Дерево отказов анализ надежности

Анализ дерева отказов (Fault Tree Analysis, FTA) начинается с определения нежелательного события верхнего уровня (вершины дерева отказов) и затем логически декомпозируется до так называемых элементарных (базовых) событий (отказов) нижнего уровня, которые лежат в основе причин наступления ключевого нежелательного события. Базовые события (отказы) – это события уровня, ниже которого анализ не проводится, т.к., либо они, действительно, сами по своей природе являются причиной произошедшего, либо их при анализе определяют, как базовые, по другим причинам.

Сведения о базовых (элементарных) событиях получают:

на основе анализа типов или последствий отказов компонентов системы нижнего уровня методом FMEA,
анализируя результаты расчётов наработок на отказ (MTBF).

Событие, являющееся вершиной дерева отказов, обычно определяется на основании результатов ранее проведенного анализа видов, последствий и критичности отказов (FME[C]A). Реальная система может иметь много вариантов последствий отказов (т.е. FME[C]A-анализ может давать несколько вариантов последствий отказов с высокой степенью критичности). Таким образом, принимая во внимание то обстоятельство, что дерево отказов даёт возможность анализировать единовременно только одно событие, являющееся его вершиной, возникает необходимость построения нескольких деревьев отказов — для каждого события-вершины, последствия которого являются критичными для системы.

Можно предположить, что применение методологии FMEA является достаточным инструментом для моделирования и демонстрации надежности системы. Однако, метод FMEA в общих чертах является библиотекой всех возможных потенциальных отказов и их последствий, тогда как методология анализа дерева отказов (FTA) позволяет детально проанализировать логические и временные связи, ведущие к событию отказа, принятому за вершину дерева. Таким образом, моделирование методом FTA помогает точно продемонстрировать, что вероятность наступления нежелательного события (вершины дерева) лежит ниже заданного предельного уровня, что невозможно применением только методологии FMEA.

Например, анализ видов и последствий отказов (FMEA) может давать понимание того, что в случае короткого замыкания резистора или пробоя конденсатора произойдет глобальный отказ системы. Анализ же дерева отказов (FTA) такой системы даст ещё и понимание того, что отказ только одного из этих двух элементов (резистора или конденсатора) не приведёт к глобальному отказу системы, для наступления которого необходим одновременный отказ обоих элементов. В реальной же жизни ситуация может быть ещё гораздо более сложной. Таким образом, констатируем, что анализ надёжности системы до такого уровня детализации только методом FMEA — невозможен.

Именно благодаря возможности сфокусировать внимание на конкретном (нежелательном) событии-вершине методология анализа надежности системы методом построения дерева отказов является наиболее широко используемой в областях, где требования к безопасности функционирования системы являются чрезвычайно высокими.

Методология анализа дерева отказов (FTA) по своей сути является достаточно очевидной для понимания и применения, поэтому для неё не существует большого числа доступных стандартов. Однако, например, стандарт NUREG-0492 может быть хорошей отправной точкой для знакомства с методологией Fault Tree Analysis.

Источник

8.3. Построение дерева отказов

Дерево отказов — это топологическая модель надежности и безопасности, которая отражает логико-вероятностные взаимосвязи между отдельными случайными исходными событиями в виде первичных отказов или результирующих отказов, совокупность которых приводит к главному анализируемому событию [2]. Таким образом, дерево отказов — это ориентировочный граф в виде дерева.

Основной целью построения дерева неисправностей является символическое представление существующих в системе условий, способных вызвать ее отказ. Кроме того, построенное дерево позволяет показать в явном виде слабые места системы и является наглядным средством представления и обоснования принимаемых решений, а также средством исследования компромиссных соотношений или установления степени соответствия конструкции системы заданным требованиям.

Выделяют пять типов вершин дерева отказов (ДО):

вершины, отображающие первичные отказы;
вершины, отображающие результирующие или вторичные отказы;
вершины, отображающие локальные отказы, которые не влияют на возникновение других отказов;
вершины, соответствующие операции логического объединения случайных событий (типа ”ИЛИ ”);
вершины, соответствующие операции логического произведения случайных событий (типа ”И”).

