第九章-故障树分析(FTA)课件.ppt

1、第九章第九章 故障树分析（故障树分析（FTAFTA） 9.1 9.1 引言引言 9.2 FTA9.2 FTA的术语与符号的术语与符号 9.3 9.3 故障事件的分类故障事件的分类 9.4 9.4 故障树的建造故障树的建造 9.5 9.5 故障树定性分析故障树定性分析 9.6 9.6 故障树的定量分析故障树的定量分析 9.7.9.7.重要度分析重要度分析9 91 1 引引 言言 1961年美国贝尔实验室首先应用年美国贝尔实验室首先应用FTA在民兵导在民兵导弹的发射控制系统可靠性研究中获得成功。弹的发射控制系统可靠性研究中获得成功。1965年波音公司在系统安全年会上正式发表，年波音公司在系统安全年

2、会上正式发表，引起科技人员的重视和应用，引起科技人员的重视和应用， 1974年美国原子能委员会发表的核电站安全评年美国原子能委员会发表的核电站安全评价报告（价报告（WASH-1400）中，主要的分析技术就）中，主要的分析技术就是可靠性工程中的事件树分析与故障树分析。是可靠性工程中的事件树分析与故障树分析。并且在以后的核电站概率风险评价（并且在以后的核电站概率风险评价（PSA）技）技术的发展中起到了里程碑的作用。并且这种图术的发展中起到了里程碑的作用。并且这种图形化的方法配合计算机技术的发展已经逐渐地形化的方法配合计算机技术的发展已经逐渐地深入到其它的科技领域。深入到其它的科技领域。9.1.1

3、9.1.1 故障树分析法的特点故障树分析法的特点 FTA是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法推理方法 。FTA法清晰地用图说明，系统是怎样失效的？法清晰地用图说明，系统是怎样失效的？它也是系统某一个特定故障状态的快速照相。它也是系统某一个特定故障状态的快速照相。 FTA可以找出系统的全部可能的失效状态，也就是故障树可以找出系统的全部可能的失效状态，也就是故障树的全部最小割集，或者称它们是系统的故障谱。的全部最小割集，或者称它们是系统的故障谱。 故障树是一种形象化的技术资料，是一种直观的教学和维故障树是一种形象化的技术资料，是一种直

4、观的教学和维修指南。修指南。 FTA由于它常用于分析复杂系统，因此它离不开计算机软由于它常用于分析复杂系统，因此它离不开计算机软件件 FTA由于受到统计数据的不确定性的影响，因此在定量分由于受到统计数据的不确定性的影响，因此在定量分析中有很大困难析中有很大困难. FTA的重要度分析与灵敏度分析是的重要度分析与灵敏度分析是FTA中定量分析中的重中定量分析中的重要部分。要部分。9.1.2 FTA9.1.2 FTA的步骤的步骤选择合理的顶事件，和系统的分析边界和定义范围，并选择合理的顶事件，和系统的分析边界和定义范围，并且确定成功与失败的准则；且确定成功与失败的准则；建造故障树，这是建造故障树，这是

5、FTAFTA的核心部分之一，通过对已收集的核心部分之一，通过对已收集的技术资料，在设计，运行管理人员的帮助下，建造故的技术资料，在设计，运行管理人员的帮助下，建造故障树；障树；对故障树进行简化或者模块化；对故障树进行简化或者模块化；定性分析，求出故障树的全部最小割集，当割集的数量定性分析，求出故障树的全部最小割集，当割集的数量太多时，可以通过程序进行概率截断或割集阶截断；太多时，可以通过程序进行概率截断或割集阶截断；定量分析，这一阶段的任务是很多的，它包括计算顶事定量分析，这一阶段的任务是很多的，它包括计算顶事件发生概率即系统的点无效度和区间无效度，此外还要件发生概率即系统的点无效度和区间无效

