基于Visio平台的故障树自动建模软件开发

上传者：孙玲玲
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上传时间：2015-04-28
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基于Visio平台的故障树自动建模软件开发

《工业控制计算机》2015年第28卷第1期89

AutomaticModelingSoftwareofFTBasedonVisio

张朋冷杉常青（东南大学，江苏南京210096）

摘要

故障树分析（FTA）是概率安全评价方法（PSA）的主要方法，故障树建模则是整个分析过程最基本也是最繁琐的一个过程。而PSA主要应用在对可靠性要求极高的系统上，诸如航天航海系统和核电厂数字化仪控系统。这类系统往往规模大、结构复杂、相关性高，对其进行故障树建模的工作艰巨而繁琐。人为完成将会耗费大量人力物力，且正确性无法保障。通过开发故障树自动建模软件，使故障树建模过程自动化，减少PSA分析的前期准备时间，提高PSA分析的效率，降低人因失误的概率。

关键词：故障树分析，概率安全评价，可靠性，故障树自动建模

Abstract

FaulttreeanalysisisthemainwayofProbabilitysafetyassessment(PSA),andFTmodelingisthemostbasicandcom-plicatedprocessamongthewholeanalysis．While,PSAismainlyappliedtosystemswhichrequirehighreliability,suchasspacenavigationsystemsandnuclearpowerplantI＆Csystems．Thiskindofsystemsareusuallylarge,completeandofhighcorrelation,whichmakesithardandtedioustomodelthem．Itwillcosthugemanpowerandmaterialresourcesifdonebyhuman,andcannotassuretheaccuracy．

Keywords:FTA,PSA,reliability,automaticmodelingofFT

为了实现航天航海和核电厂安全运行，利用模块化数学模

型建模，进行系统的风险可靠性分析，是世界各国风险与可靠性

研究的一个重要方向。如利用传统的概率安全评价方法PSA对

反应堆保护系统进行可靠性分析，是对仪控系统进行可靠性评

价的核心内容。PSA分析中最重要的阶段是对系统故障树建模，

故障树建模过程的完善性、高效性和正确性直接影响着可靠性

分析结果的质量。本文开发的故障树自动建模软件根据系统的

失效模式实现了组态图向故障树的自动转换，提高了PSA分析

的工作效率和质量。

1软件设计思路

利用模块化数学模型建模，进行系统的风险可靠性分析，首

图1故障树自动建模软件功能实现流程图先要考虑解决图形化为问题，以实现建模过程的完善性、高效性

和正确性。故障树自动建模软件的支持平台以及采用的编程工

具分别为Visio2010和VisualStudio2008。

故障树自动建模采用Visio二次开发技术，在VisualStu-如图2。件的所有属性和必须的参数。如输入输出、失效模式、失效率等。

dio2008软件中MFC编写好的功能模块的基础上，扩展Visio

的功能，将其定制为软件的图形引擎。其中，功能模块是根据分

析对象系统部件的特点而定制的模块，符合实际的模块功能和

失效特性。在Visio平台上，根据具体系统结构，利用已设计的功

能模块组态为系统图，通过软件功能将图转换为标准或者其他

软件可识别的文档，然后采用调用的方法读取系统文档，组建故

障树，对系统进行可靠性分析。本文采用VC编程工具编写VSL

（Visiolibraryfile）文件，并以Visio加载项（Add－on）的方式运

行，VSL加载项实现了故障树建模软件的自动分析和处理功能。

其功能实现如图1。

最终软件的主要功能有绘制图形、数据输入、可靠性计算及

结果显示等功能。本文主要讲解其自动建模功能的实现，其他功

能不再赘述。实现故障树自动建模的功能有三个过程：图2故障树自动建模软件功能模块的设计2）在Visio平台上，利用已开发的功能模块，按照实际系统

的机构对系统进行组态，得到系统的组态图。具体方法是按照实1）针对对象系统定制其功能模块，模块需包含系统基本组

际体统将各模块通过连接线连接在一起，组成一个有实际功能的系统图，组态好后需对各模块进行参数设置。如图3所示为一简单连接效果图。

基于Visio平台的故障树自动建模软件开发

2故障树信息格式输出

本文开发的故障树自动建模软件可以提取组态图信息，通

过分析、归纳、整理解析出对应故障树图包含的所有信息并且以

XML格式储存输出。实现此功能需要进行三个关键的步骤：

（1）提取组态图信息，写入动态链表类型的数据存储单元

为了正确输出文件，首先需要提取组态图信息。组态图中有两类对象：功能模块图元和动态连接线，两者都对应Visio对象模型中的Shape对象，利用Shape对象的Master属性获取主图形的引用，用getName（方法）读取主图元名称，从而将两者区分开来。

（2）设计算法通过组态图链表获得故障树图链表

组态图链表为存储Gat类型的动态链表，读取每个节点中门事件的上下游事件，设计算法重新排序，并按照顶事件为表头，从上至下、从左至右的故障树展开方向的将各节点依次写入故障树图链表。故障树图链表不仅记录每个节点事件的组态参

图3

简单系统组态图

数并且增添了该事件在故障树图中排列的所需参数，例如此事件位于故障树图的行数、列数，如为基本事件，赋予其不重复的素数参数。

（3）将故障树链表以XML格式输出

动态链表存储的数据需要以某种格式的文档进行输出，本文采用XML格式的Visio文档存储故障树信息。保存为XML文件由“SaveAsXML”实现。此外，为了能把XML文件还原为故障树图，实现故障树自动绘图功能，程序需要解析XML文件，调用模型库中相关图元进行连接、设置对应参数，建立起故障树图形，此功能由XMLImport实现。

