故障树分析法在“电工实训”教学中的应用

曹洪福

(空军通信士官学校， 辽宁 大连 116600)

0 引言

“电工实训”课程的特点是涉及知识面广、实践性强，注重培养学生实践操作和解决实际问题的能力。为了让理论和实践结合的更紧密，许多教育工作者都在探索如何改进教学方法和教学手段，有的搭建功能多样的电工实训台辅助操作训练，有的制作虚拟仿真软件模拟实装操作，虽然这些手段都提供了良好的实践体验，但对学生在实验中遇到的实际问题还缺乏有效的指导方法，学生独立排除故障能力较低、花费时间长，导致教学进度缓慢、教学效果不理想[1～2]。

为克服这些缺陷，职业教育多采用理实一体、任务驱动等教学法，在启发学生思考分析、培养动手能力的同时，还配合讲授科学有效的故障分析方法，帮助学生理顺解决问题思路、规范处理流程、提高排故效率，强化教学效果。故障树分析法FTA(Fault Tree Analysis)在这方面提供了有力支持[3]。故障树分析法是指对所有可能造成系统故障的原因逐层分析，根据这些原因的逻辑关系建立从上至下的故障树，通过故障树反推导致系统故障的各种原因及其组合，可用于指导故障诊断[4]。

1 故障树分析法概述

故障树分析法的基础是以事件符号、逻辑门符号等为要素绘制出的故障树模型。故障树模型是一个基于研究对象结构、功能特征的模型，以系统最不希望发生事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件作为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。故障树是一种体现故障传播关系的有向图，反应了系统故障(顶事件)与导致系统故障的诸因素(中间事件和底事件)之间的逻辑关系，因此是分析故障关系、查找系统故障单元的一种有效手段[5～6]。图1为一个简单故障树模型。

图1 简单的故障树

故障树分析法通常按照以下步骤进行：确定顶事件、建立故障树、定性分析、定量分析及得出结论并确定改进措施。

本文就教学过程中故障树建立过程的思考方法和定性分析的结论给以介绍，而定量分析需要计算事件概率，暂不讨论。

2 故障树分析法的教学应用

油机市电自动切换配电箱是“电工实训”课程的重点内容，要求学生能够根据电气原理图完成线路安装，实现配电箱在主用市电电源和备用油机电源之间的自动切换功能。当市电电源有问题时自动切换至油机电源，市电供电正常时，可以自动切断油机电源，电气原理图如图2所示。

图2 油机市电自动切换配电箱电气图

该实验项目是在完成电气图识读、电气元件功能与识别、配电箱布线等项目的基础上进行的，着重训练学生对知识、技能的综合运用能力，其中任何一个部分出现问题都无法实现配电箱功能。建立故障树首要目的就是给学生展示出导致配电箱功能失效的各种可能因素，帮助他们根据实验情况定位故障原因，找出解决方法，达成教学过程的正反馈。为达到这个目的，实验项目初期，首先安排学生体验安装过程中遇到各种实际问题，积累一定经验；实验项目中期，利用故障树法分析油机市电自动切换配电箱失效原因，帮助学生查找出现问题的环节，理顺排查故障思路，继续完成线路安装；实验项目后期，教师收集学生反馈问题，完善故障树教程，提高后续实验指导的针对性和有效性。

2.1 确定顶事件、建立故障树

将油机市电自动切换配电箱失效作为顶事件，找出直接导致顶事件的所有可能原因，确定第一级中间事件，再循迹找出导致上级事件发生的所有可能原因，以此循环类推，直至追寻到引起顶事件的所有可能原因，即底事件。用相应的代表符号和逻辑门将顶事件、中间事件、底事件连接起来，形成树状逻辑因果关系图即故障树。按照上述分析建立的故障树如图3所示，事件代号及说明如表1所示。

图3 油机市电自动切换配电箱失效故障树

代号故障说明代号故障说明TE无法自动切换B3忽略检测步骤M1电气元件故障B4不懂检测方法M2线路连接问题B5不熟悉电气符号M3安装前未检查B6不清楚电气图逻辑关系M4未读懂电气图B7压线皮M5连接工艺问题B8绝缘层破损漏电M6不清楚元件功能B9不清楚接触器工作原理B1元件损坏 B10不清楚时间继电器工作原理B2未读懂电气符号

油机市电自动切换配电箱主要由接触器、时间继电器、断路器组成。其中，断路器作为市电源和油机电源两路的总开关，接触器作为切换两路配电的开关，时间继电器负责控制切换的时机。故障树建立过程中，引导学生先从这几种电气元件的功能及其在控制线路中发挥的作用出发，思考可能引发配电箱自动切换失效的大致方向，初步确定故障范围，再向下逐层分析至底层的故障原因及其可能引发顶事件的组合关系，从中得出以下信息：

