - 2.3.1.1 割集与最小割集概念 .- 11 - 2.3.1.2 最小割集的计算方法 .- 12 - 2.3.2 路集与最小路集 .- 13 - 2.3.2.1 路集与最小路集概念 .- 13 - 2.3.2.2 最小路集的计算方法 .- 13 - 2.4 故障树的定量分析 .- 14 - 2.4.1 顶事件的发生概率计算方法 .- 14 - 2.4.2 重要度计算方法 .- 15 - 2.5 故障树的 NP 问题 .- 16 - 2.5.1 NP 问题的相关概念 .- 16 - 2.5.2 降低 NP 问题的方法 .- 16 - 2.5.

3、3 转移事件 .- 18 - 第三章 故障树分析软件的设计 .- 19 - 3.1 软件的总体设计 .- 19 - 3.2 软件的界面设计 .- 20 - 3.2.1 FTA 窗口的介绍及使用 .- 20 - 3.2.2 PED 窗口的介绍及使用 .- 21 - 3.3 软件主要功能的实现 .- 22 - - 2 - 3.3.1 界面实现的重要类 .- 22 - 3.3.2 功能实现的重要方法 .- 23 - 第四章 软件演示 .- 26 - 4.1 故障树的绘制 .- 26 - 4.2 定性分析 . - 27 - 4.3 定量分析 .- 28 - 第五章 结论 . 错误 !未定义书签。 参考

4、文献 .- 30 - 致谢 . 错误 !未定义书签。 - 3 - 摘要 系统故障树分析，始于上世纪 60 年代，简称 FTA(Fault Tree Analysis)，是系统可靠性工程学的重要分支，现己成为系统可靠性和可用性常用预测方法之一，是目前国内外公认的评价复杂系统可靠性与安全性的一种实用方法，广泛地应用于工程实践中。故障树分析法通过把可能造成系统故障 (顶事件 )的各种因素(底事件 )进行分析，确定发生故障的各种组合，计算相应的概率，找出纠正措施，从而提高系统的可靠性。近年来，由于计算机 技术的不断提高，使得 FTA 也得到了不断发展。借助计算机来研究快速的大规模的 FTA 算法及软件

5、成为可靠性分析人员的一个新的研究热点。但 FTA 中的组合爆炸困难（ NP 问题）、可视化软件开发、大型故障树绘制等问题都还有待更进一步的研究。本文就以上这些问题开展了分析研究工作。 本文详细阐述了故障树计算机辅助分析基本原理， 首先 研究了故障树最小割集、最小路集、不交化最小割集、不交化最小路集间的相互转化规律，重要度的计算方法， 然后介绍了如何 采用转移事件和早期不交化来处理故障树的 NP(组合爆炸 )问题，及如何通过转移事件实现 大型 故障树的绘制和输出。 最后 使用JAVA+C 语言研制了 WINDOWS 操作系统下的故障树分析软件，经过对多种故障树实例的测试，能够满足微机上进行大型故

6、障树的分析要求。该软件具有界面友好，操作简便，节省内存，运算快等优点。 关键词 :故障树分析方法，最小割集，重要度， NP 问题 , JAVA - 4 - Implement and research on analysis of large-scale fault tree software basesd on JAVA ABSTRACT FTA (Fault Tree Analysis) beginning from 1960s， an important branch in systems reliability engineering, is an important method t

7、o evaluate the reliability and usability of system， is a common practical technique used in evaluating reliability and safety for large-complex systems at home and abroad presently. Fault tree analysis may be caused by the fault (top events) of various factors (at the end of incident) for analysis t

8、o determine the failure of various combinations, the corresponding probability calculation to identify corrective measures to improve the reliability of the system. In recent years， With gradual advancing techniques in computer, FTA is in a state of sound development.It has become a new hot research

9、 for reliability analyzer to study rapid and large-scale FTA algorithm and software by usingcomputer. But problems of combinatorial explosion that computational complexity increases with the size of fault tree by exponential growth, visual software developed and Drawing large fault treeare awaiting

10、to be further researched。 This paper gives an elaborate study on these problems. Computer-aided FTAtheory has been expounded in this paper. Whats more the reciprocal transformation rule for main parameters in FTA has been studied, the method of calculating of important ， Also applying transfer-event

11、 and disjoint method for the NP problem of fault tree quantitative analysis is presented here. The transfer-event has been applied to solve the drawing and outputting of large-scale fault tree.By use of java and c language, a FTA software has been successfully developed for fault tree qualitative an

