故障樹分析法在某型軌道客車故障診斷中的應用

李鐵男

摘 要：故障樹分析是國際公認的一種用于分析復雜系統的安全性、可靠性的簡單、有效的方法。適用于復雜系統的風險評估和分析。該文介紹了故障樹分析法以及建立故障樹的方法和流程，結合某型軌道客車系統故障樹的定性和定量分析實例，詳細分析了故障樹分析法在某型軌道客車故障診斷中的應用。

關鍵詞：故障樹 故障樹分析 故障診斷

中圖分類號：U292 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0078-02

1 故障樹分析方法概述

1.1 故障樹分析法簡介

故障樹定性分析就是將致命性故障或災難性危險等產生的原因由樹干到樹枝逐級細化，進而分析致命性故障或災難性危險與其產生原因之間的因果關系，進而找出所有可能的風險因素。故障樹定量分析是由下至上依據底層事件發生的概率以及邏輯門關系，算出系統總事故的概率，并且還能將底層事件風險依據概率大小排序，并針對性確定風險控制措施和方案。其一般流程為：選擇頂事件+構造故障樹+定性識別出導致頂事件發生的所有底層事件+定量分析計算頂事件發生概率及底事件的重要度+提出各種風險控制措施和方案。

在軌道車輛工程中，可運用故障樹分析車輛已暴露的故障，進而獲得影響車輛正常工作的關鍵要素，并進行針對性質量控制，也可以在車輛研制的初始階段對其進行建樹分析，進而確定設計中的薄弱環節，提出改進措施。

1.2 故障樹的建立

在故障樹分析中，位于故障樹頂端的是故障樹分析的目標和關心的結果事件，定義為“頂事件”，將所分析系統的各種故障和失效、不正常情況等定義為“故障事件”，用“成功事件”定義所分析系統各種正常狀態和完好情況。將位于頂事件與底事件之間的中問結果事件定義為中間事件。常用的符號包括事件符號、邏輯門符號和轉移符號等。

在建立故障樹前，首先要對系統進行全面深入的了解。系統的設計、制造、安裝調整、使用運行、維修保養等方面的技術文件和數據資料等都要被分析和研究。除了要考慮系統本身的因素外，還要考慮人為因素及環境因素的影響。對系統及單元的功能和失效以及人為因素及環境因素，應給予明確的定義。在故障樹分析中，將由單元本身引起的事件稱為“一次事件”，將由人的因素或環境條件引起的事件稱為“二次事件”。建立故障樹的具體步驟如下。

1.2.1 確定頂事件

通常將所分析系統最不希望發生的致命性故障或災難性危險作為該系統故障樹分析的頂事件。因此，對一個系統而言，頂事件并不唯一，可以有多個。任何需要分析的系統故障或災難性危險，只要是可以分解且有明確定義，則都可以作為該系統故障樹的頂事件。

1.2.2 確定其他層級事件

確定了系統的頂事件之后，把頂事件作為起始端向下建立故障樹。先是找出導致頂事件發生的所有可能直接原因，將其作為第一級中間事件。用相應的事件符號表示第一級中間事件，再選取恰當的能表達中間事件與上一級事件邏輯關系的邏輯門符號連接中間事件與上一級事件。依此逐級向下建立故障樹，直到找出所有能夠引起系統故障的無法再向下追究的原因為止，將最末層事件作為底事件，至此，建樹完成。

1.2.3 需注意的問題

建立故障樹的過程中需要注意以下幾個方面的問題。

一是通常采用以系統的功能為主線來確立故障樹各層級事件進而建立完整故障樹，建樹過程始終按照演繹的邏輯進行。同時要注意到復雜系統通常有多個流程分支，主流程不唯一，因此在建樹時要依據具體系統情況而定。

二是在建立故障樹前要合理地選取和設定所分析系統及單元（部件）的邊界條件。所謂邊界條件是指系統和單元（部件）的若干變動參數，參數設定合理，將有助于在建故障樹過程中抓住主線和明確范圍。

