基于故障树分析的大型工程机械安全风险评估模型构建

摘要：大型工程机械在各类工程建设中发挥着关键作用，但其安全风险不容忽视。本文旨在构建基于故障树分析（FTA）的大型工程机械安全风险评估模型，以有效识别和评估其潜在安全风险，为大型工程机械的安全管理和风险防控提供科学依据，。

关键词：树障分析；工程机械；安全风险；评估模型

引言

大型工程机械，如起重机、挖掘机、装载机等，广泛应用于建筑、矿山、交通等众多工程领域。这些设备在提高工程效率、降低劳动强度方面发挥着重要作用。然而，由于其结构复杂、作业环境恶劣、操作要求高，一旦发生故障或事故，往往会造成严重的人员伤亡、财产损失和工程延误。故障树分析作为一种有效的系统可靠性分析方法，能够清晰地展示系统故障的因果关系，通过对故障树的定性和定量分析，可以深入了解系统的薄弱环节，为安全风险评估提供有力支持。

一、故障树分析原理

故障树分析（FTA）是一种从系统的故障状态出发，自上而下、层层深入地寻找导致故障发生的所有可能原因的演绎推理方法。它以系统不希望发生的事件（顶事件）为分析目标，通过分析与顶事件相关的各种中间事件和基本事件之间的逻辑关系，构建故障树。故障树中的事件通过 “与” 门、“或” 门等逻辑门连接，“与” 门表示所有输入事件同时发生时，输出事件才会发生；“或” 门表示只要有一个输入事件发生，输出事件就会发生。通过对故障树的分析，可以确定导致顶事件发生的最小割集和最小径集，进而评估系统的可靠性和安全性。最小割集是指能够导致顶事件发生的最基本的事件集合，最小径集则是指能够使顶事件不发生的最基本的事件集合。

二、大型工程机械安全风险评估模型构建步骤

（一）确定顶事件

顶事件是故障树分析的起点，应选择大型工程机械最不希望发生且具有代表性的故障或事故作为顶事件。例如，对于起重机，可以将 “起重机吊运过程中重物坠落” 作为顶事件；对于挖掘机，可将 “挖掘机作业时倾翻” 作为顶事件。在确定顶事件时，需充分考虑设备的工作特点、常见故障类型以及可能造成的严重后果。

（二）构建故障树结构

分析故障原因：通过对大型工程机械的结构、工作原理、操作流程以及以往事故案例的研究，全面分析导致顶事件发生的各种直接和间接原因。这些原因可能包括设备部件故障、人为操作失误、环境因素影响、维护保养不到位等。例如，起重机重物坠落可能是由于吊钩断裂、钢丝绳磨损断裂、操作人员违规操作（如歪拉斜吊）、大风天气影响等原因导致。

确定中间事件和基本事件：将分析得到的故障原因按照因果关系进行分类，确定中间事件和基本事件。中间事件是指介于顶事件和基本事件之间的事件，它可以进一步分解为更基本的事件；基本事件是指不能再进一步分解的事件，是导致故障发生的最根本原因。例如，“吊钩断裂” 可作为中间事件，其可能由 “吊钩材质缺陷” “吊钩疲劳损伤” 等基本事件引起。

绘制故障树：根据确定的顶事件、中间事件和基本事件，以及它们之间的逻辑关系，运用 “与” 门、“或” 门等逻辑符号绘制故障树。在绘制过程中，要确保逻辑关系的准确性和清晰性，以便后续进行分析。例如，对于起重机重物坠落故障树，“吊钩断裂” 和 “钢丝绳磨损断裂” 通过 “或” 门与顶事件 “起重机吊运过程中重物坠落” 相连，因为只要其中一个事件发生，就可能导致重物坠落；而 “吊钩材质缺陷” 和 “吊钩疲劳损伤” 通过 “与” 门与 “吊钩断裂” 相连，因为只有这两个事件同时发生，才会导致吊钩断裂。

（三）确定基本事件发生概率

基本事件发生概率的确定是进行故障树定量分析的基础。对于可获取历史数据的基本事件，如设备部件的故障率，可以通过对设备运行记录、维修档案等数据的统计分析来确定其发生概率。对于缺乏历史数据的基本事件，如人为操作失误概率，可以采用专家评估法、故障模式与影响分析（FMEA）等方法进行估算。专家评估法是邀请多位具有丰富经验的专家，对基本事件发生的可能性进行评估，然后通过一定的数学方法（如加权平均法）确定其发生概率；FMEA 方法则是通过对每个故障模式的严重度、发生频率和检测难度进行打分，计算出风险优先数（RPN），进而评估基本事件的发生概率。

（四）故障树定性分析

求最小割集：最小割集反映了导致顶事件发生的最基本的故障组合。通过布尔代数运算或下行法等方法求解故障树的最小割集。例如，对于一个简单的故障树，其逻辑表达式为（其中为顶事件，、、为基本事件），通过布尔代数运算可得其最小割集为和，这表示当基本事件和同时发生，或者基本事件和同时发生时，顶事件就会发生。

分析最小割集的重要度：最小割集的重要度反映了每个最小割集对顶事件发生的影响程度。重要度越高的最小割集，其对应的故障组合越容易导致顶事件发生，应作为安全管理的重点关注对象。常用的最小割集重要度分析方法有结构重要度分析、概率重要度分析和关键重要度分析。结构重要度分析是从故障树结构上分析各基本事件对顶事件发生的影响程度，不考虑基本事件的发生概率；概率重要度分析则考虑了基本事件发生概率的变化对顶事件发生概率的影响；关键重要度分析综合考虑了基本事件发生概率和顶事件发生概率的变化，更能准确地反映基本事件对顶事件的重要程度。

（五）故障树定量分析

计算顶事件发生概率：根据基本事件的发生概率以及故障树的逻辑关系，运用概率理论计算顶事件发生的概率。对于由 “与” 门连接的事件，其发生概率等于各输入事件发生概率的乘积；对于由 “或” 门连接的事件，其发生概率等于各输入事件发生概率之和减去它们两两同时发生的概率之和，再加上它们三个同时发生的概率，以此类推。例如，对于上述故障树，设、、分别为基本事件、、的发生概率，则顶事件的发生概率。

评估安全风险等级：根据计算得到的顶事件发生概率，结合预先设定的安全风险等级标准，对大型工程机械的安全风险进行评估。安全风险等级可分为低风险、中风险、高风险等不同级别，例如，当顶事件发生概率小于时，可认为安全风险等级为低风险；当顶事件发生概率在到之间时，安全风险等级为中风险；当顶事件发生概率大于时，安全风险等级为高风险。根据评估结果，可采取相应的风险控制措施，如对于高风险设备，应立即进行维修或更换关键部件，加强操作人员培训等。

结论

基于故障树分析的大型工程机械安全风险评估模型能够系统、全面地识别和评估大型工程机械的潜在安全风险。通过构建故障树结构、确定基本事件发生概率、进行定性和定量分析，可准确找出导致设备故障和事故发生的关键因素，评估安全风险等级，为制定针对性的安全管理和风险控制措施提供科学依据。未来需要进一步完善故障树分析方法，结合大数据、人工智能等技术，提高基本事件发生概率确定的准确性和故障树构建的效率。

参考文献

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