質(zhì)量工具之故障樹分析FTA

FTA的基本概念

前文我們已經(jīng)詳細介紹了FTA的歷史，具體參見：質(zhì)量工具之故障樹分析FTA(1) - FTA的歷史。

我們在工作中碰到一個問題，可以利用的問題解決工具有很多，故障樹分析FTA就是其中之一。

但是FTA畢竟是相對復(fù)雜較難掌握的工具，為更好地說明如何應(yīng)用FTA技術(shù)，我們先了解一些FTA的基本概念。

什么是故障樹FTD

大家先回憶一下魚骨圖，感興趣的可以看這篇文章：質(zhì)量工具之魚骨圖。 

魚骨圖也叫因果圖，問題或缺陷(即后果)標(biāo)在“魚頭”處，在“魚刺”上列出產(chǎn)生問題的可能原因。在畫完魚頭(后果)和魚刺(可能的原因)的基礎(chǔ)上，收集事實和數(shù)據(jù)，根據(jù)二八法則，選擇并確認幾個最重要的原因，就可以有針對性地進行整改。

魚骨圖是一種定性分析的質(zhì)量工具，如果把魚骨圖轉(zhuǎn)90°，魚頭在上，魚刺在下，會是什么情況？魚骨圖轉(zhuǎn)了90°，就變成了一個簡單的故障樹(也叫故障樹圖，F(xiàn)ault Tree Diagram，FTD；也可以叫問題樹、缺陷樹或失效樹等)。

在國標(biāo)GB/T 2099.13中，故障樹的定義是：表示產(chǎn)品的哪些組成部分的故障模式或外界事件或它們的組合導(dǎo)致產(chǎn)品的一種給定故障模式的邏輯圖。[GB/T 2099.13-2008 《電工術(shù)語 可信性與服務(wù)質(zhì)量》]

這個定義是比較拗口的，對FTA不是太了解的人，可能讀了幾遍還是不知其所以的，我們再看下GB/T 4888中的故障樹定義。

故障樹，是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，它用前述的事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”。[GB/T 4888-2009 《故障樹名詞術(shù)語和符號》]

這個定義非常清晰，有兩個關(guān)鍵字“邏輯”和“因果”，如果魚骨圖豎起來再加上“邏輯”，實際就變成了簡單的故障樹。

注：“前述的”是指GB/T 4888標(biāo)準(zhǔn)中，將事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號這些概念，放在故障樹之前進行了表述。

什么是故障樹分析FTA

故障樹通過圖形化方式，自上而下逐級建樹并且根據(jù)事件進行關(guān)聯(lián)，用事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。

故障樹分析，以故障樹的形式進行分析的方法。它用于確定哪些組成部分的故障模式或外界事件或它們的組合可能導(dǎo)致產(chǎn)品的一種已給定的故障模式。[GB/T 2099.13-2008 《電工術(shù)語 可信性與服務(wù)質(zhì)量》]

這個定義還是晦澀難懂，實際上故障樹分析就是利用一種故障樹進行圖形化分析的技術(shù)。進行故障分析時，利用故障樹抽絲剝繭，定性分析和定量分析都可以做，直觀明了，邏輯性強。

我們下面從系統(tǒng)設(shè)計、安全工程和根本原因分析幾個方面簡單解釋下：

· 在系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過FTA對可能造成系統(tǒng)故障(事故、失效、風(fēng)險、缺陷、問題等)的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)進行分析，畫出故障樹，從而利用FTA來確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合及其發(fā)生概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性。

FTA是一種系統(tǒng)分析技術(shù)，它從單個的潛在失效模式來識別所有的可能原因，分析系統(tǒng)失誤。FTA考慮的是相互關(guān)聯(lián)的原因以及獨立原因。除了故障樹結(jié)構(gòu)和所有的邏輯關(guān)聯(lián)，通常FTA還包括了失效可能性的識別，從而可以通過零部件(子系統(tǒng))的可靠性來計算系統(tǒng)可靠性。

· 在進行系統(tǒng)安全分析時，利用FTA自上而下、一層層的尋找頂事件的直接原因和間接原因事件，直到基本原因事件，并且把這些事件之間的邏輯關(guān)系表達出來，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測性。

