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-1-故障树分析法及其应用方玉茹（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：本文研究了故障树分析法(FTA)的基本原理，介绍了从选择顶事件，建立故障树，利用结构函数进行简化，再对故障树模型进行定性和定量分析的具体实施过程。然后展示了FTA目前在各行业故障诊断的应用现状，并结合制粉系统磨煤机故障、外国长壁采煤机系统故障及自身课题研究相关的实例，阐述了FTA在机械故障诊断中的实际应用。最后简单介绍了由故障树形成专家系统知识库的过程。基于故障树的诊断方法有快速、易修改等优点，也存在人为因素大、不能处理模糊概率等缺点，故今后的研究应当尽量改善FTA的缺点使其适用性更强。关键词：故障树分析法；故障诊断；机械；专家系统FaultTreeAnalysisMethodandApplicationFANGYu-ru(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:Inthispaper,thebasicprincipleofthefaulttreeanalysis(FTA)isstudied,andthespecificimplementationprocessfromselectingtopevent,establishingthefaulttree,simplifyingthetreeusingstructurefunction,toqualitativeandquantitativeanalysisoffaulttreemodel.ThentheapplicationstatusofFTAinfaultdiagnosisofvariousindustriesisshown,andactualapplicationofFTAonmechanicalfaultdiagnosisisexpoundedwithinstancesofballpulverizerfailure,foreignlongwallshearersystemfailureandprogramrelatedinstances.Finally,abriefintroductiontotheprocessoftheformationoftheexpertsystemknowledgebasebythefaulttreeisgiven.ThediagnosisbasedonFTAisbothquickandeasytomodify,etc.,butshortcomingsarethehumanfactorsisbiganditcannotdealwiththefuzzyprobability.Sofutureresearchshouldtrytoimprovetheshortcomingstomakeitmoreapplicable.Keywords:FTA；faultdiagnosis；mechanical；expertsystem随着科学技术发展，系统的能力和现代化水平日益提高，系统规模越来越大，复杂性也越来越高．这类系统一旦发生故障，便会造成巨大损失。因此，寻求以最低代价和最少时间恢复系统正常工作状态的诊断与维修方案具有重要意义．故障诊断主要研究如何对系统中出现的故障进行检测、分离和辨识，即判断故障是否发生，定位故障发生的部位和确定故障幅值的大小。为指导故障诊断步骤的合理排序，提高故障诊断效率，国内外学者提出了很多有效的理论和方法。故障树分析法通过分析系统的薄弱环节和完成系统的最优化来实现对机械设备故障的预测和诊断，是一种安全性与可靠性分析技术，对于系统故障的预测、预防、分析和控制效果显著。1故障树分析法简述1.1定义-2-故障树分析法(FTA:FaultTreeAnalysis)是在系统设计过程中，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（即故障树），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，以计算系统失效概率，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。1.2发展与研究现状1.2.1FTA的发展1961-1962年，美国贝尔电话研究所的沃森(Watson)和默恩斯(Mearns)在民兵式导弹发射控制系统设计中，首先使用故障树分析法对导弹发射随机失效成功地作出了预测。其后，波音公司哈斯尔(Hassl)、舒劳德(Schroder)、杰克森(Jackson)等人研制出故障树分析法计算机程序，使飞机的设计有了重要的改进。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麻省理工学院拉斯穆森(Rasmussen)为首的安全小组所写的“商用轻水堆核电站审核危险性评价”报告，该报告所采用的就是美国国家航空和管理部在六十年代发展起来的事件树(EventTree)和故障树分析法，分析了核电站可能发生的全部事故，肯定了核电站的安全性。这一报告的发表在各方面引起了很大的反响，并使故障树分析法从宇航、核能推广到了电子、化工和机械等工业部门。1.2.2FTA相关研究现状对于FTA的研究目前主要有四个方向：故障树分析法的集成化、计算机辅助故障树分析、模糊故障树分析法、基于故障树分析的故障诊断专家系统。故障树分析法的集成化：故障分析方法是一门综合各方面学科的技术，其包括很多工具如:FMECA，FTA，ETA等。同时把这些可靠性分析技术应用与设备的安全运行与风险分析系统中，能够实现生产设备的故障预测、维修策略优化、全寿命周期评估及可靠性与风险评估等，可以增加安全、减少损失，更好地保证生产企业的正常运行。GaborKocza等介绍了一种基于UNIX的电脑辅助的可靠性评估系统IRAS，可以利用FTA、因果图及FMECA自动生成故障传播模型，并给出了一个在热轧带钢厂的应用实例[1]。