故障树分析法在飞机维修中的应用

张玉

【摘 要】 在飞机实际运行过程中，有很多故障发生时，并没有警告信息，设备的自我诊断功能是有限的，仅仅依靠维修人员故障诊断经验是远远不够的，它要求建立起一套标准化的故障检测方法，本文介绍的故障树分析法是一种切实可行的飞机故障诊断方法，在实际飞机维修中应用得到较好的效果。

【关键词】 故障树分析法 飞机维修

1 故障树分析法简介

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是一种自上而下逐层展开的图形分析方法，是通过对可能造成系统故障的硬件、软件、环境、人为因素等进行分析，画出逻辑框图，也就是故障树，再对整个系统中发生的故障事件，由总体至部分地按树状逐级进行细化分析，这样能够判明基本故障、确定故障发生的原因、故障的影响和故障发生的概率等。故障树分析法的步骤常因分析对象、分析目的等地不同而略有区别。但一般可以按以下四个步骤进行，即；

（1）建立故障树；

（2）建立故障树的数学模型；

（3）故障树的定性分析和定量分析。

故障树分析法用于飞机各系统的故障诊断，是因为它具有如下几个特点：

（1）故障树分析法可以针对某一特定的故障作层层深入的分析，用清晰的图形直观、形象地表述系统的内在联系，指出部件故障与系统故障之间的逻辑关系。

（2）故障树可以清楚地表明，系统故障与哪些部件有关系，有什么关系，以及关系的紧密程度。同时，也可以从故障树看出元部件发生故障后，对整个系统的工作有无影响，有什么影响，有多大的影响，以及通过何种途径产生影响。

（3）故障树建成以后，对于没有参与过系统设计与试制的管理与维修人员来说，是一个形象的直观的维修指南，在实际维修应用中可以大大缩短维修人员的培训时间，节约对维修人员的培训费用[1]。

2 建立故障树的方法与步骤

先选定系统中最不希望发生的故障事件作为顶事件，接下来第一步是找出直接导致该事件发生的各种可能的因素或各因素的组合，比如硬件故障、软件故障、环境因素、人为因素等等。第二步是找出导致第一步中各因素的直接原因。按照此方法向下演绎，一直追溯到引发系统故障发生的全部原因，即分析到不需要再分析的底事件为止。然后，再把各种事件用对应的符号和适用于它们的逻辑关系的逻辑门和顶端事件相连，这样就构成了一棵以顶事件为根，中间事件为节，底事件为叶的有若干级的倒置的故障树。

3 故障树分析的数学模型

故障树是由所有底事件的“并”和“交”的逻辑关系连接构成，因此可以用结构函数作为数学工具，来建立故障树的数学表达式，以便对故障事件作出定性分析和定量计算。为了简化分析起见，假设分析的零部件和系统只有两种状态，正常或故障；且假设零部件的故障是相对独立的。以由n个相互独立的底事件构成的故障树作为研究对象。

设是表示底事件的状态变量，取值0或l，设表示顶事件的状态变量，也取值0或1，则有如下定义：

=

=

因故障树顶事件是系统所不希望发生的故障状态，即=1与此状态相对应的底事件状态为零部件故障状态，即=1。显而易见，顶事件状态完全取决于底事件，即顶事件的状态必须是底事件状态的函数，则有=（X）=（，，…，），称（X）为故障树的结构函数，它表示系统状态的一种逻辑函数，其自变量为该系统各组成单元的状态。

3.1 与门结构函数

如果一与门故障树，=1，=1，…，，则其结构函数为（x）=1，表示当全部零部件都发生故障时，系统才发生故障。反之，只要其中一个=0，则（x）=0，表示只要有一个零部件不发生故障，则顶事件不发生，即系统正常。

3.2 或门结构函数

如果一个或门故障树，=1，而其它=0，则其结构函数为（x）=1，表示当一个零部件发生故障，则系统就发生故障。反之，全部=0，则（x）=0，表示所有零部件不发生故障，则顶事件不会发生，即系统正常。

