系統(tǒng)因素可靠性分析與實(shí)現(xiàn)

崔鐵軍，馬云東

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系統(tǒng)因素可靠性分析與實(shí)現(xiàn)

崔鐵軍1,2,3，馬云東3

(1 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2 礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000;3 大連交通大學(xué) 遼寧省隧道與地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心, 遼寧 大連 116028)

為了對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行全面分析，消除基于“人-機(jī)-環(huán)境”三方面可靠性分析結(jié)果的不兼容且不易疊加，以至于無法評判系統(tǒng)整體可靠性的問題，提出系統(tǒng)因素可靠性分析的思想.將使系統(tǒng)可靠性改變的“人-機(jī)-環(huán)境”原因作為因素考慮，進(jìn)而得到系統(tǒng)可靠性的統(tǒng)一表示方式.提出了作為系統(tǒng)因素可靠性分析方法所要滿足的三個條件：因素影響的兼容疊加性、定量分析性、動態(tài)適應(yīng)性.對空間故障樹SFT理論方法作為系統(tǒng)因素可靠性分析方法的可行性進(jìn)行了論證.結(jié)果表明SFT完全滿足作為該分析方法的三個條件.并簡要介紹了目前SFT所具備的方法和數(shù)據(jù)流.

安全系統(tǒng)工程；系統(tǒng)因素可靠性；空間故障樹；認(rèn)知與應(yīng)用

0 引言

系統(tǒng)可靠性分析是系統(tǒng)科學(xué)的最重要組成部分.目前的系統(tǒng)可靠性分析基本上從“人-機(jī)-環(huán)境”三個方面進(jìn)行確定.這樣劃分的主要目的在于可將相同的影響系統(tǒng)可靠性的原因進(jìn)行歸類，進(jìn)而進(jìn)行有差別的研究.例如機(jī)器子系統(tǒng)對系統(tǒng)可靠性影響一般情況下可以得到定量結(jié)果；而環(huán)境子系統(tǒng)得到的結(jié)果有時候無法定量，只能得到半定性半定量結(jié)果；人子系統(tǒng)一般情況下則只能得到定性結(jié)果，無法定量.但是這樣的劃分也帶來了由于各子系統(tǒng)的自身特點(diǎn)和相互影響及其疊加理論不清晰造成的系統(tǒng)全面可靠性無法確定的問題.

目前對于全面而又復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)得到了廣泛研究.徐曉濱[1]研究了不確定性信息處理的隨機(jī)集方法及在系統(tǒng)可靠性評估與故障診斷中的應(yīng)用；盧西偉[2]對城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)可靠性、疲勞損傷評估及維護(hù)維修方法進(jìn)行了研究；舒啟翀[3]針對復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)可靠性評價方法研究；覃慶努[4]對復(fù)雜系統(tǒng)可靠性建模、分析和綜合評價方法進(jìn)行了研究；張迎春[5]就機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性建模與預(yù)測方法研究；鄒青丙等[6]研究了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的CPS系統(tǒng)可靠性在線評估方法.但是對于上述問題仍無法很好的解決.究其原因在于這些方法沒有打破系統(tǒng)可靠性研究方面的劃分，“人-機(jī)-環(huán)境”三個方面所得到的系統(tǒng)可靠性研究結(jié)果無法有機(jī)疊加.同時也缺乏一種統(tǒng)一的方法來實(shí)現(xiàn)在不劃分這三個方面情況下的系統(tǒng)可靠性分析.所以這里引入因素的概念來表示影響系統(tǒng)可靠性的原因，將“人-機(jī)-環(huán)境”三個方面的影響均歸結(jié)為因素集合，進(jìn)而提出系統(tǒng)因素可靠性分析的概念.同時提供了空間故障樹SFT理論框架來作為可實(shí)現(xiàn)該分析的具體方法.最后對SFT可提供的功能進(jìn)行了簡述.

1 系統(tǒng)可靠性分析

我國科學(xué)家錢學(xué)森對系統(tǒng)的定義為：“把極其復(fù)雜的研究對象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成具有特定功能的有機(jī)整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分.可靠性[4]指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力.系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析涉及了一些可靠性特征量，這些特征量從不同的角度反映了系統(tǒng)的可靠性.

