基于图论的舰船水消防系统故障诊断顺序确定方法

田奕洋 邱金水 刘伯运

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

基于图论的舰船水消防系统故障诊断顺序确定方法

田奕洋 邱金水 刘伯运

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

快速地准确诊断出舰船水消防系统的故障，可以显著改善舰船损管水平，提出了一种图论与经验公式相结合的方法，将故障抢修时间为准则的经验公式值作为诊断路径中弧的权值，运用“反向追踪”算法计算从故障现象到具体可修理的故障部件的最短路径，以确定水消防系统的故障诊断顺序。实验数据表明：该方法不仅综合权重各潜在故障对水消防系统的重要性，所确定的故障诊断顺序与损管的经验做法相符。

图论；水消防系统；故障诊断；损管

1 引言

舰船水消防系统是舰船最常用也是最重要的灭火系统，是保障舰船生命力的重要系统之一［1］。水消防系统故障诊断是抢修故障水消防系统的前提，准确、快速、简洁的诊断方法确定对于排除故障、保障水消防系统生命力有重要影响。当前舰船水消防系统故障诊断限于依据损管人员的经验，尚未形成理论上的可行方案。为此，本文采用图论［2］的方法，以用时最小为准则确定水消防系统的故障诊断顺序，优化故障诊断顺序决策，最快时间恢复舰船水消防系统生命力。

传统的故障诊断方法是损伤树分析法（Damage Tree Analysis，DTA），即把系统某一损伤事件作为分析出发点，根据损伤现象判断造成该现象的原因，以及依次分析下去的深层次原因，再用适当的逻辑门将这些事件连接成倒立的树状图即损伤树。但由于树的同一层系统元素之间相互独立，并不能精确反映系统的实质，而图不仅能反映层与层之间的隶属关系，还能反映同一层元素之间的联系，如舰船水消防系统隔离阀与管路均会因破损而漏水。因此，图论方法更适合解决舰船水消防系统故障诊断问题［3］。

2 数学模型的建立

2.1 图模型

如图1所示，有向图［4］D＝（V，A）；V是图顶点的集合，V＝｛vi｝，vi表示故障与由可能引发故障的设备与部件；A是弧关系的集合，＝（vi， vk）｝，每一个弧a＝（vi，vk）代表造成弧两端因果关系的权值w（a）＝wik。设P是D中从vs到vj的一条路径，定义路径P的权是路径P中所有弧的权之和记为w（P），vs到vj的最短路径就是vs到vj权最小的路P0，P0＝minw（P）。

图1 故障分析图Fig.1 Faults analysis route

2.2 诊断时间权值函数的确定

考虑到舰船在海上航行或作战对时间的苛刻要求，对于每一段弧用诊断过程所需时间作为有向图弧的权值。影响诊断时间的因素很多，作为作战舰船的水消防系统，主要依据的诊断抢修准则［5-6］是：

1）先修重要设备，即对水消防灭火影响大的设备，其值记为s1；

2）先修容易修复的设备，即具有良好抢修性设计，备件充足，技术力量达到要求的设备，其值记为s2；

3）先修所需修理工时短的设备，即恢复水消防功能所需维修工时最少的设备，其值记为s3；

4）先修经验中经常出现故障的设备，即维修人员经验中经常出现故障的设备，其值记为s4。

图论中弧段的权值wij由以上诊断抢修准则值s1，s2，s3，s4确定：wij＝f（s1，s2，s3，s4）。由于判断诊断时间的因素有很多不确定因素，各准则的取值由领域专家确定，s1分为：很重要、重要、比较重要、基本不重要与不重要，依次取值为1～5；s2分为：容易、比较容易、中等、比较难与很难，依次取值为1～5；s3为修理工时，由机电维修人员按修理时间由短到长依次取值为1～5；s4为故障出现的频率高低，从高到低分别取值为1～5。权值函数关系式：

式中，a1、a2、a3、a4是其各准则的修正系数，随着舰船的任务、作战要求与所处环境不同而取不同值。

3 基于图论确定其诊断顺序的过程

故障诊断过程就是求以时间为权值的最短路径过程，即从故障开始逐层分析原因，直至可以确定故障、维修故障的最底层事件，其路程时间最少。本文采取“反向追踪”算法［7］，其基本思想是：一条最短路径的任一部分一定也是连通该部分的最短路径。假设已知最短路径d（vs，vj），寻求一点vk，使得d（vs，vk）＋wkj＝d（vs，vj），记录下（vk，vj），再考察d（vs，vi），使得d（vs，vi）＋wik＝d（vs，vk），如此等等，直至到达故障vs为止，于是可得最短路径为（vs，…，vi，vk，vj）。

计算流程如图2a所示，图中没有后续的节点为可以直接诊断是否出现故障的水消防设备，算法如下：

1）若最短路径经过v3，则d（v3，vj）＝2；若经过v4，则d（v4，vj）＝w49＝2；同理，对于v5、v6，d（v5，vj）＝2，d（v6，vj）＝1；

2）若最短路径经过v1，则有d（v1，vj）＝min［w13＋d（v3，wj），w14＋d（v4，vj），w15＋d（v5，vj）］＝w14＋d（v4，vj）＝4；同理，对于 v2，d（v2，vj）＝min［w25＋d（v5，vj），w26＋d（v6，vj）］；

