故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

蔡舒妤

摘 要：故障樹分析方法是系統(tǒng)可靠性工程學(xué)的重要分支作為一種評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)用方法，在飛行器制造工程專業(yè)的課程體系之中多有涉及。該文根據(jù)教學(xué)改革創(chuàng)新的實(shí)際，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)輔助的故障樹分析方法智能網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。通過對(duì)故障樹繪制生成方法以及協(xié)同建樹方法的研究，實(shí)現(xiàn)了多用戶的故障樹可視建立過程；通過提取故障樹結(jié)構(gòu)完整性規(guī)則，保證故障樹結(jié)構(gòu)邏輯合理；通過定性定量分析算法，實(shí)現(xiàn)故障樹的智能分析。該平臺(tái)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，為提高課程教學(xué)質(zhì)量提供了支持。

關(guān)鍵詞：故障樹分析法 協(xié)同建樹 可視化 智能教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（a）-0006-02

故障樹分析方法，簡(jiǎn)稱FTA（Fault Tree Analysis），是系統(tǒng)可靠性工程學(xué)的重要分支作為一種評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)用方法，通過故障樹分析方法對(duì)飛機(jī)某一系統(tǒng)的某一故障進(jìn)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(yè)的課程體系之中多有涉及。

然而，飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性高，各個(gè)系統(tǒng)所含部件眾多，傳統(tǒng)手工建樹及分析過程難度較高，工作量較大，在教學(xué)中以飛機(jī)某系統(tǒng)或某部件為案例進(jìn)行講解分析耗時(shí)較長(zhǎng)，難以滿足教學(xué)學(xué)時(shí)要求，同時(shí)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少，影響了學(xué)生對(duì)故障樹分析法完整全面的理解和應(yīng)用。借助專業(yè)的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)故障樹分析不失為一個(gè)行之有效的解決方案。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)FTA分析程序與軟件的研究日趨廣泛。美國(guó)針對(duì)FTA的分析任務(wù)，研制出一系列功能各異的故障樹分析計(jì)算機(jī)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(guó)的RISA程序用于FTA 的定量分析，日本、英國(guó)則把FTA技術(shù)和可靠性設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于民用產(chǎn)品的生產(chǎn)中，使其產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，增加了經(jīng)濟(jì)效益，贏得了廣闊的信譽(yù)和市場(chǎng)。

我國(guó)FTA技術(shù)引進(jìn)較晚。清華大學(xué)核能技術(shù)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(jì)算機(jī)上，便于推廣應(yīng)用。西安電子科技大學(xué)研究開發(fā)的和國(guó)防科技大學(xué)ART 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了故障樹分析軟件。

當(dāng)前故障樹輔助分析軟件系統(tǒng)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(tǒng)的分析，更沒有對(duì)共因失效進(jìn)行分析。此外，可視化水平不高、應(yīng)用領(lǐng)域固定、購(gòu)買軟件成本高等也是這些軟件難以應(yīng)用于教學(xué)的主要原因。

因此，為了滿足教學(xué)的需要，加深學(xué)生對(duì)于飛機(jī)可靠性分析方法與過程的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將故障樹協(xié)同建立、數(shù)據(jù)模型管理、定量定性分析、運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)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(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的智能完整的故障樹分析過程。

2 故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)的需求分析

2.1 可視化協(xié)同建樹方法

通過引入“所見即所得”的可視化模式，實(shí)現(xiàn)多人參與的故障樹模型協(xié)同建立。通過對(duì)故障樹基本元素的分析，定義事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)等基本元素符號(hào)的屬性和邏輯含義，使故障樹的描述清晰直觀；設(shè)計(jì)故障樹基本元素的表示方式和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)分析過程提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支持；同時(shí)考慮使用人員的建樹思路和操作習(xí)慣以及多人參與的協(xié)同機(jī)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(chǎn)生是由于在進(jìn)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(jié)果正確而導(dǎo)致的。系統(tǒng)將引入計(jì)算復(fù)雜性相關(guān)理論，通過早期邏輯簡(jiǎn)化、早期模塊分解和早期不交化等方法，降低NP問題發(fā)生的可能性。

