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故障安全资料

安全性课题整理资料

故障导向安全机制研究

整理人：

涂继亮

一故障导向安全性课题研究意义

安全性课题研究对象分类：

1、武器装备系统安全性

2、核电站、核能、核武器

3、航空、航天系统

4、船舶运输

5、轨道交通、高速列车、磁浮车

6、其他民用系统（化工、煤矿、电力、大坝等系统）

随着武器装备系统技术的不断发展，系统变得更加复杂，系统的安全问题日益突出。

武器装备发生事故将会造成己方人员的伤亡和设备的损失，严重影响战斗能力的发挥。

铁路交通安全形势却不乐观，无论国内还是国外，列车事故都时有发生，列车的安全问题不断出现，较常遇到的故障就有“车辆运行中的轮对故障”、“制动和空气弹簧系统故障”、“走行部构架以及中央悬挂装置的故障”、“车辆蛇行失稳”、“列车脱轨故障”、“列车电器设备用电故障”等等，这些故障给行车安全带来很大隐患和和社会经济损失。

核电站、核能、核武器的生产与使用在产生有利一面的同时,其潜在的危险性及巨大的破坏性,就使安全性考虑成为重要的课题而安全性评估是安全设计、生产、使用、管理的基础,是制定安全决策的依据。

船舶运输是现代社会的重要运输方式，船舶运输的安全性一直是人们关注的焦点之一，船舶重大灾难事故仍然时有发生。

20世纪内这样灾难性事故已经发生多次，酿成了不少悲剧。

如1986年1月28日，_又国“挑战者”号航天飞机失事，损失30亿美元，七名宇航员全部丧生;1996年，世界航空领域发生了飞机失事11起，死亡人数达1187人。

例如:

“HeraldofFreeEnterprise”滚装客船翻沉，死亡193人;“Estonia”号滚装客船翻沉，死亡852人;“Scandinavian”号客船发生火灾，死亡156人;以及“AmoeoCadiz”与“ExxonVadlez”油船事故，导致原油外溢，造成严重污染。

1993.08，青海省沟后水库溃坝，造成近300人死亡；2001年，四川省大路沟水库溃坝，伤亡近40人；2005年7月21日，云南省昭通市七仙湖水库溃坝，造成16人死亡。

1957年10月7日：

英国东北海岸的温德斯凯尔的一家铀生产核反应堆发生火灾。

这次事故产生的放射性物质污染了英国全 境。

至少有39人因此患癌症死亡。

 1986年4月26日：

前苏联切尔诺贝利核电站发生大爆炸，其放射性云团直抵西欧，造成8000人死于辐射导致的各种疾病。

近几年，我国在航天方面曾发生火箭、卫星爆炸事故，不仅不能完成计划任务，而且还造成人员伤亡、设施破坏，在航空方面也发生多次机毁人亡的事故。

灾难性事故不胜枚举，随着我国社会、经济的快速发展，以及党中央提出的“以人为本、构建和谐社会”执政理念的贯彻，对提高上述大型系统安全性水平，对系统安全性进行研究，采用系统安全性技术是必然要求。

因此，如何利用安全科学作为理论指导，增强系统运行的安全性，是一个很有价值的研究课题。

二研究技术路线及方法概论

1、系统关键部件安全监测及监测模型研究

充分利用现代传感器技术、计算机技术、自动化技术、通信技术、电子控制技术等，对系统关键部件进行状态安全检测，从而保证技术系统安全性。

文献[1]中通过对列车走行部系统、基础制动系统以及车电应用系统等关键部件的工作状态关键部件监测，通过实时记录、分析与诊断，对列车关键部件的状态进行集中显示和报警，查找故障的原因，并对故障定位以指导维修，同时预测各个关键部件的工作状态以防止事故发生。

采用分级管理的方法将监测系统分为车厢级监测子系统、列车级监测子系统和地面监控与专家分析子系统等三级管理系统，利用现代通讯技术将各级系统进行连接，保证系统的可实施性、安全性及可操作性。

文献[2]针对机车检修运用的现场实际需要介绍了内燃机车工况监测系统的研制过程，并就系统构成特点、传感器应用、功能模块、网络通信方式、监控组态软件等核心问题进行了探讨。

