故障树分析法（FTA）在大型飞机机载设备系统故障诊断中的应用

王 凯 樊纲旗 董 瑾 宋西民

（航空工业西飞，西安 710089）

某大型飞机机载设备由航电系统、飞控系统和机电/液压系统组成，并实现了不同系统间的互联和综合管理，提升了飞机整体技术水平和综合性能。然而随着飞机机载设备的数量和功能复杂程度的提高，机上故障定位和诊断难度也随之加大，特别在飞机科研生产和外场试飞阶段，往往缺乏必要的故障诊断设备和条件。因此，引入高效的诊断和分析方法，强化大型飞机机载设备系统故障定位具有十分重要的意义。

1 故障树分析法简介

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）于1961年由美国贝尔电话实验室的H.A.Watson、D.F.Haasl为研究民兵洲际弹道导弹发射控制系统而提出，1974年美国原子能委员会（Atomic Energy Commission，AEC）运用故障树分析法对核电站事故进行了风险评估，发表了著名的《拉姆逊报告》，在该报告中对故障树分析法进行了详细的分析，在美国社会各界引起了极大反响，受到质量界广泛关注，从而迅速在各国政府和企业间推广开来。我国于1978年开始对故障树分析法进行研究与应用，随后迅速在多个部门和企业推广，并取得了良好效果，促进了企业的安全生产，提高了产品的质量。

故障树分析法是一种自顶向下逐层展开的图形演绎方法，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析，画出逻辑框图(即故障树)，再对系统中发生的故障事件由顶层至底层逐级细化分析，最终发现基本故障、确定故障原因、评估故障影响和发生概率等因素。

2 故障树建立步骤

根据第1节所述可知，故障树是按照自顶向下的原则，逐级寻找故障原因并分析，最终定位故障原因。虽然其建立步骤常因分析对象、分析目的和精细程度的不同而发生变化，但一般可按下述步骤进行。

2.1 熟悉系统

建立故障树之前，工程技术人员首先应对系统的结构、功能、原理、故障类型、故障诱因等有一个全面、细致的了解，从而获知与故障相关的系统状态、工作流程以及分布图。

2.2 确定顶事件

顶事件是系统发生的既定故障事件，为便于分析，顶事件必须定义明确，能够定量评定并进一步分解故障诱因。

2.3 确定边界条件

故障树是一副结构严谨的逻辑图，不仅要求无重大遗漏，而且逻辑关系必须正确、清晰。所以合理地确定故障树分析范围是突出主要故障事件、防止遗漏重大故障事件并简化分析工作的重要保证。

2.4 逐层展开，建立故障树

从顶事件起，逐级找出故障发生的直接原因，按照逻辑关系，画出故障树。

2.5 简化故障树

故障树建成后，还必须从故障树的最末一级开始，逐级明确上级事件与下级事件的逻辑关系，直到顶事件为止，并结合逻辑运算法做进一步分析，删除多余的事件，使故障树更加便于分析。

3 大型飞机机载设备系统故障分析

某大型飞机机载设备系统由航空电子系统、飞行控制系统、机电/液压系统组成，在各系统内部分别通过核心处理机或者综合管理计算机实现系统内各机载设备控制综合和信息综合，与此同时，三大系统之间通过总线实现系统间主要运行状态与参数的互联，为空勤对整机状态的管理和掌控提供了方便、快捷的交互界面和操作窗口。

飞机综合性能的提高离不开机载设备整体技术水平的提升，随之带来的就是机载设备组成、功能复杂程度的提高，由此导致机载设备故障状态和模式呈几何级数增长，再加上在飞机研制和试飞阶段，地面保障设备和资源相对匮乏，使得机载设备故障定位与诊断难度加大；传统的故障排查方法基于机载设备自身功能和性能，结合已有试验或故障数据进行判定，该方法存在原因分析不全面、不同故障诊断逻辑性差、平均单次排故耗时长等缺点，制约了飞机生产效率和质量。因此，有必要引入故障树分析法，用于指导飞机机载设备系统故障甄别，提高故障排查效率及飞机研制质量。此外，通过故障树分析法，可逐步建立飞机机载设备系统故障数据库，并适当引入专家系统，进一步提高飞机机载设备系统故障诊断效率与质量，实现飞机研制科学化与规范化。为建立适用于某型机的故障树分析法，下文对该型飞机机载设备故障产生原因进行分类。

3.1 按故障的部位分

3.1.1 机械部分故障

飞机机载设备系统的机械部分是指机载设备除电气控制外的部分，如机械、液压泵/阀，接口等。常见的故障有：机械行程超差、阀门间隙过大或过小，接口配合关系差等。

3.1.2 电气部分故障

飞机机载设备电气部分包括硬件故障和软件故障，硬件部分常见故障有：控制芯片、通讯/控制板卡、开关元件（接触器、继电器）、传感器、线路等发生的故障；软件故障，常见故障如时序出错、算法缺陷出错、参数出错等造成的故障。

3.2 按故障的性质分

3.2.1 系统性故障

飞机机载设备系统性故障是指在一定的条件下，由于系统间或系统内各相关部件关联运行异常导致的故障，如显控系统通讯异常导致航电系统显示信息缺失、作动器零位超差导致飞控系统运行异常等。