6、度，此外还要进行重要度分析和灵敏度分析。进行重要度分析和灵敏度分析。9.1.3 FTA 9.1.3 FTA 的应用范围的应用范围系统的可靠性分析；系统的可靠性分析；系统的安全分析与事故分析；系统的安全分析与事故分析；改进系统设计，对系统的可靠性进行评价；改进系统设计，对系统的可靠性进行评价；概率风险评价，概率风险评价，PSAPSA技术，尤其是在核电站中的应用；技术，尤其是在核电站中的应用；系统在设计维修，运行各个重要阶段进行重要度分析和系统在设计维修，运行各个重要阶段进行重要度分析和灵敏度分析；灵敏度分析；故障诊断与检修表的制定；故障诊断与检修表的制定；系统最佳探测器的配置；系统最佳探测器的配

7、置；故障树的模拟；故障树的模拟；管理人员，运行人员的培训。管理人员，运行人员的培训。9.2 FTA9.2 FTA的术语与符号的术语与符号表 7.2-1 故障树所用符号表 门符号 事件符号 序号 使用符号 名称 输入输出关系 序号 使用符号 名称 意义 1 与 门 当全部输入发生则输出发生 1 圆 形 有足够数据的基本事件 2 或 门 任何一个输入存在则输出发生 2 菱 形 不发展事件(未探明事件) 3 禁 门 在条件存在时输入产生输出 3 矩 形 用门表示的事件 4 优 先 与 门 按左至右的次序输入发生则发生输出 4 椭 圆 用于禁门的条件 5 异 或 门 输入中的一个发生而另外不发生则输出

8、发生 5 房 形 开关事件(发生或不发生) 6 m/n m/n 表 决 门 N 中有 m 个输入则输出发生 6 三 角 形 转移出去转入 通风的功能主要有： (1) 提供人呼吸所需要的氧气； (2) 稀释室内污染物或气味； (3) 排除室内工艺过程产生的污染物； (4) 除去室内多余的热量(称余热)或湿量(称余湿)； (5) 提供室内燃烧设备燃烧所需的空气。 建筑中的通风系统可能只完成其中的一项或几项任务。其中利用通风除去室内余热和余湿的功能是有限的，它受室外空气状态的限制。 通风的主要目的是为了置换室内的空气，改善室内空气品质，是以建筑物内的污染物为主要控制对象的。 根据换气方法不同可分为排

9、风和送风。排风是在局部地点或整个房间把不符合卫生标准的污染空气直接或经过处理后排至室外；送风是把新鲜或经过处理的空气送入室内。 对于为排风和送风设置的管道及设备等装置分别称为排风系统和送风系统，统称为通风系统。主要故障模式代号主要故障模式代号 故障模式 代号 故障模式 代号 1 闭合 C 11 无输入 N 2 斛脱,释放,脱扣 G 12 开 O 3 不关闭 K 13 开路 B 4 不打开 D 14 运行操作故障 X 5 不启动 A 15 过载 H 6 约束,有电,未脱扣 E 16 阻塞 P 7 超过极限 M 17 断裂 R 8 泄漏 L 18 短路 O 9 失去功能 F 19 短路接地 S 1

10、0 维修故障 Y 20 故障传输 T 例9.2.1 房形事件使用。房形事件又称开关事件，房形事件使用。房形事件又称开关事件，它能表示故障树结构上的变换。它能表示故障树结构上的变换。 TOPIIIIIIIIIIII图9.2.1 房形事件的表示TOPIIIII图9.2.1(a) 事件I发生TOPIIIII图9.2.1(b) 事件I不发生TOPIIIIIIIIIIIITOPIIIIIIIIIIII图9.2.1 房形事件的表示TOPIIIIITOPIIIII图9.2.1(a) 事件I发生TOPIIIII图9.2.1(b) 事件I不发生9.3 9.3 故障事件的分类故障事件的分类 部件故障自然人为因素环

