質量工具之故障樹分析FTA

FTA的歷史

故障樹分析(Fault Tree Analysis)，簡稱FTA，1962年由貝爾實驗室的H.A. Watson為美國空軍開發(fā)。

FTA現(xiàn)在是最重要的系統(tǒng)可靠性和安全分析技術之一。FTA方法廣泛用于航空航天、汽車、化工、核工業(yè)、軟件業(yè)等和系統(tǒng)安全及可靠性工程相關的行業(yè)領域，當然也可以用于質量管理中各種問題包括客戶投訴的解決，即使是生活中的問題困擾，也可以讓FTA大展身手。

英文Fault作為名詞，根據(jù)其使用場景不同，有很多種解釋，FTA中的Fault，最直白的翻譯是故障，和故障相近或的詞如事故、失效、風險、危險、缺陷或問題等，實際上都是FTA的應用范圍。

縱觀FTA的發(fā)展歷史，也是圍繞和安全及可靠性工程有關的行業(yè)領域發(fā)生的事故或災難等，不斷向前推進的。

FTA首先開始應用于美國軍工

1958年底，美國開始研制第二代戰(zhàn)略導彈，即民兵一號洲際彈道導彈(ICBM)，由波音飛機公司負責研制工作，1962年民兵一號服役。

當時根據(jù)美國空軍彈道系統(tǒng)部門的要求，需要開發(fā)一種方法用于評估ICBM發(fā)射控制系統(tǒng)的可靠性，FTA由此應運而生。 從那時起，FTA這項技術就被許多重視可靠性工程的公司所采用，故障樹分析由此獲得了廣泛的應用和支持，并經常被可靠性專家作為故障分析工具。

1962年，在民兵一號發(fā)射控制安全研究中首次公布使用了FTA后，1963-1964年波音將FTA應用于整個民兵二號系統(tǒng)。

20世紀60年代和70年代，美國軍方在皮卡廷尼兵工廠將FTA應用在“引信”上。1976年，美國陸軍物資司令部將FTA納入了《可靠性設計工程手冊》。 羅馬實驗室的可靠性分析中心及其后繼組織，即現(xiàn)在的美國國防系統(tǒng)信息分析中心，自20世紀60年代以來出版了關于FTA和可靠性框圖(Reliability Block Diagrams，RBDs)的文件MIL-HDBK-338B(電子可靠性設計手冊)。

FTA廣泛用于民航領域

1965年由波音公司和華盛頓大學在西雅圖主辦的系統(tǒng)安全研討會上，FTA被廣泛研討和報道。波音公司在1966年左右開始將FTA用于民用飛機設計。

1970年，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)在聯(lián)邦公報中公布了對14 CFR 25.1309運輸類飛機適航條例的修改，即35 FR 5665(1970-04-08)。這次適航條列修改采用了飛機系統(tǒng)和設備的故障概率標準，了FTA在民用航空領域的廣泛使用。

1998年，F(xiàn)AA發(fā)布了8040.4號令，確立了風險管理方針，既包括在飛機認證之外的一系列關鍵活動中的危險分析，又包括空中交通管制和美國國家空域系統(tǒng)的現(xiàn)代化。這導致了FAA系統(tǒng)安全手冊的出版，該手冊描述了FTA在各種類型的正式危險分析中的使用情況。

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FTA用于核電行業(yè)

在核電行業(yè)，1974年美國原子能委員會發(fā)表了關于核電站危險性評價報告，即“拉姆森報告”，大量有效地應用了FTA，從而迅速推動了它的發(fā)展。

美國核管理委員會(NRC)于1975年開始使用包括FTA在內的概率風險評估(Probabilistic Risk Assessment，PRA)方法，并在1979年美國賓夕法尼亞州三里島核電站事故后大大擴展了PRA研究。這最終導致了1981年NRC出版了故障樹手冊NUREG-0492，并在NRC的管理權限下強制使用PRA。