文献[3]中融汇电子技术、传感器技术、通信技术、遥测遥控技术和计算机技术等实现对水库和水电厂大坝安全进行监控的自动化系统。

系统一般由现场传感器、测控单元及中央处理机组成，从系统的组成结构上讲可分为集中式监测数据采集系统、分布式监测数据采集系统和现场总线数据监测系统，进而提高大坝安全性。

文献[4]中充分利用现代通信技术提出了遥视系统的结构、功能及其对电力系统安全运行的作用，详细分析了变电站遥视系统的点对多点模式和广域网络（TCP/IP）模式的实现方法及存在的技术问题，明确了遥视系统采用广域网络模式建设的必要性。

遥视系统是电力系统中实现环境安全监控的重要技术手段，研究了遥视系统的实现方法以及遥视系统与EMS融合的问题。

[1]张兵．列车关键部件安全监测理论与分析研究[D]．西南交通大学博士学位论文，2007

[2]蔡林，梁岩．内燃机车工况监测系统[J]．铁道机车车辆，2003，23（4）

[3]何勇军．大坝安全监控的人工智能技术研究[D]．河海大学博士学位论文，2002

[4]罗毅．电力系统安全监控的理论及方法研究[D]．华中科技大学博士论文，2004

2、监测数据智能处理技术（数据挖掘与信息融合）

常用数据挖掘与信息融合算法：

（1）关联规则和决策树的方法

现今的数据采掘大都是基于这类方法的。

采用规则发现和决策树分类技术来发现数据模式和规则的核心是某种归纳算法。

通常是先对数据库中的数据进行采掘，产生规则和决策树，然后，对新数据进行分析和预测。

典型的关联规则采掘算法有Aprior和DHP等，它们都属于数据库遍历类算法，但DHP引入了优化措施，因此计算效率比APriori方法大大提高。

决策树是以信息论中的信息互增益原理为基础，寻找数据库中具有最大信息量的字段建立决策树的一个结点，再根据字段的不同取值建立树的分枝，在每个分枝中集中重复建树的下层结点和分枝的过程，即可建立决策树;然后对决策树进行剪枝处理;最后把决策树转化为规则，利用这些规则可以对新事例进行分类。

（2）统计方法

统计理论因其非常完善的数学理论，在数据分析应用方面具有深入而广泛的应用。

利用统计学原理对数据库中的信息进行分析，可运用常用统计（求大量数据中的最大值、最小值、总和平均值等）、回归分析（求回归方程来表示变量间的数量关系）、相关分析（求相关系数来度量变量间的相关程度）、差异分析（从样本统计量的值得出差异，来确定总体参数之间是否存在差异）等方法。

实际上，这类方法主要用来分析数据，而不是从其中发现模式和规则，所以，它在数据采掘中主要作为其它方法的基础而存在。

（3）模糊集

模糊集（Fuzzysets）是继经典数学、统计数学之后，在数学上的又一新的发展。

模糊性是客观存在的，当数据量越大而且复杂性越大时，对它进行精确描述的能力越低，就是说模糊性越强。

模糊集（Fuzzysets）用隶属函数确定的隶属度描述不精确的属性数据，重在处理不精确的概率。

在知识发现中，模糊集可用作模糊评判、模糊决策、模糊模式识别、模糊聚类分析、合成证据和计算置信度等。

（4）基于神经元网络的方法

神经元网络具有对非线性数据的快速拟合能力，因而得到日益广泛的应用。

在知识发现的过程中，神经元网络是数据聚类的有力工具。

在事务数据库的分析和建模方面应用广泛。

人工神经网络建立在可以实现自学习的数学模型的基础之上。

它可以对大量复杂的数据进行分析，并可以完成对人脑来说极为复杂的模式抽取及趋势分析。

神经网络系统由一系列类似于人脑神经元一样的处理单元组成，我们称之为节点。

这些节点通过网络彼此互连。

如果有数据输入，它们便可以进行确定数据模式的工作。

神经网络的处理过程主要是通过网络的学习功能，找到一个恰当的连接权值来得到最佳结果。

其比较典型的学习方法是BP算法，它将输出结果同一些已知值进行一系列比较，权值不断调整得到一个新的输出值，再经过不断的学习过程，最后该神经网络得到一个稳定的结果。

（5）遗传算法

这是模拟生物进化过程的算法，由三个基本算子组成:

繁殖（选择）是从一个旧种群（父代）选出生命力强的个体产生新种群（后代）的过程;交叉（重组）选择两个不同个体（染色体）的部分（基因）进行交换，形成新个体;变异（突变）对某些个体的某些基因进行变异（l变O，O变1）。

遗传算法可起到产生优良后代的作用，这些后代需满足适应值。

经过若干代的遗传，将得到满足要求的后代问题的解。

（6）粗集理论

粗集理论是波兰Pawlak教授在1982年提出的一种智能决策分析工具，它是一种刻划不完整性和不确定性的数学工具，能有效地分析不精确、不一致、不完整等各种不完备的信息，还可以对数据进行分析和推理，从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律。

在数据挖掘领域，粗集方法被广泛应用于不精确、不确定、不完全的信息的分类和知识获取。

（7）云理论

云理论（CloudTheory）是一个分析不确定信息的新理论，由云模型、不确定性推理和云变换三部分构成。

云理论把定性分析和定量计算结合起来，可以用于处理融随机性和模糊性为一体的属性不确定性.云在空间由系列云滴组成，远观像云，近视无边。

云具有期望值、嫡和超嫡三个数字特征.期望值是概念在论域中的中心值，完全隶属于该定性概念;嫡是定性概念模糊度的度量，其值越大，概念所接受的数值范围越大，概念越模糊;超嫡反映云滴的离散程度，其值越大，隶属的随机离散度越大。

云理论构成定性和定量相互间的映射，处理融模糊性（定性概念的亦此亦彼性）和随机性（隶属度的随机性）为一体的属性不确定性，在一定程度上弥补了作为模糊集理论基石的隶属函数的不足。

云理论己经用于空间关联规则的挖掘、空间数据库的不确定性查询。

（8）可视化技术

可视化技术是一类辅助方法，它采用比较直观的图形图表方式将挖掘出来的模式表现出来，数据可视化大大扩展了数据的表达和理解力。

这在数据挖掘中非常重要，因而数据可视化正受到日益广泛的重视。

在监测自动化水平不断提高的基础上，依据丰富、全面的安全信息资源，将信息科学、人工智能理论、计算机技术等与系统工程理论和方法综合集成和融合，为完善系统安全监控理论和方法，解决系统安全监控遇到的新问题等，提供了很好的思路与途径。

文献[5]便针对大坝所具有的开放的复杂巨系统特性的基础上，基于全方位思维模式，应用海量数据综合集成、多学科交叉融合的思想，初步建立了大坝安全智能融合监控体系。

其核心思想是实现从单一正向思维模式向逆向思维、系统思维、反馈思维等全方位思维模式的转变,通过应用知识工程、信息智能处理等理论和方法,与传统的数学、力学方法相互渗透和融合,来完成大坝安全监控中的各项工作。

作者初步将其分为数据级融合、分析级融合、诊断级融合和评价级融合四级体系结构,简要叙述了各级融合的基本原理和典型实现方法。

文献[6]、[7]利用数据融合信息分级处理的思想，将核动力装置故障诊断分为3级进行，数据级采用了数据挖掘的方法对数据进行处理，对属性进行约简；特征级采用并行的3个神经网络处理数据级的约简属性，并将其输出作为决策级Dempster-Shafer（D-S）证据理论的基本概率赋值；决策级采用了改进的D-S证据理论对神经网络的输出进行合成，克服了传统D-S证据理论无法处理冲突信息的缺陷。

运用文献中的相关数据对该方法进行了测试验证，测试结果证实了该方法可正确诊断训练过的核动力装置相关故障，具有一定的应用价值。

[5]苏怀智，吴中如，戴会超．初探大坝安全智能融合监控体系[J]．水力发电学报，2005，24

（1）

[6]谢春丽，刘永阔，夏虹．基于数据融合的核动力装置故障诊断方法[J]．原子能科学技术2009，43（11）

[7]谢春丽.船用核动力装置数据融合的故障诊断方法研究[D].哈尔滨:

哈尔滨工程大学学,2004.

