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GO法—以成功為導向的系統可靠性建模方法
來源:學術人人 | 作者:任羿 | 發布時間: 2021-05-27 | 3608 次瀏覽 | 分享到:
GO法是一種圖形化的系統可靠性建模和分析方法,它分析問題的思路與可靠性框圖模型和故障樹等方法相類似。該首先通過對系統的分析來構造相應的可視化模型,這個模型稱為GO圖;然后通過GO圖對系統進行定性定量分析,發現系統的薄弱環節,計算系統的各種可靠性指標。

GO法是一種圖形化的系統可靠性建模和分析方法,它分析問題的思路與可靠性框圖模型和故障樹等方法相類似。該首先通過對系統的分析來構造相應的可視化模型,這個模型稱為GO圖;然后通過GO圖對系統進行定性定量分析,發現系統的薄弱環節,計算系統的各種可靠性指標。GO法最大的特點是能夠直接依靠系統原理圖或流程圖,把它們按照一定的規則“翻譯”成GO圖。GO圖是用GO符號來表示具體的部件或邏輯關系,用信號流連接GO符號,表示具體的物流或邏輯上的進程。GO圖的連接邏輯采用正常的工作路徑,也就是“面向成功”的建模方法。這樣得到的系統GO模型可以反映出系統的原貌,表達出系統中各部件之間的物理關系和邏輯關系。因此GO法模型的建立和檢查相對容易,尤其是系統比較復雜的情況下,這種優勢更加明顯。

GO法在60年代中期由美國軍方為了分析武器和導彈系統的安全性和可靠性而資助Kaman科學公司開發而來,同時開發了相應的GO法分析程序。20世紀70年代,通過Kaman科學公司的研究,增加了GO法的操作符,實現了故障查找的功能,完成了初步的GO法分析軟件的開發。20世紀80年代初期,美國電力研究所每年出資大約100萬美元用于GO法的理論和應用研究,使GO法得到進一步的完善和發展,同時也對GO法程序持續進行了修改和開發,GO法軟件的功能和性能不斷提高,使GO法得到了更廣泛的應用和認可。20世紀80年代到90年代,日本船舶研究所大力發展GO法,提出了GO-FLOW的概念。GO-FLOW更適合有時序、多階段任務和動態的系統建模。同時,共因失效、系統不確定性分析、系統動態可靠性分析等理論也首次被提出。2000年之后,我國清華大學沈祖培教授帶領的團隊對GO法及GO-FLOW進行了深入的研究并且取得了極大的進展。沈祖培教授提出了概率公式算法和共有信號的復雜系統概率定量計算的精確算法,并將其應用在天然氣管道運輸系統的可用度分析和供氣量計算中,得到了精確的結果。

GO法作為一種可靠性建模方法,有其獨特的優點,該方法的理論基礎為決策樹理論,其基本思想是把系統原理圖、流程圖或工程圖“翻譯”成GO圖,GO圖中系統原理或流程的“影子”非常清晰。GO法的主要特點包括:

 1GO圖是系統的功能原理的直接模擬,GO圖中的操作符直接表示系統中的部件的功能,操作符的輸入、輸出信號表示部件之間的關系和相互作用,GO圖中的操作符和系統的實際部件有較好的對應關系。因此GO圖比故障樹直觀,比可靠性框圖模型的表現力強。

 2GO圖直接表示系統和部件以及部件之間的相互作用和相關性,因此GO圖的圖形簡潔,并且易于檢查、變換和修改,有利于可靠性分析與性能分析工作的同步開展。

 3GO法以成功為導向直接進行分析,易于一般工程技術人員的理解和接受。

 4GO法不只是評價導致系統故障的事件組合,還要分析系統所有可能狀態的事件的組合,因此GO法定性分析可以分別確定系統成功和系統故障的事件集合。

 5GO操作符和信號流都可以表示系統的多個狀態,因此GO法可用于有多狀態的系統概率分析,GO法定量分析可以非常精確地計算系統的成功狀態概率和故障狀態概率。

 6GO法并非只描述某一特定時刻的系統狀態,而是分析事件序列過程,因此GO法可以描述系統和部件在各個時間點的狀態和狀態的變化,可用于有時序的系統概率分析。

由于GO法的特點使GO法的使用有一定難度,因為GO操作符類型多,使用復雜,對系統圖建立GO圖時,要求分析人員不僅對系統非常熟悉,而且對GO法應有足夠的利劍。GO法分析系統所有可能狀態的事件組合,還可用于分析系統隨時間的狀態變化,GO法的算法實現也非常復雜。

