基于混合动态系统理论的事故过程建模方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaNov．252011V01．32No．112016-2024ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．Cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)11—2016—09基于混合动态系统理论的事故过程建模方法王薇，赵廷弟*北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191摘要：为了研究系统事故机理，建立有效的事故过程模型。分析了事故过程的特征。指出其

2、呈现离散与连续动态行为交互的混合特性。针对现有事故过程建模方法在描述该混合特性时的不足。提出了基于混合动态系统理论的建模方法，建立了事故过程的混合自动机模型。在Simulink／Stateflow环境下进行仿真。实现了事故过程的连续机理与状态运转及其交互影响的有效融合，为制定应急预案提供了依据。通过案例模拟了系统从危险经应急操作。直至事故或安全的过程，验证了该方法的有效性。关键词：事故；安全工程；建模；混合动态系统；自动机理论；Simulink中图分类号：V328；N945文献标识码：A建立事故过程模型是

3、研究事故发生、发展机理的重要手段，是制定应急预案、事故预防的基础。对于由相互联系的人员、装备、环境等构成的系统而言，系统因动态平衡受到扰动而处于危险状态，当未采取有效控制使系统状态超出了安全约束范围时则发生了事故【l。2]。事故过程建模的实质是研究系统从危险演化到事故的动态行为机制。目前以事件树分析(ETA)、事件序列图(ESD)、Petri网模型、有限状态机模型等[3‘63建立的事故过程模型能够表征系统人员行为、装备、环境因素随时间的变化，以分析由于逻辑或时序上的演变导致的事故，反应了系统事故过程中的离

4、散动态特征。而随着研究的深入，事故与系统性能的联系日趋紧密，事故过程的动态行为不仅具有离散特征，还包含了体现系统性能的物理过程变量在控制措施下的动态运转。概率动力学理论能够综合系统的离散状态与物理过程两部分，不同状态下服从不同的物理过程规律，通过计算与物理过程变量相关的状态转移概率，驱动系统在不同状态间运行，评估出现不期望状态的概率，并在核电安全评估等领域有广泛应用"喝]。以此为基础的动态事件树分析(DETA)和动态逻辑分析方法(DYLAM)以仿真求得状态转移概率的数值解[9删，该类方法中的物理过程变量用

5、于计算状态转移概率而不是作为独立的建模对象，在建立事故过程中系统物理过程变量对人员行为、环境因素等作用的响应时存在一定不足。针对直观描述事故过程中系统状态与物理过程变量及其相互作用的动态行为机制，混合动态系统理论提供了一种有效的建模思路[11‘16]。因此。本文提出了基于混合动态系统理论的事故过程建模方法，通过以混合自动机建立的事故过程模型表现系统的混合特性，并在Simulink／Stateflow平台上进行仿真，验证方法的有效性。收稿日期：2011-03．08；退修日期：201I-04-25；录用日期：

6、2011-07-18：网络出版时间：2011-08．1011：18网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110810．1118．003．htmIDOI：CNKI：11·1929／V．20110810．1118．003*通讯作者．Tel．：010-82316570E-mail：ztd@buaa．edu．Crl黝用格式

7、王薇．赵廷弟．基f混合动态系统理论的事故过程建模方法[J]．航空学摄．2011。32(”)：2016-2024．WangWei，ZhaoTin

8、gdi．ResearchonaccidentprocessmodelingbasedOahybriddynamicsystemtheory￡∞?ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．20t

9、，32(¨)；2016-2824．乇薇等：基于混合动态系统理论的事故过程建模方法1事故过程特性分析1．1事故过程的离散动态特性事故过程的研究对象是危险发生后，采取人员应急操作或装备自动保护等一系列具有时序性、规则性的调节措施，系统状态被控制在安全范围内或超出安全范围发生事故的这一过程，

10、是系统状态运转的过程。人员应急操作是指定时刻通过人机交互作用对系统作出调整；装备自动保护是指定时刻装备自动作出调整行为。这两种行为均在离散的时间点上发生，因此这两类行为可视为具备离散特征的序列。包含交互协调的人员、装备、环境等因素的系统中，“状态”体现了系统所处的条件或状况，是对系统特征的描述；“事件”是引发状态变化的瞬间动作，是人员操作或装备的自动保护等系统调节措施。系统事故过程起源于危险状态，其后系统的调节措施作为离散事件