حالة البحث واتجاه التطور لتقنية تحليل شجرة الأعطال في النظام الهيدروليكي

المقدمة

يتميز النظام الهيدروليكي بمزايا القوة الكبيرة ، الحجم الصغير ، الوزن الخفيف ، الاستجابة السريعة ، الدقة العالية والصلابة المضادة للحمل. غالبًا ما يكون في صميم التحكم ونقل الطاقة في جميع أنواع المعدات والأنظمة. يتمتع النظام الهيدروليكي بمعدل فشل مرتفع إذا لم يتم التعامل معه في الوقت المناسب بعد الفشل ، فسيؤثر على الإنتاج ، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية أكبر. لذلك ، غالبًا ما تكون دراسة تحليل الموثوقية الفعال وطرق تشخيص الأخطاء هي المفتاح لتحقيق الكمال في التكنولوجيا الصناعية [1].

طريقة تحليل شجرة الأعطال (FTA) هي إنشاء العلاقة بين هذه الأحداث بناءً على العلاقة بين الأسباب المباشرة وغير المباشرة لفشل النظام وفشل ، ولتحديد سبب فشل النظام مجموعة متنوعة من التوليفات الممكنة لتقدير وقوع لأحداث النظام وأهمية الحدث السفلي للطريقة التحليلية.

في أوائل الستينيات ، استخدمت Bell Labs لأول مرة طريقة FTA للتنبؤ بالفشل العشوائي لنظام التحكم في إطلاق صواريخ الميليشيات. منذ ذلك الحين ، طورت شركة Boeing الأمريكية برنامج كمبيوتر FTA لتحسين تصميم الطائرات. في أوائل السبعينيات ، أجرى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) تحليلًا للسلامة النووية باستخدام اتفاقية التجارة الحرة وتحليل شجرة الأحداث ، وخلص إلى أن الطاقة النووية مصدر طاقة آمن للغاية. أثار نشر هذا التقرير تداعيات كبيرة في مختلف المجالات وعزز طريقة تحليل شجرة الأخطاء من الفضاء والطاقة النووية إلى القطاعات الصناعية للإلكترونيات والصناعات الكيماوية والآلات [2].

في الوقت الحاضر ، تم تطبيق طريقة اتفاقية التجارة الحرة في جميع مجالات الاقتصاد الوطني ، حيث لعبت دورًا مهمًا في تحسين موثوقية وسلامة النظام ، ولها مجموعة واسعة من آفاق التنمية [3]. أصبحت FTA واحدة من الطرق الفعالة للموثوقية والتنبؤ بالسلامة والتحليل وتحليل الأخطاء وتشخيص النظام الهيدروليكي.

1 اتفاقية التجارة الحرة التقليدية

1.1 الخصائص الأساسية

استنادًا إلى نظرية الجبر المنطقي والاحتمالات ، تستخدم FTA"؛ أحداث"؛ لتمثيل احتمالات الأعطال و"؛ البوابات المنطقية"؛ لوصف العلاقات بين أخطاء المكونات. الحدث هو وصف لحالة النظام ومكوناته. البوابات المنطقية الشائعة الاستخدام و AND و OR ، باب التصويت ، والأبواب المحظورة وبوابات XOR.

تحتاج طريقة اتفاقية التجارة الحرة إلى حل الحد الأدنى من الخفض المحدد في التحليل النوعي والكمي. وفقًا لمجموعة البوابات المنطقية في شجرة أعطال النظام ، تتم كتابة وظيفة الهيكل ، ويتم حساب احتمال حدوث الحدث الأعلى عن طريق المعالجة المنفصلة لزيادة حساب أهمية كل حدث.