系統(tǒng)可靠性分析方法的基礎(chǔ)就是系統(tǒng)分析的觀點(diǎn)，即一種“由上而下”、“由總而細(xì)”的方法.它不著眼于個別單元的性能是否優(yōu)良，而是要求巧妙地利用單元間或子系統(tǒng)之間的相互配合與聯(lián)系，來優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能，以求得整體的最佳方案.

對于目前的研究，任何一個系統(tǒng)都包括三個部分，即操作系統(tǒng)的工作人員、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能所涉及到的硬件設(shè)備、以及系統(tǒng)運(yùn)行所處的環(huán)境.這三個部分構(gòu)成一個“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)，每一部分就是該系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，稱為人子系統(tǒng)、機(jī)器子系統(tǒng)和環(huán)境子和系統(tǒng)，他們從不同方面對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響.

(1)人子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)的安全與否涉及到人的生理和心理因素，以及規(guī)章制度、規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)、管理手段、方法等是否適合人的特性，是否易于為人們所接受的問題；

(2)機(jī)器子系統(tǒng)：對于該子系統(tǒng)，不僅要從工件的形狀、大小、材料、強(qiáng)度、工藝、設(shè)備的可靠性等方面考慮其安全性，而且要考慮儀表、操作部件對人提出的要求，以及從人體測量學(xué)、生理學(xué)、心理與生理過程有關(guān)參數(shù)對儀表和操作部件的設(shè)計(jì)提出要求；

(3)環(huán)境子系統(tǒng)：對于該子系統(tǒng)，主要應(yīng)考慮環(huán)境的理化因素和社會因素.理化因素主要有噪聲、振動、粉塵、有毒氣體、射線、光、溫度、濕度、壓力、熱、化學(xué)有害物質(zhì)等；社會因素有管理制度、工時定額、班組結(jié)構(gòu)、人際關(guān)系等.

系統(tǒng)本身構(gòu)造不出現(xiàn)故障的能力稱為結(jié)構(gòu)可靠性；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的精確程度要求稱為性能可靠性，他們合起來可稱為系統(tǒng)的狹義可靠性，即系統(tǒng)在使用期間沒有發(fā)生故障的性質(zhì).系統(tǒng)的廣義可靠性包括了狹義可靠性，還包括系統(tǒng)的維修性、有效性和耐久性.當(dāng)然目前的可靠性研究主要集中在狹義的機(jī)器子系統(tǒng)中研究，而對環(huán)境子系統(tǒng)和人子系統(tǒng)的研究較少.

之所以出現(xiàn)這種情況是由于各子系統(tǒng)的自身特點(diǎn)和相互影響及其疊加理論不清晰造成的.機(jī)器子系統(tǒng)最為簡單，獨(dú)立對其研究時研究條件和約束條件可控.況且硬件元件從設(shè)計(jì)制造開始就有明確的技術(shù)功能路線，確定其可靠性最為簡單.環(huán)境子系統(tǒng)研究難度其次，系統(tǒng)或元件可靠性受環(huán)境影響的研究要通過大量實(shí)驗(yàn).對系統(tǒng)工作環(huán)境的控制要更加困難，且難以保證可靠性變化對環(huán)境因素變化依賴的唯一性，多個環(huán)境因素對可靠性影響的作用難以分離.人子系統(tǒng)最為難以研究，所以目前的安全保障主要通過安全管理實(shí)現(xiàn).顯然安全管理的對象不是機(jī)器子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)，可見解決人的可靠性問題最為關(guān)鍵，也最為困難.

另一方面，就目前研究而言，如果對某一系統(tǒng)的上述三個方面同時進(jìn)行研究，那么在這三方面同時作用下，系統(tǒng)的可靠性如何變化也難以確定.現(xiàn)有的對于這三方面的影響系統(tǒng)可靠性的評價體系無法兼容，進(jìn)而導(dǎo)致了各自系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果無法疊加，造成了全面分析系統(tǒng)可靠性的困難.