4 故障树的定性分析和定量计算

4.1 定性分析

对故障树定性分析的主要目的是：寻找导致与系统有关的不希望事件发生的原因和各种原因的组合，即寻找导致顶事件发生的所有故障模式。从中确定系统的最薄弱的环节，从而采取相应的措施，予以补救。比如对关键的零部件采取故障监测与诊断的措施就可以减少排除故障的时间。

割集是导致故障树顶事件发生的若干底事件集合。一个割集代表了系统故障发生的一种可能性，即一种失效模式。若将割集中含底事件任意去掉一个就不成为割集，则称此为最小割集。路集是故障树中一些底事件的集合。若将路集中所含底事件任意去掉一个就不能称为路集，而称为最小路集。由于一个最小割集是包含有最少数量而又最必须的底事件的集合，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，最小割集的意义在于它描述出处于故障状态的系统中所必须排除的故障，显示出系统中最薄弱环节。对故障树进行定性分析的主要目的是查清系统出现某种故障有多少种可能性，从而确定系统的最小割集，以便发现系统的最薄弱环节[2]。

4.2 故障树的定量计算

故障树的定量计算就是利用故障树这一逻辑图形作为模型，计算或估计顶事件发生的概率及系统的可靠性指标，从而对系统的可靠性及其故障进行定量分析。

一般情况下，故障分布假定为指数分布，根据底事件的发生概率，按照故障树的逻辑结构逐渐向上运算，即可计算出顶事件的发生概率。假设事件，，…，的发生概率为，，，由这些底事件组成的不同逻辑门结构及其顶事件发生的概率可按照下列公式进行计算：

（1） 与门结构事件发生概率

（2） 或门结构事件发生概率

（3） 顶事件发生概率

如果某故障树的全部最小割集，，…，，并假设不考虑同时发生两个或两个以上零部件故障，各最小割集中没有重复出现的底事件。在此前提下，顶事件发生概率为：endprint

式中，为在t时刻第j个最小割集存在的概率；为t时刻第j个最小割集中第t个部件的故障概率；为最小割集数；为顶事件的发生概率，即系统的不可靠度。

5 故障树分析法分析飞机故障举例

5.1 PACK出口超温故障分析

当PACK组件出口温度传感器探测到PACK的出口温度大于 95℃时，此故障就会被激发。此故障出现时，一般只有ECAM的警告信息和ECS报告。和压气机超温故障一样，在出现此类故障时，都应该先检查CFDS上有无相关信息，如果有，直接根据CFDS上的提供的信息进行排故。当CFDS上没有信息时，也要检查ECS的报告。PACK出口超温故障会导致空调系统中区域温度控制部分出现问题，因此出现此类故障时，必须马上排除。下面就针对PACK出口超温故障进行故障树的分析[3]。

5.2 故障树的建立

（1）顶事件。在空调系统中，PACK出口超温故障会导致客舱或驾驶舱的温度不能调节，飞机客舱不能进行正常的增压，飞机驾驶舱的仪表和电子设备舱的设备得不到正常的冷却，在故障等级中属于危险性的故障，要求飞机设计时发生此类故障的概率为10-7每飞行小时。一旦发生此类故障，将极大地降低飞机的安全裕度，极大地加重了机组的负担与压力，使其无法正确完成操作，有可能引起飞机损坏或人员伤亡。建立此故障树的边界条件为：不考虑导线故障、环境因素和人为因素造成的故障，只考虑空调系统自身的故障。

（2）中间事件。参考A320ASM手册21-61-00（PACK组件温度控制）可以看出，PACK出口温度超温故障的触发要使PACK出口温度传感器感受到95℃才会激发警告。因此，除了PACK出口温度传感器本身故障以外，只有可能是从防冰活门或旁通活门出来的热引气才会使PACK出口温度出现超温。