FTA用于航天領域

美國阿波羅計劃始于1961年5月，1962年FTA已被貝爾實驗室開發(fā)出來，但開始只是用在了美國軍工行業(yè)，NASA(美國國家航空航天局)沒有足夠重視FTA。

從上世紀60年代中期開始，NASA一直抱著FMEA(Failure Mode and Effect Analysis，失效模式和影響分析)的大腿不放，通過使用FMEA和其他定性方法進行阿波羅計劃的系統(tǒng)安全評估。

二十多年以后，也就是1986年1月28日，在美國佛羅里達肯尼迪航天中心，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機在升空73秒后爆炸解體，7名宇航員殉職。這次事故，是美國宇航局也是人類太空探索史上最沉重的悲劇。

美國航空航天安全咨詢小組在1987年的年度報告中明確指出：

“為了完成當前航天飛機項目風險評估的初始部分，一個現(xiàn)實的、有用的方法如下：

·?開發(fā)一個定性的故障樹分析。

·?通過定性評估（通過一個簡單的發(fā)生概率與嚴重性矩陣），提供危險的優(yōu)先次序。

·?在有數(shù)據(jù)的地方使用選定的定量分析。”

這實際上已為FTA在NASA航空航天的應用指明了方向，即需要使用FTA進行定性和定量的風險分析。在核工業(yè)故障樹手冊NUREG–0492的基礎上，NASA發(fā)布了用于航空航天的故障樹手冊。

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NASA在其《基于航空航天應用的故障樹手冊》(Faulit Tree Handbook with Aerospace Appliactions)的前言中寫道，

“20世紀60年代初，進行風險和可靠性評估的方法起源于美國的航空航天和導彈項目。故障樹分析就是這樣一個例子，在60年代中期相當流行。在阿波羅計劃的早期，有人問到了成功將宇航員送上月球并安全返回地球的概率問題。進行了某種風險或可靠性的計算，結果是任務成功的概率低得令人無法接受。這個結果使NASA不愿意進一步進行定量的風險或可靠性分析，直到1986年的挑戰(zhàn)者號事故之后。相反，NASA決定依靠使用故障模式和影響分析(FMEA)和其他定性方法進行系統(tǒng)安全評估。在挑戰(zhàn)者號事故之后，人們意識到PRA和FTA在系統(tǒng)風險和可靠性分析中的重要性，它在NASA的使用也開始增加?！?/p>

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在美國挑戰(zhàn)者號航天飛機事故發(fā)生的前后幾年時間內，全球流程工業(yè)先后出現(xiàn)了幾次嚴重且影響深遠的大災難。這幾起大災難，對全球的影響是巨大且無可估量的，更是推動了FTA在全球的應用普及。

1980s全球大災難盤點

印度博帕爾災難

1984年12月3日凌晨，美國聯(lián)合碳化物公司UCC設在印度博帕爾市(Bhopal, India)的農藥廠爆炸，這起事故被認為是人類歷史上最嚴重的災難。此次事故造成大規(guī)模的氰化物

泄漏，釀成重大悲劇。UCC因此受到很大損失，被迫進行重大改組。

印度民眾也在此次事故中遭受了永久的肉體和心靈創(chuàng)傷。2006年印度政府在一份公開文件指出，泄漏造成558,125人受傷，其中包括38,478人暫時部分受傷和大約3,900人嚴重和永久致殘傷害。 其他人估計有8,000人在兩周內死亡，另有8,000 人或更多人死于與氣體有關的疾病。

前蘇聯(lián)切爾諾貝利災難

1986年4月26日，前蘇聯(lián)切烏克蘭蘇維埃社會主義共和國的切爾諾貝利(Chernobyl)核電站4號反應堆發(fā)生核事故，它是國際核事件分級表上僅有的兩起被評為7級--最高嚴重程度的核能事故之(另一起是2011年日本福島核災難)。

核事故發(fā)生后，最初的應急疏散以及后來的環(huán)境凈化，涉及50多萬人，處理費用截止2019年大約為680億美元。和印度博帕爾災難一樣，這也是一起嚴重的生態(tài)災難，水體、動植物群落、人類食物鏈等都受到不可估量的影響。