مجموعات القطع (مجموعات الطرق) هي مجموعة من بعض الأحداث السفلية في شجرة الصدع. يجب أن تحدث أهم الأحداث (لا تحدث) عندما تحدث هذه الأحداث السفلية في نفس الوقت (لا تحدث). إذا تمت إزالة مجموعة القطع (مجموعة الطريق) الموجودة في الحدث السفلي بشكل تعسفي من مجموعة القطع (مجموعة الطريق) ، فإن مجموعة القطع هذه (مجموعة الطرق) هي مجموعة القطع الأدنى (مجموعة الطرق الدنيا).

وظيفة الهيكل هي وظيفة منطقية تمثل حالة النظام. إذا كانت حالة حدث النظام الأعلى باستخدام متغيرات الحالة ، فإن وظيفة الهيكل هي نهاية وظيفة متغيرات حالة الحدث. بشكل عام ، عندما يتم تقديم شجرة الخطأ ، يمكن كتابة وظيفة الهيكل مباشرة وفقًا لشجرة الخطأ. ومع ذلك ، فإن التعبير معقد وطويل. لذلك ، في الحساب الفعلي ، يتم التعبير عن وظيفة الهيكل من خلال مجموعة القطع الدنيا أو مجموعة المسار الأدنى.

1.2 اتفاقية التجارة الحرة في النظام الهيدروليكي

يمكن تصنيف معظم الأنظمة الهيدروليكية على أنها أنظمة ترادفية. غالبًا ما تتكون أشجار الصدع من بوابات OR. ينتج عن حدوث حدث واحد بشكل عام حدث مهم [4]. لكن النظام الفعلي لا يمكن أن يبدأ ببساطة من تحسين موثوقية كل مكون هيدروليكي ، مما سيؤدي إلى إهدار الوقت والموارد. الروابط الضعيفة للنظام الهيدروليكي لها تأثير كبير على موثوقية النظام. تعتمد موثوقية النظام على ما إذا كان يتم التنبؤ بدقة بموقع الروابط الضعيفة ودرجة التأثير. يمكن أن تساعد طريقة FTA في اكتشاف أوضاع فشل النظام ومعرفة الروابط الضعيفة للنظام. يتم توفير التحليل النوعي والكمي وحساب احتمالية فشل النظام ومؤشرات الموثوقية الأخرى لتوفير أساس لتحسين وتقييم موثوقية النظام الهيدروليكي [5].

على سبيل المثال ، بعض أعراض الخطأ ومصادر الخطأ ليست مراسلات فردية ، غالبًا مع ظاهرة الترنح والتداخل ، ويكون تشخيص الخطأ أكثر صعوبة. تحدد طريقة FTA جميع أوضاع الفشل للحدث الأعلى من خلال البحث عن سبب الحدث الأعلى ومجموعة الأسباب ، والتي يمكن أن تساعد في تحديد الأعطال المحتملة في النظام الهيدروليكي من أجل توجيه تشخيص الأعطال وتحسين التصميم والصيانة حل [6].

تحتوي طريقة FTA التقليدية على أوجه القصور التالية: أولاً ، عند تحليل موثوقية النظام ، تعتبر طريقة FTA التقليدية أن الجزء له حالتان فقط من العمل أو الفشل ، ولا يمكن إجراء تقييم دقيق لموثوقية النظام. ثانيًا ، تستخدم طريقة FTA التقليدية استنادًا إلى الجبر المنطقي ، من الضروري معرفة العلاقة بدقة بين احتمال فشل جزء وحدث الفشل ، وقيمة احتمالية جزء ما تأخذ الكثير من البيانات الإحصائية للحصول على الاحتمال القيمة. سيؤثر الغموض البيئي وعدم دقة البيانات على احتمالية حدوث الأجزاء ، ويعامل احتمال حدوث الأجزاء على أنها قيمة دقيقة ، مما يؤدي إلى حدوث خطأ كبير في الحساب الكمي لشجرة الأخطاء. أخيرًا ، عندما يتم تبسيط شجرة الخطأ ، يوجد عدد كبير من العمليات غير المتقاطعة ، ويكون الحساب ضخمًا للغاية ، وفي بعض الأحيان يكون من الصعب الحصول على الحد الأدنى من مجموعة القطع لشجرة الأعطال.