11、境老化变质环境相邻部件部件部件所受应力小于等于设计应力应力大于设计应力所受3.受控故障声相邻部件人为因素1 .2 .一次故障二次故障图部件失效特征图当不适与的控制信号噪部件故障事件SOC受控失效( 指令失效)一次失效二次失效图部件故障事件分解规则部件故障部件故障自然人为因素环境老化变质环境相邻部件部件部件所受应力小于等于设计应力应力大于设计应力所受3.受控故障声相邻部件人为因素1 .2 .一次故障二次故障图9.3.2 部件失效特征图当不适与的控制信号噪部件故障事件SOC受控失效( 指令失效)一次失效二次失效图9.3.1 部件故障事件分解规则部件故障自然人为因素环境老化变质环境相邻部件部件部件所

12、受应力小于等于设计应力应力大于设计应力所受3.受控故障声相邻部件人为因素1 .2 .一次故障二次故障图部件失效特征图当不适与的控制信号噪部件故障事件SOC受控失效( 指令失效)一次失效二次失效图部件故障事件分解规则部件故障部件故障自然人为因素环境老化变质环境相邻部件部件部件所受应力小于等于设计应力应力大于设计应力所受3.受控故障声相邻部件人为因素1 .2 .一次故障二次故障图9.3.2 部件失效特征图当不适与的控制信号噪部件故障事件SOC受控失效( 指令失效)一次失效二次失效图9.3.1 部件故障事件分解规则9.4 9.4 故障树的建造故障树的建造9.4.1 9.4.1 建树前的准备建树前的准

13、备9.4.2 9.4.2 选顶事件选顶事件9.4.3 9.4.3 故障树建造原则及指南故障树建造原则及指南9.4.4 9.4.4 故障树的建造方法故障树的建造方法( (演绎法演绎法) )9.4.1 9.4.1 建树前的准备建树前的准备 首先必须首先必须熟悉系统熟悉系统，收集有关系统的技术资料，收集有关系统的技术资料，设计说明书，安全报告，运行规程以及有关维修，设计说明书，安全报告，运行规程以及有关维修，制造等方面的资料，制造等方面的资料， 然后找出与导致系统顶事件有关的部分，根据故然后找出与导致系统顶事件有关的部分，根据故障树分析深度与广度的要求进行画树。障树分析深度与广度的要求进行画树。 故

14、障树的广度故障树的广度是为了找出系统的各种功能相互关是为了找出系统的各种功能相互关系，如使用控制维修等环节的关系，以及部系，如使用控制维修等环节的关系，以及部件在受内外干扰后的传播所产生的相互影响等。件在受内外干扰后的传播所产生的相互影响等。 故障树的深度故障树的深度一般是指为了找失效的共性，从而一般是指为了找失效的共性，从而从根本上改善系统的可靠性与安全性。从根本上改善系统的可靠性与安全性。9.4.2 9.4.2 选顶事件选顶事件 顶事件是系统不希望发生的事件顶事件是系统不希望发生的事件 对系统的任务，边界，以及功能范围必须对系统的任务，边界，以及功能范围必须给予明确的定义给予明确的定义 顶

15、事件在大型系统中可不是一个。一个特顶事件在大型系统中可不是一个。一个特定的顶事件可能只是许多种系统失效事件定的顶事件可能只是许多种系统失效事件之一之一 定义顶事件必须将其条件和范围在文字描定义顶事件必须将其条件和范围在文字描述中加以说明，既做到不遗漏，又作到分述中加以说明，既做到不遗漏，又作到分清主次，从而正确确定出故障树的顶事件清主次，从而正确确定出故障树的顶事件 9.4.3 9.4.3 故障树建造原则及指南故障树建造原则及指南 区分一下特定词区分一下特定词“失效失效”（failurefailure）和一）和一个一般的词个一般的词“故障故障”（faultfault） 将部件分为无源和有源（准