FTA是安全系統(tǒng)工程的主要分析方法之一，安全系統(tǒng)工程的發(fā)展也是以故障樹分析為主要標(biāo)志的。

· 在進行客戶投訴或不合格品等根本原因分析時，通過FTA來尋找不良發(fā)生的原因，即根據(jù)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障或已經(jīng)發(fā)生的故障結(jié)果，尋找與該故障發(fā)生有關(guān)的原因、 條件和規(guī)律， 同時還可以辨識出系統(tǒng)中可能導(dǎo)致故障發(fā)生的風(fēng)險源。

故障樹分析基本符號

故障樹的基本元素是事件和邏輯門。事件用來描述系統(tǒng)和部件故障的狀態(tài)，邏輯門(與AND、或OR等)把事件聯(lián)系起來，表示事件之間的邏輯關(guān)系；

通過故障樹的定義我們知道，在進行故障樹分析時要用到三種符號， 即事件符號， 邏輯門符號， 轉(zhuǎn)移符號。

邏輯門符號

在故障樹分析中邏輯門只描述事件間的邏輯因果關(guān)系。[GB/T 2099.13-2008 《電工術(shù)語 可信性與服務(wù)質(zhì)量》]

有時一個單一的事件可以導(dǎo)致一個頂事件，有時則兩個或更多不同事件的組合可以導(dǎo)致頂事件。

邏輯門符號是由布爾邏輯符號(AND、OR、UNION、NOT等)衍生出來的。它們描述了輸入事件和輸出事件之間的邏輯關(guān)系，并顯示事件如何組合導(dǎo)致故障。每個門只有一個輸出事件，但可以有一個或多個輸入事件。

下面是常用的邏輯門的定義和其符號表示法，讀者們注意不同資料中門符號的圖形表達可能略有差異，符號表達參考下表。

· 與門(AND Gate)：表示僅當(dāng)所有的輸入事件發(fā)生時，輸出事件才會發(fā)生。與門可以有任何數(shù)量的輸入事件。如圖所示，與門有一個圓形的頂部，輸出從頂部出來。

· 優(yōu)先與門(Priority AND Gate；順序與門 Sequential AND Gate)：表示僅當(dāng)輸入事件以規(guī)定的順序發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生。優(yōu)先與門符號，是在與門符號的底部增加了一條線。

· 或門(OR Gate)：表示至少一個輸入事件發(fā)生時，輸出事件就發(fā)生。或門符號有一個尖的上端，即輸出事件出現(xiàn)的地方。另一端是彎曲的，與輸入事件相連，看起來有點像火箭。

· 異或門(Exclusive OR Gate；XOR Gate)：和優(yōu)先與門相反，只有當(dāng)一個輸入事件正好出現(xiàn)時，才會有輸出事件發(fā)生。異或門符號是在標(biāo)準(zhǔn)OR門內(nèi)增加了一個三角形。

· 表決門(k/N；Voting Gate；Combinatorial Gate)：表示僅當(dāng)N個輸入事件中有k個或k個以上的事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生。表決門符號類似于或門，在底端寫有 "k/N"。或門和與門都是表決門的特例，當(dāng)k=1時是或門，當(dāng)k=N時是與門。

· 禁門(Inhibit Gate)：類似于與門，表示僅當(dāng)條件事件發(fā)生時，輸入事件的發(fā)生才導(dǎo)致輸出事件的發(fā)生。其符號是一個六邊形。輸入事件連接在門的正下方，頂部是輸出事件，而條件事件連接在門的右邊。

· 非門(Not Gate)：表示輸出事件是輸人事件的對立事件。

事件符號

條件或動作的發(fā)生稱之為事件。[GB/T 2099.13-2008 《電工術(shù)語 可信性與服務(wù)質(zhì)量》]

事件符號用于表示主要事件和中間事件。 主要事件不會在故障樹上進一步發(fā)展，在門的輸出處可以找到中間事件。

下面簡單描述了故障樹中出現(xiàn)的每個事件符號，簡化起見，下表中的事件符號只有一個輸入和(或)一個輸出。

· 底事件(Bottom Event)：僅導(dǎo)致其他事件的原因事件。底事件位于所討論的故障樹底端，總是某個邏輯門的輸入事件而不是輸出事件。底事件分為基本事件與未探明事件。