12、d quantitative analysis. Through testing many examples of fault trees, sound ability to meet the demand of microcomputer for large-scale fault tree analysis. the software has advantages of friendly interface, convenience,saving memory and rapidity. Key Words:fault tree analysis ,minimal cut sets ,im

13、portance ,NP ,JAVA 第一章 绪论 1.1 论文的意义 1.1.1 课题的背景及意义 故障树分析 (Fault Tree Analysis FTA)是分析系统可靠性与安全性的重要方法之一。该方法通过把可能造成系统故障 (顶事件 )的各种因素 (底事件 )进行分- 5 - 析，确定发生故障的各种组合，计算相应的概率，找出纠正措施，从而提高系统的可靠性。 所谓可靠性是指产品在规定地条件下和规定地时间内完成规定功能地能力。故障树分析法是 一种评价复杂系统可靠性与安全性的重要方法，它是可靠性工程的重要分支，是目前国内外公认的对复杂系统安全性、可靠性分析的一种实用的方法。 1961 19

14、62年，美国贝尔电话实验室的沃森和默恩斯在民兵导弹发射控制系统的设计中，首先使用 FTA对导弹的随机失效问题做出了预测。 1974年美国原子能研究会发表了麻省理工学院拉斯穆森教授为首的安全小组所写的“商用轻水堆核电站事故危险性评价”的报告，该报告所采用的就是美国国家航空部与美国国防部在上世纪 60年代发展起来的事件树分析法 (Event Tree Analysis ETA)和FTA。这一报告的发表在各个方面引起很大反响，并使 FTA从航空、核能推广到了电子、化工和机械等工业部门。 作为产品质量最为重要的特征，可靠性贯穿产品的整个寿命周期。产品的质量与可靠性水平是一个国家经济实力的重要标志，随着

15、故障树分析方法越来越重要，所分析的系统复杂性加大，系统所含的部件也同时大量增加，人工手算已经不能很好胜任，必须编制相应的计算机辅助程序进行分析，由计算机进行辅助计算。国内外己经出了不少的 FTA分析程序与软件，美国、德国和日本在 FTA的研究中，站在世界发展的前列。美国针对 FTA的分析任务， 研制出一系列功能各异的故障树分析计算机程序 :如 PREP/MOCUS,AL-LCUTS等定性分析程序， KITT, PRANTIC等定量分析程序。德国的 RISA程序也是用于 FTA的定量分析，日本、英国则把 FTA技术和可靠性设计广泛用于民用产品的生产中，特别是日本在电子产品、精密机械、汽车工业等领

16、域中成功运用了包括 FTA在内的一系列可靠性设计、分析手段，使其产品质量显著提高，增加了经济效益，赢得了广阔的信誉和市场。 经过近四十年的发展， FTA技术己经有相对成熟的理论，并在许多领域内得到广泛应用。利用 FTA可以对 系统的可靠性进行定性分析和定量计算，求出系统的所有失效模式组合，确定系统中关键部件和重要度，反过来又可以帮助设计人员进行系统的可靠度分配等设计工作。结合国内外对故障树的研究现状，其应用研究主要体现在如下几个方面 :故障树分析方法的集成化，计算机辅助故障树分析，模糊故障树分析法，基于 FTA的故障分析专家系统，基于网络的 FTA等方法及应用的研究。 国内外已经研制出一系列功

17、能各异的故障树计算机程序，这些程序大都是用FORTRAN语言编写。当前国内故障树分析软件中，比较有代表性的有西安电子科技大学研究开发的和国防科技 大学 ART重点实验室开发的故障树分析软件。但这些软件共同的不足之处就是建造故障树时操作繁琐，需要输入的信息很多，对于大型故障树进行分析时这些输入信息将是众多的，而且它们多是只考虑了一般的- 6 - 与门和或门的输入，而没有考虑冗余系统的分析，更没有对共因失效进行分析。为提高 FTA的效率，完善 FTA的功能，国内外研究者作了大量工作。特别对于 NP问题，提出了简化 FTA的“三早”理论 :早期逻辑简化 (布尔简化 )、早期模块分解和早期不交化，并且

18、取得了一定的成效。也需要我们去不断的完善，才能使大型故障树软件更加的有效率。 1.1.2本课题研究内容 本课题主要研究了故障树分析的基本方法，对 NP问题和不交化的问题进行了分析，从故障树的参数 (最小割集、最小路集、不交化最小割集和不交化最小路集 )之间的相互转换关系出发，寻求高效、简便的新算法，并且研究了在 JAVA下故障树的如何建造，从而在图形界面下实现故障树的自动建造 ;同时完成故障树定性和定量分析。其主要研究内容包括以下几个方面 : 1. 对故障树分析法进行了介绍，阐述了故障树分析方法的基本特点和步骤，系统介绍故障树的建树步骤和方法，重点分析故障树定性分析和定量分析的算法原理，特别介