GO法對于多狀態、有時序的系統,尤其適用于有實際物流、信息和能量流動的過程系統(如供電、燃油系統等)的可靠性分析,有著其他方法不可代替的特點和作用,因此在概率風險評價、有時序和階段任務的系統分析、不確定性分析和動態系統可靠性分析等方面有其獨特的優點。

GO法在工程分析中的主要應用包括:

1)在產品的設計過程中,通過分析導致系統成功和系統故障的部件事件的集合,發現潛在的系統故障,驗證系統可靠性設計。

2)可應用于系統可靠度和可用度的精確定量計算,其計算結果可評價系統的可靠性或可用性,也可在概率風險評價中用于分析系統的安全性。

3)通過計算系統的重要度,確定系統部件對系統故障的貢獻,評價系統的組成部分和外部事件對系統可靠性的影響,鑒別系統的關鍵設備。

進行系統的不確定性分析和共因失效,用于評價系統設計參數對系統可靠性的影響,評價系統內部部件的共因失效對系統運行的影響,確定冗余系統的安全設計準則。

GO法建模的主要內容包括建立GO圖和進行GO法運算,而GO圖主要由操作符(operator)和信號流(signal)構成,因此GO法的基本概念包括操作符、信號流、GO圖和GO法運算等。

用來代表單元功能和單元輸入、輸出信號之間的邏輯關系的GO符號稱為GO操作符。操作符的屬性有類型、數據和運算規則,類型(type)是操作符的主要屬性,操作符類型反映了操作符所代表的單元功能和特征。GO法已定義了17種標準的操作符,以類型117表示,其中21011為邏輯操作符,S表示輸入信號,R表示輸出信號。

1)第1類:兩狀態單元

描述:簡單但最常用的操作符,所模擬的單元只有兩個狀態,成功——信號能通過,故障——信號不能通過。類型1操作符可以模擬電阻、開關、放大器、閥門、管道以及只有兩狀態的子系統等。

2)第2類:或門

描述:或門有多個輸入,1個輸出,表示輸入輸出的邏輯關系,或門輸出信號狀態值取決于多個輸入信號中的最小狀態值。在時序問題中表示在輸入信號中最早到達的時間點就有輸出信號,在兩狀態問題中表示輸入中只要有一個成功,輸出就成功。

3)第3類:觸發發生器

描述:類型3操作符有1個輸入,1個輸出。它所模擬的單元有3個狀態,其中成功、故障狀態和類型1相同,此外還有提前狀態,當單元處于提前狀態時,沒有輸入也會有輸出。這種提前狀態反映單元不適當的動作或不期望的外界刺激如熱沖擊、電磁輻射等引起的輸出信號發生。類型3操作符可以模擬信號控制器、接觸器線圈、動作靈敏元件等。

4)第4類:多信號發生器

描述:類型4屬于輸入操作符,沒有輸入信號,只有輸出信號,它產生2個或多個不獨立的信號,作為系統的輸入,如果是獨立信號可以用多個類型5操作符來模擬。

5)第5類:信號發生器

描述:這是最常用的輸入操作符,它沒有輸入,是獨立于系統的外部事件或另一系統發生的信號,作為系統的輸入。信號發生器操作符可以模擬發生器、電源、電池、水源等,還可以表示環境的影響,如溫度、振動、光輻射等,也包括人為因素對系統的作用。

6)第6類:有信號二導通的元件

描述:該操作符模擬要有兩個信號輸入才有輸出的元件,除了要有主輸入信號,還要有次輸入信號(動作信號)使元件動作接通,才能允許主輸入信號通過。同時元件還有提前、成功和故障3狀態,提前狀態表示元件有意外信號觸發而提前動作接通,允許主輸入信號通過,當動作信號使元件動作時還有成功接通或故障接不通兩種情況。類型6可模擬很多元件,如敞開的接觸器、未合上的電閘、常閉的液流閥門、電動水泵等。

7)第7類:有信號二未關斷的元件

描述:該操作符和類型6功能相反,當元件提前動作關斷通路時,主輸入信號不能通過,當有動作信號且元件動作成功而關斷通路時,主輸入信號也不能通過,其他情況下,主輸入信號可以通過。由于類型7操作符成功導致主輸入信號不能通過,因此可用于模擬非單調關聯系統中的部件,如常閉的接觸器、合上的電閘、常開的流體閥門等。