图2 故障诊断图Fig.2 The faults diagnosis route

3）从而可得，d（vs，vj）＝min［ws1＋d（v1，vj），ws2＋d（v2＋vj）］＝ws1＋d（v1，vj），将 1）、2）代入可得，d（vs，vj）＝ws1＋d（v1，vj）＝ws1＋w14＋d（v4，vj）＝ws1＋w14＋w49＝6；

4）由以上1）、2）、3）可知，vs到vj的最短路径为（vs，v1，v4，v9，vj）。

通过以上“反向追踪”算法可知，应当最先诊断设备v9，若经诊断设备v9完好无损，则断定其不是引起水消防系统故障的原因，则应在流程图中去除v9及其连接线，如图2b。然后按上述方法继续计算，找出下一诊断设备确定其是否出现故障，直到找出引起故障的设备，诊断结束，得到诊断的顺序为（v9，v11，v8，v7，v10，v12），当诊断是否为v11故障时，应考虑v5、v6两个方面。

4 实例分析

舰船水消防系统用水端供水压力不足是舰船水消防系统用水端最常见的故障［8］，其故障分析如图3，以此为例说明图论在舰船水消防系统故障诊断顺序中的作用。

图3 水消防系统水压不足故障分析Fig.3 Faults analysis to the hydraulic pressure insufficiency of water fire－fighting system

专家为各准则因素打分，采用经验公式f（s1，s2，s3，s4）＝s1＋2s2＋2s3＋s4，计算各部件权值，见表1。

运用以上“反向追踪”算法，可以得出其诊断顺序应为（v35，v31，v36，v32，v33，v34，v37）。 即当用水处出现水压不足情况时，应首先诊断隔离阀是否关闭，若诊断得隔离阀出现故障无法关闭时应先修理隔离阀。当确认隔离阀关闭且无故障时再依次诊断水泵内是有空气、系统漏水（隔离阀与管路）、泵底阀故障、止回阀故障、叶轮磨损和管路堵塞。若部件经诊断却又故障，则修理该故障部件；若部件经诊断没有故障，则排除该因素，按诊断顺序继续诊断下一部件，直至找出故障源头。

表1 各部件权值Tab.1 The weight of the equipment

5 结论

通过实验结果结合实际经验，本方法能够较好地反映舰船水消防系统的故障诊断抢修过程，避免了纯粹的依据经验诊断故障原因，可为战时水消防系统故障诊断节约时间，为消灭舰船火灾赢得时间。经验公式应依据人员的判断、任务、作战要求与所处环境不同而有所不同，如消防管路漏水的修理时间应在平时和战时采取的处理方式不同而取不同的值。该诊断方法的不足之处是，若水消防系统同时出现两个或两个以上故障部件时，不能直接比较故障部件之间的诊断顺序。

［1］邱金水，易祥烈，吴晓辉.基于Visual C＋＋的舰船水消防系统仿真研究［J］.中国舰船研究，2008，3（6）：38－40，48.

［2］刘桂真.图与网络：优化决策的图论方法［M］.上海：上海科学技术出版社，2008.

［3］易祥烈，邱金水.舰艇电力系统生命力评估中的图论分析法［J］.船海工程，2007，36（3）：107－110.

［4］严蔚敏，吴伟民.数据结构（C语言版）［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［5］颜炳斌，徐航，石全.基于多准则的战损装备抢修排序决策模型［J］.军械工程学院学报，2007，19（1）：1－3.

［6］AUTAR R K.An automated diagnostic expert system for diesel engines［J］.Transaction of ASME，Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1996，118（7）：117－125.

［7］甘应爱，田丰，李维铮，等.运筹学（第三版）［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［8］王书文，唐立毅，刘秀峰.舰船恒压消防供水技术［J］.中国舰船研究，2006，1（5－6）：57－60.

The Faults Diagnosis Order Method Based on Graph Theory of Ship Water Fire-Fighting System

Tian Yi－yang Qiu Jin－shui Liu Bo－yun
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Fast and accurate faults diagnosis can dramatically improve the efficiency of ship water firefighting.A method combined the graph theory with empirical formula was presented.It chose the empirical formula results based on the repair time of the faults as the weight for the arcs in the diagnosis path，which adopted“reserve－track”to calculate the shortcut from damaged status to the specific repairable equipment and ascertained the fault diagnosis order.The results show that the diagnosis order，governing almost all of the fault-repair principles which influence the water fire extinguishing system，is practical and accorded with the practical applications.

graph theory；water fire extinguishing system；fault diagnosis；damage control

U664.88

：A

：1673－3185（2011）04－72－03

2010-07-23

田奕洋（1987－），男，硕士研究生。研究方向：舰艇安全技术。E-mail：739785745＠qq.com

邱金水（1963－），男，教授，博士生导师。研究方向：舰艇消防技术，防险救捞技术。

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.015