· 基本事件(Basic Event，BE)：無須探明其發(fā)生原因的底事件。BE位于故障樹的底端，是頂事件的根本原因事件。基本事件用圓形符號表示，它有一個輸入，但沒有輸出。

· 未探明事件(Underdeveloped Event)：原則上應(yīng)進一步探明其原因但暫時不必或者暫時不能探明其原因的底事件。 發(fā)生的事件不是基本事件，但沒有足夠的信息來發(fā)展一個子樹，這樣的事件被標(biāo)記為未探明事件。未探明事件用菱形表示。

· 結(jié)果事件(Resultant Event)：由其他事件或事件組合所導(dǎo)致的事件。結(jié)果事件總位于某個邏輯門的輸出端結(jié)果，分為頂事件和中間事件，用矩形符號表示。

· 頂事件(Top Event，TE)：所有事件聯(lián)合發(fā)生作用的結(jié)果事件。頂事件位于故障樹的頂端，總是所討論故障樹中邏輯門的輸出事件而不是輸入事作。頂事件用矩形符號表示，它有一個輸出，但沒有輸入。

· 中間事件(Intermediate Event)：位于底事件和頂事件之間的結(jié)果事件。中間事件既是某個邏輯門的輸出事件，同時又是別的邏輯門的輸入事件。BE引起中間事件，而中間事件最終會引起TE。中間事件用矩形表示，它有一個輸入和一個輸出。

· 開關(guān)事件(Switch Event；Trigger Event；Normal Event)：在正常工作條件下必然發(fā)生或必然不發(fā)生的特殊事件。這些事件要么發(fā)生要么不發(fā)生，所以它們的概率分別為1或0。開關(guān)事件用房形符號表示。

· 條件事件(Conditional Event)：描述邏輯門起作用的具體限制的特殊事件。可能出現(xiàn)或可能不出現(xiàn)的事件，當(dāng)給定條件滿足時，這一事件發(fā)生。條件事件是那些作為禁門的條件的事件，用橢圓形符號表示。

轉(zhuǎn)移符號

轉(zhuǎn)移符號是為了避免畫圖時重復(fù)和使圖形簡明而設(shè)置的符號。[GB/T 2099.13-2008 《電工術(shù)語 可信性與服務(wù)質(zhì)量》]

轉(zhuǎn)移符號用于連接相關(guān)故障樹的輸入和輸出。在展開故障樹時，相同內(nèi)容的局部展開可能在多處出現(xiàn)，這時就可以創(chuàng)建一個轉(zhuǎn)移事件，在事件符號的下面標(biāo)上轉(zhuǎn)移符號。這樣我們就可以用一個轉(zhuǎn)移符號代替故障樹的一部分，并在一個單獨的圖上詳細說明接下來的內(nèi)容。

它的作用有兩個：一個是可避免相同的子樹在作圖上的重復(fù)；二是可解決大的故障樹在一張圖紙上畫不開時，作為在不同圖紙上子樹相互銜接的標(biāo)志。

轉(zhuǎn)移符號有兩種，分別是相同轉(zhuǎn)移符號和相似轉(zhuǎn)移符號，用三角形表示。

· 相同轉(zhuǎn)移符號(Identical Transfer Symbol)

下面的圖[a]和[b]所示是一對相同轉(zhuǎn)移符號，用以指明子樹的位置。圖[a]是相同轉(zhuǎn)向(transfer in *)符號，表示“下面轉(zhuǎn)到以字母數(shù)字為代號所指的子樹去”。圖[b]是轉(zhuǎn)此(transfer out *)符號，表示“由具有相同字母數(shù)字的轉(zhuǎn)向符號處轉(zhuǎn)到這里來”。

· 相似轉(zhuǎn)移符號(Similar Transfer Symbol)

下面的圖[c]和[d]所示是一對相似轉(zhuǎn)移符號，用以指明相似子樹的位置。圖[c]是相似轉(zhuǎn)向符號，表示“下面轉(zhuǎn)到以字母數(shù)字為代號所指結(jié)構(gòu)相似而事件標(biāo)號不同的子樹去”，不同的事件標(biāo)號在三角形旁邊注明。圖[d]是相似轉(zhuǎn)此符號，表示“相似轉(zhuǎn)向符號所指子樹與此處子樹相似但事件符號不同”。