作者：林晓磊
水喷雾灭火系统具有表面冷却、窒息、乳化、稀释、电绝缘的灭火机能，其中乳化对石化企业油类火灾的扑救具有特殊的作用二此外，水喷雾灭火系统还具有冷却生产装置的火灾防护机能，是石化企业生产装置区广泛应用的消防系统。《石油化工企业设计防火规范》( GB50160 - 2008)要求石化装置区固定水炮不能保护的范围应设置水喷雾灭火系统。
目前消防系统可靠性的研究，主要包括消防系统功能过程可靠性以及设备设施布置可靠性，如孟川运用故障树分析方法，研究地下建筑消防给水系统的可靠性，查找影响可靠性因素；张力运用故障树分析方法，计算稳高压消防给水系统消防水泵的可靠度，分析消防水泵不能正常启动与出口流量异常的原因。采用障树分析方法，可以查找系统薄弱环节，提高系统可靠性的分析精度。但是传统故障树基本事件可靠度取值单一，消防系统作为可修复系统，其部件可靠度用一定的区间值来表示时，传统的计算方法存在局限性。贝叶斯网络模型选取部件可靠度维持在某一区间范围内，很好地解决了传统故障树可靠度取值单一的局限性。王
岩峰在民航维修人因安全分析研究中，利用贝叶斯网络的特殊算法，克服了传统方法中只能用单一可靠度值的局限性。李盼在钻井井塌事故定量分析中，将故障树转化为贝叶斯网络，运用贝叶斯网络信念传播算法推算井塌事故概率分布。
本文在运用故障树分析方法分析石化装置水喷雾灭火系统薄弱环节的基础上，构建基于故障树的贝叶斯网络模型，解决故障树分析方法可靠度取值单一的局限性，定量计算系统的可靠度区间分布；并将系统可靠度分布计算方法，应用到防止该系统失效模式的事件重要度分析中。
1 石化装置区水喷雾灭火系统可靠性研究模式
1.1 系统可靠性研究过程
1)确定石化装置水喷雾灭火系统可靠性研究范围。
2)建立系统失效故障树，确定系统失效模式（最小割集）。
3)根据故障树向贝叶斯网络映射的原则与步骤，建立系统失效贝叶斯网络。
4)根据贝叶斯网络信念传播算法，计算系统可靠度区间分布。
5)应用系统可靠度区间分布计算方法，结合4）中计算结果，分析防止系统失效模式（最小径集）中事件的重要度。
6)根据事件重要度分析结果，提出合理化的建议措施。
1.1.1 系统可靠性范围的确定
石化装置区可靠的水喷雾灭火系统是指系统在未动作状态时，稳压泵能够维持消防管网中水压在0.7~1. 2MPa范围内；系统在动作状态时，主消防泵能够成功启动，同时雨淋阀组能够通过火灾探测与报警系统的自动控制、操作人员远程手动控制、现场应急操作三种方式中的任何一种方式启动，并且出水管路的水量与水压达到设计要求。
1.1.2 系统故障树的建立与分析
故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）法阐明了故障事件的内在联系，并且能够定性分析系统各种固有、潜在的故障因素。根据石化装置水喷雾灭火系统的组件构成及运行特点，分析引起系统失效的故障因素，并确定故障事件之间的逻辑关系，建立石化装置水喷雾灭火系统失效故障树，确定系统失效模式即故障树最小割集。
1.1.3 基于故障树的贝叶斯网络的建立
贝叶斯网络是一个有向无环图( Direc - ted A'cyclic Graph，DAG)，它由代表变量的节点及连接这些节点的有向边（即影响概率）构成。故障树向贝叶斯网络映射需要遵循两个原则：故障树中的事件要与贝叶斯网络中的节点依次对应；故障树中逻辑门关系反映贝叶斯网络的条件概率。故障树转化为贝叶斯网络的主要步骤。
1)故障树的每一个基本事件转化为贝叶斯网络的父节点，如果故障树的基本事件多次出现，则贝叶斯网络中只用一个节点表示。
2)故障树的每一个逻辑门转化为叶斯网络的节点，转化的节点状态值要与故障树逻辑门的输出事件相对应。
