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1、工业安全性设计中的故障树分析方法介绍摘要 在现代工业中，电脑仿真软件等信息化高科技技术参与产 品设计越来越普及，也越来越为业界所接受。但在产品设计方法越 来越简便的同时，业界也对产品的安全性设计提出了更高的要求。 目前可采用的产品安全性设计有很多种，在产品的全寿命周期中的 各个阶段也都有对应的方法可选用。本文试对安全性设计方法当中 的故障树分析方法进行介绍。关键词 安全性设计；故障树分析；产品设计；方法介绍1 故障树分析方法概述故障树是一种逻辑因果关系图，呈现出特殊的倒立树状。它通过 使用各种逻辑门符号、事件符号和转移符号来描述系统中各种事件 和状态之间的因果逻辑关系。通俗来说，故障树中逻辑门
2、的输入事 件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。故障树分析自上而下，通过依次展开更为详细（或者叫更低一级） 的设计层次逐步向下进行。2 故障树方法前期准备工作首先，设计人员应该熟悉设计说明书、原理图（包括流程图、结 构图）、运行规程、维修规程和有关数据库以及其余相关资料。熟 悉系统，设计人员可以从以下几个方面入手：1）设计人员应彻底掌握系统的设计意图、结构、功能、边界（包 括人机接口）和环境情况；2）设计人员应辨明人为因素以及软件对系统的影响；3）设计人员应辨识系统可能采取的各种状态模式以及这些模式之 间的相互转换，必要时应绘制状态模式以及转画图以帮助弄清系统 成功或故障与
3、单位成功或故障之间的关系，有利于正确建树；4）根据系统复杂程度和要求，必要时进行系统故障模式及影响分 析，以帮助辨识各种故障事件以及人为失误和共因故障；5）根据系统复杂程度，必要时应绘制系统可靠性框图以帮助正确 形成故障树的顶部结构和实现故障树的早期模块化以缩小故障树 的规模；6）为彻底地熟悉系统，设计人员除了完成上述工作外，还应该随 时征求有经验的设计人员和运行维修人员意见，最好有上述人员参 与建树工作，方能保证故障树分析工作顺利开展，且建成的故障树 的正确性，并可以达到预期的分析目的。在充分熟悉系统后，设计人员应根据系统的任务要求和对系统的 了解确定本次故障树分析的目的。在实际工业设计过程
4、中，同一个 系统或者设备，因为分析的目的不一样，系统或者设备的模型化结 果也会大不相同，反映在故障树上也会不一样。3 故障树分析方法步骤故障树分析根据分析对象、分析目的、精细程度等的不同而不同， 但一般按如下步骤进行1）故障树的建造；2）故障树规范化、简化和模块分解3）定性分析；4）定量分析；5）编写故障树分析报告。故障树的建造首先应选择恰当的顶事件。在确定顶事件时，可以 通过在初步故障分析基础上，设计人员找出系统可能发生的所有故 障状态，这个过程可以结合故障模式及影响分析进行，也可借鉴其它类似系统使用过程中发生过的故障事件。然后，筛选出最不希望发生的故障状态作为顶事件。顶事件确定后，自上而下
5、开始建树，应逐级进行。将确定的顶事件写在顶部的框内，然后将引起顶事件的全部必要 而又充分的直接原因事件写在相应事件符号中画出第二排，下一步 根据实际设计中它们的逻辑关系用适当的逻辑门进行连结。遵循以上原则逐步建树，直至所有最低一排事件都为底事件。规范化故障树是指仅含有基本事件、结果事件，以及“与”、“或”、非”三种逻辑门的故障树。要将建好的故障树变成规范化的故障 树，必须确定对特殊事件的处理规则和对特殊逻辑门进行逻辑等效 的变换规则。故障树的简化，可根据布尔代数运算规则对故障树进行简化对于较大规模的已经规范化和简化的故障树需要进行模块分解，这里的模块是指至少有两个底事件但同时又不是所有底事件的
6、集合，在集合中这些底事件向上可汇集到同一个逻辑门，且又只能通过这个逻辑门才能到达顶事件。同时，故障树中所有的其它底事件 向上都不能到达该逻辑门。对故障树进行定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的原因及 原因组合。通过识别引起顶事件发生的全部故障模式，它可以帮助 判断潜在故障，达到改进设计的目地；也可以用于进行指导故障诊 断，从而改进维护和使用方案。对于正在设计中的产品，由定性分析的结果可以寻找到产品设计 上的薄弱环节、重点部位、重要底事件、试验需求和改进设计应采 取的方案等。对于最终设计成型的产品，通过定性分析结果可以确 定产品已分析的顶事件的故障概率，检测产品的最佳配置，指导故 障定位和使用
7、维护方案的制定；还为技术支持、管理维护提供指导。故障树定量分析是在已知底事件的发生概率的前提下得到顶事件 的故障概率。这要求一开始必须拥有所有底事件的故障数据，从而 才能求出故障树最小割集。在定量分析中，应假定各个底事件的故障是相互独立的。若某些 底事件互相不独立，则按照统计独立的假设进行计算时将出现工程 上难以接受的误差，此时应参考其它专门文献进行不独立所需的修 正。在故障树分析结束时，应将分析结果写成报告，故障树分析报告 应包括下列主要内容：分析任务；分析假设；分析方法；数据源说明；系统的可靠性框图；不希望事件（顶事件）及其发生概率；最 小割集及其发生概率和重要度；基本事件和条件事件的重要
8、度；可 靠性关键项目及其不能从设计中消除的原因。4 结论故障树分析是一种对复杂系统常用的安全性、可靠性分析方法。它通过演绎的故障分析法研究系统特定的顶事件，自上向下严格按 事件的层次进行逻辑分析和因果判断，找出故障事件的必要而充分 的各类原因，画出逻辑关系图（故障树），最终找出导致顶事件发 生的所有原因和原因组合。由分析结果可以确定被分析系统的薄弱 环节、关键部位、应采取的措施、对可靠性试验的要求等。这些都 显示出其在工业设计过程中的重要性和必要性。广大设计人员只有 不断在其设计过程中深刻融合安全性设计理念，让安全可靠成为产 品一大亮点，设计出的产品才能真正被业界所肯定，被市场所接受。参考文献1 曹晋华，等.故障树分析指南.国防科学技术工业委员会， 1998-03-16.2 罗航.故障树分析的若干关键问题研究d.电子科技大学, 2011.3 周海，赵熙萍，等.故障树分析软件研究j.哈尔滨工业大学学报, 2001（5）.
