故障樹分析方法

1、.故障樹分析方法在任務(wù)通信系統(tǒng)故障處理中的應(yīng)用趙鵬 通信一團(tuán)技術(shù)室摘 要 故障樹分析方法是用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析的一種重要方法。航天任務(wù)通信系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，其系統(tǒng)可靠性影響著任務(wù)的成敗。本文首先簡(jiǎn)要介紹了故障樹分析方法，然后運(yùn)用故障樹建模技術(shù)，對(duì)北京中心通信系統(tǒng)中的重要分系統(tǒng)的故障進(jìn)行了故障樹分析。關(guān)鍵詞 通信系統(tǒng) 故障樹分析方法 可靠性1 引言應(yīng)用于載人航天任務(wù)的北京中心通信系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，其可靠性影響著每一次航天任務(wù)的成敗，因此對(duì)系統(tǒng)可靠性的分析尤為重要。故障樹分析方法是以故障樹作為模型對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性、安全性進(jìn)行分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一種重要方法，。故障樹分析通過對(duì)

2、不希望事件發(fā)生的原因逐層進(jìn)行分析，確定導(dǎo)致不希望事件的各種故障組合、故障影響的程度以及不希望事件的發(fā)生可能性，從而為評(píng)價(jià)和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文首先介紹了故障樹建模技術(shù)，然后運(yùn)用該技術(shù)對(duì)航天測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析。2 基本概念1）故障（Fault GJB451）：產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)。2）故障原因（Failure Cause）：故障發(fā)生的根原因，直接導(dǎo)致故障或引起性能降低進(jìn)一步發(fā)展為故障的那些物理或化學(xué)過程、設(shè)計(jì)缺陷、工藝缺陷、零件使用不當(dāng)或其它過程，是制定預(yù)防和糾正措施的重要依據(jù)，對(duì)故障原因關(guān)注得越多，消除故障的成功率就越高。3）故障模

3、式（Failure Mode）：故障的表現(xiàn)形式。4）故障影響（Failure Effect）：故障對(duì)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、過程或服務(wù)所產(chǎn)生的輸出結(jié)果，故障影響一般分為局部的、高一層次的和最終影響三級(jí)。5）故障率（Failure Rate）：在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，故障發(fā)生的比率。6）嚴(yán)酷度 （Severity）：故障模式所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度。7）故障檢測(cè)方法（Failure Checkout Method）：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，操作者能發(fā)現(xiàn)故障的方法，或由維護(hù)人員采取的專門診斷故障的行動(dòng)。8）故障補(bǔ)償措施（Failure Compensative Action）：為消除或減輕故障影響而采取的措施或進(jìn)行的活動(dòng)。3 故

4、障樹分析法(Fault Tree Analysis)故障樹的概念：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通過對(duì)可能造成系統(tǒng)失效的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素）進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（失效樹），從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式或其發(fā)生概率，已計(jì)算系統(tǒng)失效概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法。故障樹分析把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為邏輯分析的目標(biāo)，在故障樹中稱為頂事件，繼而找出導(dǎo)致這一故障狀態(tài)發(fā)生的所有可能直接原因，在故障樹中稱為中間事件。再跟蹤找出導(dǎo)致這些中間故障事件發(fā)生的所有可能直接原因。直追尋到引起中間事件發(fā)生的全部部件狀態(tài)，在故障樹中稱為底事件。用相應(yīng)的代表符號(hào)及邏輯

5、們把頂事件、中間事件、底事件連接成樹形邏輯圖，責(zé)成此樹形邏輯圖為故障樹。故障樹分析是一種自上而下、逐級(jí)演繹的分析方法。它以產(chǎn)品的某個(gè)不希望事件為起點(diǎn)，逐級(jí)向下分析，最終以一種直觀的倒置樹狀結(jié)構(gòu)描述該事件是如何發(fā)生的。進(jìn)行故障樹分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和要求選擇一個(gè)不希望發(fā)生的事件（例如某個(gè)系統(tǒng)故障事件）作為分析的出發(fā)點(diǎn)，然后分析造成這一不希望事件發(fā)生的直接原因，這些原因可能是某個(gè)單獨(dú)的事件，也可能是某個(gè)事件和條件的組合。接著，再以這些直接原因事件為出發(fā)點(diǎn)，分析它們的直接原因，這樣逐級(jí)遞推展開，直至分析到足夠低的產(chǎn)品層次，就構(gòu)成了一個(gè)完整的故障樹結(jié)構(gòu)。隨后，依據(jù)一定的分析規(guī)則和假設(shè)對(duì)故障樹結(jié)構(gòu)

6、進(jìn)行定性或定量的分析，就可以獲得與該不希望事件相關(guān)的各類信息，包括不希望事件發(fā)生原因和條件、發(fā)生的可能性以及產(chǎn)品各組成部分對(duì)整體可靠性的影響程度等，從而為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，它用事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)和轉(zhuǎn)移符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。故障樹分析是從產(chǎn)品整體或較高層次開始的，針對(duì)特定分析目標(biāo)進(jìn)行的，有選擇的多因素分析，它可針對(duì)某一特定事件（故障）提供較為全面的、詳細(xì)的分析信息。故障樹分析提供了一種自上而下、由簡(jiǎn)到繁、逐層演繹的系統(tǒng)的故障分析方法，它適合于分析復(fù)雜系統(tǒng)，能夠考慮包括人的影響與環(huán)境影響對(duì)系統(tǒng)失效的作用的多重因素，并可以用圖形的