3)贝叶斯网络的各个节点之间要用有弧线连接，并用箭头表示其因果关系。
4)故障树基本事件的概率值赋给贝叶斯网络的根节点，作为贝叶斯网络根节点的先验概率。
5)有向弧连接的贝叶斯网络各个节点，需要用条件概率表述出其依赖关系的因果 程度。
根据上述原则与步骤，建立石化装置水喷雾灭火系统失效贝叶斯网络。
1.1.4 系统的贝叶斯网络分析
1)可靠度区间分布的计算
假定E为观测参数，X为未知参数，对于贝叶斯网络而言，E为X的子节点，则通过E估计X的概率分布为：
BeI(X) =P(X l E) =P(X I E-X,E+x) =αP(E-x )P(X l Ex+) (1)
式中：E=E-xuEx+，α=[P（E-x IEx+）]-1为归一化因子；E-x反映的是以X为根节点的子树，Ex+反映的是树的其余部分。令�(X) =P（E-x IX）表示对诊断的支持，∏ (X)=P(XI Ex+)表示对预报的支持，则有Bel(X) =αn(x)�（x）。
在实际推理过程中，根据系统观测参数E确定�(X)和α的值时，如果仅凭以往经验和分析得到的概率分布作为基本事件的估计参数，即仅获得网络中根节点的先验概率分布，则网络中的信念分布只是先验概率分布，那么可将式中�（X）近似为(1，1)，归一化因子α亦可近似为(1，1)，由此贝叶斯网络中通过子节点E估计X的概率分布可简化为BeI(X) =n（x）=P(XI E+x)。如果各个初始节点的概率分布已知，则运用简式可以推算出下一层（父）节点的概率分布，依此类推，逐步计算出最高层节点的概率分布。
由石化装置水喷雾灭火系统失效贝叶斯网络根节点的区间概率，以及节点间的条件概率，可计算得系统失效概率区间（P（T）），则系统可靠度区间（Rs）可以表示为：Rs =(1，1)- P(T).
2)可靠度区间分布的应用
任意选取某一防止系统失效模式（最小径集），根据贝叶斯网络信念传播算法，分别计算模式中基本事件独自发生，即对应的贝叶斯网络中节点值为(0，0)时，系统的可靠度区间，分析其对系统可靠度的影响。
1.2 系统可靠性研究结果与讨论
根据石化装置水喷雾灭火系统失效模式，可以确定系统的薄弱环节。另外，运用贝叶斯网络信念传播算法，可以定量计算系统的可靠度区间分布。当系统失效模式中基本事件繁多时，可由事件重要度的分析结果，采取针对性的管理维护措施。
2案例应用
选取天津某石化乙烯装置水喷雾灭火系统为研究对象，该系统由消防水池、消防泵、环状供水管道、雨淋阀组和水雾喷头等组成。其中雨淋阀组能够实现火灾探测与报警系统的自动控制以及操作人员远程手动控制、现场应急操作启动，消防泵共包括2台稳压泵（1在用．1备用）、4台主消防泵（2在用，2备用），水雾喷头采用开式喷头。
2.1 乙烯装置水喷雾灭火系统失效故障树的建立与分析
乙烯装置水喷雾灭火系统失效主要表现为水泵失效、管网故障、雨淋阀组失效，建立系统失效故障树如图1所示。
乙烯装置水喷雾灭火系统失效故障树事件与事件编号如表1所示。
2.2 乙烯装置水喷雾灭火系统失效贝叶斯网络的建立与分析
2.2.1 系统失效贝叶斯网络的建立
根据故障树向贝叶斯网络映射的原则与步骤，建立系统失效贝叶斯网络如图2所示。
设事件X=l表示事件发生，事件X=O表示事件不发生。贝叶斯网络中间节点的条件概率：
P( M4 =1|X 1X2 =1) =1
P(M5=1| X 3X4 =1) =1
P（M1=1|（M4-1）（Ms -1）=0）=1
P(M9=1|xl2-X13=1)=1
P(M8 =1| (M9 -1)(X11-1) =0) =1
P(M7 =1| (M8 -1)(X10 -1)=0)=1
P(M6 =1| (M7-1) (X9 -1) =0) =1