19、绍寻找故障树全部 最小割集和最小路集的方法等，最后讨论FTA的 NP问题及其解决措施 ; 2. 介绍基于 JAVA的故障树分析软件的开发与代码编写，并通过示例介绍其主要功能及使用方法。 3. 研究故障树分析算法及故障树分析软件在安全分析、故障诊断等领域的具体应用。 4. 最后，对所述研究工作进行总结，并对有关研究工作的进一步开展作设想和展望。 1.2 故障树分析法简介 故障树分析法，简称 FTA ( Fault Tree Analysis )，是在一定条件下用逻辑推理的方法，即通过对可能造成系统故障的各种因素 (包括硬件、软件、环境、人为因 素 )进行分析，由总体至部分，按树枝状结构，自上而下

20、逐层细化，画出逻辑框图即为故障树，从而确定系统故障原因的各种组合方式和发生概率，并采取相应的改进措施，提高系统的可靠性的分析方法。 故障树分析把系统不希望发生的事件作为故障树的顶事件，用规定的图形符号 (事件符号与逻辑符号，包括“与门”和“或门” )来表示，找出导致这一不希望发生事件所有可能发生的直接因素 (包括硬件、软件、环境、人为因素 ) 和原因，它们是处于过渡状态的中间事件，并由此逐步深入分析，直到找出事件的基本原因，即故障树的底事件为止。这些底事件数据是已知 的，或者已经有过统计或试验的结果。 用相应的代表符号及逻辑们把顶事件、中间事件、底事件连接成树形逻辑图，责成此树形逻辑图为故障树

21、。故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因- 7 - 果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。 如图 1-1所示： 图 1-1 故障树图 FTA 分析的过程，是对系统深入认识的过程，它要求分析人员要把握系统的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度，以便在分析 过程中发现并及时解决问题，从而提高系统可靠性。 FTA 有以下的特点： 1. 灵活性。不局限于对系统可靠性做一般分析，而是可以分析系统的各种故障状态。 2. 图形演绎。是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。可以围绕某些特定的故障状态做层层深入的分析，在清晰的故障树图形下，表达了系统内在联系，并指

22、出元部件故障与系统故障之问的逻辑关系，找出系统的薄弱环节。 3. 通过故障树可以定量地计算复杂系统的故障概率及其他重要度，为改善和评估系统可靠性提供定量数据。 它的分析过程如图 1-2 所示： - 8 - 图 1-2 故障树分析过程 1.3 故障树分析中存在的问题 从故障树分析技术的理论及应用情况来看，国内外都取得了丰硕的成果，但是至今仍然存在着一些不足之处 : 1. 建树困难。主要由于缺乏既能熟练使用 FTA 技术又具有丰富经验的工程技术 人员，特别是对于大型复杂系统，建树的复杂性加剧。 2. 失效数据具有不易收集、不易应用或无法应用的不完全性，而且在故障树的分析过程中容易倏忽或遗漏信息。

23、3. 当故障树中出现重复、共因事件、相依事件、多态事件时，通常不易处理。 4. NP困难及 其算法复杂性仍是 FTA 中面临的重大课题，计算量随着故障树规 模扩一大而巨增，产生所谓的“组合爆炸”问题，是 FTA 中有待解决的一大难题。 5. 在计算机处理方面，适合微机使用的 FTA 软件较少，有待进一步开发应用， 特别是解决大型复杂故障树的分析软件更是不多见或者效率不高。 6. FTA 技术在实际工程中的应用有待加强，所适合的领域有待扩展。 第二章 故障树分析法研究 2.1 常用的故障树术 语 及符号 故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事

24、件之间的因果关系。 选择合理的顶事件 建造故障树 故障树定性分析 故障树定量分析 解决问题，提高系统可靠性 发现存在的问题 - 9 - 类别 符号 名 称 定义 事 件 符 号 顶事件 顶事件就是所分析系统不希望发生的事件，它位于故障树的顶端，因此它总是逻辑门的输出而不可能是任何逻辑门的输入。 中间事件 除了顶事件外的其他结果事件均属于中间事件，它位于顶事件和底事件之间，它是某个逻辑门的输出事件，同时又是另一个逻辑门的输入事件。 底事件 位于故障树底部的事件称为底事件，它总是 所讨论故障树中某个逻辑门的输入事件，它在故障树中不进一步往下发展。 未探明事件 原则上应进一步控明其原因但暂时不必或暂