3、智能故障诊断理论关键技术

诊断理论与实践的发展已经证明，对于大型复杂系统来说，任何单一的诊断模式在实际应用中，都受到一定的局限，难以获得理想效果。

同时，在人类的自身思维过程中，经验思维、逻辑思维、形象思维与创造型思维缺一不可，并且这四者非常巧妙地互相结合形成一个有机的整体。

文献[8]针对混凝土大坝安全检测中的规模大、信息复杂等实际情况，提出利用粗糙集理论对海量大坝安全监测信息进行约简，分别构成诊断子网络，并依据混凝土坝健康综合诊断结构体系的特点，引入逐层分布式综合诊断的思想，将多个子网合成统一，实现综合诊断。

考虑到综合诊断特点，将神经网络和模糊逻辑相互渗透，有机结合，取长补短，可以提高系统整体的学习能力、表达能力和智能水平，最终构建智能化综合诊断系统。

文献[9]在传统的油中溶解气体分析方法的基础上,利用模糊神经网络强有力的关系处理能力,研究提出牵引变压器全局故障诊断方法。

依据模糊神经网络理论,通过对数值逻辑故障诊断模型和物理逻辑故障诊断模型2类模糊神经网络故障诊断模型的分析,考虑信息采集节点的向量特性、变化趋势特性以及模糊神经网络的反馈特性,给出牵引变压器全局故障诊断模型,以故障征兆特征变化趋势表征故障征兆与故障类别间的因果关系,确立增益参数、权系数判定矩阵与决策矩阵。

试验结果表明:

该方法能够更好地分析牵引变压器各类故障产生的原因,明确故障特征类型,避免用单一特征数据集诊断牵引变压器故障带来的局限性,可以提高故障诊断的准确率。

文献[10]利用粗集理论智能数据分析方法，对大坝安全监测信息进行预处理，抽取关键成分作为映射关系的输入，从而确定映射关系的初始拓扑结构。

在此基础上，应用最小二乘支持向量机算法，以训练误差作为优化问题的约束条件，以置信范围值最小化作为优化目标，从大坝安全原型观测数据中学习归纳出大坝系统运行规律，从而实现对大坝安全预警模型的构建.。

实例分析表明，该模型能够有效的模拟和预测大坝工作性态与主要影响因素的关系。

文献[20]针对使用传统模糊综合评判方法进行故障级别评判时模型参数难以确定的问题,提出一种基于分布估计算法（EDA）的模糊综合故障评判方法,通过使用EDA对评判模型进行逼近建模,实现了模糊评估模型参数自动学习和优化。

性能评测显示,基于EDA的故障综合评判方法能够较快收敛到最优结果,并有很高的评判精度,效果明显优于遗传算法和其他机器学习算法,能够胜任磁浮列车系统故障评级的任务。

远程监测诊断研究最早是从远程医学开始的。

近年来，基于Internet远程故障诊断技术的研究，受到了国内外研究者的密切关注和重视。

在应用研究方面，美国密歇根大学是国外较早开展远程诊断研究的学术单位，主要开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究工作，并在Internet上设立了一个宣传站点。

