Построение схемы дерева отказов

Задание: С помощью использования символов событий, символов элементов и элементов передачи построить дерево отказов (индивидуальное задание выдается преподавателем)

Анализ дерева отказов (АДО) – метод анализа отказов сложных систем, в котором нежелательные состояния или отказы системы анализируются с помощью различных методов булевой алгебры, объединяя последовательность нижестоящих событий (отказов низшего уровня), которые приводят к отказу всей системы.

Анализ дерева отказов интенсивно используется в различных отраслях, связанных с высокой степенью риска, чтобы понять, как система может выйти из строя, выявить способ уменьшения рисков или определения частоты системного отказа.

Тщательному анализу причин отказов и выработке мероприятий, наиболее эффективных для их устранения, способствует построение дерева отказов и неработоспособных состояний. Такой анализ проводят для каждого периода функционирования, каждой части или системы в целом.

Дерево отказов (аварий, происшествий, последствий, нежелательных событий, несчастных случаев и пр.) лежит в основе логико-вероятностной модели причинно-следственных связей отказов системы с отказами ее элементов и другими событиями (воздействиями); при анализе возникновения отказа состоит из последовательностей и комбинаций нарушений и неисправностей, и таким образом оно представляет собой многоуровневую графологическую структуру причинных взаимосвязей, полученных в результате прослеживания опасных ситуаций в обратном порядке, для того чтобы отыскать возможные причины их возникновения (рис. 9.1).

 

Рис. 9.1. Граф дерева отказов

 

Ценность дерева отказов заключается в следующем:

- анализ ориентируется на нахождение отказов;

- позволяет показать в явном виде ненадежные места;

- обеспечивается графикой и представляет наглядный материал для той части работников, которые принимают участие в обслуживании системы;

- дает возможность выполнять качественный или количественный анализ надежности системы;

- метод позволяет специалистам поочередно сосредотачиваться на отдельных конкретных отказах системы;

- обеспечивает глубокое представление о поведении системы и проникновение в процесс ее работы;

- являются средством общения специалистов, поскольку они представлены в четкой наглядной форме;

 

- помогает дедуктивно выявлять отказы;

- дает конструкторам, пользователям и руководителям возможность наглядного обоснования конструктивных изменений или установления степени соответствия конструкции системы заданным требованиям и анализа компромиссных решений;

- облегчает анализ надежности сложных систем.

Главное преимущество дерева отказов (по сравнению с другими методами) заключается в том, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов системы и событий, которые приводят к данному конкретному отказу системы или аварии.

 

Недостатки дерева отказов состоят в следующем:

- реализация метода требует значительных затрат средств и времени;

- дерево отказов представляет собой схему булевой логики, на которой показывают только два состояния: рабочее и отказавшее;

- трудно учесть состояние частичного отказа элементов, поскольку при использовании метода, как правило, считают, что система находится либо в исправном состоянии, либо в состоянии отказа;

- трудности в общем случае аналитического решения для деревьев, содержащие резервные узлы и восстанавливаемые узлы с приоритетами, не говоря уже о тех значительных усилиях, которые требуются для охвата всех видов множественных отказов;

- требует от специалистов по надежности глубокого понимания системы и конкретного рассмотрения каждый раз только одного определенного отказа;

- дерево отказов описывает систему в определенный момент времени (обычно в установившемся режиме), и последовательности событий могут быть показаны с большим трудом, иногда это оказывается невозможным. Это справедливо для систем, имеющих сложные контуры регулирования.

Условия отказа классифицируются по тяжести последствий. Наиболее тяжелые условия требуют наиболее обширного анализа дерева отказов.

Эти «условия отказа системы» и их классификация часто предварительно определяются в функциональном анализе опасностей и рисков возникновения отказов.

Так как ни одна система не совершенна, имеем дело с неисправностью подсистем. Любая работающая система в конечном итоге будет иметь неисправность в каком-нибудь месте. Однако вероятность полного или частичного успеха выше полной или частичной неисправности. Проведение АДО, таким образом, не так утомительно, как, например,  построение дерева успехов.

Поскольку АДО для всей системы может быть дорогостоящим и громоздким, разумный метод заключается в рассмотрении подсистем. Таким образом, решение небольшими системами может обеспечить меньшую вероятность ошибки работы, меньше системного анализа. После этого подсистемы интегрируются для образования хорошо проанализированной большой системы.

Нежелательное последствие берется в качестве корневого («главное событие») дерева логики. Логика для того, чтобы добраться до верхнего события может быть разнообразной.

Один из типов анализа, который может помочь - функциональный анализ опасности, основанный на опыте. Там должно быть только одно главное событие, и все задачи дерева должны идти вниз от него.

Затем каждая ситуация, которая может привести к такому эффекту, добавляется к дереву в виде серии логических выражений. Когда деревья отказов помечены реальными цифрами о вероятности неудачи, компьютерные программы могут вычислить вероятности неисправности из дерева неисправностей.

Дерево, как правило, написано с использованием обычных логических символов. Маршрут между событием и инициатором события называется сечением. Самый короткий путь от неисправности до исходного события называется минимальное сечение.

