割集、路徑集和系統信度的相互關係

如何利用割集和路徑集改變系統流程的信度和脆弱性

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割集(Cut Sets)

割集(Cut Set)定義

尋找割集

  1. 忽略引發事件(基本事件)以外的所有故障樹組成元件。
  2. 直接從最頂端事件的下面開始,給每一個閘門(gate, 最上層閘門為「A」)分配一個獨立的字母(或文字)標記。請勿重複使用字母(或文字)。
  3. 直接從最頂端事件的下面開始, 給每個引發事件分配一個獨立的數字標記。 如果一個基本引發事件出現超過一次, 每次出現請使用同一個數字表示。
圖 1、空白故障樹
圖 1、空白故障樹
圖 2、填入引發事件及閘門標記的故障樹
圖 2、填入引發事件及閘門標記的故障樹

從頂端事件逐步往下,由閘門A開始, 使用字母(或文字)及數字標記建構矩陣。

    • 將所有閘門/引發事件用的字母(可以為複數,如AA)/數字(可以為複數,如11)放回所有的「及(AND)」閘門, 在矩陣中同一行水平顯示。
    • 將所有閘門/引發事件用的字母(可以為複數,如AA)/數字(可以為複數,如11) 放回所有的「或(OR)」閘門, 在矩陣中垂直顯示。 每形成一個新的「或」閘門取代行時,必須包含所有在原始母行中可以找到的項目。
  1. 最終的矩陣僅會顯示表示引發事件的數字標記。 矩陣的每一行都是用布林邏輯(Boolean)顯示的割集。
  2. 透過檢查,淘汰包含所有建構在次要行中元件的任何行。
  3. 淘汰在行中的冗餘元件及與其他行重複的行。 餘存的行為「最小割集」。

流程步驟說明

圖 3、割集矩陣產生最小割集
圖 3、割集矩陣產生最小割集

{第一行,由左至右閱讀}

  1. 第一行閘門為A,記入起始矩陣。
  2. A為「及(AND)」閘門;將B及D以水平方式記入取代之。
  3. B為「或(OR)」閘門;將1及C以垂直方式記入取代之。 每個事件需要使用矩陣的新列。
  4. C為「及(AND)」閘門;將2及3以水平方式記入取代之。

{第二行,由左至右閱讀}

  1. D(最上一行)為「或(OR)」閘門;將2及4以垂直方式記入取代之。 用2取代原本記D的位子。複製此行成為新行,並把2改成4。
  2. D(第二行)為「或(OR)」閘門。同上,以垂直方式取代為2及4。 取代D同時在矩陣中新增一行。
    矩陣中所有行皆為「割集」。
  3. 將同一行重複的數字刪除: 2-2-3 → 2-3
    刪除包含其他行數字的行:如2-4-3此行包含了2-3, 因此雖然2-4-3也是割集,但並不是包含相同引發事件的最小割集, 故將2-4-3此行刪除。
    矩陣最後的內容:1-2/2-3/1-4皆為「最小割集」。
    最小割集行是引發頂端事件的「最少引發事件集合」。

割集用途

評估頂端不良事件的機率: ` P_T ≅ ∑ P_e `

圖 4、最小割集
圖 4、最小割集

割集機率 ` P_k = ∏ P_e `

是割集內所有事件發生機率的乘積,是割集引發頂端事件的機率。 圖 4 之中:
第一行: ` P_k^1 = P_1 × P_2 `
第二行: ` P_k^2 = P_1 × P_3 `
第三行: ` P_k^3 = P_1 × P_4 `
第四行: ` P_k^4 = P_3 × P_4 × P_5 × P_6 `
` P_T ≅ ∑ P_e = P_k^1 + P_k^2 + P_k^3 + P_k^4 `

評估「重要性」

評估割集結構的「重要性」。

分析結構重要性是能針對系統失效(故障)之因素進行定性(質性)分級排序。 若其他的條件都是相同的…

  • 「長割集」表示漏洞/弱點小(舉例來說,表 4 中的第4行)。
  • 「短割集」表示漏洞/弱點較大(舉例來說,表 4 中的第1~3行)。
  • 有許多割集存在表示漏洞/弱點較大。
  • 單一割集表示是潛在的「單點失效(Single-Point Failure)」。