斯坦福大学、麻省理工学院也都正在进行该领域的研究。

在国内，远程故障诊断技术目前处于起步阶段。

华中科技大学、东南大学、西安交通大学和天津大学等单位也在开展该技术的研究。

华中科技大学已设立了一个示范性的远程故障诊断站点。

同济大学同德国某公司合作，正在进行针对上海大众汽车公司冲压生产线的远程服务系统，其中包括远程故障诊断技术的实质性工作。

东南大学、浙江大学和天津大学等院校和科研机构也在此方面进行了有益的研究和尝试。

[8]李婷婷．混凝土坝健康诊断及其预警系统[D]．河海大学博士论文，2006

[9]刘循，赵时旻，董德存．基于模糊神经网络的牵引变压器全局故障诊断方法[J]．中国铁道科学．2009，30

（1）

[10]苏怀智，温志萍，吴中如．基于SVM理论的大坝安全预警模型研究[J]．应用基础与工程科学学报，200917

（1）

4、安全科学及系统安全评价技术

目前，可靠性理论是系统安全运行的理论基础，也是安全监控的理论基础。

根据可靠性基本原理，若忽视元件故障间的相互影响，多重故障的发生满足一种“串联”效应，其概率值很小。

因此，目前的可靠性理论不能从根本上解释重大事故中发生的连锁故障问题。

安全科学是一门专门研究安全问题的科学，也是一门对各行各业的安全生产具有指导意义的科学。

但是，年轻的现代安全科学本身并没有建立起完整的理论体系，安全科学的各个孤立的理论有时在分析同一个问题的时候难以得出一致的结论。

安全科学的理论体系的发展经历了具有代表性的三个阶段：

20世纪50年代以前主要发展了事故学理论；20世纪50年代到80年代发展了危险分析与风险控制理论；20世纪90年代以后，现代安全科学初见端倪，目前正处于不断地发展和完善中。

事故学理论的基本出发点是事故，以事故为研究的对象和认识的目标，在认识论上主要是经验论和事后型的安全哲学。

事故学理论包括：

事故分类学（按照管理要求分类的加害物分类法、事故程度分类法、损失工日分类法、伤害程度与部位分类法等，按照预防需要分类的致因物分类法、原因体系分类法、时间规律分类法、空间特征分类法等）。

事故模型论（因果连锁模型即多米诺骨牌模型、综合模型、轨迹交叉模型、人为失误模型、生物节律模型、事故突变模型）。

事故致因理论（事故频发倾向论、能量意外释放论、能量转移论、两类危险源论）。

事故预测理论（线性回归论、趋势外推论、规范反馈论、灾变预测论、灰色预测论）。

事故预防理论（三E对策论、事后对策论）。

危险分析与风险控制理论属于事故预防型分析方法。

危险分析与风险控制理论以危险和隐患作为研究对象，其理论基础是对事故因果性的认识，以及对危险和隐患事故链的确认。

危险分析与风险控制理论建立了事故链的概念，有了事故系统的超前意识流和动态认识论。

危险分析与风险控制理论确认了人、机、环境、管理事故综合要素，主张工程技术硬手段与教育、管理软手段综合措施，提出了超前防范和预先评估的概念和思路。

危险分析与风险控制理论包括：

安全分析理论（FTA故障树分析、ETA事件树分析、SCL安全检查表、FMEA故障类型及影响分析）；

安全评估理论（安全系统综合评估、安全模糊评估、安全灰色系统评估）；

风险分析理论（风险辨识、风险评估、风险控制）；

人机可靠性理论；

隐患控制理论（重大危险源、重大隐患控制、无隐患管理）。

文献[11]在综述感应电机故障诊断的人工智能方法时，提出任何一个故障诊断都由专家系统选择一棵合适的故障树开始，根据该故障树为下一步诊断采用的人工智能系统提供输入数据集。

文献[12]-[16]分别介绍了故障树、事件树、FMEA以及安全评估技术在核电站全厂停电分析、停堆分析、堆保护可靠性分析及核电厂安全评估等方面的应用。

文献[24]在故障树分析法（FTA）基础上提出了一种基于贝叶斯网络（BN）的核电站应急电力系统安全评价方法，比较了FTA和（BN）在建立安全评价模型和评价能力上的不同。

该方法在应对众多影响因素上有很大优势，能进行更多有意义的分析：

既能进行前向的预测

推理，又能进行后向的诊断推理，可以找出影响故障的组合模式，从而能够找出系统的薄弱环节。

同时采用基于MATLAB的BNT软件包，大大简化了计算过程。

通过对10MW高温气冷堆应急电力系统的安全评价实例的分析，证明该方法是对传统的基于故障树分析的安全评价方法的有益改进。

文献[17]对电力系统可靠性的研究新进展以及各种充裕度和安全性的评估方法进行了详细介绍。

文献[18]将基于风险的安全评估RBSA（RiskBasedSecurityAssessment）开始应用于电力系统。

通过RBSA，分析可能发生的事故及其发生的频率，计算事故产生的后果，估算风险程度，评估风险可接收程度，并采取措施减少任一不可接受风险。

现代安全科学以安全系统作为研究对象，建立了人－物－能量－信息的安全系统要素体系，提出系统自组织的思路，确立了系统本质安全的目标。

现代安全科学从安全系统的动态特性出发，研究人、社会、环境、技术、经济等因素构成的安全大协调系统，在认识了事故系统的人－机－环境－管理四要素的基础上，更加强调安全系统的人－物－能量－信息四要素，即人的安全素质、设备和环境的安全可靠、生产过程中能量的安全作用、充分可靠的安全信息流。