三是故障樹各層級事件的定義要精確唯一，不易造成歧義。

四是故障樹各層級事件間有清楚、嚴謹的邏輯關系。

五是應注意邏輯多余事件的刪減，盡量簡化故障樹，且故障樹應便于定性和定量分析。

2 故障樹定性分析實例

故障樹定性分析某型軌道客車系統的目的是要找出該型軌道客車故障的全部可能原因，并定性地識別該型軌道客車系統設計、制造、安裝調整、使用運行、維修保養等方面的薄弱環節。

在用故障樹定性分析某型軌道客車系統時，最為關心的是最小割集，即導致頂事件發生的必要而充分的底事件的集合。僅當最小割集包含的底事件都同時存在時則頂事件發生，或者是只要最下割集中有任何一個事件不發生，則頂事件不發生——最小割集的性質。如果系統出現了故障事件，則必然至少有一個最小割集發生。系統的一種故障模式可以用一個最小割集表示，系統的故障譜即可以表示為全體最小割集。因此，防止所有最小割集發生是保證頂事件不發生的可靠措施。在軌道客車的設計中要采取必要的措施降低最小割集發生的概率，在軌道客車的運轉中要努力確保不使最小割集發生。

3 故障樹定量分析實例

故障樹定量分析某型軌道客車系統的任務是，在已知底事件發生概率的條件下，利用故障樹作為計算模型，求解出頂事件即某型軌道客車系統故障或失效發生的概率，從而可以評估出該軌道客車系統的可靠性、安全性及風險性。

假定故障樹的頂事件及相互獨立的全部底事件均只有“不發生”和“發生”，亦即“正常”和“故障”兩種狀態，則根據底事件發生的概率，由下往上按故障樹的邏輯結構逐級運算即可求得頂事件發生的概率。

其中底事件發生概率的定量分析來源于單元或部件失效數據的收集和統計分析。失效數據是故障樹定量分析的基礎，直接影響系統可靠性、安全性及風險性分析的精確性和適用性。由于來源于壽命試驗產生的失效數據受到財力、物力和人力等方面因素的限制，數據來源很少。而來源于生產現場的壽命試驗，雖然條件現成、真實，失效數據來源多，但受限于不夠重視現場失效數據的搜集，或者失效數據丟失，或者失效數據記錄不完整或不正確。目前，失效數據不足已經成為影響可靠性定量分析和風險評估的一個難點問題，因此要建立失效數據庫是一個長期且重要的任務，要十分重視對軌道客車系統單元或部件失效數據的收集和統計。

4 故障樹分析法的注意事項

故障樹分析是由一個或多個不希望發生的頂事件開始，向下逐級分析導致頂事件發生的直接原因和潛在原因的方法。在運用故障樹分析軌道客車系統時，需要根據故障樹分析的特點，注意以下幾個方面的問題：一是無論是進行定性還是定量故障樹分析，在建立故障樹時，都應盡量確保故障樹完整、準確，以使故障樹不會影響分析結果的準確性。因此在該型軌道客車事故樹分析的過程中，采用了由熟悉該型軌道車輛系統的多個工程師共同參與建樹的方法，實踐證明這種由多個工程師共同參與建樹的方法相比于由一個人建立起來的故障樹更為有效、完整和準確。二是常用故障樹的定性分析法進行系統故障診斷，因此在故障樹分析過程中可先求出最小割集，并按照從小到大的順序將割集排序，進而依據最小割集的階數進行故障診斷。三是故障樹的定量分析法常用于對系統進行安全性分析。通過自上而下的指標分配，可確定對于各底事件的安全性要求指標。通過自下而上的計算，可用于對頂事件的安全性要求進行驗證。因此各底事件概率的準確性將影響故障樹定量分析的準確性。

參考文獻

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