王富銀,鄭學林

(上海海事大學商船學院,上海200135)

1 故障樹分析法(FTA)簡介

故障樹分析法(Fau lt Tree A nalysis)是一種將系統(tǒng)故障形成原因按樹枝狀逐級細化的圖形演繹方法,是20世紀60年代發(fā)展起來的用于對系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風險評價的一種方法。它通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)進行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹),再對系統(tǒng)中發(fā)生的故障事件,作由總體至部分按樹枝狀逐級細化的分析,并對系統(tǒng)在方案與初步設計階段進行可靠性、安全性分析,常用于系統(tǒng)的故障分析、預測和診斷,找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),以便在設計、制造和使用中采取相應的改進措施。FTA以系統(tǒng)最不希望出現(xiàn)的故障狀態(tài)作為分析的目標(頂事件),找出能導致這一故障發(fā)生的全部因素(中間事件),再尋找出造成中間事件發(fā)生的全部因素,按此方式一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的全部原因(底事件),將系統(tǒng)的故障與中間事件、底事件之間的邏輯關系用邏輯門聯(lián)結起來,形成樹形圖,以表示系統(tǒng)與產(chǎn)生原因之間的關系;并通過計算找出系統(tǒng)發(fā)生故障和不發(fā)生故障的各種途徑;利用概率論方法計算系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率,評價引發(fā)系統(tǒng)故障的各種因素的相關重要度。

故障樹的建造是FTA法的關鍵,故障樹建造的完善程度將直接影響其定性分析和定量計算的準確性。實際上建樹過程常常是一種反復的過程,應廣泛吸取和掌握設計、使用等方面的知識和經(jīng)驗,對系統(tǒng)進行仔細、透徹地分析,多次討論、修改,將會使建造的故障樹更完善。目前還沒有一種有效的統(tǒng)一建樹方法,但通常采用的是演繹法建樹。該法是先選定系統(tǒng)中不希望發(fā)生的故障事件為頂端事件,其后是找出直接導致頂端事件發(fā)生的各種可能因素或因素組合,如硬件故障、軟件故障、環(huán)境因素、人為因素等。再找出各因素的直接原因。循此方法逐級向下演繹,一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的全部原因,即分析到不需要繼續(xù)分析原因的底事件為止。然后,把各級事件用相應的符號和適合于它們之間邏輯關系的邏輯門與頂端事件相連接,就建成了一棵以頂事件為根,中間事件為節(jié),底事件為葉的具有若干級的樹。

故障樹分析的過程是一個對系統(tǒng)更深入認識的過程,它要求分析人員把握系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系,弄清各種潛在因素對故障發(fā)生影響的途徑和程度,以便在分析過程中發(fā)現(xiàn)問題,找出零、部件故障與系統(tǒng)的邏輯關系,以確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。建樹的步驟如圖1所示。

圖1 建樹步驟示意圖

故障樹分析法是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。在清晰的故障樹圖形下,顯示出系統(tǒng)故障內(nèi)在聯(lián)系,并反映零部件故障與系統(tǒng)之間的邏輯關系,便于圍繞某些特定的故障樹狀態(tài)作層層深入的分析,故建樹時應遵循以下原則。

(1)建樹前應對所分析系統(tǒng)有深刻了解,廣泛收集有關系統(tǒng)設計運行流程圖、設備技術規(guī)范等描述系統(tǒng)的技術文件和資料,并進行深入細致的分析研究。

(2)對故障事件應精確定義,指明故障是什么,在何種條件下發(fā)生,即應有唯一解,切忌模棱兩可,含糊不清。

(3)選好頂端事件,選擇的頂端事件必須是能進一步分解的,即可以找出其發(fā)生的次級事件,并且能夠用數(shù)值度量的。否則,就有可能無法對事件進行分析和計算。

(4)合理確定系統(tǒng)的邊界條件,邊界條件包括確定頂事件、確定初始條件、確定不許可事件、以及作出一些必要的假設,不考慮人為失誤等均可為系統(tǒng)的邊界條件,有了邊界條件才明確了故障樹建到何處為止。

(5)對系統(tǒng)中各事件的邏輯關系及限定條件必須分清楚,不能產(chǎn)生邏輯關系上的紊亂和限定條件之間的矛盾。

2 故障樹分析法的理論分析

2.1 故障樹分析法的數(shù)學描述

由于故障樹是構成它的全部底事件的“與”和“或”的邏輯關系連接而成,因而可以用結構函數(shù)作為數(shù)學工具,建立故障樹的數(shù)學表達式,以便于對故障作為定性分析和定量計算。

為了簡化起見,假設所分析的零部件和系統(tǒng)只能取兩種狀態(tài),即正?；蚬收?且假設零部件的故障是相互獨立的?，F(xiàn)以由n個相互獨立的底事件構成的故障樹為研究對象。底事件的狀態(tài),采用狀態(tài)變量 xi(i=1,2,3)表示,則表示為：

