王富银,郑学林

(上海海事大学商船学院,上海200135)

1 故障树分析法(FTA)简介

故障树分析法(Fau lt Tree A nalysis)是一种将系统故障形成原因按树枝状逐级细化的图形演绎方法,是20世纪60年代发展起来的用于对系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析,画出逻辑框图(即故障树),再对系统中发生的故障事件,作由总体至部分按树枝状逐级细化的分析,并对系统在方案与初步设计阶段进行可靠性、安全性分析,常用于系统的故障分析、预测和诊断,找出系统的薄弱环节,以便在设计、制造和使用中采取相应的改进措施。FTA以系统最不希望出现的故障状态作为分析的目标(顶事件),找出能导致这一故障发生的全部因素(中间事件),再寻找出造成中间事件发生的全部因素,按此方式一直追溯到引起系统发生故障的全部原因(底事件),将系统的故障与中间事件、底事件之间的逻辑关系用逻辑门联结起来,形成树形图,以表示系统与产生原因之间的关系;并通过计算找出系统发生故障和不发生故障的各种途径;利用概率论方法计算系统出现故障的概率,评价引发系统故障的各种因素的相关重要度。

故障树的建造是FTA法的关键,故障树建造的完善程度将直接影响其定性分析和定量计算的准确性。实际上建树过程常常是一种反复的过程,应广泛吸取和掌握设计、使用等方面的知识和经验,对系统进行仔细、透彻地分析,多次讨论、修改,将会使建造的故障树更完善。目前还没有一种有效的统一建树方法,但通常采用的是演绎法建树。该法是先选定系统中不希望发生的故障事件为顶端事件,其后是找出直接导致顶端事件发生的各种可能因素或因素组合,如硬件故障、软件故障、环境因素、人为因素等。再找出各因素的直接原因。循此方法逐级向下演绎,一直追溯到引起系统发生故障的全部原因,即分析到不需要继续分析原因的底事件为止。然后,把各级事件用相应的符号和适合于它们之间逻辑关系的逻辑门与顶端事件相连接,就建成了一棵以顶事件为根,中间事件为节,底事件为叶的具有若干级的树。

故障树分析的过程是一个对系统更深入认识的过程,它要求分析人员把握系统的内在联系,弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度,以便在分析过程中发现问题,找出零、部件故障与系统的逻辑关系,以确定系统的薄弱环节。建树的步骤如图1所示。

图1 建树步骤示意图

故障树分析法是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。在清晰的故障树图形下,显示出系统故障内在联系,并反映零部件故障与系统之间的逻辑关系,便于围绕某些特定的故障树状态作层层深入的分析,故建树时应遵循以下原则。

(1)建树前应对所分析系统有深刻了解,广泛收集有关系统设计运行流程图、设备技术规范等描述系统的技术文件和资料,并进行深入细致的分析研究。

(2)对故障事件应精确定义,指明故障是什么,在何种条件下发生,即应有唯一解,切忌模棱两可,含糊不清。

(3)选好顶端事件,选择的顶端事件必须是能进一步分解的,即可以找出其发生的次级事件,并且能够用数值度量的。否则,就有可能无法对事件进行分析和计算。

(4)合理确定系统的边界条件,边界条件包括确定顶事件、确定初始条件、确定不许可事件、以及作出一些必要的假设,不考虑人为失误等均可为系统的边界条件,有了边界条件才明确了故障树建到何处为止。

(5)对系统中各事件的逻辑关系及限定条件必须分清楚,不能产生逻辑关系上的紊乱和限定条件之间的矛盾。

2 故障树分析法的理论分析

2.1 故障树分析法的数学描述

由于故障树是构成它的全部底事件的“与”和“或”的逻辑关系连接而成,因而可以用结构函数作为数学工具,建立故障树的数学表达式,以便于对故障作为定性分析和定量计算。

为了简化起见,假设所分析的零部件和系统只能取两种状态,即正常或故障;且假设零部件的故障是相互独立的。现以由n个相互独立的底事件构成的故障树为研究对象。底事件的状态,采用状态变量 xi(i=1,2,3)表示,则表示为：