評估割集量化的「重要性」。

割集(`I_k`)的量化重要性是引發頂端事件的數字機率, 已於割集介紹過。

`I_k = P_k / P_T ` 其中 `P_k = ∏ P_e ` 代表最小割集。

定量分析的重要性是能使系統失效(故障)之因素進行數字分級排序 最有效的降低系統弱點,最重要的就是針對割集進行改善。 一般而言,短割集重要性較高,長割集重要性較低。


評估割集項目(事件)的「重要性」。

單一項目(`I_e`)定量分析的重要性 在於其能夠提供此單一項目引發頂端事件的數字機率。

` I_e ≅ ∑^(N_e) I_(ke) `
` N_e ` = 包含項目「e」的最小割集數
` I_(ke) ` = 包含項目「e」的最小割集重要性
範例:項目1重要性:
` I_1 ≅ ((P_1 × P_2) + (P_1 × P_3) + (P_1 × P_4)) / P_T `


評估「常見原因」

圖 5、割集用途:常見原因漏洞(弱點)
圖 5、割集用途:常見原因漏洞(弱點)

圖例說明:為引發事件增加唯一的下標符號,使用小寫字母表示常見原因的易感受性, 如「m」表示濕氣、「h」表示人員作業、「q」表示熱氣、「v」表示震動 … 等。 有些引發事件可能容易受到好幾種常見原因的影響,並有幾種相應的下標符號標示。 有些引發事件則可能沒有任何常見原因漏洞 — 無下標符號標示。

在這個割集裡的所有引發事件都易感於濕氣這個漏洞, 濕氣即是常見因素且會引發頂端事件。
建議:給予一個或多個項目防潮對策。


路徑集

路徑集(Path Set)定義

尋找路徑集

使用路徑集增加信度(Reliability)

圖 6、割集轉換為路徑集
圖 6、割集轉換為路徑集

降低脆弱性(Vulnerability):總括一覽

針對所有新的對策,思考對策○○○的 • 成本 • 效能 • 可行性(包含進度時程)
以及
新的對策○○○會不會 • 引發新的危害? • 損壞甚至癱瘓系統?

一些「及(AND)」閘門的特性

圖 7、免除單點失效(Single-Point Failure)
圖 7、免除單點失效(Single-Point Failure)

成本:假設兩個相同的元件 `P = 0.1`
TOP `P_T = 0.01`
兩個元件(引發事件) `P = 0.1` 之成本可能比單一個元件 `P = 0.01` 來得低。
重複(冗餘)法可確保當 之中任何一個失效(故障)時,不會引發頂端事件


重要性測量

什麼是重要性測量?

一種針對那些「影響風險」與「影響零組件改變之風險敏感度」的個別因素, 有效用來進行分隔、尋找、及量化數值的方法。 常見的重要性測量包括:



系統及元件失效

計算範例

引發事件

`T = 1`/`year`
`A = 6×10^(-4)`
`B = 1×10^(-2)`
`C = 3×10^(-3)`
`D = 1×10^(-3)`

最小割集

`T•A = 1` / `year × (6×10^{-4)) = 6×10^(-4) `
`T•B•C = 1` / `year × (1×10^{-2)) × (3×10^(-3))` `= 3×10^{-5)`
`T•C•D = 1` / `year × (3×10^{-3)) × (1×10^{-3))` `= 3×10^{-6)`
`Σ(`minimal cut sets`) = F(x) = 6.33×10^{-4)`

FV重要度指標(Fussell-Vesely)

  • 量計包含引發總風險的特定基本事件之 割集總和貢獻百分比。
  • 找尋引起特定基本事件`(x_i)`的割集值, 並除以所有割集的總風險值(基準風險 baseline risk), 計算得出FV值。
    FVxi = F(i) / F(x)
    F(i)為從包含事件`x_i`的割集計算的風險
    F(x)為所有割集的風險總和
  • FV值範圍從0至1(0% to 100%)。
  • `FV_T = F_T` / `F_x `
    `FV_T = (6.33×10^(-4)) ` / ` (6.33×10^(-4))`
    `FV_T = 1.0`