3 故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

立足教學(xué)質(zhì)量提升及課程改革創(chuàng)新的需要，對(duì)故障樹分析法的教學(xué)需求進(jìn)行分析，故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)功能架構(gòu)如圖1所示。

（1）系統(tǒng)管理功能，涵蓋了對(duì)系統(tǒng)用戶及權(quán)限的管理，其中包含如下子功能：

用戶管理，系統(tǒng)能夠?qū)κ褂谜叩男畔⑦M(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)添加、修改、刪除用戶，并可以對(duì)用戶分配角色，將不同的功能權(quán)限授予不同的用戶，用戶無法看到和使用不具備的功能。

權(quán)限管理，系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)權(quán)限信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)權(quán)限的添加、修改和刪除。

角色管理，系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)角色信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)角色的添加、修改和刪除，并可以對(duì)角色進(jìn)行權(quán)限分配。

日志管理，系統(tǒng)記錄用戶的使用情況。自用戶登錄開始到退出整個(gè)過程進(jìn)行跟蹤記錄，以記錄用戶的操作內(nèi)容。

（2）項(xiàng)目管理模塊，支持項(xiàng)目的創(chuàng)建、打開、保存和關(guān)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(jiǎn)單的可視化故障樹模型建立的人機(jī)交互接口；設(shè)計(jì)協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多名使用人員共同參與的故障樹建立過程；對(duì)建立的故障樹進(jìn)行完整性檢測(cè)，確保故障樹滿足其邏輯規(guī)則；此外，規(guī)范故障樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)定性定量分析提供統(tǒng)一高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（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(duì)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)中故障樹快速準(zhǔn)確的定量分析。

（6）分析報(bào)告模塊，當(dāng)故障樹建立及分析過程完成后，可生成故障樹及分析結(jié)果的報(bào)告，并上傳至服務(wù)器或保存至本地。

（7）技術(shù)報(bào)告管理功能，提供對(duì)分析報(bào)告的查看和下載功能。

（8）文件管理功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)文檔的添加、修改和刪除功能，并能夠上載、下載相應(yīng)的文件。

（9）搜索功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中的文件、報(bào)告信息的各項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容的搜索。

（10）幫助功能，提供使用系統(tǒng)的幫助信息。

性能上，系統(tǒng)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(jiǎn)單明了，易于操作，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫利于維護(hù)。

4 故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

故障樹分析智能教學(xué)平臺(tái)基于C#語言面向局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)C/S結(jié)構(gòu)模式。系統(tǒng)集故障樹協(xié)同建立、數(shù)據(jù)模型管理、定量定性分析、運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)、生成報(bào)表等功能于一體，為飛機(jī)可靠性分析與故障診斷提供有力的軟件支持。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

5 結(jié)語

故障樹分析方法是系統(tǒng)可靠性工程學(xué)的重要分支作為一種評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)用方法，在飛行器制造工程專業(yè)的課程體系之中多有涉及。本文將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)輔助的故障樹分析方法智能網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，通過引入“所見即所得”的可視化建樹模式，支持基于局域網(wǎng)的多人參與的故障樹模型協(xié)同建立；同時(shí)提供完整性檢測(cè)算法支持，確保其滿足邏輯規(guī)則；通過解決組合爆炸問題，自動(dòng)完成故障樹定性定量分析并生成分析報(bào)告。該平臺(tái)為教學(xué)提供有力的軟件支持，解決了目前教學(xué)軟件采購(gòu)成本高、適用性差、功能擴(kuò)展困難的尷尬局面，在增強(qiáng)學(xué)生的教學(xué)參與度，提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程實(shí)際問題的能力。

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