Каждой вершине ДО, отображающей первичный или результирующий отказ, соответствует определенная вероятность возникновения отказа. Одним из основных преимуществ ДО является то, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов систем и событий, которые приводят к постулируемому отказу или аварии. Чтобы определить вероятность отказа, необходимо найти аварийные сочетания, для чего необходимо произвести качественный и количественный анализ дерева отказов.

Структура дерева отказа включает одно головное событие (аварию, инцидент), которое соединяется с набором соответствующих нижестоящих событии (ошибок, отказов, неблагоприятных внешний воздействий), образующих причинные цепи (сценарии аварий). Для связи между событиями в узлах деревьев используются знаки «И» и «ИЛИ». Логический знак «И» означает, что вышестоящее событие возникает при одновременном наступлении нижестоящих событий (соответствует перемножению их вероятностей для оценки вероятности вышестоящего события). Знак «ИЛИ» означает, что вышестоящее событие может произойти вследствие возникновения одного из нижестоящих событий.

Обычно предполагается, что исследователь, прежде чем приступить к построению дерева неисправностей, тщательно изучает систему. Поэтому описание системы должно быть частью документации, составленной в ходе такого изучения.

В зависимости от конкретных целей анализа дерева неисправностей для построения последнего специалисты по надежности обычно используют либо метод первичных отказов, либо метод вторичных отказов, либо метод инициированных отказов.

Метод первичных отказов. Отказ элемента называется первичным, если он происходит в расчетных условиях функционирования системы. Построение дерева неисправностей на основе учета лишь первичных отказов не представляет большой сложности, так как дерево строится только до той точки, где идентифицируемые первичные отказы элементов вызывают отказ системы. Для иллюстрации этого метода рассмотрим следующий пример.

Пример 8.1. Требуется построить дерево неисправностей для простой системы — комнаты, в которой имеются выключатель и электрическая лампочка. Считается, что отказ выключателя состоит лишь в том, что он не замыкается, а завершающим событием является отсутствие освещения в комнате [2].

Дерево неисправностей для этой системы показано на рис 8.1. Основными, или первичными, событиями дерева неисправностей являются отказ источника питания «Е₁» , отказ предохранителя «E₂» , отказ выключателя «Е₃» и перегорание лампочки «Е₄» .

Промежуточным событием является прекращение подачи электроэнергии. Наибольший интерес представляет завершающее событие — «отсутствие света в комнате», и поэтому именно ему уделяется основное внимание при анализе. Дерево неисправностей, изображенное на рис. 8.1, показывает, что исходные события представляют собой входы схем ИЛИ: при наступлении любого из четырех первичных событий «Е₁», «E₂», «Е₃», «Е₄» осуществляется завершающее событие (отсутствие света в комнате).

Рис. 8.1. Дерево неисправностей для случая первичных отказов.

Метод вторичных отказов. Чтобы анализ охватывал и вторичные отказы, требуется более глубокое исследование системы. При этом анализ выходит за рамки рассмотрения системы на уровне отказов ее основных элементов, поскольку вторичные отказы вызываются неблагоприятным воздействием окружающих условий или чрезмерными нагрузками на элементы системы в процессе эксплуатации.

Пример 8.2. На рис 8.2 показано простое дерево неисправностей с завершающим событием — прекращение выработки электроэнергии генератором. Дерево отказов отображает такие первичные события, как отказ выключателя (отсутствие замыкания), неисправности внутренних цепей двигателя, источника питания и предохранителя. Вторичные отказы изображаются прямоугольником как промежуточное событие [2].

Вторичные отказы, изображенные на рис. 8.2, происходят вследствие неудовлетворительного технического обслуживания, неблагоприятного воздействия внешней среды, стихийного бедствия и т. д.

Метод инициированных отказов. Подобные отказы возникают при правильном использовании элемента, но в неустановленное время или в неположенном месте. Другими словами, инициированные отказы — это сбои операций координации событий на различных уровнях дерева неисправностей: от первичных отказов до завершающего события (нежелательного либо конечного).

вследствие аномальных условий

Источник