故障樹分析

故障樹分析是由上往下的演繹式失效分析法，利用布林邏輯組合低階事件，分析系統中不希望出現的狀態。故障樹分析主要用在安全工程以及可靠度工程的領域，用來瞭解系統的原因，並且找到最好的方式降低風險，或是確認某一安全事故或是特定系統失效的發生率。故障樹分析也用在航空航天、核動力、化工製程、製藥、石化業及其他高風險產業，也會用在其他領域的風險識別，例如社會服務系統的失效。故障樹分析也用在軟體工程，在偵錯時使用，和消除錯誤原因的技術很有關係。在航空航天領域中，更廣泛的詞語「系統失效狀態」用在描述從底層不希望出現的狀態到最頂層失效事件之間的故障樹。這些狀態會依其結果的嚴重性來分類。結果最嚴重的狀態需要最廣泛的故障樹分析來處理。這類的「系統失效狀態」及其分類以往會由機能性的來處理。用途.故障樹分析可以用於：方法論.許多工業及政府的技術標準中都有提到故障樹分析的方法論，包括核能產業的NRC NUREG–0492 、美國國家航空航天局針對航天修改的NUREG–0492版本、針對民用航空器的、軍用的MIL–HDBK–338、IEC標會IEC 61025，故障樹分析已用成許多產業中，也被採納為歐盟標準EN 61025。系統複雜到一個程度，就可能會因為一個或是多個子系統失效而讓整個系統失效。不過整體失效的可能性可以透過系統設計的提昇來降低。故障樹分析利用建置整個系統的邏輯圖示，來找到失效、子系統以及冗餘安全設計元件之間的關係。不想出現的結果會放在失效樹的根，例如金屬沖壓程式中不想要出現的結果是工人的肢體受到沖壓。在最上方事件進行分析後，可以確認有上述事件可能會以二種不同的方式出現：正常操作時以及維修時。這二個在邏輯上的關係是OR。在正常操作的分析可能也可能確認出二種不同的情形：沖壓行程中，傷害到操作員，另一個是沖壓行程中，傷害到其他人。這二個在邏輯上的關係也是OR。可以在設計上改善此一情形，例如修改程式，讓操作員需要用雙手同時按二個按鈕才能啟動沖壓程式，這二個在邏輯上的關係是AND。按鈕本身也有其固有的失效率，這個變成一個可以分析的失效若故障樹上標示了每個失效的實際機率值，可以用電腦程式計算故障樹的失效可能率。若有某個特定事件有出現在結果事件中，也就會它會影響多個子事統，這個稱為共因。若用圖的角度來說，就是一個事件會在故障樹中多次出現。共因會帶來事件之間的相依關係，這種故障樹的機率計算會比所有事件都獨立時的故障樹機率計算要複雜。市面也不是所有故障樹分析的軟體都能進行這類的計算。故障樹一般會用傳統的邏輯閘符號表示，故障樹中從初始事件。有些產業會同時用故障樹及開始，根據可能的系統事件而到一系列的最終結果。每多考慮一個新事件，就要在樹上增加一個節點，再列出各分枝的機率。「最上方事件」的機率就會由各初始事件的機率計算而得。標準的故障樹分析程式包括的CAFTA軟體，美國有許多核電廠使用，美國政府評估核反應堆、太空梭及國際空間站的安全性及可靠則是利用愛達荷國家實驗室的軟體。美國以外的地區，RiskSpectrum是常用的故障樹及事件樹分析工具，世界上幾乎有半數核電廠為了機率安全評估的需求而註冊此軟體使用。符號.故障樹分析的符號可以分為事件、閘以及轉移符號。不同的故障樹分析可能會有一些差異。事件符號.事件符號用來表示主要事件。主要事件在故障樹上不會繼續展開，中間事件會在閘的輸出端出現。其符號如下：主要事件的符號的規則如下：中間事件的閘可以直接接在主要事件的上面，可以保留更多空間作事件的描述。閘符號.閘符號描述輸入及輸出事件的關係，這些符號是衍生自布林邏輯符號。閘運作的方式如下：轉移符號.轉移符號用來連線相關故障樹的輸入及輸出，像是子系統的故障樹及系統的故障樹。基本數學基礎.故障樹分析中的事件和統計學的機率論有關。例如元件失效一般會有固定的失效率 λ。在這個最簡單的例子中，失效機率跟失效率λ 和持續時間t有關：P = 1 - exp(-λt)P ≈ λt, λt &lt; 0.1故障樹分析會根據特定的時間區間來正規化，例如飛行時數或是平均發射時間。事件機率和這段時間內的危害函式有關。