3.2.2 随机性故障

飞机机载设备随机性故障是指在可重复的条件下，只偶然出现一两次的故障，此类故障多是由于机载设备安装不到位或者操作不当所致，如接插件松脱、电气接口安装不到位等。

根据机载设备故障产生原因分析结果，即确定了相应的顶事件，随后开始进行边界条件的确定，为简化边界条件的甄别与确定，可对边界事件进行划分，边界事件主要包括三类：第一，顶事件：故障现象或者主要诱因，其是最重要与最根本的边界事件；第二，不许可事件：在建立故障树过程中，认为不允许或不可能发生的事件；第三，必然事件：在一定条件下必然发生或必然不发生的事件。

通过确定上述三类边界事件，即可完成特定故障边界条件的划分，并将故障分析的对象限定在顶事件和必然事件中。值得注意的是，在开展边界事件分析的过程中，需密切关注系统的初始状态以及故障发生时飞机运行状态，以免遗漏故障产生的相关条件。

边界条件确定后即可逐级开展故障原因分析，每一级均可按照边界事件确定本级内的边界条件，并且按照顶事件的边界条件确定原则逐级进行，并在上下级事件之间以及同级内分析、明确各事件的逻辑关系，在末级边界事件中确定故障发生的目标原因。至此，初步完成故障树的建立。

故障树建成后，需要对级间以及同级内各事件的关系开展必要的逻辑运算，其核心是求解故障树的最小割集，从而完成故障的精确定位。设故障树(FT)中有n个事件，x1，x2，xi…，xn，E∈{xi，i∈N+}为事件的集合，当其中全部事件都发生时，顶事件必然发生，则称E为故障树的一个割集，其代表了系统发生故障的可能性；若E是一个割集，且任意去掉其中一个底事件后，余下的集合就不再是故障树的割集时，则称E为最小割集。

最小割集是事件不可再细分的割集，是包含了最少而又缺一不可的事件集合。若故障树(FT)有k个最小割集，只要有一个最小割集Ej（j=1，2，…，k）中的全部事件XK均发生，故障必定发生，最小割集E可用如式（1）表示：

通过求解最小割集，实现对故障树结构的进一步优化，删除多余事件，完成故障树的简化和完善，并最终完成故障定位与诊断。

4 故障树分析法应用举例

下面以某大型飞机除冰系统故障为例，进一步阐述故障树分析法在大型飞机机载设备系统故障诊断中的应用。

4.1 熟悉系统

尾翼除冰分系统（以下简称“分系统”）由除冰控制器（以下简称“控制器”）、配电盒及平尾电加温组件（以下简称“加温组件”）组成，分别实现控制、供电和加温功能，其组成结构如图1所示。

图1 尾翼除冰原理框图

其中，除冰控制器为系统控制部分，系统运行时，一个控制器处于工作状态，另一个控制器热备份，当处于工作状态的控制器发生故障时，自动切换到另一个备份机继续工作，保证控制部分正常运行。供电部分由四个配电盒组成，配电盒接收来自控制器的控制指令，实现对加温组件的供电控制，当其中一个配电盒故障时，整体切换到另一边接续供电。加温部分由8个可拆卸加温组件组成，8段加温组件对称地配置在左、右水平安定面上，其获得配电盒供电后进入加热工作状态，将电能转换为热能，并传导到尾翼，实现除冰功能。

4.2 确定顶事件

在进行除冰系统地面通电检查过程中发现，当按压除冰按钮使除冰系统上电后，左侧控制器短时工作X秒后立即切换到右侧，而后又切换回左侧，由此可确认除冰启动切换异常。按照第4.1节所述的系统工作简介结合系统工作原理，可初步分析造成系统启动异常切换的顶部事件包括五个方面：控制器故障，配电后盒故障，加温组件故障，机械（外部）故障，软件故障。

4.3 确定边界条件

在本案例中，顶事件确认过中已分别将不许可事件和必然事件考虑在内，因此，上述五个顶事件即为故障树边界条件。

4.4 逐层展开

由4.2节可知，故障树中引起除冰启动切换异常的顶事件有五种：A除冰控制器故障、B配电盒故障、C电加温组件故障、D外部故障以及E软件故障。

综合飞机初始状态以及系统运行原理，可建立如下故障树结构：引起A故障的模式有四种：F监测电路故障，X1接口电路故障，G通讯故障，X2除冰启动信号异常；引起B故障的模式有三种：H传感器电路故障，X3配电盒主开关故障，X4配电盒区域开关故障；引起C故障的模式有两种：X5加温组件短路或开路，X6加温组件局部电阻变大；引起D故障的模式有两种：X7连接电缆故障，X8供电电源故障；引起E故障的模式有两种：X9软件逻辑缺陷，X10软件编码错误。据此建立故障树，如图2所示。

图2 除冰启动切换异常故障树

4.5 简化故障树

根据图2所示故障树，进行原因分析和故障树简化。由于本系统涉及产品数量较少，系统间交联关系简单，各事件之间相对独立且无重复项，因此故障树无需简化。通过排除法，结合飞机初始状态，最终将故障定位为软件逻辑缺陷。至此，通过故障树分析法，完成本此故障的定位与诊断。

5 结论

本文通过对故障树分析法（FTA）原理及发展介绍，结合某大型飞机机载设备系统特点，详细阐述了故障树分析法在大型飞机机载设备系统故障诊断中基本原理与应用流程，并结合真实案例进行了应用举例。实践证明，通过故障树分析法进行故障诊断，可为技术人员快速定位机载设备系统故障提供重要技术支持，提高故障诊断效率，进而提高飞机生产进度和质量。