2 Fuzzy FTA

النظام الهيدروليكي هو نظام غير خطي معقد من اقتران ميكانيكي وكهربائي وسوائل. أشكال الفشل وآليات الفشل معقدة ومتنوعة. من الصعب تحديد سبب الفشل بدقة ودرجة الفشل [7]. إن تطبيق نظرية المجموعة الضبابية على النظام الهيدروليكي FTA ، لا يعكس فقط ضبابية الاحتمالية نفسها ، بل يسمح أيضًا بتعيين الاحتمالية إلى درجة معينة من الخطأ ، ولكن أيضًا يمكن أن يكون المشهد والبيانات التجريبية مع خبرة المهندسين والفنيين مجتمعة ، يمكنك حل الغموض وعدم اليقين بشأن احتمال الخطأ بشكل أفضل ، وتقليل صعوبة الحصول على القيمة الدقيقة لاحتمال الخطأ ، ولديه قدر أكبر من المرونة والقدرة على التكيف.

تحجب طريقة Fuzzy FTA احتمال حدوث أحداث أساسية في شجرة الأخطاء ، وتعتمد الأرقام الغامضة لتحل محل قيم الاحتمال الدقيقة ، ولا تزال تستخدم بوابات AND و OR لشجرة الأخطاء التقليدية ، ولكنها تقدم عامل التشغيل الضبابي ، بدلاً من العملية المنطقية التقليدية ، تعيين الاحتمال المبهم لحدوث الحدث الأعلى وتوزيع دالة العضوية ، والتحليل الكمي عن طريق حساب درجة الأهمية الضبابية.

الأرقام الغامضة هي حالات عدم اليقين التي يسببها الغموض المفاهيمي أو تأثير العوامل الغامضة المختلفة. تصف الأرقام الغامضة قيم الاحتمالات وتؤكد على الدور الذاتي للأشخاص في اتفاقية التجارة الحرة. هناك العديد من أشكال الأرقام الغامضة ، مثل الأرقام الغامضة المثلثية ، والأرقام الغامضة شبه المنحرفة ، والأرقام الغامضة LR ، والأرقام الغامضة العادية ، والأرقام الفاصلة غير الواضحة ، وقيم اللغة [8]. في ممارسة هندسة النظام الهيدروليكي ، عندما يكون هناك عدد كبير من البيانات الإحصائية ، يمكنك تحديد الاحتمال الدقيق لحدوث احتمال الحدث السفلي ؛ عند عدم وجود بيانات إحصائية ، وفقًا للوضع الفعلي من خلال مجموعة متنوعة من الأرقام الغامضة والقيم اللغوية لتمثيل ودمج مسح الخبراء لتقييم احتمالية حدوث نهاية الحادث [9]. من أجل تسهيل اتفاقية التجارة الحرة ، يجب تطبيع الأشكال المختلفة لاحتمالية حدوث الحدث السفلي. نظرًا لأن الرقم الغامض شبه المنحرف عبارة عن دالة عضوية توزيع خطية متعددة التعريف ، فإن العملية الجبرية بسيطة نسبيًا. من البديهي والسهل تحويل الأشكال الأخرى من الأرقام الغامضة إلى أرقام ضبابية شبه منحرف [10].