3）根据组态图，将系统信息转换为通用的文档供其他软件读

取，应用本文的软件功能实现其自动转换为故障树图的功能。具体步骤如下：①将信号终端失效作为故障树的顶事件，将组态图中涉及的系统模块的故障事件作为基本事件；②信号穿过模块时，推导生成故障或门。如图4，目标信号是上游信号3经过C模块发生的，因此故障树模型中生成一个以基本事件“N模块故障”和中间事件“信号3失效”为输入的或门；③组态图都是根据系统功能逻辑图设计，逻辑处理信号按照失效准则，将K／N逻辑设置为故障树中（K－N＋1）／N的表决门。图4中的信号2、信号i进行逻辑或运算（可以看做1／2），根据失效原则生成一个以中间事件“信号2失效”和“信号2失效”为输入的与门（即2／2）。

SaveAsXML功能使用TinyXML工具操作XML文档，TinyXML是一款容易集成到其他程序中的C＋＋XML解析器。本文设计的软件利用TinyXML提供的接口函数可以方便的生成或解析XML文件。相关代码如下：

／／／／／／／／／／／／／／／／／创建一个connect元素并连接／／／／／／／／／／／／／／／／TiXmlElement觹connect＝newTiXmlElement(″connect″);connectdevicelist－＞LinkEndChild(connect);

图4故障树建模准则实例图

以上为故障树自动建模的基本技术思路，其功能实现还需要完成组态图的数据库管理工作，具体包括：

1）统计组态图数据：记录图元模块的数量、位置等组态数

据。

2）可靠性数据管理：本软件提供的数据库表单可以统一显

示所有的可靠性数据，支持用户修改可靠性数据的功能并且反写入各个模块之中，避免了一一点开模块修改参数的麻烦。

3）共因组管理：共因组管理表单与可靠性数据库表单类似，

不仅可以显示组态图中所有的共因参数，并提供参数反写功能。

图5XML文档输出流程图

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《工业控制计算机》2015年第28卷第1期

connect－＞SetAttribute(″id″,pID);

／／／／／／／／／／／／／／／／／／创建type,devicetagno1,varname1等元素并连接／／／／／／／／／／

故障树分析组态图为例，点击“组态图输出管理”菜单项，选择“输出FT标准文档”，故障树信息将以FT标准格式保存，如图6；选择“输出XML文档”，故障树信息将以XML格式保存，如图7。两种格式的输出文档均包含了建立故障树图所需全部信息。

TiXmlElement觹type＝newTiXmlElement(″connect″);connect－＞LinkEndChild(type);

／／／／／／／／／／／／／／／／设置type,devicetagno1,varname1等元素的属性／／／／／／／／／／／／

type－＞SetAttribute(″type″,pLinetype);

XML文档输出的程序设计流程图如图5所示。3

故障树自动建模功能实现

故障树模型的建立可通过两种途径实现，一种是由设计人员手动拖曳故障树类控件和连接线绘制故障树图；故障树的自动绘制，采用另一种故障树建立方法，调用XMLImport功能，输入XML格式的故障树信息文档，实现XML格式文档到Visio格式的故障树图形的转换。

自动绘制组态图功能的实现步骤如下：首先程序调用主图形在指定位置拖放并用连接线连接。绘制主图形时，先调用

图7

输出XML文档

Documents集合的方法OpenEx()打开为不同控制系统预设的

模块图形库。获得主图形的引用后，获取包含主图形的样板文件

5结束语

本文以反应堆保护系统为研究对象，深入分析系统结构及

Masters集合，Document对象有一个返回文档样板Masters集合的Master属性，用户可以在Masters集合中按照它的名称或索引来引用Master对象。随后，调用Page对象的Drop()方法，根据XML文件提供的信息，如模块的类型、位置、大小等，完成从模具到Visio绘图页面的“拖拽式”绘图。同时，XML文件给出

的参数值也被写入图形中。

完成主图形的拖放之后，进行主图形之间自动连接。在Vi-

仪控功能，利用传统的FTA和FMEA方法对其建立可靠性模型。同时，为了简化建模工作、提高建模和分析效率，本文设计开发了基于Visio图形化平台的故障树自动建模软件。为了验证故障树自动建模软件的功能，本文以紧急停堆系统及其子系统为例，对照标准的分析结果验证了软件的单元模块功能，组态图正确性检查、组态图可靠性分析、故障自动建模、故障树可靠性分析等功能。

参考文献

［1］郭晓明．核电站数字化仪控系统可靠性分析方法研究［D］．北京：核能

与新能源技术研究院，2011

［2］周海翔，王卫国．田湾核电站数字化反应堆保护系统可靠性分析［J］．

核电子学与探测技术，2009，29（6）：1272－1281

［3］李禾，郗海英．RiskSpectrum软件在PRA领域中的应用［J］．核电工

程与技术，2001，14（3）：13－18

［4］李刚．网络拓扑发现及基于Visio显示技术的研究［D］．西安：长安大

学，2008

［5］郭波，武小悦．系统可靠性分析［M］．长沙：国防科技大学出版社，

sio中，连接图形的操作被称为“粘附图形”，任意两个图形之间的连接都是通过Connect对象来表示的。首先从XML文件提

取出连接关系对象的信息，包括每个连接对象两端图元的名称和信号传递的参数名称，然后获得代表图元连接点和动态连接线起止点的Cell对象，调用GlueTo()方法进行自动连接。