introduzione
Il sistema idraulico presenta i vantaggi di grande potenza, dimensioni ridotte, leggerezza, risposta rapida, alta precisione e rigidità anti-carico. È spesso al centro del controllo e della trasmissione di potenza in tutti i tipi di apparecchiature e sistemi. Il sistema idraulico ha un alto tasso di guasto Se non trattato tempestivamente dopo il guasto, influirà sulla produzione, con conseguenti maggiori perdite economiche. Pertanto, lo studio della sua efficace analisi dell'affidabilità e dei metodi di diagnosi dei guasti sono spesso la chiave per essere perfetti nella tecnologia industriale [1].
Il metodo Fault Tree Analysis (FTA) consiste nello stabilire la relazione tra questi eventi in base alla relazione tra le cause dirette e indirette di guasto e guasto del sistema e determinare la causa del guasto del sistema Una varietà di combinazioni possibili, per stimare l'incidenza degli eventi di sistema e l'importanza dell'evento di fondo di un metodo analitico.
All'inizio degli anni '60, i Bell Labs utilizzarono per la prima volta il metodo FTA per prevedere il guasto casuale del sistema di controllo del lancio dei missili della milizia. Da allora, la Boeing degli Stati Uniti ha sviluppato un programma per computer FTA per migliorare la progettazione degli aerei. All'inizio degli anni '70, il Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha condotto un'analisi della sicurezza nucleare utilizzando FTA e analisi dell'albero degli eventi e ha concluso che l'energia nucleare è una fonte di energia molto sicura. La pubblicazione di questo rapporto ha suscitato grandi ripercussioni in vari campi e ha promosso il metodo di analisi dell'albero dei guasti, dall'energia aerospaziale e nucleare ai settori industriali dell'elettronica, dell'industria chimica e dei macchinari [2].
Attualmente, il metodo FTA è stato applicato a tutti i settori dell'economia nazionale, svolgendo un ruolo importante nel migliorare l'affidabilità e la sicurezza del sistema, e ha un'ampia gamma di prospettive di sviluppo [3]. FTA è diventato uno dei metodi efficaci per l'affidabilità, la previsione e l'analisi della sicurezza, l'analisi dei guasti e la diagnosi del sistema idraulico.
1 FTA tradizionale
1.1 caratteristiche di base
Basato sull'algebra booleana e sulla teoria della probabilità, FTA utilizza" eventi" per rappresentare le probabilità di guasto e le porte logiche"" per descrivere le relazioni tra i guasti dei componenti. L'evento è una descrizione dello stato del sistema e dei suoi componenti. Porte logiche comunemente usate e AND, OR, porte elettorali, porte proibite e porte XOR.
Il metodo FTA deve risolvere il taglio minimo fissato nell'analisi qualitativa e quantitativa. In base alla combinazione di porte logiche nell'albero dei guasti del sistema, la funzione di struttura viene scritta e la probabilità di occorrenza dell'evento superiore viene calcolata mediante elaborazione disgiunta per calcolare ulteriormente l'importanza di ciascun evento.
I set di taglio (set di strade) sono una raccolta di alcuni degli eventi di fondo nell'albero dei guasti. Gli eventi in alto devono accadere (non verificarsi) quando questi eventi in basso si verificano nello stesso momento (non si verificano). Se il set di tagli (insieme di strade) contenuto nell'evento di fondo viene rimosso arbitrariamente da un insieme di tagli (insieme di strade), tale insieme di tagli (insieme di strade) è l'insieme di tagli minimo (insieme di strade minimo).
Una funzione di struttura è una funzione booleana che rappresenta lo stato di un sistema. Se lo stato dell'evento principale del sistema utilizza le variabili di stato, la funzione di struttura è la fine della funzione delle variabili di stato dell'evento. In generale, quando viene fornito l'albero dei guasti, la funzione di struttura può essere scritta direttamente in base all'albero dei guasti. Tuttavia, l'espressione è complicata e lunga. Pertanto, nel calcolo vero e proprio, la funzione struttura è espressa dal set di taglio minimo o dal set di percorso minimo.
