工业安全性设计中的故障树分析方法介绍

1、 工业安全性设计中的故障树分析方法介绍摘要 在现代工业中,电脑仿真软件等信息化高科技技术参与产 品设计越来越普及,也越来越为业界所接受。但在产品设计方法越 来越简便的同时,业界也对产品的安全性设计提出了更高的要求。 目前可采用的产品安全性设计有很多种,在产品的全寿命周期中的 各个阶段也都有对应的方法可选用。本文试对安全性设计方法当中 的故障树分析方法进行介绍。关键词 安全性设计;故障树分析;产品设计;方法介绍1 故障树分析方法概述故障树是一种逻辑因果关系图,呈现出特殊的倒立树状。它通过 使用各种逻辑门符号、事件符号和转移符号来描述系统中各种事件 和状态之间的因果逻辑关系。通俗来说,故障树中逻辑

2、门的输入事 件是输出事件的“因” ,逻辑门的输出事件是输入事件的“果” 。 故障树分析自上而下,通过依次展开更为详细(或者叫更低一级 的设计层次逐步向下进行。2 故障树方法前期准备工作首先,设计人员应该熟悉设计说明书、原理图(包括流程图、结 构图 、运行规程、维修规程和有关数据库以及其余相关资料。熟 悉系统,设计人员可以从以下几个方面入手:1设计人员应彻底掌握系统的设计意图、结构、功能、边界(包 括人机接口和环境情况; 2设计人员应辨明人为因素以及软件对系统的影响;3设计人员应辨识系统可能采取的各种状态模式以及这些模式之 间的相互转换,必要时应绘制状态模式以及转画图以帮助弄清系统 成功或故障与

3、单位成功或故障之间的关系,有利于正确建树; 4根据系统复杂程度和要求,必要时进行系统故障模式及影响分 析,以帮助辨识各种故障事件以及人为失误和共因故障;5根据系统复杂程度,必要时应绘制系统可靠性框图以帮助正确 形成故障树的顶部结构和实现故障树的早期模块化以缩小故障树 的规模;6为彻底地熟悉系统,设计人员除了完成上述工作外,还应该随 时征求有经验的设计人员和运行维修人员意见,最好有上述人员参 与建树工作,方能保证故障树分析工作顺利开展,且建成的故障树 的正确性,并可以达到预期的分析目的。在充分熟悉系统后,设计人员应根据系统的任务要求和对系统的 了解确定本次故障树分析的目的。在实际工业设计过程中,

4、同一个 系统或者设备,因为分析的目的不一样,系统或者设备的模型化结 果也会大不相同,反映在故障树上也会不一样。3 故障树分析方法步骤故障树分析根据分析对象、分析目的、精细程度等的不同而不同, 但一般按如下步骤进行:1故障树的建造; 2故障树规范化、简化和模块分解;3定性分析;4定量分析;5编写故障树分析报告。故障树的建造首先应选择恰当的顶事件。在确定顶事件时,可以 通过在初步故障分析基础上,设计人员找出系统可能发生的所有故 障状态,这个过程可以结合故障模式及影响分析进行,也可借鉴其 它类似系统使用过程中发生过的故障事件。然后,筛选出最不希望 发生的故障状态作为顶事件。顶事件确定后,自上而下开始

5、建树,应逐级进行。将确定的顶事件写在顶部的框内,然后将引起顶事件的全部必要 而又充分的直接原因事件写在相应事件符号中画出第二排,下一步 根据实际设计中它们的逻辑关系用适当的逻辑门进行连结。遵循以 上原则逐步建树,直至所有最低一排事件都为底事件。规范化故障树是指仅含有基本事件、 结果事件, 以及 “与” 、 “或” 、 “非”三种逻辑门的故障树。要将建好的故障树变成规范化的故障 树,必须确定对特殊事件的处理规则和对特殊逻辑门进行逻辑等效 的变换规则。故障树的简化,可根据布尔代数运算规则对故障树进行简化。 对于较大规模的已经规范化和简化的故障树需要进行模块分解, 这里的模块是指至少有两个底事件但同

6、时又不是所有底事件的集 合,在集合中这些底事件向上可汇集到同一个逻辑门,且又只能通 过这个逻辑门才能到达顶事件。同时,故障树中所有的其它底事件 向上都不能到达该逻辑门。对故障树进行定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的原因及 原因组合。通过识别引起顶事件发生的全部故障模式,它可以帮助 判断潜在故障,达到改进设计的目地;也可以用于进行指导故障诊 断,从而改进维护和使用方案。对于正在设计中的产品,由定性分析的结果可以寻找到产品设计 上的薄弱环节、重点部位、重要底事件、试验需求和改进设计应采 取的方案等。对于最终设计成型的产品,通过定性分析结果可以确 定产品已分析的顶事件的故障概率,检测产品的最佳配

7、置,指导故 障定位和使用维护方案的制定; 还为技术支持、 管理维护提供指导。 故障树定量分析是在已知底事件的发生概率的前提下得到顶事件 的故障概率。这要求一开始必须拥有所有底事件的故障数据,从而 才能求出故障树最小割集。在定量分析中,应假定各个底事件的故障是相互独立的。若某些 底事件互相不独立,则按照统计独立的假设进行计算时将出现工程 上难以接受的误差,此时应参考其它专门文献进行不独立所需的修 正。在故障树分析结束时,应将分析结果写成报告,故障树分析报告 应包括下列主要内容:分析任务;分析假设;分析方法;数据源说 明;系统的可靠性框图;不希望事件(顶事件及其发生概率;最 小割集及其发生概率和重

8、要度;基本事件和条件事件的重要度;可 靠性关键项目及其不能从设计中消除的原因。4 结论故障树分析是一种对复杂系统常用的安全性、可靠性分析方法。 它通过演绎的故障分析法研究系统特定的顶事件,自上向下严格按 事件的层次进行逻辑分析和因果判断,找出故障事件的必要而充分 的各类原因,画出逻辑关系图(故障树 ,最终找出导致顶事件发 生的所有原因和原因组合。由分析结果可以确定被分析系统的薄弱 环节、关键部位、应采取的措施、对可靠性试验的要求等。这些都 显示出其在工业设计过程中的重要性和必要性。广大设计人员只有 不断在其设计过程中深刻融合安全性设计理念,让安全可靠成为产 品一大亮点, 设计出的产品才能真正被业界所肯定, 被市场所接受。