工程師筆記本-亨利

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故障樹分析圖

故障樹(fault trees)技術由於對於繁複系統具有多層面的分析,所以獲得人們相當的重視。這種技術是由貝爾電話實驗是華特森開發出來,用以分析飛彈發射管制系統,其後又經該實驗室研究小組加以改進。其後故障樹技術由赫索領導在波音航空公司加以實施。1965年在西雅圖華盛頓大學舉行的安全研討會議中曾提出樹篇有關故障樹分析論文,這可算是一個轉捩點。此後經不少專家的努力,使此種技術得有更大的進步。 故障樹分析的一般程序:進行故障樹分析時,一般遵循的步驟如下: 1. 確定系統中不希望發生的事件,亦即所謂最終事件(top event)。 2. 通盤了解整個系統及其預定用途。 3. 找出導致系統故障的原因,並確定高階層的操作事件。另外在進行故障事件分析中,更要確定低階層事件相互關係所產生的影響。 4. 完成1至3步驟後,會出各輸入故障事件關係的故障樹圖。所有事件必須為明確的基本事件,而故障情形也必須相互獨立。為求解最終事件的計量值,必須對於基本事件的故障機率、不可用度、故障率、修復率等有關數據先予擬定,同時還要確保故障樹不得有重複部分。對於故障樹分析嚴密而有系統的工作步驟,應具備下列各項: 1. 全系統的確定:在故障樹分析中對於全系統的確定工作非常困難,通常一個系統是以功能佈置圖來表示,圖中說明各組件間功能關係。在繪製故障樹時最重要的是先建立整個系統的範圍,同時仍必須注意此項範圍不可與實物的範圍有所混淆。故障樹中最重要的一向範圍就中不良事件,這也就是系統的主要故障。同時為了使別人對於故障樹能充分了解,必須將全系統及故障樹所有假設情況逐項列明。 2. 故障樹的繪製:故障樹繪製的主要目的,就是以圖形表示系統故障的原因,另外一可藉此圖形正確的看出系統缺點的所在。此種圖形亦可作為視覺的工具,用以溝通與協助達成設計因素的互換與系統的充實。通常分析這在進行繪製系統故障樹以前應對系統能有全盤的了解。為提高故障樹的功能,分析檔案中應包括有關系統的說明。一般繪製故障樹的方式有下列三種: ※基本故障法(primary failure technique):一個組件在設計規格範圍內如不能達成任務,則稱為基本故障(basic or primary fault)。僅利用基本故障繪製故障樹較為簡單,因為只要確定組件的基本故障就可以完成故障樹的工作。 ※ 二級故障法(secondary failure technique):包括二級故障的故障樹分析,必須對整個系統有更深入的了解,故障樹的分析工作也遠超過基本故障的階層。二級故障的產生主要是因為組件受到過度的環境條件或過大的操作應力。 ※ 操作故障法(commanded failure technique):所謂操作是指操作時間或地點不當而引起的故障。此類故障在各階層都可能因操作失調而發生。最常見的實例是對於電動裝置如馬達或轉換器給予一個錯誤的訊息。 3. 故障樹質的分析:此法主要利用最小斷路集合。斷路集合的定義是指導致不良事件的基本故障集合,如斷路集合不能在與簡化但仍可使不良事件發生,則此項集合稱為最小斷路集合。求解最小斷路集合是非常繁瑣的工作,因此必須藉助電算機處理。 4. 故障樹的計量分析:故障樹的計量分析主要是有關最終事件的可靠度數據,例如故障機率、故障率或修復率。首先要核計組件的參數,其次再算要徑,最後為最終事件。對於故障樹的計量分析,一般所使用的方法有以下兩種: ※ 蒙地卡羅模擬法(Monte Carlo simulation method):蒙地卡羅模擬法是利用電算機進行故障樹的模擬。一般故障樹模擬常是模擬數千年或數百萬年工作紀錄的資料。電算機模擬故障樹的主要步驟如下: ◎ 對於基本事件故障數據的擬定。 ◎ 將整個故障樹資料輸入電算機。 ◎ 列出導致最終事件的故障情況以及相關的最小斷路集合。 ◎ 計算最終結果。 ※ 數值分析法(analytical solution approach):直接進行計量分析所採用的分析法。 故障樹分析技術的優點與缺點:優點: 1. 對於系統型態內部有深刻的顯示。 2. 使可靠度分析師對於整個系統必須有全盤的了解,而對於每個特別故障都需分別處理。 3. 可逐步導出故障事項。 4. 對於設計工程師、使用者或管理階層提供一個視覺上的工具,作為修改設計或有關因素互換的因素。 5. 對於可靠度無論在質的分析或計量分析方面,都有很好的貢獻。 6. 此項分析技術系統由為簡捷有效。 缺點: 1. 此項技術的成本較高,耗時亦久。 2. 所得結果不易核校。 3. 此法通常對於系統中組件只考慮妥善與故障兩種狀態,對於可能部分故障(partial failure)的組件應用困難。 4. 故障樹中如含有備用件或可修的優先閘,即很難得到求解通式。 5. 如包括多種共因故障在內,求解將極為不易。
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