Некоторые отрасли промышленности используют как деревья отказов, так и деревья событий. Событие дерева начинается от нежелательного инициатора (потеря критического питания, отказа компонентов и т.д.) и следует возможным дальнейшим событиям системы через ряд окончательных последствий.

Новый узел на дереве добавляет, разделяет вероятность, таким образом последовательно может быть обнаружена вероятность ряда верхних событий, связанных с исходным.

Основные символы, используемые при построении дерева отказов, делятся на символы событий, элементов и передачи (табл. 9.1).

Символы событий используются для первичных и промежуточных событий. Первичные события далее не развиваются на дереве отказов. Промежуточные события находятся на выходе элементов.

Таблица 9.1

Основные символы, используемые при построении дерева отказов

Символы	Название	Причинная взаимосвязь
Символы событий – элементарные блоки, обозначающие события
	Основное событие	Сбой или ошибка в компоненте системы или элементе (например: выключатель заклинило в открытом положении). Исходные события – предпосылки, обеспеченные достаточными эмпирическими данными. Основное событие не требует дальнейшего исследования.
	Внешнее событие	Обычно ожидается (само по себе не ошибка).
	Неразвитое событие	Событие, о котором не имеется достаточной информации или которое не имеет никакого значения.
	Принадлежность события	Условия, которые ограничивают или влияют на логические элементы.
	Промежуточное событие	Можно использовать непосредственно над первичным событием, чтобы обеспечить больше места для ввода описания события. АДО использует движение сверху вниз. Прямоугольник используется для обозначения рассматриваемого в анализе события. Это событие анализируется в дальнейшем, оно вводится логическим элементом.
Символы элементов – описывают отношения между входными и выходными событиями
	Элемент «ИЛИ»	Выходное событие происходит, если есть любое входное событие.
	Элемент «И»	Выходное событие происходит только тогда, когда происходят все входные (входы независимы).
	Исключительный элемент «ИЛИ»	Выходное событие происходит, если происходит только одно входное событие
	Приоритетный элемент «И»	Выход происходит, если входы происходят в определённой последовательности указанного события
	Блокирующий элемент	Выход происходит, если вход происходит при благоприятных условиях для указанного события
Элементы передачи – используются для соединения входов и выходов соответствующих деревьев отказов, таких как дерево отказов подсистемы в своей системе
	Вход
	Выход

События в дереве отказов связаны со статистической вероятностью, иными словами, вероятность каждого события оценивается на практике. Например, сбои в работе компонентов, как правило, происходят с некоторой постоянной интенсивностью. В этом простейшем случае вероятность отказа зависит от интенсивности, времени и описывается экспоненциальным законом.

Дерево отказов часто нормировано на заданном временном интервале, например, час выполнения работы или среднее время. Вероятность события зависит от отношения функции опасности к данному интервалу.

В отличие от обычных диаграмм логических символов, в которых входы и выходы принимают двоичные значения (Правда – 1, ложь – 0), символы вероятности выходного события дерева отказов связаны с набором операций булевой логики. Вероятность выходного события зависит от вероятности события входа.

АДО включает 5 шагов:

1. Определить нежелательное событие. Определение нежелательного события может быть очень трудным, хотя некоторые события просты и очевидны для наблюдения.

Инженер с широким знанием конструкций системы или системный аналитик с техническим образованием является лучшим человеком для определения и подсчета нежелательных событий. Нежелательное событие используется для построения дерева отказов, одно событие для одного дерева. Никакие 2 события не могут быть использованы для построения одного дерева отказов.

2. Углубленное понимание причин. После того как нежелательное событие выбрано, все причины, которые влияют на нежелательное событие, с вероятностями 0 и более изучаются и анализируются. Получение точной цифры для вероятностей приводит к событию, которое обычно невозможно по причине того, что предсказать его может быть очень дорого и затратно по времени. Компьютерное программное обеспечение используется для изучения вероятностей, что позволяет снизить стоимость системного анализа. Системный анализ может помочь в понимании всей системы. Разработчики систем располагали полной информацией о системе, и это знание очень важно для того, чтобы не пропустить причины, влияющие на нежелательное событие. Для выбранного события все причины нумеруются, затем группируются в порядке появления и используются для следующего шага, который рисует и выстраивает дерево отказов.

3. Построение дерева отказов на основе изученных причин. После выбора нежелательного события и анализа системы, такого, что мы знаем все вызываемые эффекты (и возможно их вероятности), мы можем построить дерево отказов. Дерево отказов основано на символах «И» и «ИЛИ», определяющих основные характеристики дерева неисправностей.

4. Оценка дерева отказов. После того, как дерево отказов было собрано для определенного нежелательного события, оно оценивается и анализируется на предмет возможного улучшения или, другими словами, провести анализ рисков и найти пути улучшения системы. Этот этап является подготовительным для заключительного шага анализа, который будет контролировать идентификацию опасности. Итак, на этом этапе мы выявляем все возможные опасности, прямо или косвенно влияющие на систему.

