Дерево причин и дерево отказов

В 1940 - 50-х годах  теория надежности, как самостоятельная  область знаний, получает распространение  в основном в авиации, военной  и ядерной индустрии. Фактически "родиной" теории надежности становятся в 1950 году США, что, прежде всего, связано  с развитием электроники. Именно тогда министр обороны США выявил, что поддержание в работоспособном состоянии электронного оборудования стоимостью в 1 доллар обходится за год в 2 доллара. Стало очевидным, что следовало разрабатывать элементы системы изначально надежными. При этом системы были настолько сложными, а элементы системы влияли на такое большое число различных функций, что только самые четкие и неукоснительные действия обученного обслуживающего инженерного персонала могли обеспечивать минимально необходимый уровень надежности. В итоге, министр обороны при объявлении тендера на поставку электронного оборудования потребовал, чтобы производители оборудования по итогам длительных испытаний доказали надежность своего оборудования. Результаты этих испытаний и составили первую известную базу данных по надежности "Military Standard 217. Reliability prediction of electronic equipment". 

Тогда же в 1962 году впервые был использован метод  анализа дерева отказов (fault tree analysis, FTA) компанией Bell Labs для Военно-воздушных сил США, который на сегодняшний день получил широкое распространение для анализа причин отказов статичных систем.  

Данный метод  является частью национальных стандартов таких, например, как стандарт США  «MIL-HDBK-217 Reliability prediction of electronic equipment» или российских «Методических указаний по проведению анализа риска опасных производственных объектов №РД 03-418-01». 

Предназначение  и область применения 

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 (Рисунок 1. Условная схема построения дерева отказов). 

Рисунок 1. Условная схема построения дерева отказов 

  

Преимущества  и ограничения применения 

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: 

1. анализ  ориентируется на нахождение отказов;

 

2. позволяет показать в явном виде ненадежные места;

 

3. обеспечивается  графикой и представляет наглядный  материал для той части ИТ специалистов, которые принимают участие в  обслуживании системы;

 

4. дает возможность  выполнять качественный или количественный анализ надежности системы;

 

5. метод позволяет  специалистам поочередно сосредотачиваться  на отдельных конкретных отказах  системы;

 

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

 

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

 

8. помогает  дедуктивно выявлять отказы;

 

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

 

10. 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: 

1. реализация  метода требует значительных затрат средств и времени, так как  увеличение детальности рассматриваемой  инфраструктуры приводит к геометрическому  увеличению числа влияющих событий;

 

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

 

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

 

4. 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;

 

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

 

6. 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.

 

Принцип использования 

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. Обозначения логических знаков приведены в Таблица 1. Значение логических символов дерева отказов  Логический символ (знак) может иметь один или несколько входов, но только один выход, или выходное событие. 

Логический знак "И" (схема совпадения). Выходное событие логического знака И  наступает в том случае, если все  входные события появляются одновременно. 

Правило формулирования событий. События, входные по отношению к операции И, должны формулироваться так, чтобы второе было условным по отношению к первому, третье условным по отношению к первому и второму, а последнее - условным ко всем предыдущим. Кроме того, по крайней мере, одно из событий должно быть связано с появлением выходного события. 

Полная характеристика события не требуется. Иногда она  даже мешает графической ясности  диаграммы. Требуется лишь упорядочить  события так, чтобы стоящее справа зависело от появления стоящего слева. Таким образом, появление выходного события будет определяться появлением последнего события в ряду N - событий. 

Правило применения логического знака И. Если имеются  несколько причин, которые должны появиться одновременно, то обычно используют операцию И. Входы операции должны отвечать на вопрос: "Что необходимо для появления выходного события?".