إن عملية استخدام مبدأ التمديد لتحديد وظيفة العضوية في الاحتمال الغامض للحدث الأعلى هي في الواقع مشكلة برمجة رياضية ، وغالبًا ما تواجه عمليات غامضة مختلفة ، مثل العمليات الحسابية الأربعة للأرقام الغامضة. بالنسبة للأنظمة المعقدة ، فإن بُعد وظيفة البنية مرتفع جدًا ، وعادةً ما يواجه الحل الأمثل لمشكلة البرمجة مشاكل رياضية. ثم ستنتج نتائج حسابية غامضة تكون ذات مصداقية ودرجة موثوقة وهي"؛" القابلة للانتشار؛ وأنواع مختلفة من حساب التقاطع الاحتمالي الضبابي لدالة العضوية وما إلى ذلك. لهذا السبب ، [11] تبنت طريقة تعتمد على عامل التواء الغامض ، مما أدى إلى الاختفاء التدريجي لعضوية الحافة من الرقم المبهم للإخراج. من خلال إهمال العناصر غير المحتملة على الحافة ، يمكن تعويض تمديد مجموعة الفروع المحدودة بشكل فعال ، أي" ؛ الانتشار" ؛ يضيق. من أجل حل مشكلة الاقتران لأنواع مختلفة من الاحتمالات الضبابية ، المرجع. [12] تبنت طريقة تقسيم درجة العضوية للمجال المستهدف بعد المجال الهدف أولاً ، ثم ترجح التقاطع بالمبدأ الموسع وقم بتشويش المشغل. في [13] ، تم اعتماد العملية الفاصلة لكل قطع من الأرقام الغامضة المكافئة للمبدأ الموسع. بأخذ قيم مختلفة لـ ، يمكن الحصول على الفاصل الزمني لاحتمال فشل النظام تحت مستويات ثقة مختلفة.

نظرًا للبوابات المنطقية التقليدية ، لا تزال طريقة اتفاقية التجارة الحرة الضبابية أعلاه بحاجة إلى معرفة آلية الخطأ والعثور على اتصال الحدث. في الممارسة العملية ، غالبًا ما تكون آلية الفشل والربط بين الأحداث غير مؤكدة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن درجة الفشل المختلفة ستجلب عواقب مختلفة ، لا يمكن لاتفاقية التجارة الحرة التقليدية الغامضة أن تصف تأثير درجة الفشل على النظام. من أجل حل هذه المشكلات ، قدمت الأدبيات [14] نموذجًا غامضًا لـ TS في منطقة التجارة الحرة ، ووصفت احتمالية خطأ المكونات على أنها احتمالية ضبابية ، ووصفت العلاقة بين الأحداث كبوابة TS ، ووصفت درجة الخطأ كرقم غامض ، على التوالي وفقًا لاحتمال جزء من الضباب الضبابي ودرجة الفشل احسب الاحتمال الغامض لحدث فوق التنسيق. طبق الأدب [15] طريقة TS fuzzy FTA على النظام الهيدروليكي وحقق نتائج جيدة.

3 تحليل الأهمية

الأهمية هي مؤشر مهم للتحليل الكمي لشجرة الأخطاء. لا يمكن استخدامه فقط لتحليل موثوقية النظام ، ولكن يمكن استخدامه أيضًا في تصميم تحسين النظام ونظام التوجيه للصيانة والتشخيص. تصف الأهمية المساهمة في الحدث الأعلى في حالة فشل المكون. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أهمية شجرة الصدع التقليدية: الأهمية الهيكلية وأهمية الاحتمالية والأهمية الحاسمة. تُعرَّف الأهمية الهيكلية بأنها نسبة المتجهات الرئيسية للمكون&# 39 ؛ في العدد الإجمالي للمكونات الرئيسية في المكونات المتبقية المنعكسة في أهمية موقع الحدث في الهيكل المنطقي لشجرة الأعطال ، بغض النظر عن احتمال حدوث الحدث الأساسي. يتم تعريف أهمية الاحتمالية على أنها المشتق الجزئي لاحتمال حدوث حدث علوي لاحتمال حدوث حدث سفلي ، مما يعكس درجة تأثير كل حالة حدث سفلي على حالة النظام. يتم تعريف الأهمية الحرجة على أنها نسبة معدل التغيير لاحتمال فشل جزء ما إلى معدل التغيير لاحتمال فشل الحدث الأعلى الناجم عنه. كما يعكس تأثير احتمالية حدث القاع على الحدث العلوي وعدم موثوقية الحدث السفلي.

