故障樹分析智能教學平臺的設計與開發

蔡舒妤

摘 要：故障樹分析方法是系統可靠性工程學的重要分支作為一種評估復雜系統的實用方法，在飛行器制造工程專業的課程體系之中多有涉及。該文根據教學改革創新的實際，設計并實現了由計算機輔助的故障樹分析方法智能網絡教學平臺。通過對故障樹繪制生成方法以及協同建樹方法的研究，實現了多用戶的故障樹可視建立過程；通過提取故障樹結構完整性規則，保證故障樹結構邏輯合理；通過定性定量分析算法，實現故障樹的智能分析。該平臺彌補了傳統教學方式的不足，為提高課程教學質量提供了支持。

關鍵詞：故障樹分析法 協同建樹 可視化 智能教學平臺

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0006-02

故障樹分析方法，簡稱FTA（Fault Tree Analysis），是系統可靠性工程學的重要分支作為一種評估復雜系統的實用方法，通過故障樹分析方法對飛機某一系統的某一故障進行可靠性與安全性的定量定性分析，在飛行器制造工程專業的課程體系之中多有涉及。

然而，飛機系統復雜性高，各個系統所含部件眾多，傳統手工建樹及分析過程難度較高，工作量較大，在教學中以飛機某系統或某部件為案例進行講解分析耗時較長，難以滿足教學學時要求，同時學生動手實踐的機會較少，影響了學生對故障樹分析法完整全面的理解和應用。借助專業的軟件平臺實現故障樹分析不失為一個行之有效的解決方案。

1 國內外研究現狀

國內外對FTA分析程序與軟件的研究日趨廣泛。美國針對FTA的分析任務，研制出一系列功能各異的故障樹分析計算機程序，如PREP/MOCUS、AL-LCUTS等定性分析程序，KITT/PRANTIC等定量分析程序。德國的RISA程序用于FTA 的定量分析，日本、英國則把FTA技術和可靠性設計廣泛應用于民用產品的生產中，使其產品質量顯著提高，增加了經濟效益，贏得了廣闊的信譽和市場。

我國FTA技術引進較晚。清華大學核能技術研究所研制了MFFTAAP多功能故障樹，航空航天部502研究所將R.R.WILLE的FTA程序消化移植到計算機上，便于推廣應用。西安電子科技大學研究開發的和國防科技大學ART 重點實驗室開發了故障樹分析軟件。

當前故障樹輔助分析軟件系統的不足之處有：故障樹建立操作繁瑣，輸入信息較多；僅提供與門、或門等基本邏輯門的支持；沒有考慮冗余系統的分析，更沒有對共因失效進行分析。此外，可視化水平不高、應用領域固定、購買軟件成本高等也是這些軟件難以應用于教學的主要原因。

因此，為了滿足教學的需要，加深學生對于飛機可靠性分析方法與過程的認識和理解，對故障樹分析智能教學平臺進行設計，將故障樹協同建立、數據模型管理、定量定性分析、運算結果存儲等功能集成于一體，通過“所見即所得”的可視化建樹過程和智能數據分析，實現對飛機系統的智能完整的故障樹分析過程。

2 故障樹分析智能教學平臺的需求分析

2.1 可視化協同建樹方法

通過引入“所見即所得”的可視化模式，實現多人參與的故障樹模型協同建立。通過對故障樹基本元素的分析，定義事件符號、邏輯門符號等基本元素符號的屬性和邏輯含義，使故障樹的描述清晰直觀；設計故障樹基本元素的表示方式和存儲結構，為后續分析過程提供準確有效的數據支持；同時考慮使用人員的建樹思路和操作習慣以及多人參與的協同機制，使故障樹建立過程方便快捷。

2.2 故障樹分析中的NP（Non-deterministic Polynomial）問題

在故障樹的定性定量分析過程中，都存在著組合爆炸問題，即NP問題。它的產生是由于在進行故障樹分析中，算法遍歷所有可能的解決方案以保證分析結果正確而導致的。系統將引入計算復雜性相關理論，通過早期邏輯簡化、早期模塊分解和早期不交化等方法，降低NP問題發生的可能性。