綜上問題，應(yīng)該提出一種可以包含影響系統(tǒng)可靠性各方面原因的綜合可靠性分析方法或體系.這個方法或體系應(yīng)該使各方面的可靠性分析結(jié)果可以兼容疊加，進(jìn)而綜合反映系統(tǒng)可靠性；應(yīng)能基本上定量的反映系統(tǒng)可靠性，而不是定性反映，這也是進(jìn)行可靠性疊加的基礎(chǔ).可以在動態(tài)層面上分析系統(tǒng)可靠性，例如在原可靠性分析基礎(chǔ)上增加工作環(huán)境中溫度對可靠性的影響，或在系統(tǒng)中增加一個基本元件對系統(tǒng)可靠性的影響.

2 系統(tǒng)因素可靠性分析

現(xiàn)有對于系統(tǒng)可靠性分析主要從三個方面進(jìn)行，即人子系統(tǒng)、機(jī)器子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)，但是也可以有其他方面的影響.這些影響的實(shí)質(zhì)可歸結(jié)為使系統(tǒng)可靠性發(fā)生變化的原因，無論是人子系統(tǒng)的生理和心理因素；機(jī)器子系統(tǒng)的形狀、大小、材料、強(qiáng)度、工藝、設(shè)備的可靠性；環(huán)境子系統(tǒng)的理化因素和社會因素等.這些原因可統(tǒng)一為因素來對待，因素可以是系統(tǒng)操作者的心情、元件或設(shè)備的可靠性、系統(tǒng)工作溫度的變化等.因素是系統(tǒng)可靠性改變的原因，所以涉及到系統(tǒng)可靠性改變的都可作為因素研究.

系統(tǒng)因素可靠性分析可表述為：對引起系統(tǒng)可靠性變化的因素進(jìn)行分析，從而了解因素變化導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性變化的程度和特征；反之知道系統(tǒng)可靠性變化，得到引起變化的因素，進(jìn)而了解系統(tǒng)可靠性性能的分析方法.

這里的系統(tǒng)為人們使用的系統(tǒng)，實(shí)際上系統(tǒng)就是某事物對外界刺激做出反應(yīng)的白化表示.進(jìn)而找出系統(tǒng)邊界內(nèi)部因素與外界因素對應(yīng)的結(jié)構(gòu)化關(guān)系.所以系統(tǒng)也可以是人的思維活動等抽象事物.例如建立一個系統(tǒng)來反應(yīng)人們對某些概念的理解，比如喜好，興奮等概念.這種系統(tǒng)可靠性也是受到因素影響的，例如喜好一種事物受到個人的年齡、性別、經(jīng)歷等因素影響，通過對這些因素變化的分析可以了解該人喜好該事物的程度，即一種可靠性.所以更具一般性，系統(tǒng)因素可靠性分析具有廣泛意義.

因素的加入統(tǒng)一了系統(tǒng)可靠性分析中的影響可靠性的原因，任何原因都可以作為因素，進(jìn)而也就不用再區(qū)分人子系統(tǒng)、機(jī)器子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)，這樣便消除了影響系統(tǒng)可靠性原因的分類界線.接下來的問題在于如何找出一種方式能對于眾多因素影響下，綜合地、有機(jī)地、定量地得到系統(tǒng)可靠性.

3 SFT與系統(tǒng)因素可靠性分析

筆者2012年提出了空間故障樹(Space Fault Tree，SFT)理論[7-12]，目前可分為連續(xù)型空間故障樹(Continuous Space Fault Tree， CSFT)和離散型空間故障樹(Discrete Space Fault Tree， DSFT).前者對應(yīng)于從系統(tǒng)內(nèi)部研究整個系統(tǒng)可靠性的方法；后者是從系統(tǒng)外部了解系統(tǒng)可靠性的方法.

SFT理論認(rèn)為系統(tǒng)工作于環(huán)境之中，由于組成系統(tǒng)的基本事件或物理元件的性質(zhì)決定了其在不同條件下工作的故障發(fā)生概率不同，即系統(tǒng)完成功能的可靠性不同.基于SFT基本思想，對系統(tǒng)可靠性的分析不再糾結(jié)于系統(tǒng)中元件或子系統(tǒng)的基本事件發(fā)生概率，以及他們通過什么方式組成的系統(tǒng).而是著重于研究元件或子系統(tǒng)基本事件的發(fā)生概率與系統(tǒng)工作環(huán)境因素變化之間的關(guān)系，然后根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)造進(jìn)行有機(jī)疊加，從而了解系統(tǒng)可靠性與系統(tǒng)工作環(huán)境因素之間的關(guān)系.SFT是一種系統(tǒng)可靠性分析工具，其能得到定量的分析結(jié)果，且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、元件可靠性與環(huán)境因素對系統(tǒng)可靠性影響的耦合分析.下面論述SFT是否可作為系統(tǒng)因素可靠性分析的一種方法.