25、时不能探明其原因的事件 .它又代表省略事件 ,一般表示那些可能发生 ,但概率值微小的事件 ;或者对此系统到此为止不需要再进一步分析的故障事件 ,这些故障事件在定性分析中或定量计算中一般都可以忽略不计 。 条件事件 是描述逻辑门起作用的具体限制的事件 。 开关事件 在正常工作条件下必然发生或必然不发生的事件 ,当房形中所给定的条件满足时 ,房形所在门的其它输入保留 ,否则除去 .根据故障要求 ,可以是正常事件 ,也可以是故障事件 。 逻辑门符号 与门 表示仅当所有输入事件同时发生，门的输出事件才发生。故障树中 n 个底事件由与门连接，则等同于逻辑图中的 n 个单元并联。 或门 表示所有输入事件中

26、，至少有一个输入事件发生时，门的输出事件发生。故障树中 n 个底事件由或门相连接，则等同于逻辑图中的 n 个单元串联。 异或门 表示或门中输入事件是互斥的，即当单个输入事件发生时，其他都不发生，则输出事件才发生。 禁门 当禁门的条件存在时，输入禁门的事件同时发生才会导致禁门的输出事件发生。 优先与门 当按优先与门的优先顺序发生时，才会导致优先与门的输出事件发生。 转移符号 转入 说明在图上不宜直接相连重复的相同的树与树之间的连接关系，也可以表示规模较大树的转页。 转出 说明在图上不宜直接相连重复的相同的树与树之间的连接关系，也可以表示规模较大树的转页。 表 2-1 故障树常用符号 上表详细描述

27、了故障树分析中的常用符号。 2.2 故障树的建造 2.2.1 建树方法 故障树的建造是 FTA 法的关 键，建树完善与否直接影响定性分析和定量计算- 10 - 结果是否正确。整个建树过程是工程技术人员对系统的分析思考过程，实际上建树过程常常是一种反复的过程，通过不同角度的建树过程，使分析人员进一步得到系统各种信息而更加熟悉系统，可以帮助设计人员判明潜在故障，以便改进设计，改进运行和维修方案。分析人员应广泛吸取和掌握设计、使用等方面的知识和经验，对系统进行仔细、透彻地分析，多次讨论、修改，将会使建造的故障树更完善。 目前 虽然 还没有一种有效的统一建树方法，但通常采用的是以下一些常用的方法 :

28、1. 演绎法建树：该法是先选定系统中不希望 发生的故障事件为顶端事件，其后第一步是找出直接导致顶端事件发生的各种可能因素或因素组合，如硬件故障、软件故障、环境因素、人为因素等。第二步再找出第一步中各因素的直接原因。循此方法逐级向下演绎，一直追溯到引起系统发生故障的全部原因，即分析到不需要继续分析原因的底事件为止。然后，把各级事件用相应的符号和适合于它们之间逻辑关系的逻辑门与顶事件相连接，就建成了一棵以顶事件为根，中间事件为节，底事件为叶的具有若干级的倒置故障树。 2. 合成法建树：合成法的思想是 :通过计算机程序将一些分散的小故障树按一定的分析要求自动地画成 分析人员所要求地故障树。其步骤是

29、:根据每个部件地失效模式建立对应地部件失效传递函数 ;输入系统地原理图和边界条件 ;根据故障事件地类别由计算机进行相应地处理 :第一类故障事件作为顶事件，第二、三、四类由部件失效传递函数库寻找相应地小故障树 :进行编辑，程序输出就是对应地故障树。 2.2.2 建树步骤 首先，分析系统各个组件的功能、结构、原理、故障状态、故障因素及其影响等，并作深刻透彻的了解，确定一个不希望的顶事件，由此开始，逐级找出各级事件的全部可能的直接原因，并用故障树的符号表示各类事件及逻辑关系，直至分析到各类底 事件为止。建树的一般步骤如下： 1. 熟悉系统并收集相关资料 ,在对一个系统进行故障树分析之前，分析人员首先必须熟悉系统，对系统的功能、结构、原理、故障状态、故障因素及其影响等作深刻透彻的了解，并收集有关系统资料，然后对这些资料进行研究，鉴别找出导致系统顶事件的部分， 建树的基础工作。 2. 确定顶事件 ,顶事件可以根据我们的研究对象来选取，通常顶事件是指系统最不希望发生的故障事件，为了能够进行分析，顶事件应该具有以下的特点： 顶事件必须有明确的定义。 能够定量评定。 能进一步分解出它发生的原因。