基于GO法的自動噴水滅火系統的可靠性分析

于博文，王益祥

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前我國城市中有很多高層建筑，由于一些火警噴水滅火壓力達不到要求，所以這些高層建筑一旦起火，后果將不堪設想。

自動噴水滅火系統具有使用方便、日常的維護簡單、安全可靠、滅火及時、適用范圍廣的特點[1]。當火災發生時，周圍的熱空氣進入到自動噴水滅火的噴頭中，系統就會開啟噴水系統進行滅火。這樣可以有效地控制火災的進一步蔓延，減少了人員和財產的損失，也為后續的滅火工作創造了有利條件。

但多年的實踐發現，由于系統供水問題、噴頭或閥門故障、水泵老化的原因，可能導致最終系統沒有達到滅火、控制火情的目的。

通過對基于GO法的自動噴水滅火系統的可靠性分析，了解到該系統的工作原理和系統各個元部件的可靠性概率，以便于找到系統的薄弱環節，及時采取解決辦法，提高可靠性的水平。

1 GO法分析

1.1 GO法的發展

美國Kaman科學公司在20世紀60年代中期首先創立了一種高效的系統可靠性分析方法—GO法[2]。GO法被美國軍事部門用來并分析武器系統，從而提高了它們的安全性和可靠性。80年代GO法得到快速的發展，90年代日本又發明了GO-FLOW方法。近幾年隨著計算機的發展和復雜系統可靠性分析的需求，GO法又得到了新的發展[3]。

1.2 GO法介紹

GO法是一種系統的可靠性分析方法，是一種以成功為導向的系統概率分析技術。它從操作符的輸入開始，根據下一個操作符的運算規則進行運算，這樣逐個進行運算，最終得到系統的概率[4]。對GO圖內各個操作符正常工作的概率進行歸納整理，并通過特定的運算規則，最終得到的是系統成功的概率[5]。

GO法特點是根據決策樹的理論，GO圖的形成是通過系統的原理圖和流程圖進行一定的轉換而來的。該方法適用于流動的物體作為研究對象，比如氣流、水流等[6]。

2 自動噴水滅火系統簡介

自動噴水滅火系統主要的組成部分有：噴頭、延遲器、報警止回閥、壓力開關、水力警鈴、水流指示器、供水設施、管道系統、報警裝置和控制室等[7]。當有火情發生時，火災周圍空氣的溫度會升高，從而使噴水噴頭中的啟動裝置感應到，最終開始灑水。伴隨著灑水的過程，管道里的水流產生流動，流動的水流指示器的擋板閉合，電源接通，產生報警信號，并傳至消防控制室。消防控制室的人員根據系統灑水的位置可以判斷出火災產生的具體位置。消防中心人員開啟水泵，為噴頭提供持續的水源。同時，經過報警閥的水流會觸動報警鈴聲和壓力開關，壓力開關接通后，觸發開啟水泵的裝置[8]。自動噴水滅火系統動作流程圖如圖1所示。

圖1 自動噴水滅火系統動作流程圖

3 運用GO法進行自動噴水滅火系統的可靠性分析

用GO法對系統進行可靠性分析，首先要從分析該系統的原理圖開始，用GO圖的操作符表示系統參與工作的的各個元部件，用信號流表示操作符的輸入和輸出信號，也就是操作符之間的關系，用信號流把操作符按照系統的流程圖連接起來，就建立起了系統的GO圖。建立GO圖后，就可以對系統進行GO法的可靠性分析，它包括了輸入的數據、定性和定量GO法分析和系統的GO法可靠性評價。

3.1 建立GO圖

首先要對系統的原理圖和流程圖進行研究，了解系統的整個流程，按照各個元部件之間的關系，建立GO圖。

該系統主要的組成部分有：噴頭、延遲器、報警止回閥、壓力開關、水力警鈴、水流指示器、供水設施、管道系統、報警裝置和控制室等[6]。類型5輸入操作符代表火災的產生，即是系統的輸入邊界。噴頭、壓力開關、壓力繼電器、噴淋泵、消防蓄水池和過濾管道都是有2個輸出狀態的元件，用類型1操作符表示。感溫(煙)元件、密封墊、水流指示器控制室和水力警鈴都是除了成功、故障狀態外，還有提前狀態(當元件處于提前狀態時，沒有輸入也會有輸出)的元件，所以用類型3操作符表示。控制室的操作員的響應和延時器是有延遲響應的元部件，所以用類型8操作符表示。類型12操作符表示有路徑分離器的作用報警閥，其有1個輸入信號，2個輸出信號。類型2操作符表示連接操作員相應的信息流和壓力繼電器接通的信息流的“或”門。