1.2 FTA nel sistema idraulico
La maggior parte dei sistemi idraulici può essere classificata come sistemi tandem. Gli alberi dei guasti sono spesso composti da porte OR. Il verificarsi di un singolo evento generalmente si traduce in un evento top [4]. Ma l'impianto vero e proprio non può partire semplicemente dal miglioramento dell'affidabilità di ogni componente idraulico, il che si tradurrà in uno spreco di tempo e risorse. Gli anelli deboli del sistema idraulico hanno un impatto significativo sull'affidabilità del sistema. L'affidabilità del sistema dipende dal fatto che la posizione degli anelli deboli e il grado di influenza siano previsti con precisione. Il metodo FTA può aiutare a scoprire le modalità di guasto del sistema e scoprire gli anelli deboli del sistema. L'analisi qualitativa e quantitativa e il calcolo della probabilità di guasto del sistema e altri indici di affidabilità sono forniti per fornire le basi per migliorare e valutare l'affidabilità del sistema idraulico [5].
Ad esempio, alcuni sintomi di guasto e fonti di guasto non sono una corrispondenza uno a uno, spesso con il fenomeno dello sfalsamento e della sovrapposizione, e la diagnosi del guasto è più difficile. Il metodo FTA identifica tutte le modalità di guasto dell'evento top cercando la causa dell'evento top e la combinazione di cause, che può aiutare a identificare potenziali guasti nel sistema idraulico al fine di guidare la diagnosi dei guasti e migliorare la progettazione e la manutenzione soluzione [6].
Il metodo FTA tradizionale presenta i seguenti difetti: in primo luogo, analizzando l'affidabilità del sistema, il metodo FTA tradizionale considera che la parte ha solo due stati di lavoro o guasto e non può effettuare una valutazione esatta dell'affidabilità del sistema. In secondo luogo, il metodo FTA tradizionale utilizza Basato sull'algebra booleana, è necessario conoscere con precisione la relazione tra la probabilità di guasto di una parte e l'evento di guasto, e il valore di probabilità di una parte richiede molti dati statistici per ottenere la probabilità valore. L'ambiguità ambientale e l'inesattezza dei dati influenzeranno la probabilità di occorrenza di parti e tratteranno la probabilità di occorrenza di parti come valore esatto, il che porta un grande errore nel calcolo quantitativo dell'albero dei guasti. Infine, quando l'albero dei guasti è semplificato, ci sono un gran numero di processi non intersecanti, il calcolo è molto vasto e talvolta è difficile ottenere il set di taglio minimo dell'albero dei guasti.
2 Fuzzy FTA
Il sistema idraulico è un complesso sistema non lineare di accoppiamento meccanico, elettrico e fluido. Le forme e i meccanismi di fallimento sono complessi e diversi. È difficile determinare con precisione la causa e il grado di guasto [7]. L'applicazione della teoria degli insiemi fuzzy al sistema idraulico FTA, non solo riflette la sfocatura della probabilità stessa, ma consente anche l'assegnazione di probabilità a un certo grado di errore, ma anche la scena ei dati sperimentali con l'esperienza di ingegneri e tecnici possono essere combinato, è possibile Può risolvere meglio l'ambiguità e l'incertezza della probabilità di guasto, ridurre la difficoltà di ottenere il valore esatto della probabilità di guasto e ha una maggiore flessibilità e adattabilità.
Il metodo FTA fuzzy oscura la probabilità di occorrenza di eventi di base nell'albero dei guasti, adotta i numeri fuzzy per sostituire i valori di probabilità esatti e utilizza ancora le porte AND e OR del tradizionale albero dei guasti, ma introduce l'operatore fuzzy, invece di l'operazione logica tradizionale, imposta la probabilità fuzzy di occorrenza dell'evento top e la sua distribuzione della funzione di appartenenza, e l'analisi quantitativa calcolando il grado di importanza fuzzy.
