事故树分析

2.3事故树分析法2.3.1 方法概述事故树（Fault Tree Analysis, FTA）也称故障树，是一种描述事故因果关系的有向逻辑“树”，是安全系统工程中重要的分析方法之一。

该法尤其适用于对工艺设备系统进行危险识别和评价，既适用于定性分析，又能进行定量分析。

具有简明、形象化的特点，体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性。

FTA作为安全分析评价、事故预测的一种先进的科学方法，已得到国内外的公认和广泛采用。

1962年，美国贝尔电话实验室的维森（Watson）提出此法。

该法最早用于民兵式导弹发射控制系统的可靠性研究，从而为解决导弹系统偶然事件的预测问题作出了贡献。

随之波音公司的科研人员进一步发展了FTA方法，使之在航空航天工业方面得到应用。

20世纪60年代期，FTA由航空航天工业发展到以原子能工业为中心的其他产业部门。

1974年美国原子能委员会发表了关于核电站灾害性危险性评价报告（拉斯姆逊报告），对FTA作了大量和有效的应用，引起了全世界广泛的关注。

目前此法已在国内外许多工业部门得到运用。

从1978年起，我国开始了FTA的研究和运用工作。

FTA不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入提示事故的潜在原因，因此在工程或设备的设计阶段、在事故查询或编制新的操作方法时，都可以使用FTA对它们的安全性作出评价。

实践证明FTA适合我国国情，适合普遍推广使用。

2.3.2 FTA方法的分析步骤事故树分析是对既定的生产系统或作业中可能出现的事故条件及可能导致的灾害后果，按工艺流程、先后次序和因果关系绘成程序方框图，表示导致灾害、伤害事故（不希望事件）的各种因素之间的逻辑关系。

它由输入符号或关系符号组成，用以分析系统的安全问题或系统的运行功能问题，并为判明灾害、伤害的发生途径及与灾害、伤害之间的关系提供一种最为形象、简洁的表达形式。

事故树分析的基本程序如下：1）熟悉系统。

要详细了解系统状态、工艺过程及各种参数，以及作业情况、环境状况等，绘出工艺流程图及布置图。

2）调查事故。

广泛收集同类系统的事故安全，进行事故统计（包括未遂事故），设想给定系统可能要发生的事故。

3）确定顶上事件。

要分析的对象事件即为顶上事件。

对所调查的事故进行全面分析，分析其损失大小和发生的频率，从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。

4）确定目标值。

根据经验教训和事故案例，经统计分析后，求出事故发生的概率（频率），作为要控制的事故目标值，计算事故的损失率，采取措施，使之达到可以接受的安全指标。

5）调查原因事件。

全面分析、调查与事故有关的所有原因事件和各种因素，如设备、设施、人为失误、安全管理、环境等。

6）画出事故树。

从顶上事件起，按演绎分析的方法，逐级找出直接原因事件，到所要分析的深度，按其逻辑关系，用逻辑门将上下层连结，画出事故树。

7）定性分析。

按事故树结构运用布尔代数，进行简化，求出最小割（径）集，确定各基本事件的结构重要度。

8）求出顶上事件发生概率。

确定所有原因发生概率，标在事故树上，并进而求出顶上事件（事故）发生概率。

9）进行比较。

将求出的概率与统计所得概率进行比较，如不符，则返回5）查找原因事件是否有误或遗漏，逻辑关系是否正确，基本原因事件的概率是否合适等。

10）定量分析。

分析研究事故发生概率以及如何才能降低事故概率，并选出最优方案。

通过重要度分析，确定突破口，可行性强的加强控制，防止事故的发生。

原则上是上述10个步骤，在分析时可视具体问题灵活掌握，如果事故树规模很大，可借助计算机进行。

目前我国FTA 一般都考虑到第7步进行定性分析为止，也能取得较好效果。

2.3.3 事故树符号及运算事故树是由各种符号与它们相连结的逻辑门所组成。

事故树使用布尔逻辑门（如：“与” ，“或“）产生系统的故障逻辑模型来描述设备故障和人为失误是如何组合导致顶上事件的。

许多事故树模型可通过分析一个较大的工艺过程得到，实际的模型数目取决于危险分析人员选定的顶上事件数，一个顶上事件对应着一个事故模型。

事故树分析人员常对每个事故树逻辑模型求解产生故障序列，称为最小割集，由此可导出顶上事件。

这些最小割集序列可以通过每个割集中的故障数目和类型定性的排序。

一般的，含有较少故障数目的割集比含有较多故障数目的割集更可能导致顶上事件。

最小割集序列揭示了系统设计、操作的缺陷，对此分析人员应提出可能提高过程安全性的途径。

进行FTA ，需要详细了解系统功能、详细的工艺图和操作程序以及各种故障模式和它们的结果，因此，良好技术素质和经验是分析人员有效和高质量运用FTA 的保证。

1）事故树的符号及其意义：（1）事件符号： 顶上事件、中间事件符号，需要进一步往下分析的事件；基本事件符号，不能再往下分析的事件；正常事件符号，正常情况下存在的事件； 省略事件，不能或不需要向下分析的事件。