3 故障樹分析智能教學平臺的設計

立足教學質量提升及課程改革創新的需要，對故障樹分析法的教學需求進行分析，故障樹分析智能教學平臺功能架構如圖1所示。

（1）系統管理功能，涵蓋了對系統用戶及權限的管理，其中包含如下子功能：

用戶管理，系統能夠對使用者的信息進行管理，實現添加、修改、刪除用戶，并可以對用戶分配角色，將不同的功能權限授予不同的用戶，用戶無法看到和使用不具備的功能。

權限管理，系統能夠對系統權限信息進行管理，實現權限的添加、修改和刪除。

角色管理，系統能夠對系統角色信息進行管理，實現角色的添加、修改和刪除，并可以對角色進行權限分配。

日志管理，系統記錄用戶的使用情況。自用戶登錄開始到退出整個過程進行跟蹤記錄，以記錄用戶的操作內容。

（2）項目管理模塊，支持項目的創建、打開、保存和關閉操作。

（3）故障樹建立模塊。定義故障樹基本元素控件，提供界面友好、操作簡單的可視化故障樹模型建立的人機交互接口；設計協同機制，實現多名使用人員共同參與的故障樹建立過程；對建立的故障樹進行完整性檢測，確保故障樹滿足其邏輯規則；此外，規范故障樹存儲結構，為后續定性定量分析提供統一高效的數據存儲。

（4）定性分析模塊，提供故障樹最小割集、最小路集等定性分析的多種算法，可對平臺中建立的故障樹快速完成定性分析。

（5）定量分析模塊，提供故障樹頂事件概率、底事件重要度等定量分析的多種算法，實現對平臺中故障樹快速準確的定量分析。

（6）分析報告模塊，當故障樹建立及分析過程完成后，可生成故障樹及分析結果的報告，并上傳至服務器或保存至本地。

（7）技術報告管理功能，提供對分析報告的查看和下載功能。

（8）文件管理功能，實現系統相關文檔的添加、修改和刪除功能，并能夠上載、下載相應的文件。

（9）搜索功能，實現了對系統中的文件、報告信息的各項數據內容的搜索。

（10）幫助功能，提供使用系統的幫助信息。

性能上，系統能有效、快速、安全、可靠和無誤的完成上述操作。用戶界面要簡單明了，易于操作，服務器數據庫利于維護。

4 故障樹分析智能教學平臺的實現

故障樹分析智能教學平臺基于C#語言面向局域網實現C/S結構模式。系統集故障樹協同建立、數據模型管理、定量定性分析、運算結果存儲、生成報表等功能于一體，為飛機可靠性分析與故障診斷提供有力的軟件支持。系統主界面如圖2所示。

5 結語

故障樹分析方法是系統可靠性工程學的重要分支作為一種評估復雜系統的實用方法，在飛行器制造工程專業的課程體系之中多有涉及。本文將設計實現由計算機輔助的故障樹分析方法智能網絡教學平臺，通過引入“所見即所得”的可視化建樹模式，支持基于局域網的多人參與的故障樹模型協同建立；同時提供完整性檢測算法支持，確保其滿足邏輯規則；通過解決組合爆炸問題，自動完成故障樹定性定量分析并生成分析報告。該平臺為教學提供有力的軟件支持，解決了目前教學軟件采購成本高、適用性差、功能擴展困難的尷尬局面，在增強學生的教學參與度，提高教學質量的同時，培養學生分析解決工程實際問題的能力。

參考文獻

[1] 鄭裕國，張康達.故障樹定性和定量分析的算法[J].浙江工業大學學報，1995，23（1）：42-47.

[2] Kiran Kumar Vemuri.Automatic Synthesis of Fault Trees for Computer-Based Systems[J].IEEE Transactions on Reliability， 1999，48（4）：394-402.

[3] 陸愈實，揚靜.故障樹可視化分析系統[J].中國安全科學學報，2000（10）： 8084.

[4] Cheng YL，Yuan J.On structured fault tree construction by modularizing control loop[J]. Reliability Engineering and System Safety，2000，20（67）：161- 173.

[5] Wang Y，Teague TL，West H，etal.A new algorithm for computer-aided fault tree synthesis[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2002，7（15）：265-277.

[6] 吳多勝，葉雪梅，王帆.計算機輔助可視化故障樹分析系統[J].微計算機信息， 2005，21（8）：95-96.