بخشی از مقاله
چکیده
روند فعلی موجود در صنایع مختلف این نکته را اذعان میدارد که برقراری سیستمی با قابلیت ارجاع سریع میزان خرابیهای تجهیزات و یا برآورد قابلیت اطمینان آن، از ضروریات هر صنعت است. قابلیت اطمینان در صنایع پتروشیمی با توجه به حجم سرمایه گذاری دارای اهمیت دوچندان می شود. یکی از سیستمهای پرارزش در نمونهای از این صنایع، سیستم تبرید پروپان است که برای تفکیک مایعات گازی مورد استفاده قرار میگیرد و توقف عملکرد یا عملکرد بیکیفیت این سیستم میتواند خسارت های بسیاری در پی داشته باشد و این موضوع بر اهمیت سیستم تبرید پروپان میافزاید.
از سوی دیگر محاسبه قابلیت اطمینان این چنین سیستمهایی بدلیل کمبود برخی از دادههای ضروری با دشواری روبرو میباشد. روش شبکههای بیزین روشی بسیار قدرتمند در محاسبه قابلیت اطمینان سیستمهای پیچیده است که مکانیزمی مناسب را برای استفاده از نظر خبره و ترکیب آن با داده های تاریخی، فراهم میکند. شبکههای بیزین به عنوان چارچوبی قدرتمند برای بررسی پدیده های احتمالی در بسیاری از مسائل دنیای واقعی کاربرد موفقیتآمیزی داشته است و در مقایسه با روشهای رایج، ارزیابی قابلیت اطمینان با شبکههای بیزین هم در مدلسازی و هم در تحلیل، قابلیتهای افزودهای فراهم می کند.
در این مقاله، ابتدا درخت خطای مربوط به شکست یک سیستم تبرید پروپان واقع در واحد تفکیک مایعات گازی شرکت فرآورش، طراحی و سپس به شبکه بیزین تبدیل شده است. درشبکه پیشنهادی روابط اتصال گرههای تجهیزات سری، موازی، جایگزین و k out of n شرح داده شده است. در نهایت با استفاده از نظرات خبرههای سیستم و رکوردهای ذخیره شده برای تجهیزاتی که دادههای پیشین معتبر دارند، قابلیت اطمینان کارکرد صحیح سیستم موردنظر با استفاده از نرم افزار Agena Risk تخمین زده شده است. امید است روند حاصل، نیاز صنایع پتروشیمی به سیستم ارجاع سریع برآورد قابلیت اطمینان را با استفاده از ترکیب نظر خبره و دادههای پیشین، برطرف کند.
مقدمه
روند توسعه و گسترش صنایع پیشرفته با انبوهی از حجم تولیدات صنعتی در عصر حاضر، نیاز هرچه بیشتر به اجرای روش های پیشگیرانه در مقابله با وقوع خرابی های احتمالی را آشکار می سازد. این ضرورت بخصوص در صنایع تولیدکننده ای که ارزش حقیقی محصول تولید شده شان حجم عظیمی از دارایی های بالقوه آنها را تشکیل می دهد نظیر شرکت های پتروشیمی، بیشتر مشهود می باشد. محصولات مهندسی مدرن از تک تک قطعات تا سامانه های بزرگ باید به گونه ای طراحی و تولید شوند که در طول زمان ماموریت خود از قابلیت اطمینان لازم برخوردار باشند. در هر صنعت هنگامی که سیستمی از کار می افتد یا دچار اختلال می شود، از جنبه های مختلفی نظیر جنبه های اقتصادی،انسانی، سیاسی و ... مخاطره آمیز و زیان بار می باشد.
ربارلو[2] از شبکه های بیزین برای محاسبه قابلیت اطمینان استفاده نمود و بخوبی توانست سادگی و همچنین کارایی بالای این روش را برای محاسبه قابلیت اطمینان نشان دهد.
ایکسی و همکاران، کریشن مرسیس و همکاران، گوکال و همکاران[5-3] نوآوری هایی را در مقالات خود از شبکه های بیزین برای تخمین قابلیت اطمینان سیستم های جزء محور به کار بردند.
گرن و دال [6] در مقاله خود به منظور تخمین قابلیت اطمینان نرم افزاری از شبکه های بیزین بهره بردند. جنسین [7] کاری در راستای استفاده از شبکه های بیزین در سیستم های ردیابی خطا ارائه داد.