核事故造成的輻射塵飄過俄羅斯、白俄羅斯和烏克蘭，也飄過歐洲的大部分地區(qū)。到目前為止，切爾諾貝利事故對普通民眾的健康影響仍無法確定。

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英國北海石油平臺爆炸災難

1988年7月9日晚，英國北海油田的阿爾法(Piper Alpha)石油平臺突然爆炸并沉沒。在災難發(fā)生時，該平臺約占北海石油和天然氣產量的10%。爆炸導致167人死亡，賠償金、官司和財產損失、環(huán)保罰款及整改等相關費用花費合計約75億美金。

就生命損失和行業(yè)影響而言，這次事故是世界上最嚴重的海上石油災難。

可靠性標準國際化

前文我們提到，20世紀60年代，美國國防國防系統(tǒng)信息分析中心出版了關于FTA和RBDs的電子可靠性設計手冊，美國核管理委員會和美國國家航空航天局也各自發(fā)布了故障樹手冊。不可否認的是，美國對可靠性工程的標準化起到了積極地推動作用。

可靠性工程的系列標準，包括FTA，1965年開始進入國際標準領域。當時在美國的建議下，根據(jù)可靠性工程的標準化發(fā)展需要，國際電工委員會(IEC)決定成立一個名為“電子元件和設備可靠性”的技術委員會(即TC 56)。

隨著可靠性工程技術的不斷拓展，維修性和維修保障性的相繼提出，也隨著IT產業(yè)的高速發(fā)展，軟件和網(wǎng)絡及系統(tǒng)方面的安全和可靠性問題已日益受到普遍關注，與之相應的技術與管理方面的標準需求也不斷上升。為了適應可靠性標準發(fā)展的需求，TC 56的名稱也跟著不斷發(fā)生改變。

FTA在國際和一些國家標準中都有描述。

1990年10月，國際電工委員會發(fā)布了IEC 61025第一版，這是針對FTA專門制定的標準。IEC制定了一系列可靠性標準，IEC 61025只是其中之一，其最新版本為第二版，于2006年12月發(fā)布。

歐盟標準EN 61025、德國標準DIN EN 61025、英國標準BS EN 61025、澳大利亞 AS IEC 61025等標準，都等同采用IEC 61025標準。

1992年，美國勞工部職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)在聯(lián)邦公報57 FR 6356(1992-02-24)中公布和確認，F(xiàn)TA是流程安全管理(PSM)中流程危險分析(PHA)的一種可接受方法。

1996年12月，美國汽車工程師協(xié)會SAE發(fā)布了適用于民用航空的標準ARP4761《對民用機載系統(tǒng)和設備進行安全評估過程的準則和方法》，ARP4761中使用大量篇幅描述了FTA方法。

中國可靠性標準制定重新起航

我國的可靠性標準化工作起步于20世紀70年代初?！叭珖姽る娮赢a品可靠性與維修性標準化技術委員會”(即“可標委”)成立于1982年，是我國與IEC/TC 56對口的專業(yè)技術標準化組織。 原由國家技術監(jiān)督局歸口管理，現(xiàn)歸國家標準化管理委員管理。從80年代起，“可標委”跟蹤和參與了IEC/TC 56 國際標準的制定與修訂工作，承擔了多項可靠性與維修性領域的國家標準制定任務。

所以改革開放之初，我國在可靠性標準化上與國際是完全接軌的。20世紀80年代，我國就制定了一系列可靠性標準，這其中就包括GB/T 7829《故障樹分析程序》，標準在1987年6月發(fā)布，于1988年1月正式實施。但是國標GB/T 7829并未隨著IEC 61025的發(fā)布而隨后更新。

2019年12月，我國發(fā)布了NB/T 201558《核電廠故障樹分析導則》，這是除了GB/T 7829外唯一可見的公開標準，也是我們可靠性行業(yè)標準的起點。

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