（3）底事件。根据A320的ASM手册21-61-00可以知道，如果旁通活门位置非正常的打开，那么引起此现象的原因是旁通活门机械故障或控制它的PACK 控制器发出错误的控制信号。如果是防冰活门非正常打开造成，那么引起防冰活门不正常打开的原因一般有两个，一个是防冰活门本身故障，二是控制防冰活门的气动传感器有故障。

5.3 定性分析

通过以上的PACK出口温度传感器、防冰活门机械故障、旁通活门机械故障的分析，可以得出PACK组件出口超温的故障树如下图1所示。表1列出了故障树中各符号的具体含义。

6 结语

故障树分析法是系统可靠性研究中常用的一种分析方法。故障树分析法是在弄清基本失效模式的基础上，通过建立故障树的方法，找出系统故障原因，分析系统薄弱环节，以改进原有设备，指导维修，防止事故的发生。故障树分析法本身作为故障分析的一种行之有效的方法与飞机现有的故障监控系统相结合，可以弥补飞机内部故障监控系统无法将环境因素与人为因素计算在内的缺陷，提高维修能力，为提高航空公司的竞争力提供了强有力的技术支持。

参考文献：

[1]虞和济.故障诊断的基本原理.北京：冶金工业出版社，1991.

[2]朱继源.故障树原理和应用.西安：西安交通大学出版社，1989.

[3]刁雄.A32飞机空调系统故障的分析与处理.《航空维修与工程》，2004.3.endprint

式中，为在t时刻第j个最小割集存在的概率；为t时刻第j个最小割集中第t个部件的故障概率；为最小割集数；为顶事件的发生概率，即系统的不可靠度。

5 故障树分析法分析飞机故障举例

5.1 PACK出口超温故障分析

当PACK组件出口温度传感器探测到PACK的出口温度大于 95℃时，此故障就会被激发。此故障出现时，一般只有ECAM的警告信息和ECS报告。和压气机超温故障一样，在出现此类故障时，都应该先检查CFDS上有无相关信息，如果有，直接根据CFDS上的提供的信息进行排故。当CFDS上没有信息时，也要检查ECS的报告。PACK出口超温故障会导致空调系统中区域温度控制部分出现问题，因此出现此类故障时，必须马上排除。下面就针对PACK出口超温故障进行故障树的分析[3]。

5.2 故障树的建立

（1）顶事件。在空调系统中，PACK出口超温故障会导致客舱或驾驶舱的温度不能调节，飞机客舱不能进行正常的增压，飞机驾驶舱的仪表和电子设备舱的设备得不到正常的冷却，在故障等级中属于危险性的故障，要求飞机设计时发生此类故障的概率为10-7每飞行小时。一旦发生此类故障，将极大地降低飞机的安全裕度，极大地加重了机组的负担与压力，使其无法正确完成操作，有可能引起飞机损坏或人员伤亡。建立此故障树的边界条件为：不考虑导线故障、环境因素和人为因素造成的故障，只考虑空调系统自身的故障。

（2）中间事件。参考A320ASM手册21-61-00（PACK组件温度控制）可以看出，PACK出口温度超温故障的触发要使PACK出口温度传感器感受到95℃才会激发警告。因此，除了PACK出口温度传感器本身故障以外，只有可能是从防冰活门或旁通活门出来的热引气才会使PACK出口温度出现超温。

（3）底事件。根据A320的ASM手册21-61-00可以知道，如果旁通活门位置非正常的打开，那么引起此现象的原因是旁通活门机械故障或控制它的PACK 控制器发出错误的控制信号。如果是防冰活门非正常打开造成，那么引起防冰活门不正常打开的原因一般有两个，一个是防冰活门本身故障，二是控制防冰活门的气动传感器有故障。

5.3 定性分析

通过以上的PACK出口温度传感器、防冰活门机械故障、旁通活门机械故障的分析，可以得出PACK组件出口超温的故障树如下图1所示。表1列出了故障树中各符号的具体含义。

6 结语

故障树分析法是系统可靠性研究中常用的一种分析方法。故障树分析法是在弄清基本失效模式的基础上，通过建立故障树的方法，找出系统故障原因，分析系统薄弱环节，以改进原有设备，指导维修，防止事故的发生。故障树分析法本身作为故障分析的一种行之有效的方法与飞机现有的故障监控系统相结合，可以弥补飞机内部故障监控系统无法将环境因素与人为因素计算在内的缺陷，提高维修能力，为提高航空公司的竞争力提供了强有力的技术支持。

参考文献：

[1]虞和济.故障诊断的基本原理.北京：冶金工业出版社，1991.

