故障樹分析法（FTA）在大型飛機機載設備系統故障診斷中的應用

王 凱 樊綱旗 董 瑾 宋西民

（航空工業西飛，西安 710089）

某大型飛機機載設備由航電系統、飛控系統和機電/液壓系統組成，并實現了不同系統間的互聯和綜合管理，提升了飛機整體技術水平和綜合性能。然而隨著飛機機載設備的數量和功能復雜程度的提高，機上故障定位和診斷難度也隨之加大，特別在飛機科研生產和外場試飛階段，往往缺乏必要的故障診斷設備和條件。因此，引入高效的診斷和分析方法，強化大型飛機機載設備系統故障定位具有十分重要的意義。

1 故障樹分析法簡介

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）于1961年由美國貝爾電話實驗室的H.A.Watson、D.F.Haasl為研究民兵洲際彈道導彈發射控制系統而提出，1974年美國原子能委員會（Atomic Energy Commission，AEC）運用故障樹分析法對核電站事故進行了風險評估，發表了著名的《拉姆遜報告》，在該報告中對故障樹分析法進行了詳細的分析，在美國社會各界引起了極大反響，受到質量界廣泛關注，從而迅速在各國政府和企業間推廣開來。我國于1978年開始對故障樹分析法進行研究與應用，隨后迅速在多個部門和企業推廣，并取得了良好效果，促進了企業的安全生產，提高了產品的質量。

故障樹分析法是一種自頂向下逐層展開的圖形演繹方法，通過對可能造成系統故障的各種因素(包括硬件、軟件、環境、人為因素等)進行分析，畫出邏輯框圖(即故障樹)，再對系統中發生的故障事件由頂層至底層逐級細化分析，最終發現基本故障、確定故障原因、評估故障影響和發生概率等因素。

2 故障樹建立步驟

根據第1節所述可知，故障樹是按照自頂向下的原則，逐級尋找故障原因并分析，最終定位故障原因。雖然其建立步驟常因分析對象、分析目的和精細程度的不同而發生變化，但一般可按下述步驟進行。

2.1 熟悉系統

建立故障樹之前，工程技術人員首先應對系統的結構、功能、原理、故障類型、故障誘因等有一個全面、細致的了解，從而獲知與故障相關的系統狀態、工作流程以及分布圖。

2.2 確定頂事件

頂事件是系統發生的既定故障事件，為便于分析，頂事件必須定義明確，能夠定量評定并進一步分解故障誘因。

2.3 確定邊界條件

故障樹是一副結構嚴謹的邏輯圖，不僅要求無重大遺漏，而且邏輯關系必須正確、清晰。所以合理地確定故障樹分析范圍是突出主要故障事件、防止遺漏重大故障事件并簡化分析工作的重要保證。

2.4 逐層展開，建立故障樹

從頂事件起，逐級找出故障發生的直接原因，按照邏輯關系，畫出故障樹。

2.5 簡化故障樹

故障樹建成后，還必須從故障樹的最末一級開始，逐級明確上級事件與下級事件的邏輯關系，直到頂事件為止，并結合邏輯運算法做進一步分析，刪除多余的事件，使故障樹更加便于分析。

3 大型飛機機載設備系統故障分析

某大型飛機機載設備系統由航空電子系統、飛行控制系統、機電/液壓系統組成，在各系統內部分別通過核心處理機或者綜合管理計算機實現系統內各機載設備控制綜合和信息綜合，與此同時，三大系統之間通過總線實現系統間主要運行狀態與參數的互聯，為空勤對整機狀態的管理和掌控提供了方便、快捷的交互界面和操作窗口。

飛機綜合性能的提高離不開機載設備整體技術水平的提升，隨之帶來的就是機載設備組成、功能復雜程度的提高，由此導致機載設備故障狀態和模式呈幾何級數增長，再加上在飛機研制和試飛階段，地面保障設備和資源相對匱乏，使得機載設備故障定位與診斷難度加大；傳統的故障排查方法基于機載設備自身功能和性能，結合已有試驗或故障數據進行判定，該方法存在原因分析不全面、不同故障診斷邏輯性差、平均單次排故耗時長等缺點，制約了飛機生產效率和質量。因此，有必要引入故障樹分析法，用于指導飛機機載設備系統故障甄別，提高故障排查效率及飛機研制質量。此外，通過故障樹分析法，可逐步建立飛機機載設備系統故障數據庫，并適當引入專家系統，進一步提高飛機機載設備系統故障診斷效率與質量，實現飛機研制科學化與規范化。為建立適用于某型機的故障樹分析法，下文對該型飛機機載設備故障產生原因進行分類。

3.1 按故障的部位分

3.1.1 機械部分故障

飛機機載設備系統的機械部分是指機載設備除電氣控制外的部分，如機械、液壓泵/閥，接口等。常見的故障有：機械行程超差、閥門間隙過大或過小，接口配合關系差等。

3.1.2 電氣部分故障

飛機機載設備電氣部分包括硬件故障和軟件故障，硬件部分常見故障有：控制芯片、通訊/控制板卡、開關元件（接觸器、繼電器）、傳感器、線路等發生的故障；軟件故障，常見故障如時序出錯、算法缺陷出錯、參數出錯等造成的故障。

3.2 按故障的性質分

3.2.1 系統性故障

飛機機載設備系統性故障是指在一定的條件下，由于系統間或系統內各相關部件關聯運行異常導致的故障，如顯控系統通訊異常導致航電系統顯示信息缺失、作動器零位超差導致飛控系統運行異常等。

