故障树FTA分析

故障树分析〔FTA〕方法

概念：FTA (Failure Tree Analysis) 故障树分析，又称失效树分析。

在系统设计过程中通过对可能造成系统失效的各种因素〔包括硬件、软件、环境、人为因素〕进行分析，画出逻辑框图〔失效树〕，从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或其发生概率，已计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

故障分析(FTA)是以故障树作为模型对系统经可靠性分析的一种方法。

故障树分析把系统最不希望发生的故障状态作为逻辑分析的目标，在故障树中称为顶事件，继而找出导致这一故障状态发生的所有可能直接原因，在故障树中称为中间事件。再跟踪找出导致这些中间故障事件发生的所有可能直接原因。直追寻到引起中间事件发生的全部部件状态，在故障树中称为底事件。用相应的代表符号及逻辑们把顶事件、中间事件、底事件连接成树形逻辑图，责成此树形逻辑图为故障树。

故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。

故障树分析〔FTA〕方法

故障树分析法由美国贝尔 研究所的沃森〔Watson〕和默恩斯(Mearns)于1961年首次提出并应用于分析民兵式导弹发射控制系统的。其后，波音公司的哈斯尔〔Hasse〕、舒劳德〔Schroder〕、杰克逊〔Jackson〕等人研制出故障树分析法计算程序，标志着故障树分析法进入了以波音公司为中心的宇航领域。1974年，美国原子能委员会发表了以麻省理工学院〔MIT〕拉斯穆森〔Rasmussen〕为首的有60名专家参与的安全组进行了两年研究而编写的长达3000页的“商用轻水反应堆核电站事故危险性评价”的报告，该报告采用了美国国家航空和管理部于60年代发展起来的事件树〔ET: Event Tree〕和故障树分析方法，以美国100座核电反应堆为对象对核电站进行了风险评价，使FTA的应用得到很大发展。这一报告的发表引起了各方面的很大反响，被称为FTA发展进程中的一个重要里程碑。并推动了故障树分析法从宇航、核能进入电子、化工和机械等工业领域。

原理

通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，从而确定产品的故障原因的各种可能的组合方式 和(或)发生概率。 用途

--复杂系统的功能逻辑分析；

--分析同时发生的非关键事件对顶事件的综合影响; --评价系统可靠性与安全性； --确定潜在设计缺陷和危险； --评价采用的纠正措施； --简化系统故障查找。

FTA分析的4个主要步骤

建立故障树、故障树的标准化、简化和模块分解、故障树的定性分析和故障树的定量分析。

建树步骤：

选定顶事件--某一影响最大的系统故障；将造成系统故障的原因逐级分解为中间事件；直至底事件--不能或不需要分解的基本领件，构成一张树状的逻辑图--故障树。

a 选择和确定顶事件：顶事件是系统最不希望发生的事件，或是指定进行逻辑分析的故障事件。

b 分析顶事件：寻找引起顶事件发生的直接的必要和充分的原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系。

c 分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作用下一级的输出事件，如同b中对顶事件那样进行处理。

d 重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止，即建成了一棵倒置的故障树。

定性分析

目的是为了弄清系统〔或设备〕出现某种故障〔即顶事件〕的可能性有多少，分析哪些因素会引发系统的某种故障。

定量分析

目的是得到在底事件互相独立和已知其发生概率的条件下，顶事件发生概率和底事件重要度等定量指标(GJB 768)。

常用的指标是：顶事件发生的概率、底事件重要度等。

故障树FTA分析的程序

故障树FTA的分析程序一般分为下面几种:

〔1〕熟悉系统：要详细了解系统状态及各种参数，绘出工艺流程图或布置图。 〔2〕调查事故：收集事故案例，进行事故统计，设想给定系统可能发生的事故。 〔3〕确定顶上事件：要分析的对象即为顶上事件。对所调查的事故进行全面分析，从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。

〔4〕确定目标值：根据经验教训和事故案例，经统计分析后，求解事故发生的概率〔频率〕，以此作为要控制的事故目标值。

〔5〕调查原因事件：调查与事故有关的所有原因事件和各种因素。

〔6〕画出故障树：从顶上事件起，逐级找出直接原因的事件，直至所要分析的深度，按其逻辑关系，画出故障树。

〔7〕分析：按故障树结构进行简化，确定各基本领件的结构重要度。

〔8〕事故发生概率：确定所有事故发生概率，标在故障树上，并进而求出顶上事件〔事故〕的发生概率。

〔9〕比较：比较分可维修系统和不可维修系统进行讨论，前者要进行比照，后者求出顶上事件发生概率即可。

〔10〕分析：原则上是上述10个步骤，在分析时可视具体问题灵活掌握，如果故障树规模很大，可借助电脑进行。目前我国故障树分析一般都考虑到第7步进行定性分析为止，也能取得较好效果。