系统顶事件 T的状态,采用状态变量φ表示,则φ必然是底事件状态变量xi的函数。φ=φ(x)=φ(x1,x2,……,xn),则表示为：

式中,X=(x1,x2,……,xn),称 φ(x)为故障树的结构函数,是表示系统状态的一种布尔函数。

2.2 故障树的定量分析

故障树定性分析的主要目的是为了弄清系统出现某种故障(顶事件)有多少种可能性。如果某几个底事件的集合失效时,将引起系统故障的发生,则这个集合就称为割集。这就是说,一个割集代表了子系统发生故障的一种可能性,即一种失效模式;与此相反,一个路集,则代表了一种成功可能性,即系统不发生故障的底事件的集合。一个最小割集则是指包含有最小数量,而又最必需的底事件的割集,而全部最小割集的完整集合则代表了给定系统的全部故障。因此,最小割集的意义就在于它描述了处于故障状态的系统中必需修理的故障,它指出了系统中最薄弱的环节。定性分析的主要任务也就在于确定系统所有的最小割集。

2.3 故障树的定性分析

故障树定量分析的主要任务是根据其结构函数和底事件(即系统基本故障事件)的发生概率,应用逻辑与、逻辑或的概率计算公式,定量地评定故障树顶事件出现的概率。故障树定量分析的另一个是关于事件重要度的计算。一个故障树往往包含多个底事件,各个底事件在故障树中的重要性,必然因它们所代表的元件(或部件)在系统中的位置(或作用)的不同而不同。因此,底事件的发生在顶事件的发生中所作的贡献称为底事件的重要度。底事件的重要度在确定系统需要监控的部位、确定系统故障诊断方案有着重要的作用。

3 冷藏集装箱制冷机组故障树的建造实例

冷藏集装箱制冷机组故障树的构建,可根据各部件之间的结构关系、功能关系、各部件技术故障的逻辑关系等构建,有时可把各种关系结合起来共同应用。机组循环系统本身的故障通常可分为两类,即硬故障和“亚健康”故障。所谓硬故障是指故障突然发生,从而使系统不能运转或不能满足冷藏集装箱的制冷要求。所谓“亚健康”故障,是指系统逐渐产生的、致使系统的效率下降,设备的寿命降低,造成过多的能量消耗的运行状态。下面根据调研结果及专家经验,建立一个冷藏集装箱制冷机组的典型硬故障-制冷机组不启动的故障树。机组不启动的故障树如图2,其故障诊断流程图如图3。

图2 制冷机组不启动故障树

由下面的诊断流程图3可以很快找出故障的原因,所以硬故障只要结合各种实际采集的参数及其相应的故障树,就可以很快查找出故障的原因,然后采取相应的措施进行维修管理。而在现实的使用过程中往往是系统的“亚健康”故障比较难查找,而且不易察觉。而为了实现冷藏集装箱故障遥测系统中故障的预报预警就要挖掘出“亚健康”故障时系统的运行参数之间的关系,建立起相应的逻辑关系,以实现故障的预报,从而提前通知有关人员进行维护保养,防止发生故障而引起货损货差。

图3 制冷机组不启动故障诊断流程图

在冷藏集装箱的管理运行中,箱内温度是需要控制的重要参数,而与箱内温度直接相连的就是制冷机组的制冷量。因此接下来就从机组运行但制冷不良,效率低下这一“亚健康”故障做具体的分析,建立一个典型的故障范例。根据专家经验,导致机组运行但制冷不良,效率低下的故障现象有制冷循环系统故障、电气控制系统故障,具体情况见表1所示。根据调研和专家经验,下面将给出换热器故障的故障树,见图4所示。

表1 机组运行但制冷不良,效率低下“亚健康”故障集合表

图4 换热器故障树

4 结语

建起了冷藏集装箱制冷机组的典型故障树,依靠故障树分析的理论,就可以对故障树中各事件的重要度进行分析。以此为依据来确定系统需要监控的部位和系统的故障诊断方案。但是冷藏集装箱的发展历史并不是很长,所以有关其故障的研究就比较少,其各部件故障发生的先验概率是很难确定的。

[1]史定华,王松瑞.故障树分析技术和理论[M].北京：北京师范大学出版社,1993.

[2]冒天诚.故障树与船舶自动控制系统的故障诊断[M].大连：大连海事大学出版社,2000.

[3]江彦桥,王世良.冷藏集装箱制冷机组可靠性统计分析[J].上海海运学院学报,1994,15(3)：79～84.

[4]许化东.基于故障树分析法的汽车故障诊断专家系统的研究[D].合肥：合肥工业大学,2002.

[5]高 刚.冷藏集装箱CARRIER制冷机组常见的报警现象释介和清除[J].航海技术,1999(2)：71～72.