3.2.2 隨機性故障

飛機機載設備隨機性故障是指在可重復的條件下，只偶然出現一兩次的故障，此類故障多是由于機載設備安裝不到位或者操作不當所致，如接插件松脫、電氣接口安裝不到位等。

根據機載設備故障產生原因分析結果，即確定了相應的頂事件，隨后開始進行邊界條件的確定，為簡化邊界條件的甄別與確定，可對邊界事件進行劃分，邊界事件主要包括三類：第一，頂事件：故障現象或者主要誘因，其是最重要與最根本的邊界事件；第二，不許可事件：在建立故障樹過程中，認為不允許或不可能發生的事件；第三，必然事件：在一定條件下必然發生或必然不發生的事件。

通過確定上述三類邊界事件，即可完成特定故障邊界條件的劃分，并將故障分析的對象限定在頂事件和必然事件中。值得注意的是，在開展邊界事件分析的過程中，需密切關注系統的初始狀態以及故障發生時飛機運行狀態，以免遺漏故障產生的相關條件。

邊界條件確定后即可逐級開展故障原因分析，每一級均可按照邊界事件確定本級內的邊界條件，并且按照頂事件的邊界條件確定原則逐級進行，并在上下級事件之間以及同級內分析、明確各事件的邏輯關系，在末級邊界事件中確定故障發生的目標原因。至此，初步完成故障樹的建立。

故障樹建成后，需要對級間以及同級內各事件的關系開展必要的邏輯運算，其核心是求解故障樹的最小割集，從而完成故障的精確定位。設故障樹(FT)中有n個事件，x1，x2，xi…，xn，E∈{xi，i∈N+}為事件的集合，當其中全部事件都發生時，頂事件必然發生，則稱E為故障樹的一個割集，其代表了系統發生故障的可能性；若E是一個割集，且任意去掉其中一個底事件后，余下的集合就不再是故障樹的割集時，則稱E為最小割集。

最小割集是事件不可再細分的割集，是包含了最少而又缺一不可的事件集合。若故障樹(FT)有k個最小割集，只要有一個最小割集Ej（j=1，2，…，k）中的全部事件XK均發生，故障必定發生，最小割集E可用如式（1）表示：

通過求解最小割集，實現對故障樹結構的進一步優化，刪除多余事件，完成故障樹的簡化和完善，并最終完成故障定位與診斷。

4 故障樹分析法應用舉例

下面以某大型飛機除冰系統故障為例，進一步闡述故障樹分析法在大型飛機機載設備系統故障診斷中的應用。

4.1 熟悉系統

尾翼除冰分系統（以下簡稱“分系統”）由除冰控制器（以下簡稱“控制器”）、配電盒及平尾電加溫組件（以下簡稱“加溫組件”）組成，分別實現控制、供電和加溫功能，其組成結構如圖1所示。

圖1 尾翼除冰原理框圖

其中，除冰控制器為系統控制部分，系統運行時，一個控制器處于工作狀態，另一個控制器熱備份，當處于工作狀態的控制器發生故障時，自動切換到另一個備份機繼續工作，保證控制部分正常運行。供電部分由四個配電盒組成，配電盒接收來自控制器的控制指令，實現對加溫組件的供電控制，當其中一個配電盒故障時，整體切換到另一邊接續供電。加溫部分由8個可拆卸加溫組件組成，8段加溫組件對稱地配置在左、右水平安定面上，其獲得配電盒供電后進入加熱工作狀態，將電能轉換為熱能，并傳導到尾翼，實現除冰功能。

4.2 確定頂事件

在進行除冰系統地面通電檢查過程中發現，當按壓除冰按鈕使除冰系統上電后，左側控制器短時工作X秒后立即切換到右側，而后又切換回左側，由此可確認除冰啟動切換異常。按照第4.1節所述的系統工作簡介結合系統工作原理，可初步分析造成系統啟動異常切換的頂部事件包括五個方面：控制器故障，配電后盒故障，加溫組件故障，機械（外部）故障，軟件故障。

4.3 確定邊界條件

在本案例中，頂事件確認過中已分別將不許可事件和必然事件考慮在內，因此，上述五個頂事件即為故障樹邊界條件。

4.4 逐層展開

由4.2節可知，故障樹中引起除冰啟動切換異常的頂事件有五種：A除冰控制器故障、B配電盒故障、C電加溫組件故障、D外部故障以及E軟件故障。

綜合飛機初始狀態以及系統運行原理，可建立如下故障樹結構：引起A故障的模式有四種：F監測電路故障，X1接口電路故障，G通訊故障，X2除冰啟動信號異常；引起B故障的模式有三種：H傳感器電路故障，X3配電盒主開關故障，X4配電盒區域開關故障；引起C故障的模式有兩種：X5加溫組件短路或開路，X6加溫組件局部電阻變大；引起D故障的模式有兩種：X7連接電纜故障，X8供電電源故障；引起E故障的模式有兩種：X9軟件邏輯缺陷，X10軟件編碼錯誤。據此建立故障樹，如圖2所示。

圖2 除冰啟動切換異常故障樹

4.5 簡化故障樹

根據圖2所示故障樹，進行原因分析和故障樹簡化。由于本系統涉及產品數量較少，系統間交聯關系簡單，各事件之間相對獨立且無重復項，因此故障樹無需簡化。通過排除法，結合飛機初始狀態，最終將故障定位為軟件邏輯缺陷。至此，通過故障樹分析法，完成本此故障的定位與診斷。

5 結論

本文通過對故障樹分析法（FTA）原理及發展介紹，結合某大型飛機機載設備系統特點，詳細闡述了故障樹分析法在大型飛機機載設備系統故障診斷中基本原理與應用流程，并結合真實案例進行了應用舉例。實踐證明，通過故障樹分析法進行故障診斷，可為技術人員快速定位機載設備系統故障提供重要技術支持，提高故障診斷效率，進而提高飛機生產進度和質量。