（2）逻辑门符号：或门，表示B 1和B 2任一事件单独发生（输入）时，A 事件都可以发生（输出）。

条件或门，表示B 1或B 2任一事件单独发生（输入）时，还必须满足条件a ，A 事件才发生（输出）。

与门，表示B 1和B 2同时发生（输入）时，A 事件才发生（输出）。

条件与门，表示B 1或B 2两事件同时发生（输入）时，还必须满足条件a ，A 事件才发生（输出）。

限制门，表示B 事件发生（输入）且满足条件a 时，A 事件才发生（输出）。

转入符号，表示在别处的部分树，由该处转入（在三角形内标出从何处转入）。

转出符号，表示这部分树由该处转移至他处，由该处转出（三角形内标出向何处转移）。

2）布尔代数主要运算法则由元素a 、b 、c ……组成的集合B ，若在B 中定义了两个二元运算“+”与“·”，则有（1）结合律：()()c b a c b a ++=++ ()()c b a c b a ⋅⋅=⋅⋅（2）交换律：a b b a +=+ a b b a ⋅=⋅（3）分配律：()()()c a b a c b a ⋅+⋅=+⋅ ()()()c a b a c b a +⋅+=⋅+（4）在B 中存在两个元素0与1，则有：a a a =+=+00 a a a =⋅=⋅11（5）互补律：对于B 中每个元素a,存在一个相应的元素a ′，使得：1='+a a 0='⋅a a（6）加法等幂律：a a a =+（7）乘法等幂律：a a a =⋅（8）吸收律：对于B 中的任意元素a ，b 有：a ab a =+ ()a b a a =+（9）德·摩尔根律：对于B 中的任意元素a ，b 有：()b a b a ''='+()b a ab '+'='3）事故树的数字表达式事故树按其事件的逻辑关系，自上（顶上事件开始）而下逐级运用布尔代数展开，进一步进行整理、化简，以便于进行定性、定量分析。

图 1-2 未经化简的事故树图示未经化简的事故树，运用布尔代数其结构函数表达式为：T=A1+A2=A1+B1B2B3=X1X2+（X3+X4）（X3+X5）（X4+X5）=X1X2+X3X3X4+X3X4X4+X3X4X5+X4X4X5+X4X5X5+X3X3X5+X3X5X5+X3X4X52.3.4 最小割集的求解与分析在事故树中，一组基本事件能造成顶上事件发生，则该组基本事件的集合称为割集。

能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合称为最小割集，即如果割集中任一基本事件不发生，顶上事件就绝不发生。

为有效地、针对性控制顶上事件的发生，最小割集在FTA中有着重要的作用。

因此，最小割集的求解很关键。

其求法包括：行列法；结构法；质数代入法；矩阵法；布尔代数化简法等等。

其中，布尔代数化简法比较简单，但国际上普遍承认行列法。

1）行列法求解行列法又称福塞尔法，是1972年福塞尔（Fussell）提出的。

这种方法的原理是从顶上事件开始，按逻辑门顺序用下面的输入事件代替上面的输出事件，逐层代替，直到所有基本事件都代完为止。

在代替过程中，“或门”连接的输入事件纵向列出，“与门”连接的输入事件横向列出。

这样会得到若干行基本事件的交集，再用布尔代数化简，就得到最小割集。

下面以图7.3-2所示的事故树为例，求最小割集。

(1)从顶上事件T开始，第一层逻辑门为“与门”，“与门”连接的两个事件横向排列代替T；(2)A下面的逻辑门为“或门”，连接X1，C两个事件，应纵向排列，变成X1B和CB两行；(3)C下面的“与门”连接X2，X3两个事件，因此X2，X3写在同一行上代替C，此时得到二个交集X1B，X2X3B。

同理将事件B用下面的输入事件代入，得到四个交集，经化简得三个最小割集。

这三个最小割集是：K1{X1，X3}；K2{X2，X3}；K3{X1，X4}；化简后的事故树，其结构如图1-4所示，它是图1-3的等效树。

由图可见用最小割集表示的事故树，共有两层逻辑门，第一层为或门，第二层为与门。

由事故树的等效树可清楚看出事故发生的各种模式。

图 1-3 事故树图图 1-4上图事故树的等效树2）布尔代数化简法求解对比较简单的事故树可用此法求取，它主要利用布尔代数的几个运算定律。

在一个系统中，不安全事件就是安全事件的补事件，不安全事件发生概率用P(s)表示，安全事件发生概率用P(s')表示，则P(s)+ P(s')=1布尔代数法求最小割集的步聚是：首先列出事故树的布尔表达式，即从事故树的第一层输入事件开始，“或门”的输入事件用逻辑加表示，“与门”的输入事件且逻辑积表示。

再用第二层输入事件代替第一层，第三层输入事件代替第二层，直到事故树全体基本事件都代完为止，将布尔表达式整理后得到若干个交集的并集，每一个交集就是一个割集，再利用布尔代数运算定律化简，就可以求出最小割集。

所谓并集就是把两个集合A和B的元素合并在一起。

如果合并后的元素构成的集合叫S，则S是A与B的并集，记为S=A∪B或S=A+B。

事故树中，或门的输出事件就是所有输入事件的并集。

若两个集合A和B有公共元素，则公共元素构成的集合P称为A与B的交集，记为P=A∩B。

事故树中，与门的输出事件就是其输入事件的交集。

以图7.3-2事故树为例，求最小割集：T=AB =（X+C）（X3+X4）1=（X1+X2X3）（X3+X4）=X1X3+X2X3X3+X1X4+X2X3X4=X1X3+X2X3+X1X4事故树经布尔代数化简后得3个交集的并集，亦即此事故树有3个最小割集：K{X1，X3}，K2{X2，X3}，K3{X1，X4}。

13）最小割集的作用最小割集表示系统的危险性，每个最小割集都是顶上事件发生的一种可能渠道，最小割集的数目越多，越危险。

其作用如下：(1)表示顶上事件发生的原因。