8)第8類:延遲發生器

描述:該操作符模擬有延遲響應的元件,輸出信號R的狀態值比輸入信號S的狀態值增加。對有時序的問題表示時間延遲,延遲的時間點(或狀態值)增量,可以表示相應的實際時間間隔。對多狀態問題表示經過類型8操作符,狀態有變化。類型8虧模擬操作員的響應、機械延時、電子系統延時響應、定時器等。

9)第9類:功能操作符

描述:該操作符有兩個輸入信號S1S2,一個輸入信號R,當兩個輸入信號的狀態值之差VS2-VS1等于給定的Xj時,才有輸入信號R,其狀態值為主輸入信號S1狀態值加一個增量YjXjYj是該操作符給定的一個單值函數。類型9可用于模擬有冷儲備的子系統、反相器等。

10)第10類:與門

描述:與門有多個輸入信號,1個輸出信號,表示輸入輸出的邏輯關系,與門輸出信號狀態值取決于多個輸入信號中的最大值。在時序問題中表示在輸入信號中最晚到達的時間點才有輸出信號,在兩狀態問題中表示M個輸入信號都是成功狀態,輸出信號才是成功狀態。

11)第11類:MK

描述:MK門有M個輸入信號,1個輸出信號,表示輸入輸出的邏輯關系,M個輸入信號狀態值按增序排列,輸出信號狀態值就取序列中第K個狀態值。在時序問題中表示第K個信號到達時,有輸出信號,在兩狀態問題中表示M各輸入中至少有K個成功,輸出才成功。

12)第12類:路徑分離器

描述:該操作符有一個輸入信號,有M個輸出信號,輸入信號可以選擇從某一路輸出,選定某一路輸出時,其他路都沒有輸出,也可以全關閉,M路都沒有輸出。它代表路徑分離器,模擬選擇開關,只能接通一路。

13)第13類:多路輸入輸出器

描述:該操作符有K個輸入信號,M個輸出信號,代表有多路輸入輸出,有比較復雜邏輯關系的設備或子系統。當K路輸入信號的狀態值組合符合某給定的狀態值組合時就有輸出,而且輸出的M路信號的狀態值組合及其聯合概率也是給定的。當K路輸入信號的狀態值組合與其相匹配的給定的狀態值組合時就沒有輸出,即輸出的M路信號都處于故障狀態,且其聯合概率為1

14)第14類:線性組合發生器

描述:類型14操作符有M個輸入信號,它表示邏輯結構,有輸入狀態值的線性組合得到輸出的狀態值。

15)第15類:限制概率門

描述:類型15操作符對輸入信號的狀態值和概率值加以限制,給出規定的域值,根據輸入信號的狀態值和概率值是否在給定的域值范圍沒決定輸出信號的狀態值。

16)第16類:要求恢復已導通元件

描述:類型16操作符是用來模擬已導通的信號的終止,如終止供電,關閉電磁氣動閥,停止報警等。其輸入,輸出信號是從有到無,從通到斷,信號狀態值0N和以前類型操作符的含義不同,這里表示信號終止的時間點。該操作符模擬已觸發或已動作導通的元件,若元件提前恢復,則輸出信號提前終止;若元件恢復動作失效,則輸出信號隨主輸入信號的終止而終止;若恢復信號于主輸入信號終于前到達,且恢復動作成功,則輸出信號隨恢復信號到達而終止。

17)第17類:要求恢復已關斷元件

描述:類型17操作符的功能和類型16操作符功能相反,模擬已觸發或已動作關閉的元件,此時信號流不能通過,恢復信號到來可使元件恢復導通。輸入信號和類型16相同,狀態值0,,N表示信號從有到無,終止的時間點,而要求輸出的信號使從無到有,發出一個信號,實現邏輯裝換。若輸入信號提前終止,則輸出信號不可能發生,只是恢復信號到來,元件恢復動作成功,而輸入信號還沒有終止時,輸出信號從無到有,發生信號。

信號流表示系統單元的輸入和輸出以及單元之間的關聯,信號流連接GO操作符生成GO圖。信號流的屬性是狀態值和狀態概率, 0,1,,N整數狀態值代表(N +1)個狀態, 狀態值0 代表一種提前狀態, 如過早發出的信號, 信號來到前發生的動作等, 狀態值1,,N - 1表示多種成功狀態, 最大的狀態值N表示故障狀態, 相應狀態值的概率為P(0),P(1),,P(N),滿足