[2]朱继源.故障树原理和应用.西安：西安交通大学出版社，1989.

[3]刁雄.A32飞机空调系统故障的分析与处理.《航空维修与工程》，2004.3.endprint

式中，为在t时刻第j个最小割集存在的概率；为t时刻第j个最小割集中第t个部件的故障概率；为最小割集数；为顶事件的发生概率，即系统的不可靠度。

5 故障树分析法分析飞机故障举例

5.1 PACK出口超温故障分析

当PACK组件出口温度传感器探测到PACK的出口温度大于 95℃时，此故障就会被激发。此故障出现时，一般只有ECAM的警告信息和ECS报告。和压气机超温故障一样，在出现此类故障时，都应该先检查CFDS上有无相关信息，如果有，直接根据CFDS上的提供的信息进行排故。当CFDS上没有信息时，也要检查ECS的报告。PACK出口超温故障会导致空调系统中区域温度控制部分出现问题，因此出现此类故障时，必须马上排除。下面就针对PACK出口超温故障进行故障树的分析[3]。

5.2 故障树的建立

（1）顶事件。在空调系统中，PACK出口超温故障会导致客舱或驾驶舱的温度不能调节，飞机客舱不能进行正常的增压，飞机驾驶舱的仪表和电子设备舱的设备得不到正常的冷却，在故障等级中属于危险性的故障，要求飞机设计时发生此类故障的概率为10-7每飞行小时。一旦发生此类故障，将极大地降低飞机的安全裕度，极大地加重了机组的负担与压力，使其无法正确完成操作，有可能引起飞机损坏或人员伤亡。建立此故障树的边界条件为：不考虑导线故障、环境因素和人为因素造成的故障，只考虑空调系统自身的故障。

（2）中间事件。参考A320ASM手册21-61-00（PACK组件温度控制）可以看出，PACK出口温度超温故障的触发要使PACK出口温度传感器感受到95℃才会激发警告。因此，除了PACK出口温度传感器本身故障以外，只有可能是从防冰活门或旁通活门出来的热引气才会使PACK出口温度出现超温。

（3）底事件。根据A320的ASM手册21-61-00可以知道，如果旁通活门位置非正常的打开，那么引起此现象的原因是旁通活门机械故障或控制它的PACK 控制器发出错误的控制信号。如果是防冰活门非正常打开造成，那么引起防冰活门不正常打开的原因一般有两个，一个是防冰活门本身故障，二是控制防冰活门的气动传感器有故障。

5.3 定性分析

通过以上的PACK出口温度传感器、防冰活门机械故障、旁通活门机械故障的分析，可以得出PACK组件出口超温的故障树如下图1所示。表1列出了故障树中各符号的具体含义。

6 结语

故障树分析法是系统可靠性研究中常用的一种分析方法。故障树分析法是在弄清基本失效模式的基础上，通过建立故障树的方法，找出系统故障原因，分析系统薄弱环节，以改进原有设备，指导维修，防止事故的发生。故障树分析法本身作为故障分析的一种行之有效的方法与飞机现有的故障监控系统相结合，可以弥补飞机内部故障监控系统无法将环境因素与人为因素计算在内的缺陷，提高维修能力，为提高航空公司的竞争力提供了强有力的技术支持。

参考文献：

[1]虞和济.故障诊断的基本原理.北京：冶金工业出版社，1991.

[2]朱继源.故障树原理和应用.西安：西安交通大学出版社，1989.

[3]刁雄.A32飞机空调系统故障的分析与处理.《航空维修与工程》，2004.3.endprint