بابیو[8] با ایجاد یک مدل عمومی قابلیت اطمینان با استفاده از شبکه های بیزین،تاثیر فراوانی بر روی این مدل گذاشت. همچنین او در کار خود نشان داد به راحتی می توان درخت خطا را به شبکه بیزین تبدیل نمود.
آماسکی[9] برای ارزیابی کیفیت مدل با استفاده از داده های واقعی از شبکه های بیزین استفاده کرد.بودالی[10] کار جدیدی را با پیاده سازی شبکه های بیزین برای تخمین قابلیت اطمینان سیستم های دینامیکی ارائه داد.
ویلسون و همکاران[11] گسترش استفاده از شبکه های بیزین در داده های چند سطحی گسسته و بحث چگونگی استنباط مشترک در مورد همه شبکه ها را مورد بررسی قرار داده اند و استفاده از این روش را منوط به این دانسته اند که ساختار سیستم ارائه شده توسط درخت خطا بیش از حد پیچیده شده باشد.
مارتین نیل و همکاران [12] با بکار بردن یک الگوریتم تکراری جدید و با در نظر گرفتن الگوریتم تکثیر قوی روی اتصال ساختارهای درخت به دنبال گرفتن نتیجه در شبکه های بیزین هیبریدی هستند که با استفاده از این مدل بتوان قابلیت اطمینان سیستم را تخمین زد.
مونتالی و همکاران[13] با ارائه RADYBAN - آنالیز قابلیت اطمینان با شبکه های بیزین پویا - که یک ابزار نرم افزاری است اجازه می دهد تا با تکیه بر تجزیه و تحلیل درخت خطای پویا آن را به شبکه های بیزین تبدیل و با استفاده از ابزار الگوریتم مدولار به صورت خودکار درخت خطای پویا را به شبکه بیزین پویا تبدیل نمود و با بکارگیری الگوریتم های کلاسیک درصدد به دست آوردن قابلیت اطمینان به وسیله شبکه های بیزین پویا می باشند.
لانگسز و همکاران[14] با تمرکز بر روی مشکلات و خلاصه برخی تحقیقات دهه گذشته، قابلیت اطمینان انسان را به وسیله شبکه های بیزین هیبریدی تخمین می زنند. در ادامه دیوید مارکز و همکاران[15] نشان می دهند که چگونه الگوریتم های شبکه بیزین با مدل توزیع شکست و انجام آنالیز قابلیت اطمینان سیستم ای پیچیده در یک روش یکپارچه ساده می توانند مورد استفاده قرار بگیرند. که در این صورت الگوریتم کار برای شبکه های بیزین هیبریدی می تواند مخلوطی از متغیرهای گسسته و پیوسته باشد.
نیما خاکزاد و همکاران [16] عملکرد شبکه های بیزین در سیستم های آنالیز ایمنی را نشان می دهد. تحقیق شامل دو بخش است، بخش اول این مقاله شامل جنبه های مشترک مدلسازی بین درخت خطا و شبکه های بیزین است که به علت داشتن ویژگی توانایی به روز رسانی احتمالات در شبکه های بیزین، اولویت به شبکه های بیزین داده می شود و در بخش دوم به ویژگی های مدل های مختلف شبکه های بیزین می پردازد که کمک به گنجاندن چند حالت متغیر، وابستگی شکست ها، عدم اطمینان عملکرد و نظر کارشناسان اختصاص داده شده است که غالبا با این موارد در تجزیه و تحلیل ایمنی مواجه می شویم که اینها توسط درخت خطا در نظر گرفته نمی شود. در این مقاله آمده است که شبکه های بیزین در تجزیه و تحلیل ایمنی به دلیل س اختار انعطاف پذیر آن تکنیک برتر است.
دوگوس و همکاران [17] روش استفاده از داده های پیشین را استفاده می کند تا مدل به صورت شبکه های بیزین باشد و روش های کارامدی برای ساختار خودکار مدل شبکه بیزین فراهم می کند تا از این طریق بتوان قابلیت اطمینان را تخمین زد. آنهادر مقاله خود الگوریتمی پیشنهاد داده اند که طی آن می توان نقش خبره را برای تعیین روابط بین اجزای سیستم وایجاد مدل از بین برد.
