故障树分析及应用

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

Fault Tree Analysis Method and Application

FANG Yu-ru

(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: In this paper, the basic principle of the fault tree analysis (FTA) is studied, and the specific implementation process from selecting top event, establishing the fault tree , simplifying the tree using structure function, to qualitative and quantitative analysis of fault tree model. Then the application status of FTA in fault diagnosis of various industries is shown, and actual application of FTA on mechanical fault diagnosis is expounded with instances of ball pulverizer failure, foreign longwall shearer system failure and program related instances. Finally, a brief introduction to the process of the formation of the expert system knowledge base by the fault tree is given. The diagnosis based on FTA is both quick and easy to modify, etc., but shortcomings are the human factors is big and it can not deal with the fuzzy probability. So future research should try to improve the shortcomings to make it more applicable.

Key words: FTA；fault diagnosis；mechanical；expert system

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

故障树分析法(FTA: Fault Tree Analysis)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

1.2.1 FTA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。

1.2.2 FTA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。Gabor Kocza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。Bossche A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。Mengmeng Bian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