系統(tǒng)頂事件 T的狀態(tài),采用狀態(tài)變量φ表示,則φ必然是底事件狀態(tài)變量xi的函數(shù)。φ=φ(x)=φ(x1,x2,……,xn),則表示為：

式中,X=(x1,x2,……,xn),稱 φ(x)為故障樹的結構函數(shù),是表示系統(tǒng)狀態(tài)的一種布爾函數(shù)。

2.2 故障樹的定量分析

故障樹定性分析的主要目的是為了弄清系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障(頂事件)有多少種可能性。如果某幾個底事件的集合失效時,將引起系統(tǒng)故障的發(fā)生,則這個集合就稱為割集。這就是說,一個割集代表了子系統(tǒng)發(fā)生故障的一種可能性,即一種失效模式;與此相反,一個路集,則代表了一種成功可能性,即系統(tǒng)不發(fā)生故障的底事件的集合。一個最小割集則是指包含有最小數(shù)量,而又最必需的底事件的割集,而全部最小割集的完整集合則代表了給定系統(tǒng)的全部故障。因此,最小割集的意義就在于它描述了處于故障狀態(tài)的系統(tǒng)中必需修理的故障,它指出了系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。定性分析的主要任務也就在于確定系統(tǒng)所有的最小割集。

2.3 故障樹的定性分析

故障樹定量分析的主要任務是根據(jù)其結構函數(shù)和底事件(即系統(tǒng)基本故障事件)的發(fā)生概率,應用邏輯與、邏輯或的概率計算公式,定量地評定故障樹頂事件出現(xiàn)的概率。故障樹定量分析的另一個是關于事件重要度的計算。一個故障樹往往包含多個底事件,各個底事件在故障樹中的重要性,必然因它們所代表的元件(或部件)在系統(tǒng)中的位置(或作用)的不同而不同。因此,底事件的發(fā)生在頂事件的發(fā)生中所作的貢獻稱為底事件的重要度。底事件的重要度在確定系統(tǒng)需要監(jiān)控的部位、確定系統(tǒng)故障診斷方案有著重要的作用。

3 冷藏集裝箱制冷機組故障樹的建造實例

冷藏集裝箱制冷機組故障樹的構建,可根據(jù)各部件之間的結構關系、功能關系、各部件技術故障的邏輯關系等構建,有時可把各種關系結合起來共同應用。機組循環(huán)系統(tǒng)本身的故障通?？煞譃閮深?即硬故障和“亞健康”故障。所謂硬故障是指故障突然發(fā)生,從而使系統(tǒng)不能運轉或不能滿足冷藏集裝箱的制冷要求。所謂“亞健康”故障,是指系統(tǒng)逐漸產(chǎn)生的、致使系統(tǒng)的效率下降,設備的壽命降低,造成過多的能量消耗的運行狀態(tài)。下面根據(jù)調研結果及專家經(jīng)驗,建立一個冷藏集裝箱制冷機組的典型硬故障-制冷機組不啟動的故障樹。機組不啟動的故障樹如圖2,其故障診斷流程圖如圖3。

圖2 制冷機組不啟動故障樹

由下面的診斷流程圖3可以很快找出故障的原因,所以硬故障只要結合各種實際采集的參數(shù)及其相應的故障樹,就可以很快查找出故障的原因,然后采取相應的措施進行維修管理。而在現(xiàn)實的使用過程中往往是系統(tǒng)的“亞健康”故障比較難查找,而且不易察覺。而為了實現(xiàn)冷藏集裝箱故障遙測系統(tǒng)中故障的預報預警就要挖掘出“亞健康”故障時系統(tǒng)的運行參數(shù)之間的關系,建立起相應的邏輯關系,以實現(xiàn)故障的預報,從而提前通知有關人員進行維護保養(yǎng),防止發(fā)生故障而引起貨損貨差。

圖3 制冷機組不啟動故障診斷流程圖

在冷藏集裝箱的管理運行中,箱內(nèi)溫度是需要控制的重要參數(shù),而與箱內(nèi)溫度直接相連的就是制冷機組的制冷量。因此接下來就從機組運行但制冷不良,效率低下這一“亞健康”故障做具體的分析,建立一個典型的故障范例。根據(jù)專家經(jīng)驗,導致機組運行但制冷不良,效率低下的故障現(xiàn)象有制冷循環(huán)系統(tǒng)故障、電氣控制系統(tǒng)故障,具體情況見表1所示。根據(jù)調研和專家經(jīng)驗,下面將給出換熱器故障的故障樹,見圖4所示。

表1 機組運行但制冷不良,效率低下“亞健康”故障集合表

圖4 換熱器故障樹

4 結語

建起了冷藏集裝箱制冷機組的典型故障樹,依靠故障樹分析的理論,就可以對故障樹中各事件的重要度進行分析。以此為依據(jù)來確定系統(tǒng)需要監(jiān)控的部位和系統(tǒng)的故障診斷方案。但是冷藏集裝箱的發(fā)展歷史并不是很長,所以有關其故障的研究就比較少,其各部件故障發(fā)生的先驗概率是很難確定的。

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