按照自動噴水滅火系統原理圖中的元部件對上面選擇的操作符進行布置，根據元部件之間的聯系來確定操作符之間的信號流，這樣自動噴水系統的GO圖就構造完成了。如圖2所示。

1—火災產生；2—感溫探測器；3—噴頭密封墊；4—灑水噴頭；5—水流指示器；6—控制室；7—操作人員；8—報警閥；9—壓力開關；10—延時器；11—壓力繼電器；12—或門；13—噴淋水泵；14—消防水池；15—過濾管道；16—水力警鈴圖2 自動噴水滅火系統GO圖

在GO圖的操作符中，前后的序號分別代表的是操作符的類型和操作符的序號，序號與各個元件之間的關系如圖2所示，信號流上的數字代表的是信號流序號。自動噴水滅火系統的GO圖中信號流和操作符分別為18和16。操作符中功能操作符有15個，輸入操作符有1個，邏輯“或”門操作符是序號12操作符，它表示控制室里操作員和壓力繼電器的輸出是“與”邏輯關系。信號流中輸出信號流17是系統的輸出信號流，它可代表整個系統的可靠性性能，輸出信號流18是自動噴水滅火系統中拉響警鈴的輸出信號流，它的可靠度數據表示自動噴水滅火系統中拉響警鈴的可靠性數值。

3.2 定量GO運算

自動噴水滅火系統的各個元部件的狀態的概率值見表1。根據圖2自動噴水滅火系統GO圖各個元部件所對應的操作符序號一一列出，狀態值0表示該元件的提前狀態，狀態值1表示該元部件工作正常，狀態值2表示該元部件工作故障。利用自動噴水滅火系統元部件的基本失效率。按照系統工作一年的時間，即t=8 760 h求自動噴水滅火系統的可靠度。

表1 自動滅火系統各元部件狀態概率表

續表1

表1中報警閥部件0.988為輸出信號流9正常狀態的概率，0.98為輸出信號流16正常狀態的概率，報警閥部件正常狀態的概率為0.988×0.98=0.968。

在GO法的運算中，假設PRi(1)為操作符輸出信號正常狀態概率，PRi(2)為操作符輸出信號異常狀態概率；PCi(0)為類型3操作符提前狀態的概率，PCi(1)為類型1、類型3、類型8操作符的正常狀態概率，PCi(2)為類型1、類型3、類型8、類型12操作符的異常狀態概率，PV8(1)為類型12輸出信號流9正常的概率，PW8(1)為類型12輸出信號流16正常的概率；PSi(1)為操作符輸人信號正常狀態概率，PSi(2)為操作符輸入信號故障狀態概率。其中，i為操作符序號和信號流序號。采用狀態概率計算公式，推導出系統各個信號流成功概率的計算表達式如下：

PR13(1)=1-[1-PR8(1)] [1-PR12(1)] ，

(1)

PR18(1)=PR16(1)PC16(1)=PW8(1)PC16(1)，

(2)

式(1)為自動噴水滅火系統正常噴水滅火的可靠度計算公式，式(2)為水力警鈴在樓棟正常報警的可靠度計算公式。將表1中自動滅火系統各元部件狀態概率數據代入自動噴水滅火系統可靠度計算式(1)和式(2)中，得到自動噴水滅火系統正常噴水滅火的可靠度為：PR17(1)=0.735 8；水力警鈴在樓棟正常報警的可靠度為：PR18(1)=0.824 4。這與歷年來的長期實踐中得到的自動噴水滅火系統可靠度基本符合，所以證明基于GO法的自動噴水滅火系統可靠性研究方法可行[9]。

3.3 定性GO運算

當遇到較復雜的系統時，在系統的定性分析求系統的最小割集時，由于求解復雜，可以根據GO圖進行直接定性分析求出系統的最小割集。

直接定性分析方法如下：首先在GO圖中，除了邏輯操作符外有N個功能操作符，從中選取一個功能操作符，如果此操作符工作故障，其他操作符正常工作的情況下，整個系統出現故障，則此操作符所代表的元部件故障則為系統的一個一階割集。這樣逐個進行分析，就得到系統的所有一階割集。然后GO圖中，除了一階割集外，其他功能操作符選擇兩個，如果系統出現故障，則這兩個操作符所代表的元部件則為系統的二階割集[10]。