傳統的邏輯閘，其輸入及輸出都是二進位制，不是真，但故障樹中的閘輸出機率和邏輯代數中的集合代數有關，閘輸出事件的機率和閘輸入事件的機率有關。及閘表示是獨立事件的組合。及閘中任何一個輸入事件的機率不受其他輸入事件的影響。在集合論的術語中，這等效於輸入事件集合的交集，及閘輸出的機率是：P (A and B) = P (A ∩ B) = P(A) P(B)相反的，或閘表示是兩個輸入事件集合的聯集：P (A or B) = P (A ∪ B) = P(A) + P(B) - P (A ∩ B)因為故障樹分析中的失效機率一般都很小，P (A ∩ B)多半會變成非常小的項次，而或閘一般會假設兩個輸入可以近似為，因此輸出機率會比較簡單：P (A or B) ≈ P(A) + P(B), P (A ∩ B) ≈ 0二個輸入的互斥或閘表示其中只有一個成立的機率：P (A xor B) = P(A) + P(B) - 2P (A ∩ B)因為P (A ∩ B)數值多半很小，互斥或閘近似於或閘，在故障樹分析中不常用到。分析方式.故障樹分析有許多不同進行的方式，不過最常見也最多人使用的方式可以整理成幾個步驟。一個故障樹可以分析一個不想要的事件，也只能分析一個。其結果可以連線到其他的故障樹去，成為基本事件。雖然不想要事件的本質可能有很大的差異，事件可能是發電系統晚了0.25ms發電，未檢測到的貨艙失火，或是洲際飛彈隨機的意外發射等，但其故障樹分析的程式都相同。因為人力成本的考量，一般只會對不想要事件中最嚴重的進行故障樹分析。故障樹分析可以分為五個步驟：和其他分析方式的比較.故障樹分析是演繹推理，是從上到下的方式，分析複雜系統初始失效及事件的影響。故障樹分析恰好和失效模式與影響分析作為兩者的介面。其他可以取代故障樹分析的分析方式有的機率，而不是不想要事件發生的機率。歷史.故障樹分析的發射控制系統。之後故障樹分析開始成為可靠度分析者進行失效分析的工具。1962年義勇兵一型洲際彈道飛彈的發射控制安全研究，第一次公佈使用故障樹分析技術，之後波音及在1963年至1964年開始將故障樹分析用在義勇兵二型的完全系統上。在1965年由波音及華盛頓大學贊助，在西雅圖進行系統安全研討會中，廣泛的報導了故障樹分析的相關技術。波音公司在1966年開始將故障樹分析用在民航機的設計上。之後，美國軍方的在1960及1970年代開始將故障樹分析用在引線的應用上。美國陸軍裝備司令部在1976年代開始將故障樹分析整合到可靠度設計工程設計手冊中。的可靠度分析中心以及後續在美國國防技術資訊中心下的組織自1960年代起出版了故障樹分析及可靠度方塊圖的檔案。MIL-HDBK-338B中有更近期的美國聯邦航空管理局在1970年在聯邦公報35 FR 5665中釋出了14 CFR 25.1309的修訂，是針對航空器的規定。這項修訂採用了及裝置的失效機率準則，因此民航機業者開始普遍使用故障樹分析。FAA在1998年發行了Order 8040.4，建了包括危害分析在內的風險管理政策，包括了在飛機透過認證之後的許多關鍵活動，包括航空交通管制及的現代化，後來美國聯邦航空管理局也出版了FAA系統安全手冊，其中描述了許多正式危害分析的方式，其中也包括了FTA的使用。在美國的阿波羅計劃初期，就已經針對將太空人送到月球，並且平安返回地球的可能機率進行分析。根據一些風險在系統安全及可靠度分析上的重要性，開始廣為使用，後來故障樹分析變成最重要的系統可靠度及安全分析技術之一。在核能產業中，美國核能管理委員會在1975年開始使用包括故障樹分析在內的，在1979年的三哩島核洩漏事故後，大幅擴充套件了機率風險評估的相關研究。最後美國核能管理委員會在1981年出版了NRC Fault Tree Handbook NUREG–0492，也在核能管理委員會管轄的範圍內強制使用機率風險評估技術。在1984年博帕爾事件及1988年爆炸等工安事件後，美國勞工部 (OSHA) 在1992年在釋出了聯邦公報57 FR 6356的一種可行作法。目前在系統安全及可靠度分析中廣為使用故障樹分析，故障樹分析也應用在所有主要的工程領域中。