در ادامه ابتدا ادبیاتی مختصر از شبکه های بیزین و تبدیل درخت خطا به آن آورده و سپس به منظور هدایت سیستماتیک اجرا و پیاده سازی مدل ارزیابی قابلیت اطمینان، سعی شده است که فرایندی گام به گام طراحی شود. این فرایند یک توالی از مراحل را بیان میکند که ارزیابی قابلیت اطمینان هر سیستم را ممکن می سازد. اجرای یک بارهی این فرآیند با توجه به ویژگی سهولت بروز رسانی شبکه های بیزین موجب انسجام و تسهیل مدلسازی جهت تحلیل قابلیت اطمینان در دوره های مختلف زمانی خواهد بود و در عین حال سهولت بررسی کارشناسان و همچنین عینیت بخشی ساده جهت ارجاع به مدیریت از اهداف دیگر حاصل از نتایج این فرآیند است.
شبکه های بیزین
شبکه های بیزین یک نمونه از مدل های گرافیکی هستند که دارای گره هایی برای متغیر ها و یال های جهتدار به منظور نشان دادن روابط میان این گره ها می باشند. این شبکه ها از جمله گراف های فاقد دور - - DAG هستند. از این شبکه ها برای محاسبه احتمال یک رخداد - پایین ترین گره - که متاثر از چندین متغیر دیگر است، مورد استفاده قرار می گیرد. برای محاسبه احتمال هرگره والد ، ابتدا احتمالات گره های ریشه با استفاده از توابع توزیع خاص، مشاهدات یا نظرات خبره استخراج می شوند سپس با بهره مندی از قاعده احتمالی بیز، احتمال گره والد بدست می آید.به عنوان مثال برای شبکه ی نشان داده شده در شکل - 1 - ، احتمال رخ دادن اتفاق F از رابطه - 1 - به دست می آید:
شکل 1 نمونه ای از یک شبکه بیزین
در این مثال گره A که هیچ یالی به آن متصل نیست، گره ریشه و گره های دیگر گره های والد برای گره های متصل به آنها هستند. در این مثال احتمال درست کار کردن F به شرط آنکه E درست کار کند را به صورت p - F|E - نمایش داده شده که برای بقیه گره ها نیز به همین ترتیب است.
تبدیل درخت خطا به شبکه بیزین
اکثر سیستم های مهندسی که بحث خرابی در آنها مطرح می باشد، توسط روش های تحلیل علل خرابی و طبقه بندی آنها، قابل تبدیل به درخت خرابی هستند. حال به منظور تخمین قابلیت اطمینان سیستم مذکور می توان درخت خرابی به دست آمده را به شبکه بیزین تبدیل نمود. در درختهای خرابی سه نوع گره داریم: گره AND ، گره OR و گره .MfromN
در تبدیل درخت خرابی به شبکه بیزین شکل نهایی این سه گره با هم تفاوتی ندارند. ولی در مرحله محاسبات شرطی، بر نتایج محاسبات گرهها اثرگذار است. شکل - 2 - سه نوع ساده درخت خرابی را نشان میدهند.
شکل 2 درخت خطا گره های AND ، OR و MfromN
شبکه بیزین مربوط به گره AND و روابط شرطی مرتبط با آن در ادامه در شکل - 3 - و رابطه - 2 - آمده است:
شکل 4 شبکه بیزین با دروازه منطقی OR
احتمال رخ دادنC در این حالت هم مشابه فرمول16-4 برای محاسبه احتمال رخ دادن C خواهد بود.
شبکه بیزین مربوط به گره MfromN و روابط شرطی مرتبط با آن در ادامه در شکل - 5 - و رابطه - 5 - آمده است:
شکل 3 شبکه بیزین با دروازه منطقی AND
و در نهایت احتمال رخ دادن C از رابطه 3 بدست میآید:
در ادامه شبکه بیزین مربوط به گره OR و روابط شرطی مرتبط با آن در شکل - 4 - و رابطه - 4 - آمده است:
شکل5 شبکه بیزین با دروازه منطقی MfromN
و در نهایت احتمال رخ دادنD از رابطه 6 بدست میآید:
