故障树分析法在某型轨道客车故障诊断中的应用

李铁男

摘 要：故障树分析是国际公认的一种用于分析复杂系统的安全性、可靠性的简单、有效的方法。适用于复杂系统的风险评估和分析。该文介绍了故障树分析法以及建立故障树的方法和流程，结合某型轨道客车系统故障树的定性和定量分析实例，详细分析了故障树分析法在某型轨道客车故障诊断中的应用。

关键词：故障树 故障树分析 故障诊断

中图分类号：U292 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0078-02

1 故障树分析方法概述

1.1 故障树分析法简介

故障树定性分析就是将致命性故障或灾难性危险等产生的原因由树干到树枝逐级细化，进而分析致命性故障或灾难性危险与其产生原因之间的因果关系，进而找出所有可能的风险因素。故障树定量分析是由下至上依据底层事件发生的概率以及逻辑门关系，算出系统总事故的概率，并且还能将底层事件风险依据概率大小排序，并针对性确定风险控制措施和方案。其一般流程为：选择顶事件+构造故障树+定性识别出导致顶事件发生的所有底层事件+定量分析计算顶事件发生概率及底事件的重要度+提出各种风险控制措施和方案。

在轨道车辆工程中，可运用故障树分析车辆已暴露的故障，进而获得影响车辆正常工作的关键要素，并进行针对性质量控制，也可以在车辆研制的初始阶段对其进行建树分析，进而确定设计中的薄弱环节，提出改进措施。

1.2 故障树的建立

在故障树分析中，位于故障树顶端的是故障树分析的目标和关心的结果事件，定义为“顶事件”，将所分析系统的各种故障和失效、不正常情况等定义为“故障事件”，用“成功事件”定义所分析系统各种正常状态和完好情况。将位于顶事件与底事件之间的中问结果事件定义为中间事件。常用的符号包括事件符号、逻辑门符号和转移符号等。

在建立故障树前，首先要对系统进行全面深入的了解。系统的设计、制造、安装调整、使用运行、维修保养等方面的技术文件和数据资料等都要被分析和研究。除了要考虑系统本身的因素外，还要考虑人为因素及环境因素的影响。对系统及单元的功能和失效以及人为因素及环境因素，应给予明确的定义。在故障树分析中，将由单元本身引起的事件称为“一次事件”，将由人的因素或环境条件引起的事件称为“二次事件”。建立故障树的具体步骤如下。

1.2.1 确定顶事件

通常将所分析系统最不希望发生的致命性故障或灾难性危险作为该系统故障树分析的顶事件。因此，对一个系统而言，顶事件并不唯一，可以有多个。任何需要分析的系统故障或灾难性危险，只要是可以分解且有明确定义，则都可以作为该系统故障树的顶事件。

1.2.2 确定其他层级事件

确定了系统的顶事件之后，把顶事件作为起始端向下建立故障树。先是找出导致顶事件发生的所有可能直接原因，将其作为第一级中间事件。用相应的事件符号表示第一级中间事件，再选取恰当的能表达中间事件与上一级事件逻辑关系的逻辑门符号连接中间事件与上一级事件。依此逐级向下建立故障树，直到找出所有能够引起系统故障的无法再向下追究的原因为止，将最末层事件作为底事件，至此，建树完成。

1.2.3 需注意的问题

建立故障树的过程中需要注意以下几个方面的问题。

一是通常采用以系统的功能为主线来确立故障树各层级事件进而建立完整故障树，建树过程始终按照演绎的逻辑进行。同时要注意到复杂系统通常有多个流程分支，主流程不唯一，因此在建树时要依据具体系统情况而定。

二是在建立故障树前要合理地选取和设定所分析系统及单元（部件）的边界条件。所谓边界条件是指系统和单元（部件）的若干变动参数，参数设定合理，将有助于在建故障树过程中抓住主线和明确范围。

三是故障树各层级事件的定义要精确唯一，不易造成歧义。

四是故障树各层级事件间有清楚、严谨的逻辑关系。

五是应注意逻辑多余事件的删减，尽量简化故障树，且故障树应便于定性和定量分析。

2 故障树定性分析实例

故障树定性分析某型轨道客车系统的目的是要找出该型轨道客车故障的全部可能原因，并定性地识别该型轨道客车系统设计、制造、安装调整、使用运行、维修保养等方面的薄弱环节。

在用故障树定性分析某型轨道客车系统时，最为关心的是最小割集，即导致顶事件发生的必要而充分的底事件的集合。仅当最小割集包含的底事件都同时存在时则顶事件发生，或者是只要最下割集中有任何一个事件不发生，则顶事件不发生——最小割集的性质。如果系统出现了故障事件，则必然至少有一个最小割集发生。系统的一种故障模式可以用一个最小割集表示，系统的故障谱即可以表示为全体最小割集。因此，防止所有最小割集发生是保证顶事件不发生的可靠措施。在轨道客车的设计中要采取必要的措施降低最小割集发生的概率，在轨道客车的运转中要努力确保不使最小割集发生。

3 故障树定量分析实例

故障树定量分析某型轨道客车系统的任务是，在已知底事件发生概率的条件下，利用故障树作为计算模型，求解出顶事件即某型轨道客车系统故障或失效发生的概率，从而可以评估出该轨道客车系统的可靠性、安全性及风险性。

假定故障树的顶事件及相互独立的全部底事件均只有“不发生”和“发生”，亦即“正常”和“故障”两种状态，则根据底事件发生的概率，由下往上按故障树的逻辑结构逐级运算即可求得顶事件发生的概率。

其中底事件发生概率的定量分析来源于单元或部件失效数据的收集和统计分析。失效数据是故障树定量分析的基础，直接影响系统可靠性、安全性及风险性分析的精确性和适用性。由于来源于寿命试验产生的失效数据受到财力、物力和人力等方面因素的限制，数据来源很少。而来源于生产现场的寿命试验，虽然条件现成、真实，失效数据来源多，但受限于不够重视现场失效数据的搜集，或者失效数据丢失，或者失效数据记录不完整或不正确。目前，失效数据不足已经成为影响可靠性定量分析和风险评估的一个难点问题，因此要建立失效数据库是一个长期且重要的任务，要十分重视对轨道客车系统单元或部件失效数据的收集和统计。

4 故障树分析法的注意事项

故障树分析是由一个或多个不希望发生的顶事件开始，向下逐级分析导致顶事件发生的直接原因和潜在原因的方法。在运用故障树分析轨道客车系统时，需要根据故障树分析的特点，注意以下几个方面的问题：一是无论是进行定性还是定量故障树分析，在建立故障树时，都应尽量确保故障树完整、准确，以使故障树不会影响分析结果的准确性。因此在该型轨道客车事故树分析的过程中，采用了由熟悉该型轨道车辆系统的多个工程师共同参与建树的方法，实践证明这种由多个工程师共同参与建树的方法相比于由一个人建立起来的故障树更为有效、完整和准确。二是常用故障树的定性分析法进行系统故障诊断，因此在故障树分析过程中可先求出最小割集，并按照从小到大的顺序将割集排序，进而依据最小割集的阶数进行故障诊断。三是故障树的定量分析法常用于对系统进行安全性分析。通过自上而下的指标分配，可确定对于各底事件的安全性要求指标。通过自下而上的计算，可用于对顶事件的安全性要求进行验证。因此各底事件概率的准确性将影响故障树定量分析的准确性。

参考文献

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