يعتمد تحليل أهمية شجرة الأخطاء التقليدية على افتراض الحالتين ، ولكن غالبًا ما يتجلى النظام الفعلي على أنه مجموعة متنوعة من أنماط الفشل ومجموعة متنوعة من مستويات الخطأ. من أجل تلبية متطلبات الموثوقية للأنظمة متعددة الحالات ، توسع الأدبيات [16] أهمية مكونات النظام التقليدية ذات الحالتين للأنظمة متعددة الحالات ، وتقدم نظامًا متعدد الحالات يعتمد على حدث أفقي للنظام أو حدث حالة إن التعريف العام للأهمية الهيكلية وأهمية الاحتمالية وطريقة حسابها يتوافق مع أهمية مكونات نظام الدولتين.

من أجل الكشف عن تأثير الحالات المكونة على الدولة نفسها وفشل النظام متعدد الحالات بالكامل ، فإن الأدبيات [17] التي تستند إلى افتراض أن مكونات النظام لا يمكن إصلاحها ، تقسم أنماط الفشل إلى أخطاء الحالة وأخطاء انتقال الحالة ، توسيع أهمية الاحتمالية التقليدية طريقة تحليل الدرجة والأهمية الحرجة ، وتنقسم الأهمية بالتساوي إلى أهمية الحالة وأهمية النقل.

من أجل عكس تأثير الحالة الحرجة والحالة غير الحرجة لجميع المكونات على احتمال فشل النظام بأكمله ، اقترح الأدب [18] مفهوم احتمال الفشل المكافئ وطريقة حسابه ، باستخدام طريقة تحليل الاحتمالات من أجل تحليل جميع الحالات الحالية للمكونات والأنظمة ، باستخدام طريقة سلسلة ماركوف ونظرية الاحتمالات لحساب العدد المتوقع من عمل النظام ، ومن ثم الحصول على احتمال الفشل المكافئ.

من أجل عكس تفاعل مكونين في النظام على موثوقية النظام ، اقترحت الأدبيات [19] مفهوم الأهمية المشتركة ، والتي يتم تعريفها على أنها نسبة مكونين لتحسين موثوقية النظام. تعكس أهمية الهيكل المشترك العلاقة بين مكونين عندما تكون الموثوقية غير صالحة. تعكس أهمية الموثوقية المشتركة العلاقة بين مكونين عندما تكون الموثوقية صالحة. يوسع المرجع [20] الأهمية المشتركة لمكونين لمكونات متعددة ويفحص فكرة أهمية الموثوقية المشروطة عندما تكون حالة تشغيل المكون&# 39 معروفة.

عندما يمثل عنصر واحد حالة فشل مختلفة أو غير صالح ، يحتاج المرء إلى النظر في جميع الأحداث السفلية ذات الصلة كمجموعة من أجل تحديد أهمية العنصر. لحل المشكلة المذكورة أعلاه ، تم اقتراح الأهمية التفاضلية كطريقة حساسية من الدرجة الأولى. بالنظر إلى التفاعل بين المكونات ، اقترحت الأدبيات [21] درجة الأهمية التفاضلية من الدرجة الثانية باستخدام الأهمية المشتركة كمعلومات تكميلية من الدرجة الثانية.

في [22] ، يتم استخدام طريقتين للأهمية تعتمدان على Fussell-Vesely ، وهما أهمية المكون وأهمية القطع ، ويتم استخدام أهمية المكون لتحديد فشل المكون الأكثر احتمالية ، ويعكس خفض الأهمية أهمية تركيبة فشل المكون قد تسبب أعراض فشل النظام هي تم إنشاؤها ، مع مراعاة المكونات نفسها وتأثيرها على النظام.

