[發明專利]一種盾構刀盤及驅動系統多態動態可靠性評估方法

有效

• 申請號: 201710226479.4
• 申請日: 2017-04-09
• 公開（公告）號: CN107145634B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 杜修力;王寧;龔秋明;許成順;盧鑫月
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F119/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種盾構刀盤及驅動系統多態動態可靠性評估方法，其特征在于：該方法運用多態動態故障樹-動態貝葉斯網相結合的模型，解決盾構機刀盤及驅動系統動態可靠性分析無法利用基本事件失效數據和實時觀測數據，同時考慮事件的多態性、動態性和相依性的問題；

首先建立土壓平衡盾構機刀盤及驅動系統失效二態動態故障樹；其次確定多態動態門和多態靜態門失效規則并將所建立的二態動態故障樹向多態進行擴展；再次根據多態動態故障樹向動態貝葉斯網絡轉換規則建立系統失效動態貝葉斯網絡，確定系統可靠度；

確定多態動態門失規則包括多態順序相關門(MSSEQ)、多態優先與門(MSPAND)兩種；其中，MSSEQ門包含A、B、C三個事件，失效規則為導致頂事件功能降級的基本事件功能降級只能從左至右順序發生，且左側事件故障等級等于或高于右側事件，所有事件故障等級可連續或跳躍發生，頂事件故障等級取決于故障等級最低的基本事件的故障等級；MSPAND門包括A、B兩個事件，失效規則為當且僅當輸入事件A優先于輸入事件B發生失效時，頂事件發生功能降級，基本事件A、B允許以任意順序發生，故障等級可以在任意等級間連續或跳躍變化，基本事件A完好時頂事件狀態完好，基本事件A故障時頂事件故障狀態取決于基本事件B；

動態故障樹向動態貝葉斯網絡轉化時，根據多態動態門基本事件相互依賴關系建立相應動態貝葉斯網絡節點轉移概率，根據多態或門基本事件關系建立動態貝葉斯網絡節點條件概率，構建盾構刀盤及驅動系統可靠性分析的動態貝葉斯網絡；

確定系統可靠度時，依據收集的基本事件統計資料確定失效率，運用動態貝葉斯網絡推理算法計算各子系統節點概率分布，進行動態可靠性分析，并據此獲得各子系統綜合風險等級，進行系統維修決策；

該方法的具體步驟流程如下：

步驟一：根據土壓平衡盾構機刀盤及驅動系統構造和功能特性確定導致系統失效的基本事件如表1，進行節點依賴關系分析并利用靜態邏輯門、傳統動態門建立基本事件和中間事件、頂事件的關系，構建系統失效二態動態故障樹；

步驟二：通過定義多態動態門和多態靜態門失效規則對傳統動態門分析功能進行拓展，根據實際系統動態可靠度分析精度的需要選擇基本事件狀態等級數，將步驟一的二態動態故障樹擴展至多態；

所述多態動態門包含多態順序相關門(MSSEQ)和多態優先與門(MSPAND)，其構成及失效規則為：

MSSEQ門有3個輸入事件A、B、C和1個輸出事件G，所有事件的故障狀態集合為S＝1,2,3,…,n，(n2)；“1”故障等級最低，表示完好工作狀態；“n”故障等級最高，表示完全失效狀態；其余介于二者之間；MSSEQ門失效規則為：基本事件只能按照從左至右的順序相繼發生失效，此時將導致頂事件失效，且同時滿足以下條件：(1)左側事件故障等級等于或高于右側事件；(2)所有事件故障時狀態變化可以按等級順序連續或跳躍發生；(3)頂事件故障狀態取決于故障等級最低的輸入事件的狀態等級；其失效規則表示如下：

S_i≥S_j；S_j→S'_j≤S_i；S_G＝min(S₁,S₂,...,S_m)；(S_i,S_j≤n；i＜j；i,j＝1,2,...,m)；其中，S_i,S_j表示輸入事件的狀態，S_G表示輸出事件的狀態；

MSPAND門包含2個輸入事件A、B和1個輸出事件G，A有2個狀態，B有n個狀態，狀態集為S＝1,2,3,…,n，(n2)；MSPAND門失效規則為：當且僅當輸入事件A優先于輸入事件B發生時，頂事件G發生；同時滿足以下條件：(1)輸入事件A、B允許以任意順序發生；(2)基本事件的故障狀態可以在任意等級間連續或跳躍變化；(3)頂事件故障狀態取決于基本事件A、B的最低故障狀態及故障順序；

