连锁失效评估方法研究及其在船舶消防系统的应用

摘要

随着科技的发展和对系统功能需求的增加，复杂系统呈现出模块化、网络化、层次化、非线性等特点。元件或子系统之间的相互耦合作用使得系统功能强大的同时，也突显了复杂系统的连锁失效问题。一旦元件或子系统发生失效，元件之间的相互关联使得失效发生多米诺骨牌效应，导致整个系统性能降低，甚至造成系统崩溃，带来巨大的损失。因此，对复杂系统连锁失效的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文运用系统工程、复杂系统脆性理论和复杂网络理论，在分析复杂系统连锁失效机理的基础上，分别从连锁失效模型、失效关联性以及连锁失效指标确定等方面，对复杂系统连锁失效评估方法进行了研究，并在船舶消防系统中加以应用。
　　本文首先将连锁失效的特点和耗散理论、脆性突变理论结合起来分析复杂系统连锁失效的机理。以产生折叠突变和尖点突变的分叉点为基础，提出了连锁失效的折叠突变熵模型和尖点突变熵模型，并给出脆性突变的条件。利用连锁失效的尖点突变熵模型讨论火灾自动报警系统的正熵和负熵变化激发系统脆性导致突变发生连锁失效的条件，揭示连锁失效机理，提出度量正熵和负熵的方法。其次，对连锁失效的路径和脆性源进行辨识与分析。通过采用马尔可夫链描述部件失效的动态性和时间顺序性，并利用三角模糊数描述零部件的失效率，提出模糊马尔可夫的动态故障树分析方法，有效进行复杂系统连锁失效的评估。在此基础上，应用模糊马尔可夫动态模型对船舶湿式自动水喷淋系统进行建模与分析，进一步给出了辨识系统连锁失效路径和脆性源的方法。应用广义马尔可夫过程提出了“双电热备冗余”系统的概率模型，分析脆性源对系统可靠性的影响，并以船舶湿式自动水喷淋系统的主电源和备用电源构成的“双电热备冗余”供电单元为例进行了计算和数值仿真，验证了方法的有效性。再次，基于乘法赋权法、自适应粒子群算法改进灰色关联分析法，给出刻画子系统耦合作用的节点失效关联度。将船舶火灾自动报警系统等效为1个主机和5个从机的主从结构，以不同的从机受到攻击而失效为切入点，采用自适应粒子群算优化分辨系数，融合乘法组合赋权方法和灰色关联分析法得到从机之间的失效关联度。将此节点失效关联度运用在电网灾害演变模型中，通过仿真说明节点失效关联度对系统灾害演变的速度和规模的影响。最后，对负载重分配引发的连锁失效进行评估。应用复杂网络理论，将子系统看作节点，动态化节点之间的失效关联度，定义子系统所承担负载，构建负载重分配原则，提出了改进的连锁失效的“负载-容量”模型。将过载度和网络平均传输效率作为失效评定指标。将此方法用于评估船舶火灾自动报警系统的负载重分配引发的连锁失效，进行了随机攻击和故意攻击的仿真分析。结合数值仿真说明火灾自动报警系统连锁失效不仅受到系统容量和系统结构影响，还受到系统运行时的控制管理策略的制约。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的及意义

1.2 复杂系统的简介

1.3国内外相关领域的发展和研究状况

1.4 研究的主要内容及论文结构

第2章 基于脆性突变的复杂系统连锁失效机理分析

2.1 引言

2.2 复杂系统的脆性理论

2.3 相关概念及原理

2.4 复杂系统连锁失效的脆性突变熵模型的建立

2.5 应用实例

2.6本章小结

第3章 连锁失效路径及脆性源的分析

3.1引言

3.2相关理论简介

3.3脆性模型和脆性等级的划分

3.4 基于模糊的马尔可夫动态模型的建立

3.5 船舶湿式自动水喷淋系统的应用评估

3.6 脆性源对系统可靠度的影响

3.7本章小结

第4章 复杂系统连锁失效的节点失效关联度

4.1 引言

4.2基于粒子群和组合赋权的节点失效关联度

4.3应用实例

4.4 节点失效关联度的模拟仿真

4.5 本章小结

第5章 基于负载重分配的连锁失效评估

5.1 引言

5.2基本理论

5.4改进的连锁失效“负载-容量”动态模型的建立

5.5火灾自动报警系统的“负载-容量”模型仿真与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