P((M3=1| (M6 -1)(X7-1)(X8 -1)=0)=1
P(M2 =1| (X5 -1)(X6 -1) =0) =1
2.2.2 系统失效贝叶斯网络分析
1)可靠度区间分布的计算
系统失效贝叶斯网络根节点的平均失效率，如表2所示。平均失效率以每年365d，每天24h计算。本文数据主要来源于该企业乙烯装置区消防设施维保记录，以及系统设备出厂说明。
根据表2中根节点X1、X2的平均失效率(�×10 -4)，以及对应或门转换的中间节点M4的条件概率，计算节点M4的概率(� xl0-4)分布：
通过归一化处理，即可得到
BeL(M4)=αA(M4 =1)∏(M4 =1)=(0. 0005278 ,0. 0008347)
同理，由于X12、X13通过与门与M9相连，可求得
∏(M9=1)=∑P(M9|X12,X13)
∏M9( X12)∏M9( X13)=(o.0009408 ,0. 0014822)
Bel(M9)=αA(M9=1)∏(M9=1)=(0. 0009408 ,0. 0014822)
根据表2中根节点的失效概率区间值，以及节点之间的条件概率，运用贝叶斯网络信念传播算法，逐步计算中间节点的概率区间，计算结果如表3所示。
根据表3计算结果，可以得到乙烯装置区水喷雾灭火系统可靠度区间分布：
Rs=l- P(T)=(1,1)- (9.7234×10-4,13. 2939×10-4)=(0. 9987,0. 9990)
2)系统失效模式事件重要度分析
假设事件X'表示事件X的对立事件。选取某一防止系统失效模式{ X1'．X'3，X'5，X'6，X'7，X'8，X'9}，如果事件X'发生，则
将以上计算过程与结果带人式(1)中的系统区间运算，可求得事件X1'发生时系统的可靠度区间。同理依次求得事件X'3，X'5，X'6，X'7，X'8，X'9分别发生时，系统的可靠度区间，结果如表4所示。
从表4可以看出，该防止乙烯装置水喷雾灭火系统失效模式中，基本事件X'1，X'3， X'9发生时，系统的可靠度分布基本不变，并且约等同于系统原有可靠度区间分布；基本事件X'7，X'8发生时，可相对显著提高系统的可靠度。
2.3 乙烯装置水喷雾灭火系统可靠性研究结果与讨论
该企业乙烯装置水喷雾灭火系统失效主要表现在水泵失效、管网故障、雨淋阀组失效，系统的可靠度区间为(0. 9987，0.9990)二从防止系统失效模式的组成可以看出，需要在多个环节上采取防范措施，缺乏针对性。从事件重要度分析看出，基本事件X'7（雨淋阀正常）、X'8（信号蝶阀正常）重要度较大，对系统可靠度影响较大，事件X'7，X'8状态对应雨
淋阀组的可靠性，建议企业着重加强雨淋阀组的维护管理。
3 结论
本文采用基于故障树的贝叶斯网络模型，对石化装置水喷雾灭火系统的可靠性进行了定性与定量研究。在采用故障树分析方法．对石化装置水喷雾灭火系统事故模式研究的基础上，应用贝叶斯网络信念传播算法，计算系统的可靠度区间，解决了故障树分析中可靠度取值的单一性。最后应用该计算方法分析了防止该系统失效模式中事件的重要度，对事件相对系统可靠度的影响程度进行了评估，使维护管理措施更加具有针对性。
4摘要：
针对石化装置区水喷雾灭火系统可靠性研究中，故障树分析方法可靠度取值单一的局限性，构建基于故障树的贝叶斯网络模型，定量计算系统的可靠度分布，兰确定系统失效模式，以及防止系统失效模式的事件重要度。应用到某乙烯置水喷雾灭火系统，得到系统可靠度区间( 0. 9987，0.9990)；当某一防止系统失效模式中事件X．’（雨淋阀正常X8’（信号蝶阀正常）独自发生时，系统可靠度提高到( 0. 9991，0.9993)、（0,9990.0.9992．建议企业加强雨淋阀组的维护管理。