其失效規則表示如下：

S_i→S_i'；S_G＝min(S₁,S₂)，S₁(t＝1)＞S₂(t＝1)；S_G＝1，S₁(t＝1)＜S₂(t＝1)；

(S_i,S_i'≤2，i＝1；S_i,S_i'≤n，i＝2)

所述多態靜態門為多態或門(MSOR)，按照最大風險等級原則確定，即頂事件狀態等級取決于風險等級最高的基本事件，其失效規則表示為S_G＝max(S₁,S₂,...,S_m)；

步驟三：采用統計和經驗相結合的方法獲得各基本事件預期壽命以及處于各狀態的時長率、事件狀態變化的離散度計算參數，確定動態貝葉斯網絡每個節點的狀態轉移率；

假定多狀態節點X_i服從馬爾可夫過程，狀態轉移概率由下式計算：

其中，Δt為一步轉移時間間隔，即根據盾構刀盤及驅動系統可靠性分析需要而設定的分析時間步長；為i節點保持狀態k的平均時間長度，由預期壽命和各狀態平均時長率求得；所述時長率即為基本事件處于各狀態的時長百分比；為由狀態k到狀態m的分配概率，表示特定地質及施工環境下該事件狀態變化的離散程度；由高斯分布N(0,σ)計算，從離散度集D＝{Low,Middle,High}中選取，對應的標準差σ＝{0.25,0.5,1}；計算出狀態轉移概率后進一步的通過下式得到每個基本事件X的轉移率

步驟四：根據多態動態門失效規則及步驟三獲得的節點轉移率，采用動態貝葉斯網絡轉化算法建立節點(事件)之間的轉移概率和條件概率表；

所述多態動態門包括多態順序相關門(MSSEQ)和多態優先與門(MSPAND)，其動態貝葉斯網絡轉化過程如下：

MSSEQ門的動態貝葉斯(DBN)網絡結構中，其節點A和B狀態轉移概率如下：

節點C狀態轉移概率與B相同；其中，表示節點A由i狀態轉移到j狀態的狀態轉移率，表示節點B由i狀態轉移到k狀態的轉移率，Δt為一步轉移時間間隔；頂事件的條件概率為：

Pr(G(t)＝l|A(t)＝i,B(t)＝j,C(t)＝k)＝1(l＝min(i,j,k))； (4)

MSPAND門的動態貝葉斯網絡結構中，各節點的狀態轉移概率如下：

其中，表示節點A由1狀態轉移到2狀態的狀態轉移率，表示節點B由i狀態轉移到j狀態的狀態率；根據轉移概率矩陣列和為1的性質，可獲得r＝1時轉移概率為1的元素；FO為判斷A、B發生順序的輔助節點，其狀態為1和2；FO＝1表示B先于A發生，FO＝2表示A先于B發生；當FO＝1時，輸出事件G不發生；當FO＝2，A＝1時，則G不發生，若FO＝2，A＝2則G取決于B，即節點G的條件概率表：

Pr(G(t)＝r|A(t)＝k,B(t)＝j,FO(t)＝i)＝1

(i＝1；r＝1或i＝2；k＝1；r＝1或i＝2；k＝2；r＝j)；0(other) (6)

其他多態或門(MSOR)節點的條件概率表按照最大風險等級原則確定，即子節點狀態等級取決于風險等級最高的父節點，即節點G的條件概率表：

Pr(G(t)＝j|X1(t)＝i₁,X2(t)＝i₂,...,Xn(t)＝i_n)＝1(j＝max(i₁,i₂,...i_n))； (7)

步驟五：運用動態貝葉斯網絡推理算法進行各子系統多態動態可靠性計算，利用加權綜合法獲得各子系統及盾構刀盤及驅動系統整體風險水平；

加權綜合法獲得各系統風險水平的公式為其中v_i為評判集V＝{1,2,3,4,5}中的元素，π_i為動態貝葉斯網絡推理得出的某時刻子系統各等級概率可靠度分布；

盾構刀盤及驅動系統多態動態故障樹基本事件及名稱如表1；

表1 多態動態故障樹基本事件代號及名稱