從系統(tǒng)因素可靠性分析和空間故障樹SFT的思想而言，兩者對系統(tǒng)可靠性分析的立足點(diǎn)相同，即影響系統(tǒng)可靠性的因素.作為系統(tǒng)因素可靠性分析的方法要滿足三個條件：因素影響的兼容疊加性、定量分析性、動態(tài)適應(yīng)性.

SFT具有因素影響的兼容疊加性.SFT的分析基礎(chǔ)是因素，確定各個因素對于某一元件可靠性影響的特征函數(shù)，在CSFT中特征函數(shù)來源于元件的設(shè)計(jì)階段或?qū)嶒?yàn)，在DSFT中來源于實(shí)際工作期間的故障狀態(tài)記錄數(shù)據(jù).使用特征函數(shù)一方面將各因素對于元件故障的影響統(tǒng)一到了可以進(jìn)行有機(jī)疊加的層面，也實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)因素可靠性分析的定量要求.而對于疊加應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化研究，可通過在CSFT下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時的元件與系統(tǒng)之間的構(gòu)造關(guān)系確定，也可以在DSFT下通過系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反分析得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對各因素影響系統(tǒng)可靠性的結(jié)果進(jìn)行疊加.

SFT具有定量分析性.由于SFT分析問題是基于特征函數(shù)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的表示，而特征函數(shù)是以定量形式表示的因素變化導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性的變化.所以SFT基于特征函數(shù)的分析均是定量的.即便在DSFT中一些分析方法無法使用特征函數(shù)，而使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，其結(jié)果也是定量的.

SFT具有動態(tài)適應(yīng)性.對于系統(tǒng)因素可靠性分析而言，動態(tài)是由于增加或減少了因素對系統(tǒng)可靠性造成影響的變化.而在SFT中這種增加或減少因素是通過調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完成的，進(jìn)而對動態(tài)改變后的系統(tǒng)進(jìn)行因素可靠性分析.

實(shí)際上，空間故障樹SFT中所述空間是將系統(tǒng)工作環(huán)境因素作為維度所形成的空間.當(dāng)各維度上因素值確定后，系統(tǒng)的可靠性就確定了.所以空間故障樹研究問題的基礎(chǔ)就是形成與環(huán)境因素數(shù)量相等的維度空間曲面，曲面作為因變量表示系統(tǒng)可靠性，而環(huán)境因素在空間維度上的值就是自變量.

綜上，空間故障樹SFT理論方法可作為系統(tǒng)因素可靠性分析方法之一.它滿足了該方法必備的三個條件.雖然目前SFT中并未涉及到人的因素，但是完全可以參照特征函數(shù)構(gòu)造的方法，構(gòu)建例如人的睡眠時間與人操作失誤的特征函數(shù)，進(jìn)而加入新因素改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行SFT分析.

以上論述證明了SFT完全符合系統(tǒng)因素可靠性分析方法的要求，可將SFT作為該方法進(jìn)行應(yīng)用.為節(jié)省篇幅，下面以流程圖的形式介紹SFT目前可以使用的功能和得到的結(jié)果，如圖1所示.

圖1 SFT的數(shù)據(jù)流及處理方法

圖1中給出了目前SFT框架可實(shí)現(xiàn)的功能和期間所處理的數(shù)據(jù)流.由于篇幅所限，具體方法實(shí)現(xiàn)請見文獻(xiàn)[7-12].系統(tǒng)因素可靠性分析方法是具有一定特征并滿足一些要求的方法.目前可作為系統(tǒng)因素可靠性分析的方法較少且功能單一，更未能達(dá)到形成方法體系的要求.筆者提出的SFT理論框架剛好滿足了系統(tǒng)因素可靠性分析方法的要求，可作為系統(tǒng)因素可靠性分析的方法之一進(jìn)行研究和應(yīng)用.

