故障树分析智能教学平台的设计与开发

蔡舒妤

摘 要：故障树分析方法是系统可靠性工程学的重要分支作为一种评估复杂系统的实用方法，在飞行器制造工程专业的课程体系之中多有涉及。该文根据教学改革创新的实际，设计并实现了由计算机辅助的故障树分析方法智能网络教学平台。通过对故障树绘制生成方法以及协同建树方法的研究，实现了多用户的故障树可视建立过程；通过提取故障树结构完整性规则，保证故障树结构逻辑合理；通过定性定量分析算法，实现故障树的智能分析。该平台弥补了传统教学方式的不足，为提高课程教学质量提供了支持。

关键词：故障树分析法 协同建树 可视化 智能教学平台

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0006-02

故障树分析方法，简称FTA（Fault Tree Analysis），是系统可靠性工程学的重要分支作为一种评估复杂系统的实用方法，通过故障树分析方法对飞机某一系统的某一故障进行可靠性与安全性的定量定性分析，在飞行器制造工程专业的课程体系之中多有涉及。

然而，飞机系统复杂性高，各个系统所含部件众多，传统手工建树及分析过程难度较高，工作量较大，在教学中以飞机某系统或某部件为案例进行讲解分析耗时较长，难以满足教学学时要求，同时学生动手实践的机会较少，影响了学生对故障树分析法完整全面的理解和应用。借助专业的软件平台实现故障树分析不失为一个行之有效的解决方案。

1 国内外研究现状

国内外对FTA分析程序与软件的研究日趋广泛。美国针对FTA的分析任务，研制出一系列功能各异的故障树分析计算机程序，如PREP/MOCUS、AL-LCUTS等定性分析程序，KITT/PRANTIC等定量分析程序。德国的RISA程序用于FTA 的定量分析，日本、英国则把FTA技术和可靠性设计广泛应用于民用产品的生产中，使其产品质量显著提高，增加了经济效益，赢得了广阔的信誉和市场。

我国FTA技术引进较晚。清华大学核能技术研究所研制了MFFTAAP多功能故障树，航空航天部502研究所将R.R.WILLE的FTA程序消化移植到计算机上，便于推广应用。西安电子科技大学研究开发的和国防科技大学ART 重点实验室开发了故障树分析软件。

当前故障树辅助分析软件系统的不足之处有：故障树建立操作繁琐，输入信息较多；仅提供与门、或门等基本逻辑门的支持；没有考虑冗余系统的分析，更没有对共因失效进行分析。此外，可视化水平不高、应用领域固定、购买软件成本高等也是这些软件难以应用于教学的主要原因。

因此，为了满足教学的需要，加深学生对于飞机可靠性分析方法与过程的认识和理解，对故障树分析智能教学平台进行设计，将故障树协同建立、数据模型管理、定量定性分析、运算结果存储等功能集成于一体，通过“所见即所得”的可视化建树过程和智能数据分析，实现对飞机系统的智能完整的故障树分析过程。

2 故障树分析智能教学平台的需求分析

2.1 可视化协同建树方法

通过引入“所见即所得”的可视化模式，实现多人参与的故障树模型协同建立。通过对故障树基本元素的分析，定义事件符号、逻辑门符号等基本元素符号的属性和逻辑含义，使故障树的描述清晰直观；设计故障树基本元素的表示方式和存储结构，为后续分析过程提供准确有效的数据支持；同时考虑使用人员的建树思路和操作习惯以及多人参与的协同机制，使故障树建立过程方便快捷。

2.2 故障树分析中的NP（Non-deterministic Polynomial）问题

在故障树的定性定量分析过程中，都存在着组合爆炸问题，即NP问题。它的产生是由于在进行故障树分析中，算法遍历所有可能的解决方案以保证分析结果正确而导致的。系统将引入计算复杂性相关理论，通过早期逻辑简化、早期模块分解和早期不交化等方法，降低NP问题发生的可能性。