7、方法有層次的逐級(jí)描述系統(tǒng)在失效的進(jìn)程中，各種中間事件的相互關(guān)系，從而直觀地描述系統(tǒng)是通過什么途徑而發(fā)生失效的。目前，故障樹分析方法已被公認(rèn)為可靠性、安全性分析的重要工具之一。4 故障樹的建立步驟1) 選擇和確定頂事件：頂事件是系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件，或是指定進(jìn)行邏輯分析的故障事件。2) 分析頂事件：尋找引起頂事件發(fā)生的直接、必要和充分的原因。將頂事件作為輸出事件，將所有直接原因作為輸入事件，并根據(jù)這些事件實(shí)際的邏輯關(guān)系用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T相聯(lián)系。3) 分析每一個(gè)與頂事件直接相聯(lián)系的輸入事件。如果該事件還能進(jìn)一步分解，則將其作為下一級(jí)的輸出事件。4) 重復(fù)上述步驟，逐級(jí)向下分解，直到所有的輸入事件不能

8、再分解或不必要再分解為止，即建成了一棵倒置的故障樹。選擇頂事件建造故障樹定性分析定量分析圖1 故障樹分析步驟示意圖5)定性分析：求出所有導(dǎo)致頂事件發(fā)生的系統(tǒng)故障模式。6)定量分析：在各個(gè)底事件相互獨(dú)立和已知其發(fā)生概率的條件下，求出單調(diào)故障樹頂事件發(fā)生的概率和一些重要度指標(biāo)。5 故障樹分析方法的應(yīng)用5.1 調(diào)度系統(tǒng)故障樹分析對(duì)于試驗(yàn)任務(wù)指揮調(diào)度系統(tǒng)來說，噪聲干擾是較普遍出現(xiàn)的故障模式，下面就產(chǎn)生噪聲干擾的各種原因按照故障樹的分析方法進(jìn)行分析，見圖2。5.2 DDN系統(tǒng)故障樹分析（見圖3）6 結(jié)束語通過上面的兩個(gè)例子，本文得出用故障樹分析方法分析系統(tǒng)的故障模式，主要有以下幾個(gè)步驟：1）找出任務(wù)決不

9、允許系統(tǒng)發(fā)生的故障。即是給航天任務(wù)帶來不可挽回的損失的故障模式；2）對(duì)每一個(gè)故障進(jìn)行故障樹分解，找出可能導(dǎo)致故障發(fā)生的基本事件；3）分析所有的基本事件找出導(dǎo)致故障發(fā)生的關(guān)鍵部位，該關(guān)鍵部位出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)故障的可能性非常高。對(duì)關(guān)鍵部位，我們要保證其高可靠性；4）故障樹的邏輯結(jié)構(gòu)可以幫助確定在哪些基本事件或部位進(jìn)行檢測(cè)。例如，若故障樹中一個(gè)不期望的事件是一個(gè)或門的輸出，則該或門的每一個(gè)輸入都應(yīng)被窮舉檢測(cè)，才能避免不期望事件的發(fā)生；可是，如果故障樹中一個(gè)不期望的事件是一個(gè)與門的輸出，則對(duì)其中一個(gè)輸入的保護(hù)就可避免不期望事件的發(fā)生。在故障樹的低層，檢測(cè)可以用來避免可以導(dǎo)致系統(tǒng)失效的中間事件的發(fā)生，在

10、故障樹中接近頂層的檢測(cè)效率比較高，該方法在一些故障危害性不是很高的系統(tǒng)中應(yīng)用，可以付出較小的代價(jià)達(dá)到系統(tǒng)的可靠性要求；5）若要對(duì)故障發(fā)生的概率進(jìn)行定量分析，則需要給出每個(gè)部位發(fā)生故障的概率?？傊ㄟ^運(yùn)用故障樹分析技術(shù)對(duì)航天測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，可以發(fā)現(xiàn)存在的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。通過實(shí)際應(yīng)用，也可以看出故障樹分析方法是工程中進(jìn)行安全性、可靠性分析的一種有力方法，值得在工程實(shí)際中推廣應(yīng)用，即使在沒有太多可靠性數(shù)據(jù)的情況下，進(jìn)行故障樹分析的定性分析，同樣對(duì)發(fā)現(xiàn)問題、尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)具有重要作用。.圖2通話中斷或系統(tǒng)干擾噪聲干擾線路設(shè)備干擾設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾復(fù)用設(shè)備干擾衛(wèi)通失步干擾回聲抵消器干擾設(shè)備元器件損壞、插接件接觸不良設(shè)備接地有問題設(shè)備之間接口不匹配耦合交叉未及時(shí)關(guān)微音器話筒離揚(yáng)聲器過近傳輸線路干擾傳輸線路特性畸變干擾嘯叫失真線路干擾設(shè)備操作維護(hù)不當(dāng)濾波器干擾脈沖干擾環(huán)境噪聲回聲干擾串話噪聲白噪聲電容電感濾波器傳輸處理交換設(shè)備圖3中繼失步故障DDN故障與傳輸設(shè)備接口不匹配傳輸信道故障中繼參數(shù)與遠(yuǎn)端中繼或傳輸信道不匹配電