计算机辅助故障树分析：随着FTA技术的广泛应用，人工建树费时费力问题已经日益突出，而计算机建树有助于摆脱人的重复劳动，并能够随时进行故障树结构的修改，可以极大限度地保障故障树的逻辑关系正确及分析结构的可信度。目前，主要有三类建树算法，一类是Fussell提出的综合法和DRAFT程序，主要建立在部件失效模式基础上，用程序对子故障树进行编辑，另一类是Apostolakis等人提出的判定表法和CAT程序，主要用有向图算法和因果图算法等。BosscheA引入了一种新算法，解决一般算法输入大量信息、只能单向传播的确定，重新配置故障系统，使用简单的组件模型允许故障双向传播[2]。模糊故障树分析法：传统的FTA理论与方法中存在着明显的缺陷和不足，即它不能有效处理FTA中各种定性的和模糊的输入信息，为此，国内外许多学者将模糊技术应用于故障树分析当中。Gmytrasiewicz将模糊故障树诊断过程分为两步，一因果推理得出故障模式及最小割集，二将未能诊断的症状用模糊关系等式得出故障模式，可将此方法通过编程引入故障树进行系统诊断[3]。基于故障树分析的故障诊断专家系统：故障诊断就是鉴别对象系统的技术状态是否正常，发现确定故障的部位和性质，寻找故障的起因，预报故障的趋势，得出相应的诊断结果并给出维修的技术，是一个十分活跃的研究领域，主要包括故障诊断，故障隔离，故障树故障诊断方法为基于知识的故障诊断。MengmengBian提出了一种基于故障树推理能力的液压设备故障诊断专家系统（FDES），通过开启故障树建立、故障诊断规则自动生成，FDES诊断效率大大提高，且实例表明其具有良好的诊断知识更新能力[4]。1.3术语与符号由于故障树分析法是一种图形演绎法，因而需要一些专门的表示逻辑关系的门符号、事件符号以及基本术语，籍以表示事件之间的逻辑关系和因果关系。在建树时要用到许多符号，在建树之前要介绍一下有关术语和符号。顶事件：所谓顶事件就是系统不希望发生的事件，也就是要研究的事件。通常选设备最不希望出现的故障为顶事件，它位于故障树的顶端，可把它形象地理解为“树根”。中间事件：又称故障事件，位于顶事件和底事件之间，用矩形符号并紧跟一个逻辑门表示，可形象地理解为“树枝”。底事件：位于树的底-3-部，可分为基本事件(符号为圆形)和菱形事件(符号为菱形)。底事件可理解为“树叶”。故障树中所有的符号可以分为两类：事件符号与逻辑符号。其图形、名称与含义分别列于表1和表2。表1故障树事件符号表2故障树逻辑符号Tab.1EventsymbolsoffaulttreeTab.2Logicsymbolsoffaulttree表1中序号为1、3的事件符号极其常见，基本事件一般为圆形，而顶事件和中间事件都属于结果事件，用矩形符号表示。对于逻辑符号，常用的是与门和或门，当然也有些特殊的系统存在其他形式的逻辑门来实现所需要的功能。而一般机械系统不存在并联或是冗余结构时，整个故障树都是以或门连接。1.4FTA的特点与不足故障树分析的特点是：1．故障树分析是一种运用多种符号、按事件发生的逆顺序进行的图形演绎方法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理。它可以对系统作全面的可靠性分析，也可以围绕特定的失效状态作层层深入的分析，因而在清晰的故障树图形下，表达了系统的内在联系，并指出零部件失效与系统失效之间的逻辑关系，从而可找出系统的全部故障模式，即系统的故障谱，定性地确定系统的薄弱环节。2．它能考虑可能造成系统失效的各种因素，不仅可以分析某些零部件失效对系统的影响，还可考虑软件的、环境的和人的行为等因素。3．故障树建成后，对不曾参与系统设计的管理和维修人员是一个形象的管理和维修指南，因此可用于培训使用系统的人员和用于检查事故发生的原因。4．通过故障树分析，可以定量地计算复杂系统的失效概率和有关的可靠性参数，为评估和改善系统可靠性提供定量数据。5．故障树分析比较复杂，工作量大，必须使用计算机。当然，传统的故障树分析法也存在着一些理论和方法上的不足:a.无法解决顶事件和底事件的发生概率不确定(模糊概率)问题，故障树分析法要求系统的底事件和顶事件是一个确定性的事件，即要么发生故障要么正常，这样才能确定顶事件是否处于正常状态。然而对于非确定性的模糊事件构成的故障树，用传统的故障树分析方法就显得无能为力了。一般来说，模糊事件在实际中是大量存在的，不确定性才是事件的本质。在故障树诊断系统中，顶事件的概率是由若干底事件的概率按照一定的规律求得的，而底事件故障概率的求取也非易事。b.无法解决一个底事件对应多个故障现象(即故障树之间的交叉)等问题。-4-c.故障树的构成是依照一定的人的认识和经验来构造的，如果人的知识不完全或不准确，对故障系统的诊断就往往会造成漏诊。2FTA的具体实施步骤2.1FTA实施过程概述FTA是把系统不希望发生的事件(失效状态)作为故障树的顶事件(Topevent)，用规定的逻辑符号表示，找出导致这一不希望事件所有可能发生的直接因素和原因。它们是从处于过渡状态的中间事件开始，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即故障树的底事件为止。这些底事件又称为基本事件，它们的数据是己知的，或者己经有过统计或实验结果。FTA一般可分为以下几个阶段：1.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；2.建造故障树，这是FTA的核心部分之一，通过对己收集的技术资料，在设计运行管理人员的帮助下，建造故障树；3.对故障树进行简化或模块化；4.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；5.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，此外还要进行重要度分析和灵敏度分析。2.2故障树的建立首先，分析系统各个组件的功能、结构、原理、故障状态、故障因素及其影响等，并作深刻透彻的了解，确定一个不希望的顶事件，由此开始，逐级找出各级事件的全部可能的直接原因，并用故障树的符号表示各类事件及逻辑关系，直至分析到各类底事件为止。一般按如下步骤进行建树：①熟