按照上述的方法，自動噴水滅火系統滅火故障的最小割集如表2所示。

表2 自動噴水滅火系統滅火故障的最小割集表

由表2可以發現，自動噴水滅火系統噴水滅火故障的一階割集所代表的部件為感溫探測器、密封墊片、灑水噴頭、噴淋水泵、消防水池、過濾管道。所以提高它們的可靠度，對提升自動噴水滅火系統的可靠性能最為有效。

4 系統可靠性評價與分析

從上文得到自動噴水滅火系統正常噴水滅火的可靠度為：PR17(1)=0.735 8。導致此自動噴水滅火系統的可靠度比每個節點可靠度都低的原因是每個節點都成功運行，系統才能成功運行，這需要全部節點相互配合統一，有一個節點的可靠度低就會導致整個系統的可靠度降低。通過分析表1中每個節點的可靠度和表2系統故障的最小割集，就能看出與信號流14相對的噴淋水泵13和信息流2相對的感溫探測器2可靠度較低。所以提高噴淋水泵和感溫探測器的質量品質可以明顯提升此系統的可靠度。為提高噴淋水泵的可靠性，選用2個噴淋水泵，其中一個為備用水泵來進行工作，這樣就簡單高效地提高了噴淋水泵的可靠性，因為2個噴淋水泵是并聯的狀況，所以改進后，噴淋水泵的可靠性為：R2=1-(1-R1)2=1-(1-0.86)2=0.9804。對于感溫探測器的改善，是采用靈敏度更高的探測器，而且采用感溫和感煙復合的探測器，從而提高了感溫探測器的可靠性。但是感溫探測器隨著時間的推移，可靠性會降低，所以須按期對感溫探測器進行檢測、維修和可靠性評估。

基于GO法的自動噴水滅火系統可靠性分析，通過GO法定量的計算以及定性的分析不但可以計算出該系統的可靠性，還可以看到各個元部件的可靠性。所以這樣可以簡單地判斷出整個系統中的較弱部分，以便選擇更適合、更有針對性的方法來改善系統整體可靠性。

5 結語

1) 應用GO法對自動噴水滅火系統進行了定量的計算，得到了系統的可靠度。GO法思路清晰明了，在結構系統分析的應用中，可以進行正常概率的直接計算。2) 通過對自動噴水滅火系統定性的分析，找出了自動噴水滅火系統的薄弱部件，通過改善和維修的方式，最終達到了提升系統可靠性的目的。3) GO法的應用為提高自動噴水滅火系統的可靠性提供了新的策略。

[1] 張勇明. 自動噴水滅火系統可靠性應用研究[D]. 衡陽：南華大學,2008.

[2] 張賀. GO法在飛機電靜液作動系統可靠性中的分析與應用[A]. 中國科學技術協會、貴州省人民政府，第十五屆中國科協年會第13分會場：航空發動機設計、制造與應用技術研討會論文集[C]. 中國科學技術協會、貴州省人民政府,2013.

[3] 游專,何仁. 基于GO法的汽車EPS系統可靠性分析[J]. 實驗室研究與探索,2013(1):220-224.

[4] 徐穎冰. 關于自動噴水滅火系統設計中幾個問題的探討[J]. 工程設計與建設,2004(2):29-31,38.

[5] 李河清,譚青. 基于GO法的輪胎起重機液壓系統可靠性分析[J]. 機床與液壓,2008(4):213-215.

[6] 王桂麗. 系統可靠性分析GO法及其應用的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.

[7] 沈祖培,黃祥瑞,高佳. 可修系統可靠性分析中GO法的應用[J]. 核動力工程,2000(5):456-461.

[8] 沈祖培,鄭濤. 復雜系統可靠性的GO法精確算法[J]. 清華大學學報(自然科學版),2002(5):569-572.

[9] 沈祖培，黃瑞祥. GO 法基本原理及應用:一種系統可靠性方法[M].北京：清華大學出版社，2004.

[10] 蔡鑒明，曾峰. 基于GO法的供應鏈可靠性分析[J]. 公路交通科技,2007(3):141-144.