قبل كل شيء ، يتم تحديد الأهمية على مستوى المكون ، لشجرة الأعطال هي المستوى الأساسي للحدث ، وبالنسبة لمستوى حدث الباب ، يمكن تكرار الأحداث الأساسية في أحداث الباب المختلفة ، مما يجعل احتمال فشل كل حدث له صلة معينة ، تستمد الأدب [23] أهمية حدث الباب من أهمية الحدث الأساسي.

تعتمد طريقة تحليل درجة أهمية شجرة الخطأ التقليدية على فرضية الاحتمالية ، وغالبًا ما توجد العشوائية والغموض في الأنظمة العملية ، ويتم استبدال فرضية الاحتمال بفرضية الاحتمال تدريجياً ، وتنشأ طريقة تحليل درجة الأهمية الضبابية. على سبيل المثال ، بمساعدة تعريف مفهوم الأهمية التقليدية ، أي التوقع الرياضي للفرق بين الاحتمال الضبابي للحدث الأعلى وحالة فشل الحدث السفلي [24] والفرق بين القيمة المتوسطة للحدث الأعلى حدث غامض ومتوسط ​​رقم الحدث للحدث الأعلى في الحالة الطبيعية [25] ؛ طريقة Hamming Distance ، وهي الفرق بين أوجه التشابه بين نمط الفشل الفعلي ونمط الفشل المثالي [26].

بناءً على أهمية شجرة الأخطاء التقليدية ، اقترحت الأدبيات [27] خوارزمية الأهمية لشجرة خطأ غامض TS وتحديد درجة أهمية احتمالية TS ودرجة الأهمية الحرجة لـ TS ودرجة الأهمية الغامضة لـ TS ، وتحقق من جدوى هذه الخوارزمية الجنس. يمكن اعتبار هذه الطريقة طريقة بسيطة وموثوقة عندما يكون معدل الفشل غير مؤكد أو غير معروف.

تحسين تشخيص الأخطاء على أساس اتفاقية التجارة الحرة

تعتمد المعرفة اللازمة لتشخيص النظام الهيدروليكي إلى حد ما على الخبرة العملية للخبراء في هذا المجال. لذلك ، فإن طريقة تشخيص أعطال النظام الخبيرة تلعب دورًا مهمًا في النظام الهيدروليكي. يتم التعرف على اكتساب المعرفة على أنه"؛ عنق الزجاجة"؛ مشكلة نظام الخبراء. يتم تحقيق اكتساب المعرفة باستخدام شجرة الخطأ. العلاقة المنطقية بين كل خطأ واضحة وقواعد التشخيص بديهية ، مما يقلل من صعوبة اكتساب المعرفة بنظام خبير. يتوافق الحدث الأعلى في شجرة الأخطاء مع المهمة التي يتعين تحليلها وحلها بواسطة نظام خبير. مجموعة القطع الصغيرة هي النتيجة النهائية. تتوافق العلاقة المنطقية لشجرة الأخطاء من أعلى إلى أسفل مع عملية التفكير الخاصة بالنظام الخبير. تتوافق الفروع مع القواعد الموجودة في قاعدة المعرفة ، وعدد الفروع يساوي عدد القواعد ، وتأتي المعرفة في قاعدة المعرفة من شجرة الخطأ.

ومع ذلك ، فإن شجرة الأخطاء التقليدية لا تساعد على تخزين الكمبيوتر واستعادته ، خاصةً عندما يكون النظام الهيدروليكي أكثر تعقيدًا ، ويشغل التخزين الشائع مساحة تخزين أكبر ، وعملية الاسترجاع معقدة ، ولا يمكن استنتاج التشخيص بسرعة ، و لا يفضي إلى صيانة النظام. هيكل تخزين الشجرة الثنائية وعملية الاسترجاع بسيط نسبيًا ، ويسهل التعبير عن الكمبيوتر ومعالجته ، ويمكن تحويل شجرة الخطأ إلى شجرة ثنائية لحل المشكلات المذكورة أعلاه