考虑相关性和动态性的海洋工程设备风险评估方法研究

摘要

海洋工程设备属于多部件多功能的大型系统，从风险分析的角度来说，其功能交错，任务剖面复杂，参数随机性强，且在运输、安装、运行以及拆卸过程中，需承受多种海洋环境载荷，具有失效风险高、评估难度大的特点。现有的风险评估方法应用于海洋工程领域时，对于由设备复杂性带来失效关联性和由环境复杂性带来风险动态性的考虑尚需进一步完善。本文针对海洋工程设备的风险特征，从相关性与动态性两方面对其风险评估方法进行研究，主要研究内容如下： （1）由于海洋工程设备失效模式多且失效关系复杂，提出考虑模糊性与相关性的FMEA方法对系统进行分析。首先采用三角模糊数对失效评价集进行模糊化，应用逼近于理想解排序技术对模糊化的结果进行处理，得到失效模式风险程度排序。针对失效模式数量较多的系统易出现计算结果相近而难以区分风险优先级的情况，本文采用可靠指标矢量方法和模糊DEMATEL方法计算结构元件与设备元件的失效模式相关性，确定易引发连锁失效的关键失效模式，将相关性分析结果作为对风险度相近的失效模式进行优先级区分的依据，提高分析结果的准确性。算例分析表明，该方法对失效模式排序具有较强的区分能力。 （2）海洋工程设备部件数量众多，系统中存在备件失效以及顺序相关失效等特殊的故障情况，采用静态故障树方法不足以描述各部件之间复杂的失效关系。本文将动态故障树分析应用于海洋工程设备的风险评估，重点对动态故障树的构建以及定性定量计算方法进行研究。通过对比分析得出具有最佳适用性的求解算法，并以海上风机为例进行计算，结果与统计数据基本符合，证明了动态故障树方法在海洋工程领域应用的适用性。 （3）传统的二态可靠性模型将分析对象划分为工作和失效两种情况，然而在实际工程中，系统往往存在降级程度不同的多种运行状态，对于这类多级退化系统采用二态模型并不足以进行准确的可靠性分析。本文应用马尔科夫分析方法对海洋工程设备进行动态风险评估，建立多级退化可修复系统的均匀与非均匀马尔科夫风险分析模型，推导两种模型下可靠性参数的计算公式，并通过算例分析验证了模型的准确性。 （4）海洋工程设备可达性差且失效后果严重，因而宜采用预防性修复的方式对系统进行维护。本文在预防性维修周期计算方法的基础上，提出了海洋工程设备成组维修优化模型，采用动态规划方法对该模型进行求解。以海上风机的电控系统为例，对所提出模型进行验证，结果表明将部件合理分组后统一进行维修可有效降低维修成本，证明了该模型的合理性与应用价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 海洋工程设备风险评估方法研究进展

1.3 存在的主要问题

1.4 本文研究内容

1.5 本文创新点

第2章 考虑模糊性与相关性的FMEA

2.1 概述

2.2 FMEA方法

2.3 考虑模糊性的FMEA方法

2.4 考虑相关性的FMEA方法

2.5 模糊语境下的关联FMEA方法

2.6 海上浮式风机模糊关联FMEA

2.7 本章小结

第3章 复杂系统的动态故障树分析

3.1 概述

3.2 故障树的建立

3.3 故障树的计算分析

3.4 动态故障树分析

3.5 海上浮式风电系统动态故障树分析

3.6 本章小结

第4章 基于马尔科夫理论的动态风险评估

4.1 概述

4.2 均匀马尔科夫风险分析模型

4.3 非均匀马尔科夫风险分析模型

4.4 基于马尔科夫方法的海上浮式风机关键设备风险分析

4.5 本章小结

第5章 基于动态规划的成组维修优化方法

5.1 概述

5.2 多部件系统预防性维修周期的计算

5.3 多部件系统成组维修动态规划

5.4 海上风机电控系统的成组维修优化

5.5 本章小结

结论

全文总结

研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