故障树分析FTA案例

故障树分析是一种根据系统可能发生的事故或已经发生的事故结果，

去寻找与该事故发生有关的原因、条件和规律，同时可以辨识出系统中可能导致事故发生的危险源。

故障树分析是一种严密的逻辑过程分析，分析中所涉及到的各种事件、原因及其相互关系，需要运用一定的符号予以表达。故障树分析所用符号有三类，即事件符号，逻辑门符号，转移符号。

图1 故障树的事件符号 事件符号如图1所示包括： 〔1〕 矩形符号

矩形符号如图1a〕所示。它表示顶上事件或中间事件，也就是需要往下分析的事件。将事件扼要记入矩形方框内。 〔2〕 圆形符号

圆形符号如图1b〕所示。它表示基本原因事件，或称基本领件。它可以是人的过失，也可以是机械、元件的故障，或环境不良因素等。它表示最基本的、不能继续再往下分析的事件。

〔3〕 屋形符号

屋形符号如图1c〕所示。主要用于表示正常事件，是系统正常状态下发生的正常事件。

〔4〕 菱形符号

菱形符号如图1d〕所示。它表示省略事件，主要用于表示不必进一步剖析的事件和由于信息不足，不能进一步分析的事件。

图2 故障树逻辑门符号 逻辑门符号如图2所示包括：

——逻辑与门。表示仅当所有输入事件都发生时，输出事件才发生的逻辑关系，如图2a〕所示。

——逻辑或门。表示至少有一个输入事件发生，输出事件就发生的逻辑关系，如图2b〕所示。

——条件与门。图2c〕所示，表示B1、B2不仅同时发生，而且还必须再满足条件α，输出事件A才会发生的逻辑关系。

——条件或门。图2d〕，表示任一输入事件发生时，还必须满足条件α，输出事件A才发生的逻辑关系。

——排斥或门。表示几个事件当中，仅当一个输入事件发生时，输出事件才发生的逻辑关系，其符号如图2e〕所示。

——限制门。图2f〕所示，表示当输入事件B发生，且满足条件X时，输出事件才会发生，否则，输出事件不发生。限制门仅有一个输入事件。

——顺序与门。表示输入事件既要都发生，又要按一定的顺序发生，输出事件才会发生的逻辑关系，其符号如图2g〕表示。

——表决门。表示仅当n个事件中有m〔m≤n〕个或m个以上事件同时发生时，输出

事件才会发生，其符号如图2h〕所示。

图3 故障树转移符号 转移符号包括：

——转入符号。表示转入上面以对应的字母或数字标注的子故障树部分符号，其符号如图3a〕。

——转出符号。表示该部分故障树由此转出，其符号如图3b〕。 编制故障树应从以下几方面入手：

——熟悉系统。了解系统的构造、性能、操作、工艺、元件之间的关系及人、软件、硬件、环境的相互作用和系统工作原理等；

——收集、调查系统事故资料。收集、调查系统的已有事故资料和类似系统的事故资料。

——确定顶上事件。根据对系统已掌握的资料，在分析系统一类危险源的基础上，确定系统事故类型作为顶上事件。

——调查分析顶上事件发生的原因，从人、机、物、环境和信息各方面入手调查分析影响顶上事件发生的所有原因。

下面以一液化石油气第一类危险源，选择顶上事件为火灾爆炸事故。故障树分析如图4。

A1―形成混合气；A2―遇火源；A3―液态烃泄漏；A4―未报警；A5―静电火花；A6―附近有机动车通行；A7―罐爆裂；A8―静电未消除；A9―罐超压；A10―安全阀未起作用；A11―未报警；A12―未报警；A13―无显示；A14―液面未显示；A15―压力无显示 X1―烟头未掐灭；X2―阀门泄漏；X3―法兰垫片断裂；X4―报警器故障；X5―无报警器；X6―收油或油排入事故罐过快；X7―未安装阻火器；X8―阻火器故障；X9―无接地线；X10―接地线断开；X11―收油过量；X12―安全阀下部阀门未开；X13―安全阀故障；X14―无报警器；X15―报警器故障；X16―液面计上下阀门未开；X17―液面计故障；X18―无液面计；X19―无压力表；X20―压力表故障。