I numeri fuzzy sono le incertezze causate dalla sfocatura concettuale o dall'influenza di vari fattori fuzzy. I numeri sfocati descrivono i valori di probabilità e sottolineano il ruolo soggettivo delle persone nell'FTA. Esistono molte forme di numeri fuzzy, come numeri fuzzy triangolari, numeri fuzzy trapezoidali, numeri fuzzy LR, numeri fuzzy normali, numeri fuzzy dell'intervallo e valori della lingua [8]. Nella pratica ingegneristica del sistema idraulico, quando un gran numero di dati statistici, è possibile determinare l'esatta probabilità di occorrenza della probabilità di evento di fondo; quando la mancanza di dati statistici, in base alla situazione attuale da una varietà di numeri sfocati e valori linguistici per rappresentare e combinare sondaggio di esperti per valutare la probabilità di accadimento della fine dell'incidente [9]. Per facilitare l'accordo di libero scambio, dovrebbero essere normalizzate varie forme di probabilità di occorrenza dell'evento di fondo. Poiché il numero fuzzy trapezoidale è una funzione di appartenenza di distribuzione lineare a tratti, l'operazione algebrica è relativamente semplice. È intuitivo e facile convertire altre forme di numeri fuzzy in numeri fuzzy trapezoidali [10].
Il processo di utilizzo del principio di estensione per determinare la funzione di appartenenza della probabilità fuzzy dell'evento superiore è in realtà un problema di programmazione matematica, spesso incontra varie operazioni fuzzy, come l'aritmetica dei quattro numeri fuzzy. Per i sistemi complessi, la dimensione della funzione struttura Molto alta, la soluzione ottimale a un problema di programmazione incontra generalmente problemi di matematica. Quindi produrrà i risultati del calcolo fuzzy in grado credibile e credibile che è"" diffondibile; e i diversi tipi di calcolo incrociato probabilità fuzzy funzione di appartenenza e così via. Per questo motivo [11] ha adottato un metodo basato sull'operatore fuzzy di convoluzione, che ha portato alla graduale scomparsa dell'appartenenza al bordo del numero fuzzy in uscita. Trascurando gli elementi improbabili sul bordo, l'estensione dell'insieme di rami finiti potrebbe essere compensata efficacemente, cioè" diffusività" si restringe. Per risolvere il problema dell'accoppiamento di diversi tipi di probabilità fuzzy, Ref. [12] ha adottato il metodo per suddividere il grado di appartenenza al dominio di destinazione prima dopo il dominio di destinazione, quindi ha ponderato l'intersezione in base al principio esteso e sfocato l'operatore. In [13], viene adottata l'operazione di intervallo per ogni λ cutoff di numeri fuzzy equivalente al principio esteso. Prendendo diversi valori di λ, è possibile ottenere l'intervallo di probabilità di guasto del sistema con diversi livelli di confidenza.
A causa delle porte logiche tradizionali, il metodo FTA fuzzy di cui sopra deve ancora scoprire il meccanismo di errore e trovare la connessione dell'evento. In pratica, il meccanismo del fallimento e la connessione degli eventi sono spesso incerti. Inoltre, il diverso grado di guasto porterà conseguenze diverse, il tradizionale FTA fuzzy non può descrivere l'impatto del grado di guasto sul sistema. Per risolvere questi problemi, la letteratura [14] ha introdotto il modello fuzzy TS in FTA, ha descritto la probabilità di guasto dei componenti come probabilità fuzzy, ha descritto la relazione tra gli eventi come gate TS e ha descritto il grado di guasto come numero fuzzy, rispettivamente secondo la parte Possibilità di nebbia sfocata e grado di guasto Calcolare la probabilità sfocata di un evento sovraordinato. La letteratura [15] ha applicato questo metodo TS fuzzy FTA al sistema idraulico e ha ottenuto buoni risultati.
3 Analisi dell'importanza
L'importanza è un indice importante per l'analisi quantitativa dell'albero dei guasti. Può essere utilizzato non solo per l'analisi dell'affidabilità del sistema, ma può anche essere utilizzato nella progettazione di ottimizzazione del sistema e nel sistema di guida per la manutenzione e la diagnosi. L'importanza descrive il contributo all'evento principale in caso di guasto di un componente. Esistono principalmente tre tipi di importanza dell'albero di faglia tradizionale: importanza strutturale, importanza probabilità e importanza critica. L'importanza strutturale è definita come la proporzione dei vettori chiave del componente&nel numero totale di componenti chiave nei restanti componenti riflessa nell'importanza della posizione dell'evento nella struttura logica dell'albero dei guasti, indipendentemente dal probabilità di accadimento dell'evento sottostante. L'importanza della probabilità è definita come la derivata parziale della probabilità di occorrenza di un evento top alla probabilità di occorrenza di un evento bottom, che riflette il grado di influenza di ogni stato dell'evento bottom sullo stato del sistema. L'importanza critica è definita come il rapporto tra la velocità di variazione della probabilità di guasto di una parte e la velocità di variazione della probabilità di guasto dell'evento superiore da essa causato. Riflette anche l'influenza della probabilità dell'evento in basso sull'evento in alto e l'inaffidabilità dell'evento in basso.
La tradizionale analisi dell'importanza dell'albero dei guasti si basa sul presupposto a due stati, ma il sistema effettivo si manifesta spesso come una varietà di modalità di guasto e una varietà di livelli di guasto. Al fine di soddisfare i requisiti di affidabilità dei sistemi multistato, la letteratura [16] estende l'importanza dei tradizionali componenti del sistema a due stati ai sistemi multistato e presenta un sistema multistato basato su un evento orizzontale di sistema o un evento di stato La definizione generale di importanza strutturale e importanza di probabilità e il suo metodo di calcolo sono in accordo con l'importanza dei componenti del sistema a due stati.
Al fine di rivelare l'impatto degli stati dei componenti sullo stato stesso e sull'intero guasto del sistema multistato, la letteratura [17] basata sul presupposto che i componenti del sistema non possono essere riparati, divide le modalità di guasto in guasti di stato e guasti di transizione di stato, ampliando la tradizionale importanza probabilistica Metodo di analisi del grado e dell'importanza critica, l'importanza è equamente suddivisa in importanza dello stato e importanza del trasferimento.
Al fine di riflettere l'influenza dello stato critico e dello stato non critico di tutti i componenti sulla probabilità di guasto dell'intero sistema, la letteratura [18] ha proposto un concetto di probabilità di guasto equivalente e il suo metodo di calcolo, utilizzando il metodo di scomposizione della probabilità per analizzare tutti gli stati esistenti di componenti e sistemi, utilizzando il metodo della catena di Markov e la teoria della probabilità per calcolare il numero previsto di lavoro del sistema e quindi ottenere la probabilità di guasto equivalente.
Al fine di riflettere l'interazione di due componenti nel sistema sull'affidabilità del sistema, la letteratura [19] ha proposto il concetto di importanza congiunta, che è definito come il rapporto tra due componenti per migliorare l'affidabilità del sistema. L'importanza della struttura articolare riflette la relazione tra due componenti quando l'affidabilità non è valida. L'importanza dell'affidabilità congiunta riflette la relazione tra due componenti quando l'affidabilità è valida. Il riferimento [20] estende l'importanza congiunta di due componenti a più componenti e indaga la nozione dell'importanza dell'affidabilità condizionale quando le condizioni operative di un componente&# 39 sono note.
Quando un singolo elemento rappresenta una diversa modalità di guasto o non è valido, è necessario considerare tutti gli eventi di fondo rilevanti come una combinazione per determinare l'importanza dell'elemento. Per risolvere il problema di cui sopra, l'importanza differenziale viene proposta come metodo di sensibilità del primo ordine. Considerando l'interazione tra i componenti, la letteratura [21] ha proposto il grado di importanza differenziale del secondo ordine utilizzando l'importanza congiunta come informazione supplementare di secondo ordine.
