Метод деревьев отказов

Дерево отказов (аварий, происшествий, последствий, нежелательных событий 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, дерево отказов 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. 1. Условная схема построения дерева отказов

Преимущества и недостатки метода.

В этом способе реализован дедуктивный метод (причины - следствия), что наделяет метод самыми серьезными возможностями по поиску корневых причин событий для статичных систем, так как дает наглядную и подробную схему взаимосвязей элементов инфраструктуры и событий, влияющих на их надежность.

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 ИТ специалистов, 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, так как увеличение детальности рассматриваемой инфраструктуры приводит к геометрическому увеличению числа влияющих событий;

· 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, в таких случаях, как правило, обращаются к методам, основанным на стохастических (случайных) процессах.

Чтобы отыскать и наглядно представить причинную взаимосвязь с помощью дерева отказов, необходимы элементарные блоки, подразделяющие и связывающие большое число событий. Имеется два типа блоков: логические символы (знаки) и символы событий.

Логические символы.

Логические символы (знаки) связывают события в соответствии с их причинными взаимосвязями.

Табл.1

Таблица логических символов

№	Логический символ	Название	Причинная взаимосвязь
		И	Выходное событие происходит, если все входные события случаются одновременно
		ИЛИ	Выходное событие происходит, если случается любое из входных событий
		Запрет	Наличие входа вызывает наличие выхода тогда, когда происходит условное событие
		Приоритетное И	Выходное событие случается, если все входные события происходят в нужном порядке слева направо
		Исключающее ИЛИ	Выходное событие случается, если случается одно (но только одно) из выходных событий
		"m из n" (голосования или выборки)	Выходное событие случается, если случается m из n входных событий

Символы событий.

Табл.2

Таблица символов событий

№	Символ события	Содержание события
		Исходное событие, обеспеченное достаточными данными
		Событие, разобранное недостаточно детально
		Событие, вводимое логическим элементом
		Условное событие, используемое с логическим знаком «запрет»
		Событие, которое может произойти или не произойти (когда этот символ включают в дерево отказов, предполагают, что данное событие обязательно происходит, и возникает противоположная ситуация, когда его исключают)
		Символ перехода

FTA включает 7 основных шагов:

1. Определение области анализа

Определение области анализа должно включать формулировку анализируемой цели, определение глубины анализа и основных предположений относительно условий обслуживания, эффективности системы при всех возможных условиях ее использования

2. Описание системы

Располагать полной информацией о системе очень важно для того, чтобы не пропустить причины, влияющие на нежелательное событие. Однако некоторые системы могут быть слишком сложны, чтобы быть полностью понятыми одним человеком. В этом случае получение необходимых специализированных знаний о системе должно включаться как соответствующий элемент анализа дерева неисправностей.

3. Определение нежелательного события (вершины событий)

Вершина событий определяет начало или наличие опасного состояния или неспособность системы обеспечивать желательную эффективность.

Определение нежелательного события может оказаться трудной задачей, хотя некоторые события просты и очевидны для наблюдения.

Для экспертной оценки, определения и подсчета нежелательных событий необходим персонал с достаточной квалификацией: инженер с широким знанием конструкции системы или системный аналитик с техническим образованием. Нежелательное событие используется для построения дерева отказов, одно событие для одного дерева.

4. Углубленное понимание причин.

После того как нежелательное событие выбрано, все причины, которые влияют на это событие, с вероятностями 0 и более изучаются и анализируются.

Получение точной цифры для вероятностей практически невозможно по причине очень долгих вычислений. Чтобы снизить время системного анализа используется компьютерное программное обеспечение.

Развитие отдельной ветви дерева неисправностей заканчивается после того, как достигнуты события хотя бы одной из следующих групп:

· основные события - независимые события, для которых подходящие для их описания характеристики могут быть определены отличными от дерева неисправностей способами;

· события, которые не должны разрабатываться далее по решению аналитиков;

· события, которые были или будут рассмотрены в дальнейшем в другом дереве неисправностей. Если событие исследовано, оно должно иметь ту же идентификацию, что и соответствующее событие в предыдущем дереве неисправностей так, чтобы последующее дерево эффективно формировало продолжение предыдущего.

Для выбранного события все причины нумеруются, затем группируются в порядке появления и используются для следующего шага.

5. Построение дерева отказов на основе изученных причин.

После выбора нежелательного события и анализа системы, после которого 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.

6. Оценка дерева отказов

После того, как дерево отказов было построено для определенного нежелательного события, оно оценивается и анализируется на предмет возможного улучшения или, другими словами, проводится анализ рисков и ищутся 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.

7. Контроль определения опасности

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

Рис. 2. Структурная схема дерева событий

В схемах электроснабжения отказами системы являются погашение одного или нескольких узлов питания потребителей (секции шин или сборки), кратковременные (на время оперативных переключений, до 30 минут) и длительные (на время аварийного ремонта или замены оборудования). Кроме элементарных событий к погашениям может также привести отказ коммутационного аппарата во включении резервного элемента или отключении поврежденного.

Использование дерева отказов возможно только в тех случаях, когда число различных видов отказов системы не так велико. Этот метод широко используется при исследовании надежности систем атомных электростанций.

Также надежность системы передачи электроэнергии в большой степени зависит от производительности системы релейной защиты. Совершенствование надежности защиты ЛЭП повышает надежность сети электропередачи в целом.

Рассмотрим практический пример развития диаграммы дерева отказов для защит ЛЭП 132 кВ длиною в 150 км в северной Нигерии. ЛЭП Кано-Канкиа питается через две 132-х кВ шины, что обеспечивает гибкость в оперативном управлении и возможность резервной защиты системы. Данная ЛЭП очень важна для поставки электроэнергии сталепрокатному заводу в Катсине, а также другим потребителям. Что более существенно – это международная ЛЭП, которая передает энергию в Газаоуа, Республика Нигер. Это радиальная ЛЭП с нагрузкой около 30 МВА, включая нагрузку Газаоуа (Республика Нигер).

Рис. 3. Географическое расположение ЛЭП Кано-Канкия

Дистанционная защита линии обеспечивает резервную защиту и защиту от междуфазных КЗ, многофазных КЗ на землю и однофазных КЗ на землю. В схеме защиты применены электромеханические реле типа Сименс, которые позволяют первой ступени защиты обеспечить защиту до 80% линии без выдержки времени (основывается на полном сопротивлении линии). 2-я ступень защищает оставшиеся 20% ЛЭП и часть следующего объекта. 3-я ступень обладает наибольшей выдержкой времени и предназначена для максимального резервирования (с сопротивлением срабатывания в 1,2 раза превышающим сумму сопротивлений данной ЛЭП и смежного элемента). Дополнительно, УРОВ обеспечивает резервную защиту при отказе основных автоматических выключателей.

Нежелательное событие (вершина событий) – отказ главной системы защиты ЛЭП (основной и резервной) может произойти вследствие следующих отказов:

· Отказ защиты 132 кВ (основной и резервной)

· Отказ аккумуляторной батареи 110 В

· Отказ резервной защиты (Кумбосто) 330 кВ

· Отказ автоматических выключателей (Кадуна) 330 кВ

Эти четыре события могут привести к нежелательному событию верхнего уровня. Они связаны с событием верхнего уровня логическим «ИЛИ», показывающим, что возникновение любого из них может привести к событию верхнего уровня.

Коэффициент неготовности основных компонентов системы, отказ которых может привести к возникновению вышеперечисленных событий, рассчитан для защитных реле, трансформаторов, источников питания постоянного тока и автоматических выключателей.

Табл.3

Дата добавления: 2014-12-08