5. Контроль определения опасности. Этот шаг очень специфичный и отличается для различных систем, но главное то, что после идентификации опасности последуют методы для уменьшения вероятности возникновения.

Логический символ (знак) может иметь один или несколько входов, но только один выход, или выходное событие.

Главное преимущество модели типа «дерево» заключается в том, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов и событий, которые приводят к данному конкретному отказу системы или аварии. Модель в форме дерева отказов обычно включает одно ГОЛОВНОЕ СОБЫТИЕ, которое соединяется с помощью конкретных логических условий с промежуточными и исходными событиями-предпосылками, обусловившими в совокупности его появление.

Головное событие такого «дерева» представляет собой исследуемую аварию, несчастный случай или катастрофу, а его «ветвями» служат наборы соответствующих событий-предпосылок – их причинные цепи.

«Листья» дерева отказов – исходные события-предпосылки (ошибки, отказы и неблагоприятные внешние воздействия), дальнейшая детализация которых нецелесообразна.

Процесс появления конкретного происшествия представлен данной моделью как прохождение некоторого сигнала от исходных событий-предпосылок, инициирующих причинную цепь, к головному событию.

На рис. 9.2 показан пример дерева опасности пожара в помещении, который произойдет из-за неосторожного обращения с огнем при отсутствии или отказе огнетушителя. Будем считать, что вероятности этих событий нам известны.

 

 

Рис. 9.2. Пример дерева опасности

 

Более строгий и систематический анализ предусматривает выполнение таких процедур, как: 1 – определение границ системы, 2 – построение дерева неисправностей, 3 – качественная оценка, 4 – количественная оценка.

 

Основой построения дерева отказов является символьное представление существующих в системе условий - событий, способных вызвать отказ. При построении ДО учитывают и используют следующие основные виды событий:

- результирующее событие - нежелательное событие (конкретный вид отказа системы из перечня возможных отказов), анализ которого проводится;

- промежуточное событие - сложное событие с логическим оператором, являющееся одной из возможных причин результирующего события. Его выявляют в ходе анализа причин результирующего события и подвергают дальнейшему анализу;

- базовое событие - простое исходное событие, означающее первичный отказ, которое дальше не анализируется в связи с определенностью и наличием достаточного числа данных;

- неполное событие - недостаточно детально разработанное событие, которое дальше не анализируется, из-за невозможности или отсутствия необходимости проведения его анализа;

Исходными событиями при построении ДО являются перечни возможных видов событий - отказов и их причин, нерасчетные значения внешних воздействующих факторов и др. Соответственно, каждому виду события и оператора присваиваются символы, которые используются для графического построения дерева отказов. Логические символы связывают события в соответствии с их причинными взаимосвязями.

 

Построение дерева и анализ исследуемого объекта с его использованием производят следующим образом.

1. Определяют аварийное (предельно опасное, конечное) событие, которое образует вершину дерева. Данное событие четко формулируют, оговаривают условия его появления, дают признаки его точного распознания. Например, к таким событиям относятся: разрыв трубопровода, пожар, выход реакции из-под контроля и др. Определяют возможные первичные и вторичные отказы, которые могут вызвать головное событие, рассматривают их комбинации.

2. Используя стандартные символы событий и логические символы (табл. 9.1), дерево строят в соответствии со следующими правилами:

а) конечное (аварийное) событие помещают вверху (уровень 1);

б) дерево состоит из последовательности событий, которые ведут к конечному событию;

в) последовательности событий образуются с помощью логических знаков И, ИЛИ и др.;

г) событие над логическим знаком помещают в прямоугольнике, а само событие описывают в этом прямоугольнике;

д) первичные события (исходные причины) располагают снизу.

3. Квалифицированные эксперты проверяют правильность построения дерева. Это позволяет исключить субъективные ошибки разработчика, повысить точность и полноту описания объекта и его действия.

4. Определяют минимальные аварийные сочетания и минимальную траекторию для построенного дерева. Первичные и неразлагаемые события соединяются с событиями первого уровня маршрутами (ветвями). Сложное дерево имеет различные наборы исходных событий, при которых достигается событие в вершине, они называются аварийными сочетаниями (сечениями) или прерывающими совокупностями событий. Минимальным аварийным сочетанием (МАС) называют наименьший набор исходных событий, при которых возникает событие в вершине. Полная совокупность МАС дерева представляет собой все варианты сочетаний событий, при которых может возникнуть авария. Минимальная траектория - наименьшая группа событий, при появлении которых происходит авария.

5. Качественно и количественно исследуют дерево аварий с помощью выделенных минимальных аварийных сочетаний и траекторий. Качественный анализ заключается в сопоставлении различных маршрутов и начальных событий к конечному и определении критических (наиболее опасных) путей, приводящих к аварии. При количественном исследовании рассчитывают вероятность появления аварии в течении задаваемого промежутка времени по всем возможным маршрутам.

6. Разрабатывают рекомендации по введению изменений в объекте, системах контроля и управления для улучшения показателей безаварийности.

В зависимости от конкретных целей анализа, деревья могут быть построены для любых видов отказов - первичных, вторичных и инициированных отказов.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415

Поделиться: