基于GO法的自动喷水灭火系统的可靠性分析

于博文，王益祥

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

0 引言

目前我国城市中有很多高层建筑，由于一些火警喷水灭火压力达不到要求，所以这些高层建筑一旦起火，后果将不堪设想。

自动喷水灭火系统具有使用方便、日常的维护简单、安全可靠、灭火及时、适用范围广的特点[1]。当火灾发生时，周围的热空气进入到自动喷水灭火的喷头中，系统就会开启喷水系统进行灭火。这样可以有效地控制火灾的进一步蔓延，减少了人员和财产的损失，也为后续的灭火工作创造了有利条件。

但多年的实践发现，由于系统供水问题、喷头或阀门故障、水泵老化的原因，可能导致最终系统没有达到灭火、控制火情的目的。

通过对基于GO法的自动喷水灭火系统的可靠性分析，了解到该系统的工作原理和系统各个元部件的可靠性概率，以便于找到系统的薄弱环节，及时采取解决办法，提高可靠性的水平。

1 GO法分析

1.1 GO法的发展

美国Kaman科学公司在20世纪60年代中期首先创立了一种高效的系统可靠性分析方法—GO法[2]。GO法被美国军事部门用来并分析武器系统，从而提高了它们的安全性和可靠性。80年代GO法得到快速的发展，90年代日本又发明了GO-FLOW方法。近几年随着计算机的发展和复杂系统可靠性分析的需求，GO法又得到了新的发展[3]。

1.2 GO法介绍

GO法是一种系统的可靠性分析方法，是一种以成功为导向的系统概率分析技术。它从操作符的输入开始，根据下一个操作符的运算规则进行运算，这样逐个进行运算，最终得到系统的概率[4]。对GO图内各个操作符正常工作的概率进行归纳整理，并通过特定的运算规则，最终得到的是系统成功的概率[5]。

GO法特点是根据决策树的理论，GO图的形成是通过系统的原理图和流程图进行一定的转换而来的。该方法适用于流动的物体作为研究对象，比如气流、水流等[6]。

2 自动喷水灭火系统简介

自动喷水灭火系统主要的组成部分有：喷头、延迟器、报警止回阀、压力开关、水力警铃、水流指示器、供水设施、管道系统、报警装置和控制室等[7]。当有火情发生时，火灾周围空气的温度会升高，从而使喷水喷头中的启动装置感应到，最终开始洒水。伴随着洒水的过程，管道里的水流产生流动，流动的水流指示器的挡板闭合，电源接通，产生报警信号，并传至消防控制室。消防控制室的人员根据系统洒水的位置可以判断出火灾产生的具体位置。消防中心人员开启水泵，为喷头提供持续的水源。同时，经过报警阀的水流会触动报警铃声和压力开关，压力开关接通后，触发开启水泵的装置[8]。自动喷水灭火系统动作流程图如图1所示。

图1 自动喷水灭火系统动作流程图

3 运用GO法进行自动喷水灭火系统的可靠性分析

用GO法对系统进行可靠性分析，首先要从分析该系统的原理图开始，用GO图的操作符表示系统参与工作的的各个元部件，用信号流表示操作符的输入和输出信号，也就是操作符之间的关系，用信号流把操作符按照系统的流程图连接起来，就建立起了系统的GO图。建立GO图后，就可以对系统进行GO法的可靠性分析，它包括了输入的数据、定性和定量GO法分析和系统的GO法可靠性评价。

3.1 建立GO图

首先要对系统的原理图和流程图进行研究，了解系统的整个流程，按照各个元部件之间的关系，建立GO图。

该系统主要的组成部分有：喷头、延迟器、报警止回阀、压力开关、水力警铃、水流指示器、供水设施、管道系统、报警装置和控制室等[6]。类型5输入操作符代表火灾的产生，即是系统的输入边界。喷头、压力开关、压力继电器、喷淋泵、消防蓄水池和过滤管道都是有2个输出状态的元件，用类型1操作符表示。感温(烟)元件、密封垫、水流指示器控制室和水力警铃都是除了成功、故障状态外，还有提前状态(当元件处于提前状态时，没有输入也会有输出)的元件，所以用类型3操作符表示。控制室的操作员的响应和延时器是有延迟响应的元部件，所以用类型8操作符表示。类型12操作符表示有路径分离器的作用报警阀，其有1个输入信号，2个输出信号。类型2操作符表示连接操作员相应的信息流和压力继电器接通的信息流的“或”门。

按照自动喷水灭火系统原理图中的元部件对上面选择的操作符进行布置，根据元部件之间的联系来确定操作符之间的信号流，这样自动喷水系统的GO图就构造完成了。如图2所示。

1—火灾产生；2—感温探测器；3—喷头密封垫；4—洒水喷头；5—水流指示器；6—控制室；7—操作人员；8—报警阀；9—压力开关；10—延时器；11—压力继电器；12—或门；13—喷淋水泵；14—消防水池；15—过滤管道；16—水力警铃图2 自动喷水灭火系统GO图

在GO图的操作符中，前后的序号分别代表的是操作符的类型和操作符的序号，序号与各个元件之间的关系如图2所示，信号流上的数字代表的是信号流序号。自动喷水灭火系统的GO图中信号流和操作符分别为18和16。操作符中功能操作符有15个，输入操作符有1个，逻辑“或”门操作符是序号12操作符，它表示控制室里操作员和压力继电器的输出是“与”逻辑关系。信号流中输出信号流17是系统的输出信号流，它可代表整个系统的可靠性性能，输出信号流18是自动喷水灭火系统中拉响警铃的输出信号流，它的可靠度数据表示自动喷水灭火系统中拉响警铃的可靠性数值。

3.2 定量GO运算

自动喷水灭火系统的各个元部件的状态的概率值见表1。根据图2自动喷水灭火系统GO图各个元部件所对应的操作符序号一一列出，状态值0表示该元件的提前状态，状态值1表示该元部件工作正常，状态值2表示该元部件工作故障。利用自动喷水灭火系统元部件的基本失效率。按照系统工作一年的时间，即t=8 760 h求自动喷水灭火系统的可靠度。

表1 自动灭火系统各元部件状态概率表

续表1

表1中报警阀部件0.988为输出信号流9正常状态的概率，0.98为输出信号流16正常状态的概率，报警阀部件正常状态的概率为0.988×0.98=0.968。

在GO法的运算中，假设PRi(1)为操作符输出信号正常状态概率，PRi(2)为操作符输出信号异常状态概率；PCi(0)为类型3操作符提前状态的概率，PCi(1)为类型1、类型3、类型8操作符的正常状态概率，PCi(2)为类型1、类型3、类型8、类型12操作符的异常状态概率，PV8(1)为类型12输出信号流9正常的概率，PW8(1)为类型12输出信号流16正常的概率；PSi(1)为操作符输人信号正常状态概率，PSi(2)为操作符输入信号故障状态概率。其中，i为操作符序号和信号流序号。采用状态概率计算公式，推导出系统各个信号流成功概率的计算表达式如下：

PR13(1)=1-[1-PR8(1)] [1-PR12(1)] ，

(1)

PR18(1)=PR16(1)PC16(1)=PW8(1)PC16(1)，

(2)

式(1)为自动喷水灭火系统正常喷水灭火的可靠度计算公式，式(2)为水力警铃在楼栋正常报警的可靠度计算公式。将表1中自动灭火系统各元部件状态概率数据代入自动喷水灭火系统可靠度计算式(1)和式(2)中，得到自动喷水灭火系统正常喷水灭火的可靠度为：PR17(1)=0.735 8；水力警铃在楼栋正常报警的可靠度为：PR18(1)=0.824 4。这与历年来的长期实践中得到的自动喷水灭火系统可靠度基本符合，所以证明基于GO法的自动喷水灭火系统可靠性研究方法可行[9]。

3.3 定性GO运算

当遇到较复杂的系统时，在系统的定性分析求系统的最小割集时，由于求解复杂，可以根据GO图进行直接定性分析求出系统的最小割集。

直接定性分析方法如下：首先在GO图中，除了逻辑操作符外有N个功能操作符，从中选取一个功能操作符，如果此操作符工作故障，其他操作符正常工作的情况下，整个系统出现故障，则此操作符所代表的元部件故障则为系统的一个一阶割集。这样逐个进行分析，就得到系统的所有一阶割集。然后GO图中，除了一阶割集外，其他功能操作符选择两个，如果系统出现故障，则这两个操作符所代表的元部件则为系统的二阶割集[10]。