In [22], vengono utilizzati due metodi di importanza basati su Fussell-Vesely, vale a dire l'importanza del componente e l'importanza del taglio, l'importanza del componente viene utilizzata per identificare il guasto del componente più probabile e l'importanza dell'importanza del taglio riflette il guasto del componente che la combinazione può causare I sintomi dei guasti del sistema sono generato, tenendo conto dei componenti stessi e del loro impatto sul sistema.
Soprattutto l'importanza è definita a livello di componente, per un albero dei guasti è il livello di evento di base, e per il livello di evento di porta, gli eventi di base in diversi eventi di porta possono essere ripetuti, rendendo la probabilità di guasto di ciascun evento Ha una certa rilevanza , la letteratura [23] fa derivare l'importanza dell'evento porta dall'importanza dell'evento di base.
Il metodo tradizionale di analisi dei gradi di importanza dell'albero dei guasti si basa sull'ipotesi di probabilità, il fuzzy e la casualità spesso esistono nei sistemi pratici, l'ipotesi di probabilità viene sostituita gradualmente dall'ipotesi di probabilità e il metodo di analisi dei gradi di importanza fuzzy nasce. Ad esempio, con l'ausilio della definizione del concetto di importanza tradizionale, cioè l'aspettativa matematica della differenza tra la probabilità fuzzy dell'evento top e lo stato di fallimento dell'evento bottom [24] La differenza tra il valore mediano dell'evento evento fuzzy e il numero mediano dell'evento principale nello stato normale [25]; il metodo della distanza di Hamming, che è la differenza tra le somiglianze tra la modalità di guasto effettiva e la modalità di guasto ideale [26].
Sulla base dell'importanza dell'albero di faglia tradizionale, la letteratura [27] ha proposto l'algoritmo di importanza dell'albero di faglia fuzzy TS e definito il grado di importanza della probabilità TS, il grado di importanza critica TS e il grado di importanza fuzzy TS, e ha verificato la fattibilità di questo algoritmo Sex. Questo metodo può essere considerato un metodo semplice e affidabile quando il tasso di fallimento è incerto o sconosciuto.
Ottimizzazione della diagnosi dei guasti basata su FTA
La conoscenza necessaria per diagnosticare il sistema idraulico dipende in una certa misura dall'esperienza pratica degli esperti del settore. Pertanto, il metodo esperto di diagnosi dei guasti del sistema svolge un ruolo importante nel sistema idraulico. L'acquisizione di conoscenza è riconosciuta come" collo di bottiglia" problema del sistema esperto. L'acquisizione della conoscenza viene realizzata utilizzando l'albero dei guasti. La relazione logica tra ogni guasto è chiara e le regole diagnostiche sono intuitive, il che riduce la difficoltà di acquisizione della conoscenza del sistema esperto. L'evento più in alto dell'albero dei guasti corrisponde al compito che deve essere analizzato e risolto dal sistema esperto. Un set di taglio minimo è il risultato finale. La relazione logica dell'albero dei guasti dall'alto verso il basso corrisponde al processo di ragionamento del sistema esperto. I rami corrispondono alle regole nella knowledge base, il numero di rami è uguale al numero di regole, la conoscenza nella knowledge base proviene dall'albero dei guasti.
Tuttavia, l'albero dei guasti tradizionale non favorisce l'archiviazione e il recupero del computer, specialmente quando il sistema idraulico è più complesso, l'archiviazione comunemente utilizzata occupa più spazio di archiviazione, il processo di recupero è complesso, la diagnosi non può essere dedotta rapidamente e non favorevole alla manutenzione del sistema. La struttura di archiviazione dell'albero binario e il processo di recupero è relativamente semplice, facile da esprimere e elaborare dal computer, l'albero dei guasti può essere trasformato in un albero binario per risolvere i problemi di cui sopra