0- N狀態值是系統狀態的代表, 如不同的流量值, 不同的濃度值等。對于有時序的系統, 0- N 狀態值可以稱為時間點, 用以代表一系列給定的具體的時間值。

GO法是通過系統分析直接從系統原理圖、流程圖或工程圖建立GO圖,GO圖中的操作符代表系統中的單元,GO圖中的信號流代表單元的輸入和輸出以及單元之間的關聯。GO圖是由操作符和連接操作符的信號流組成,正確的GO圖應符合以下規則:

1GO圖中所有的操作符必須標明它的類型號和編號,編號是唯一的;

2GO圖中至少要有一個輸入操作符,操作符編號通常從輸入操作符開始(不是必需的);

3GO圖中任一操作符的輸入信號必須是另一操作符的輸出信號,所有信號流必須標明編號,編號是唯一的;

GO法建立GO圖后,應輸入所有操作符的數據,然后進行GO運算。從GO圖的輸入操作符的輸出信號開始,根據下一個操作符的運算規則進行運算,得到其輸出信號的狀態和相應狀態的狀態概率值,按信號流序號列逐個操作符進行運算直至系統的最后一組輸出信號,這就是GO運算。GO運算有定性運算和定量計算。

燃油系統案例

2013年開始,北航可靠性研究所綜合設計與仿真團隊進一步發展了GO法,包括對建模能力和算法等,并在國內開發了首個圖形界面的GO法軟件工具,發表了GO法的系列文章,主要包括:

1Linlin Liu, FanDongming, Wang Zili, Dezhen Yang, Cui Jingjing, Xinrui Ma, Yi Ren*.Enhanced GO methodology to support failure mode, effects and criticalityanalysis, Journal of Intelligent Manufacturing, 2019, Vol30(3):14511468

2Kanjing Li, Yi Ren, Dongming Fan, Linlin Liu*, ZiliWang, Zheng Ma. Enhance GO methodologyfor reliability analysis of the closed-loop system using Cyclic BayesianNetworks, Mechanical Systems and Signal Processing, 2018,VOL 133:237-252 

3Ren, Y ,  Fan, DM,  Wang, ZL , Yang, DZ, Feng, Q , Sun, B , Liu,LL, System Dynamic Behavior Modelling based on Extended GO Methodology, IEEEACCESS, 2018VOL6(1):22513-22523

4Yi Ren, ChenchenZeng, Dongming Fan, Linlin Liu, Qiang Feng*, Multi-State Reliability AssessmentMethod Based on the MDD-GO Model, IEEE ACCESS, 2018, VOL6(1):5151-5161

5Ren Yi, Fan Dongming,Ma Xinrui, Wang Zili, Feng Qiang* and Yang Dezhen, A GO-FLOW and DynamicBayesian Network combination approach for reliability evaluation withuncertainty: A case study on a Nuclear Power PlantIEEE ACCESS, 2018, VOL6(1):7177-7189

6Fan DongmingWang ZiliLiu LinlinRen Yi*. A modified GO-FLOW methodology with common cause failure based onDiscrete Time Bayesian Network, Nuclear Engineering and Design, 2016,305: 476~488

7Liu Lin-Lin,Ren Yi, Wang Zi-Li, Yang De-Zhen,Algorithm based on Bayesian networks for GO methodology(基于貝葉斯網絡的GO法模型算法), Systems Engineering and Electronics(系統工程與電子技術), 2015, 37(1): 212 ~218

8Fan Dongming, Ren Yi*, Liu Linlin, Liu Shuzheng, Fan Jian, Wang Zili, Algorithmbased-on dynamic Bayesian networks for repairable GO methodology model(基于動態貝葉斯網絡的可修GO法模型算法), Journal of Beijing University of Aeronauticsand Astronautics(北航學報), 2015, 41(11):2166-2176

9Fan Jian, Ren Yi, Liu Lin Lin, A new GOmethodology algorithm based on BDD, Advanced Materials Research, 2013, 791: 1134~ 1138

10Fan Dongming, Ren Yi, Liu Linlin, Wang Zili, Anapproach based on Bayesian networks for GO-FLOW methodology, Proceedings of theIEEE 62nd Annual Reliability and Maintainability Symposium, RAMS 2016, Tucson,AZ, USA, 2016.1.25-1.28

















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