(1)从故障树结构上看，它清晰、直观地反应出导致故障的因素及相互逻辑关系。配电箱自动切换失效主要有检测和安装两方面原因：安装前检测电气元件是实现配电箱功能的前提，电气元件故障可能就是检测把关不严的结果；安装配电箱的过程是理论和实践相结合的过程，读不懂电气图、连接工艺不过关或者没有真实的反应电气图连接关系都会导致顶事件发生。电气图由电气符号和连接导线组成的，电气符号表达电气元件功能，连接导线表达电气元件之间实际连接关系，通过这种连接关系显示出电气元件发挥作用的方式和配电箱的整体功能，这是正确安装配电箱的基础。将电气图转化成实际线路需要明确与电气元件的对应关系，这是正确安装配电箱的关键。

(2)从故障树的事件构成上看，线路连接部分的故障因素最多。配电箱安装是一个反复“读图-安装”的过程，实操持续时间长、涉及多个电气元件，“电气符号与实物对应关系不清、不清楚电气图逻辑关系、压线皮或绝缘层破损”等情况会频繁发生。这说明读懂电气图连接关系、掌握电气元件的安装方法、遵守安装规范是实现配电箱功能的保证。

(3)从底事件的性质上看，多数是电气图识读不过关、安装规范不落实等人为因素，这说明，安装配电箱前理论知识准备不到位是导致顶事件发生的主要原因。

2.2 定性分析

故障树顶事件的发生与否是由构成故障树各基本事件的状态决定。当所有基本事件发生时，顶事件一定发生，但大多数情况下只要某些基本事件发生就可以导致顶事件的发生。在故障树分析中，把引起顶事件发生的某些事件的集合称为割集，一个故障树的割集不止一个，这些割集中不包含其它割集的割集称为最小割集，可由各事件的布尔代数运算简化得到，每个最小割集是相互独立的[7]。最小割集的数量越多，组成最小割集的基本事件数量越少，顶事件发生的可能性就越大。在本例的故障树中，最小割集是能引起油机市电自动切换配电箱失效的各事件逻辑组合。布尔代数运算简化结果如下：

TE = M1+M2

= B1·M3+B2+M4+M5

= B1·(B3+B4)+B5+M7+B6+B7+B8

= B1·B3+B1·B4+B5+B6+B7+B8+B9+B10

从简化结果看，故障树有9个最小割集，其中一阶割集8个、二阶割集2个。底事件B1和B3、B1和B4同时发生才会使导致顶事件发生，其它每个底事件独立发生都能导致顶事件发生。这说明：

(1)引发顶事件的因素中，压线皮、绝缘层破损漏电、电气元件损坏、电气符号与实物对应关系不清、不熟悉电气符号、不清楚电气图逻辑关系、不清楚接触器及时间继电器工作原理等一阶割集是故障树的薄弱环节，即学生在实操过程中最容易导致实验失败的部分，应作为学生排查故障原因和教师指导时优先考虑的因素，它们的顶事件应作为排查故障的优先考虑方向。只要遵守操作规范，避免压线皮、绝缘层破损漏电等问题，就能降低本次实验的失效因素和疑难故障的排查难度，提高实操效率。

(2)构成二阶割集的三个底事件中，只要在安装和使用过程中避免损坏电气元件，就能降低下一次实验的失效因素，提高实验成功概率。

3 结语

从建立油机市电自动切换配电箱故障树及其定性分析的过程中可以看出，故障树分析法在“电工实训”教学中有以下作用：

(1)故障树的建立过程是从系统失效的角度考虑问题，能直观地反应出导致失效的部位、因素及其相互影响关系，帮助学生形成一个较为科学的思维方法，加深对电气元件功能和电路工作原理的认识，能快速定位实验中发生的故障并找到解决途径。

(2)故障树的事件分布反映了导致系统失效因素的分布情况，中间事件的“或门分支”越多，就越容易引发系统失效，避免这些事件发生的方法应作为教学训练重点。

(3)对于故障树中的人为因素事件，其发生概率不尽相同，可作为评价学生能力成长的指标和教师指导帮带的重点。

(4)最小割集代表导致系统失效的最直接原因，最小割集中基本事件的数量反映出由该最小割集导致系统失效的可能性，对帮助学生发现多发故障及其最可能的诱因有很好的提示作用。