16、静态和动态）将部件分为无源和有源（准静态和动态）部件部件 将部件故障事件分解为一次失效，二次失将部件故障事件分解为一次失效，二次失效和受控故障效和受控故障 进行进行FMEAFMEA（失效模式与效应分析）（失效模式与效应分析） 建树过程建树过程 ，是深入对系统熟习的过程，是深入对系统熟习的过程 建树指南或导则建树指南或导则 (1) 寻找每一级中间事件（或顶事件）的全部的直接原因，直接原因寻找每一级中间事件（或顶事件）的全部的直接原因，直接原因的概念是按系统的的概念是按系统的“信号信号”或或“能流能流”传递的次序来寻找。传递的次序来寻找。(2) 任何一个门符号必须有故障事件相联结，不允许由门直接输

17、入到任何一个门符号必须有故障事件相联结，不允许由门直接输入到门。门。(3) 把比较不抽象的事件代替抽像的事件。例如，把比较不抽象的事件代替抽像的事件。例如，“马达工作时间过马达工作时间过长长”不如不如“马达通电时间过长马达通电时间过长”。(4) 尽可能地将一些事件划分为更基本事件。例如，尽可能地将一些事件划分为更基本事件。例如，“贮罐爆炸贮罐爆炸”用用“加注过量造成爆炸加注过量造成爆炸”或或“反应失控造成爆炸反应失控造成爆炸”来代替。来代替。(5) 找出造成事件的不同原因。例如找出造成事件的不同原因。例如“反应失控反应失控”用用“补给过量补给过量”和和“冷却失灵冷却失灵”来代替。来代替。(6)

18、 将触发事件同将触发事件同“无保护动作无保护动作”配合起来。例如配合起来。例如“过热过热”用用“冷却冷却失灵失灵”加上加上“系统未关机系统未关机”来代替。来代替。(7) 找出起互促作用的原因。例如找出起互促作用的原因。例如“着火着火”用用“可燃流体漏出可燃流体漏出”和和“继电器打火花继电器打火花”来代替。来代替。9.4.4 9.4.4 故障树的建造方法故障树的建造方法( (演绎法演绎法) ) 。 。 。K1E1E2L1L2K3IIIIIIK2AA：灯泡 L1 ：继电器线圈 L2：断路器线圈 K1 ：常开触点K2 ：常闭触点 K3 ：控制开关初始条件： K3闭合图 7.12 灯泡系统电路图A不亮

19、A故障A中无电流II无电流I无电流B2E1故障K2断开K1断开E1故障B4K1断开III中无电流K2断开L1无电流III中有电流L2有电流K3闭合E2故障K3断开L2断开L1断开B8B9B10B7B6B5B3B3图 7.13 灯泡系统故障数 9.5 9.5 故障树定性分析故障树定性分析 9.5.1 单调关联故障树定性分析，单调关联故障树是一种单调关联故障树定性分析，单调关联故障树是一种正规故障树，每一个基本事件的乘积项称之为故障树的最正规故障树，每一个基本事件的乘积项称之为故障树的最小割集（小割集（MCS），即系统的故障模式，所以全部最小割），即系统的故障模式，所以全部最小割集的集合又称之为系

20、统的故障谱。集的集合又称之为系统的故障谱。 9.5.2 最小割集和最小路集，集合最小割集和最小路集，集合C发生时，顶事件必定发生时，顶事件必定发生，则集合发生，则集合C是故障树的一个是故障树的一个割集割集，若集合，若集合C中任意去中任意去掉一个基本事件后，余下的集合就不再是故障树的割集时，掉一个基本事件后，余下的集合就不再是故障树的割集时，则称则称C是一个是一个最小割集最小割集。 当集合当集合P中的每个基本事件都不发生时，则顶事件一定不中的每个基本事件都不发生时，则顶事件一定不会发生，称集合会发生，称集合P是故障树的一个是故障树的一个路集路集，若任意去集合，若任意去集合P中的一个事件后，集合中