现代安全科学尚未形成理论体系，正在研究的理论包括安全哲学、安全系统论、安全控制论、安全信息论、安全经济学、安全管理学、安全工程技术、安全仿真理论、安全专家系统、安全灾变理论、本质安全化理论、安全文化等。

文献[19]从系统论思想出发、运用产品全生命周期管理（PLM）理论，结合机车车辆全生命过程特点，提出在机车车辆全生命周期内实施以可靠性为中心进行结构安全管理的体系框架和主要内容，探索为增强机车车辆结构运行安全性开展研究的关键技术。

在设计、制造、运用和维修、报废四个生命周期阶段的予以技术管理的思路、内涵和框架及关键技术。

文献[22]以安全科学理论和可靠性工程理论为基础，构造了城市轨道交通系统的运营安全性和运营可靠性框架。

安全性框架包括安全技术体系、安全管理体系。

突破以往对于城市轨道交通系统安全性与可靠性研究局限于对单一设备或单一过程的研究，采用系统得方法对运行安全性与可靠性进行整体分析研究。

研究成果可以为城市轨道交通系统既有线路的安全制度制订、设备可靠性改进、维修策略制定等方面提供参考依据，也可以为新线设计时的安全性与可靠性预测提供技术支持。

文献[23]探讨影响系统安全的组织因素问题，根据建立起来的影响系统安全的组织因素层次模型，运用灰色系统理论中的关联分析方法，以某核电站近几年的内部事件报告为例，对影响系统安全的组织因素进行了分析，结果显示：

影响安全的组织因素主要体现在技术操作层次，对系统安全影响最大的主要子因素是标准与规程失效。

同时，分析了同一主因素下的子关联情况，分析结论为预防减少组织错误的发生提供了理论依据。

[11]F.Filippetti，G.Franceschini,C.Tassoni,P.Vas.RecentdevelopmentsofinductionmotordrivesfaultdiagnosisusingAItechniques.IEEETrans.onIndustrialElectronics,2000,47（5）

[12]于文革,张志检等.大亚湾核电站反应堆保护系统可靠性分析.核动力工程,2003,24

（1）

[13]王玉成,薛大知.核电站风险管理系统及其构模方法.核动力工程,1994,15（6）

[14]黄卫刚.PRA在大亚湾核电站的开发与应用.核科学与工程,2001,21（4）

[15]陈海燕,李小华,柯国士.大型核电站全厂断点事故的失效模式分析.核科学与工程,1998,18（4）

[16]柯国士,许汉铭,袁履正等.大亚湾核电站停堆工况风险研究.原子能科学技术,2003,34

（2）

[17]郭永基.电力系统可靠性分析.北京:

清华大学出版社,2003

[18]D.Kirton.Riskassessment[electricmachines].In:

IEEColloquiumonImplicationsofRecentEuropeanLegislationontheDesigner,SpecifierandUserofSafetyRelatedEquipmentandSystems.7Nov1995.PP.5/1-5/9

[19]余卓民基于可靠性的机车车辆生命全生命周期结构安全管理体系研究同济大学博士论文2006

[20]龙志强,蔡楹,徐昕基于分布估计算法的磁浮列车故障综合评判控制与决策，200924（4）

[22]赵惠民，城市轨道交通系统的运营安全性与可靠性研究同济大学博士论文2006

[23]肖东生，李万帮影响系统安全的组织因素分析系统工程2007

[24]魏利强郑恒贝叶斯网络的核电站应急电力系统安全评价高技术通讯17（6）

5、故障导向安全方面主要课题研究内容

1、传感器智能化技术研究

在对传感器静、动态特性研究的基础上，探讨智能传感器功能和实现途径，并充分借助人工智能技术（人工神经网络