4 結(jié)論

將影響系統(tǒng)可靠性的原因作為因素考慮，消除了原有可靠性分析時人子系統(tǒng)、機(jī)器子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)的分類界線.避免了分別研究情況下所得結(jié)果難以疊加融合等缺點(diǎn).并論證了將空間故障樹SFT作為該分析方法的具體實(shí)現(xiàn)可行性.主要結(jié)論如下：

(1)論述了目前系統(tǒng)可靠性分析中的問題.可靠性研究集中在機(jī)器子系統(tǒng)，而對環(huán)境子系統(tǒng)和人子系統(tǒng)的研究較少.這種情況是由于各子系統(tǒng)的自身特點(diǎn)和相互影響及其疊加理論不清晰造成的.對于這三方面的影響系統(tǒng)可靠性的評價體系無法兼容，進(jìn)而導(dǎo)致了各自系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果無法疊加，造成了全面分析系統(tǒng)可靠性的困難；

(2)提出了系統(tǒng)因素可靠性分析方法.系統(tǒng)因素可靠性分析可表述為：對引起系統(tǒng)可靠性變化的因素進(jìn)行分析，從而了解因素變化導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性變化的程度和特征；反之知道系統(tǒng)可靠性變化，得到引起變化的原因，進(jìn)而了解系統(tǒng)可靠性性能的分析方法.提出了可作為系統(tǒng)因素可靠性分析的方法要滿足三個條件：因素影響的兼容疊加性、定量分析性、動態(tài)適應(yīng)性；

(3)論證了空間故障樹SFT理論框架作為系統(tǒng)因素可靠性分析方法的可行性.從方法要滿足的三個條件進(jìn)行了可行性論證.并簡要介紹了目前SFT所具備的方法和數(shù)據(jù)流.

[1]徐曉濱. 不確定性信息處理的隨機(jī)集方法及在系統(tǒng)可靠性評估與故障診斷中的應(yīng)用[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

[2]盧西偉. 城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)可靠性、疲勞損傷評估及維護(hù)維修方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3]舒啟翀. 復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)可靠性評價方法研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2014.

[4]覃慶努. 復(fù)雜系統(tǒng)可靠性建模、分析和綜合評價方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2012.

[5]張迎春. 機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性建模與預(yù)測方法研究[D]. 淄博: 山東理工大學(xué),2010.

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[8]崔鐵軍,馬云東. 空間故障樹的徑集域與割集域的定義與認(rèn)識[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報,2014,24(4):27-32.

[9]崔鐵軍，馬云東. 宏觀因素影響下的系統(tǒng)中元件重要性研究[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識, 2014,44(18):124-131.

[10]崔鐵軍,馬云東. 基于多維空間事故樹的維持系統(tǒng)可靠性方法研究[J]. 系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，2014,34(6)：682-692.

[11]崔鐵軍, 馬云東. 考慮范圍屬性的系統(tǒng)安全分類決策規(guī)則研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(11):6-9.

[12] 崔鐵軍, 馬云東. 考慮人因失誤和狀態(tài)檢修的事故鏈?zhǔn)侥Ｐ脱芯縖J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2014,24(8):37- 42.

System Reliability Factors Analysis and Realization

CUI Tiejun1,2,3， MA Yundong3

(1 College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2. Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disasters and Control of Ministry of Education, Fuxin 123000, China; 3. Tunnel & Underground Structure Engineering Center of Liaoning, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

In order to analyze the reliability of the system comprehensively, eliminating the problem that can′t judge the reliability of the overall system, because the results of reliability analysis are compatible and combination considering the three aspects of people-machine-environment, the system reliability factor analysis is proposed, and a unified representation of system reliability is obtained. The three conditions are proposed to meet the system factor reliability analysis, including the factors affecting compatibility and combination, quantitative analytical and dynamic adaptability. Feasibility to the space fault tree (SFT) theory as a method for the system factor reliability analysis is demonstrated. The results show that the SFT satisfies the three conditions of the analysis method, and the current SFT possess methods and data streams are briefly described .

safety systems engineering; system factors reliability; space fault tree; cognition and application

1673- 9590(2016)02- 0094- 05

2015- 04-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61350003)

崔鐵軍(1983-)，男，博士，講師，從事安全理論、數(shù)值模擬、算法的研究E- mail:ctj.159@163.com.

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