21、的一个事件后，集合P不再是故障树的路集，则不再是故障树的路集，则P是是最最小路集小路集。 9.5.3 9.5.3 找故障树最小的割集的方法找故障树最小的割集的方法( (下行法下行法) ) TX1X2G0G1G3G2X3G4G5G6X4X5X6X7X8X6图2.15下行法求故障树最小割集 下下行行法法实实施施步步骤骤 步步骤骤 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 B BI IC CS S 6 6 最最小小割割集集 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1G 2G 54,GG 54,GG 54,Gx 64,xx 2x 2x 3G 3G 3x 55,Gx 74,xx 3x 2x 2x 6G

22、3x 65,xx 6x 2x 6G 75,xx 8x 2x 3x 74,xx 6x 75,xx 8x 2x 上行法上行法 544xxG 765xxG 866xxG )(7654542xxxxGGG 863633xxxGxG 利用布尔计算规则和吸收律，最后得到：利用布尔计算规则和吸收律，最后得到： 8637574863756574648637654321)(xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxGGG 757486321121xxxxxxxxxGxxT9.6 9.6 故障树的定量分析故障树的定量分析(1) (1) 求顶事件发生概率的点估计值求顶事件发生概率的点估计值和区间估计值，以及

23、它们上，下限和区间估计值，以及它们上，下限的值的近似估计。的值的近似估计。(2)(2)系统失效率，失效频率和不可系统失效率，失效频率和不可用度的近似值的计算，工程上的办用度的近似值的计算，工程上的办法是采用动态树理论。法是采用动态树理论。(3)(3)重要度分析，改善系统设计。重要度分析，改善系统设计。短割法公式短割法公式 ijjjiiNiiSiiiNiiSijjiNiiSQQwwwQwQQQQ*1*1*1*,1,9.7. 9.7. 重要度分析重要度分析 重要度分析是故障树定量分析中的重要度分析是故障树定量分析中的重要组成部分。重要度是一个部件重要组成部分。重要度是一个部件或者系统的割集发生失效

24、时对顶事或者系统的割集发生失效时对顶事件发生概率的贡献，它是时间，部件发生概率的贡献，它是时间，部件的可靠性参数以及系统结构的函件的可靠性参数以及系统结构的函数。数。 重要度分析重要度分析 系统结构函数的分解公式：系统结构函数的分解公式： ),0()1 (),1 ()(XxXxXiiii 其中定义其中定义 ), 0,(),0(), 1,(),1 (2121niiniixxxxXxxxxX 部件的概率重要度可按定义写成部件的概率重要度可按定义写成 ),0(),1 ()(QgQgQQggiiii 其中其中 ： ),0()0(),1 (),1 (XEQgXEQgiiii 概率重要度设：故障树的结构函

25、数为),.,.,(21lixxxx部件的概率重要度可按定义写成 )0() 1(),0(),1 ()(iiiiiprxRxRQgQgQQgIi部件的概率重要度是i部件状态取1时顶事件发生概率和i部件状态取0时顶事件发生概率的差。9.7.19.7.1部件的概率重要度部件的概率重要度 ),(),()(QgQgQQggiiii01 3213231212)(QQQQQQQQQQg 211233313122323211222QQQQQggQQQQQggQQQQQgg9.7.2 9.7.2 部件结构重要度部件结构重要度 2121nQQQiiQgI 例例9.7.2 9.7.2 求求2/32/3系统部件结构重要度系统部件结构重要度 21212122121321III9.7.3 9.7.3 割集重要度割集重要度 )()()()(*QgtQtQtQIiTii 32132312132*332132312131*232132312121*1QQQ2QQQQQQQQ) 3 , 2(IQQQ2QQQQQQQQ) 3 , 1 (IQQQ2QQQQQQQQ)2 , 1 (I