3 故障树分析智能教学平台的设计

立足教学质量提升及课程改革创新的需要，对故障树分析法的教学需求进行分析，故障树分析智能教学平台功能架构如图1所示。

（1）系统管理功能，涵盖了对系统用户及权限的管理，其中包含如下子功能：

用户管理，系统能够对使用者的信息进行管理，实现添加、修改、删除用户，并可以对用户分配角色，将不同的功能权限授予不同的用户，用户无法看到和使用不具备的功能。

权限管理，系统能够对系统权限信息进行管理，实现权限的添加、修改和删除。

角色管理，系统能够对系统角色信息进行管理，实现角色的添加、修改和删除，并可以对角色进行权限分配。

日志管理，系统记录用户的使用情况。自用户登录开始到退出整个过程进行跟踪记录，以记录用户的操作内容。

（2）项目管理模块，支持项目的创建、打开、保存和关闭操作。

（3）故障树建立模块。定义故障树基本元素控件，提供界面友好、操作简单的可视化故障树模型建立的人机交互接口；设计协同机制，实现多名使用人员共同参与的故障树建立过程；对建立的故障树进行完整性检测，确保故障树满足其逻辑规则；此外，规范故障树存储结构，为后续定性定量分析提供统一高效的数据存储。

（4）定性分析模块，提供故障树最小割集、最小路集等定性分析的多种算法，可对平台中建立的故障树快速完成定性分析。

（5）定量分析模块，提供故障树顶事件概率、底事件重要度等定量分析的多种算法，实现对平台中故障树快速准确的定量分析。

（6）分析报告模块，当故障树建立及分析过程完成后，可生成故障树及分析结果的报告，并上传至服务器或保存至本地。

（7）技术报告管理功能，提供对分析报告的查看和下载功能。

（8）文件管理功能，实现系统相关文档的添加、修改和删除功能，并能够上载、下载相应的文件。

（9）搜索功能，实现了对系统中的文件、报告信息的各项数据内容的搜索。

（10）帮助功能，提供使用系统的帮助信息。

性能上，系统能有效、快速、安全、可靠和无误的完成上述操作。用户界面要简单明了，易于操作，服务器数据库利于维护。

4 故障树分析智能教学平台的实现

故障树分析智能教学平台基于C#语言面向局域网实现C/S结构模式。系统集故障树协同建立、数据模型管理、定量定性分析、运算结果存储、生成报表等功能于一体，为飞机可靠性分析与故障诊断提供有力的软件支持。系统主界面如图2所示。

5 结语

故障树分析方法是系统可靠性工程学的重要分支作为一种评估复杂系统的实用方法，在飞行器制造工程专业的课程体系之中多有涉及。本文将设计实现由计算机辅助的故障树分析方法智能网络教学平台，通过引入“所见即所得”的可视化建树模式，支持基于局域网的多人参与的故障树模型协同建立；同时提供完整性检测算法支持，确保其满足逻辑规则；通过解决组合爆炸问题，自动完成故障树定性定量分析并生成分析报告。该平台为教学提供有力的软件支持，解决了目前教学软件采购成本高、适用性差、功能扩展困难的尴尬局面，在增强学生的教学参与度，提高教学质量的同时，培养学生分析解决工程实际问题的能力。

参考文献

[1] 郑裕国，张康达.故障树定性和定量分析的算法[J].浙江工业大学学报，1995，23（1）：42-47.

[2] Kiran Kumar Vemuri.Automatic Synthesis of Fault Trees for Computer-Based Systems[J].IEEE Transactions on Reliability， 1999，48（4）：394-402.

[3] 陆愈实，扬静.故障树可视化分析系统[J].中国安全科学学报，2000（10）： 8084.

[4] Cheng YL，Yuan J.On structured fault tree construction by modularizing control loop[J]. Reliability Engineering and System Safety，2000，20（67）：161- 173.

[5] Wang Y，Teague TL，West H，etal.A new algorithm for computer-aided fault tree synthesis[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2002，7（15）：265-277.

[6] 吴多胜，叶雪梅，王帆.计算机辅助可视化故障树分析系统[J].微计算机信息， 2005，21（8）：95-96.