按照上述的方法，自动喷水灭火系统灭火故障的最小割集如表2所示。

表2 自动喷水灭火系统灭火故障的最小割集表

由表2可以发现，自动喷水灭火系统喷水灭火故障的一阶割集所代表的部件为感温探测器、密封垫片、洒水喷头、喷淋水泵、消防水池、过滤管道。所以提高它们的可靠度，对提升自动喷水灭火系统的可靠性能最为有效。

4 系统可靠性评价与分析

从上文得到自动喷水灭火系统正常喷水灭火的可靠度为：PR17(1)=0.735 8。导致此自动喷水灭火系统的可靠度比每个节点可靠度都低的原因是每个节点都成功运行，系统才能成功运行，这需要全部节点相互配合统一，有一个节点的可靠度低就会导致整个系统的可靠度降低。通过分析表1中每个节点的可靠度和表2系统故障的最小割集，就能看出与信号流14相对的喷淋水泵13和信息流2相对的感温探测器2可靠度较低。所以提高喷淋水泵和感温探测器的质量品质可以明显提升此系统的可靠度。为提高喷淋水泵的可靠性，选用2个喷淋水泵，其中一个为备用水泵来进行工作，这样就简单高效地提高了喷淋水泵的可靠性，因为2个喷淋水泵是并联的状况，所以改进后，喷淋水泵的可靠性为：R2=1-(1-R1)2=1-(1-0.86)2=0.9804。对于感温探测器的改善，是采用灵敏度更高的探测器，而且采用感温和感烟复合的探测器，从而提高了感温探测器的可靠性。但是感温探测器随着时间的推移，可靠性会降低，所以须按期对感温探测器进行检测、维修和可靠性评估。

基于GO法的自动喷水灭火系统可靠性分析，通过GO法定量的计算以及定性的分析不但可以计算出该系统的可靠性，还可以看到各个元部件的可靠性。所以这样可以简单地判断出整个系统中的较弱部分，以便选择更适合、更有针对性的方法来改善系统整体可靠性。

5 结语

1) 应用GO法对自动喷水灭火系统进行了定量的计算，得到了系统的可靠度。GO法思路清晰明了，在结构系统分析的应用中，可以进行正常概率的直接计算。2) 通过对自动喷水灭火系统定性的分析，找出了自动喷水灭火系统的薄弱部件，通过改善和维修的方式，最终达到了提升系统可靠性的目的。3) GO法的应用为提高自动喷水灭火系统的可靠性提供了新的策略。

[1] 张勇明. 自动喷水灭火系统可靠性应用研究[D]. 衡阳：南华大学,2008.

[2] 张贺. GO法在飞机电静液作动系统可靠性中的分析与应用[A]. 中国科学技术协会、贵州省人民政府，第十五届中国科协年会第13分会场：航空发动机设计、制造与应用技术研讨会论文集[C]. 中国科学技术协会、贵州省人民政府,2013.

[3] 游专,何仁. 基于GO法的汽车EPS系统可靠性分析[J]. 实验室研究与探索,2013(1):220-224.

[4] 徐颖冰. 关于自动喷水灭火系统设计中几个问题的探讨[J]. 工程设计与建设,2004(2):29-31,38.

[5] 李河清,谭青. 基于GO法的轮胎起重机液压系统可靠性分析[J]. 机床与液压,2008(4):213-215.

[6] 王桂丽. 系统可靠性分析GO法及其应用的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006.

[7] 沈祖培,黄祥瑞,高佳. 可修系统可靠性分析中GO法的应用[J]. 核动力工程,2000(5):456-461.

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[9] 沈祖培，黄瑞祥. GO 法基本原理及应用:一种系统可靠性方法[M].北京：清华大学出版社，2004.

[10] 蔡鉴明，曾峰. 基于GO法的供应链可靠性分析[J]. 公路交通科技,2007(3):141-144.