    `FV_A = F_A ` / ` F(x) `
    `FV_A = (6.00×10^(-4)) ` / ` (6.33×10^(-4)) `
    `FV_A = 0.948`

    `FV_B = F_B ` / ` F(x) `
    `FV_B = (3.00×10^(-5)) ` / ` (6.33×10^(-4)) `
    `FV_B = 0.047`

    `FV_C = [F_C + F_D] ` / ` F(x) `
    `FV_C = [(3.00×10^(-5)) + (3.00×10^(-6))] ` / ` (6.33×10^(-4))`
    `FV_C = 0.052`

    `FV_D = F_D ` / ` F(x) `
    `FV_D = (3.00×10^(-6)) ` / ` (6.33×10^(-4))`
    `FV_D = 0.005`

    降低風險 Risk Reduction Importance (Risk Reduction Worth, RRW)

    RRRT `= F_x ÷ (0)`
    RRRT `= (6.33×10^(-4)) ÷ (0) = ∞`

    RRRA `= F_x ÷ (0 + TBC + TCD)`
    RRRA `= (6.33×10^(-4)) ÷ (3.3×10^(-5))`
    RRRA `= 19.18`

    RRRB `= F_x ÷ (TA + 0 + TCD)`
    RRRB `= (6.33×10^(-4)) ÷ (6.03×10^(-4))`
    RRRB `= 1.05`

    RRRC `= F_x ÷ (TA + 0 + 0)`
    RRRC `= (6.33×10^(-4)) ÷ (6.00×10^(-4))`
    RRRC `= 1.06`

    RRRD `= F_x ÷ (TA + TBC + 0)`
    RRRD `= (6.33×10^(-4)) ÷ (6.30×10^(-4)) `
    RRRD `= 1.00`

    風險增加值(Risk Achievement Worth, RAW)

    `RAW_T = Σ [ (T=1)A + (T=1)BC + (T=1)CD ] ` / ` (6.33×10^-4) `
    `RAW_T = (6.33×10^-4) ` / ` (6.33×10^-4) ` ` = 0.00063 ` / ` 0.00063 `
    `RAW_T = 1.0 ` `(RII_T = 0.0) `

    `RAW_A = Σ[T(A=1) + TBC + TCD] ` / ` (6.33×10^-4) `
    `RAW_A = (1.000033) ` / ` (6.33×10^-4)`
    `RAW_A = 1579.78` `(RII_A = 0.9994)`

    `RAW_B = Σ[TA + T(B=1) + TCD] ` / ` (6.33×10^-4) `
    `RAW_B = (3.603×10^-3) ` / ` (6.33×10^-4)` `= 0.003603 ÷ 0.00063 `
    `RAW_B = 5.691943128 ≈ 5.692` `(RII_B = 0.00297)`

    `RAW_C = Σ[TA + TB(C=1) + T(C=1)D] ` / ` (6.33×10^-4) `
    `RAW_C = (1.16×10^-2) ` / ` (6.33×10^-4)`
    `RAW_C = 18.32543444 ≈ 18.325` `(RII_C = 0.010967) `

    `RAW_D = Σ[TA + TBC + TC(D=1)] ` / ` (6.33×10^-4) `
    `RAW_D = (3.63×10^-3) ` / ` (6.33×10^-4)`
    `RAW_D = 5.734597156 ≈ 5.735` `(RII_D = 0.002997)`


    Birnbaum重要度

    [如何找到函數式中的「一階導數」請見 www.varsitytutors.com

    Birnbaum重要度

    `Bi_T = Σ[(T=1)A + (T=1)BC + (T=1)CD] − (0) `
    `Bi_T = (6.33×10^-4) − (0)`
    `Bi_T = 6.33×10^-4`

    `Bi_A = Σ[T(A=1) + TBC + TCD] − (0 + TBC + TCD)`
    `Bi_A = (1.0) − (3.3×10^-5) `
    `Bi_A = 1.0`

    `Bi_B = Σ[TA + T(B=1)C + TCD] − (TA + 0 + TCD)`
    `Bi_B = (3.603×10^-3) − (6.03×10^-4) `
    `Bi_B = 3.0×10^-3`

    `Bi_C = Σ[TA + TB(C=1) + T(C=1)D] − (TA + 0 + 0)`
    `Bi_C = (1.16×10^-2) − (6.00×10^-4)`
    `Bi_C = 1.10×10^-2`

    `Bi_D = Σ[TA + TBC + TC(D=1)] − (TA + TBC + 0)`
    `Bi_D = (3.63×10^-3) − (6.30×10^-4) `
    `Bi_D = 3.0×10^-3`


    路徑集與信度

    圖 8、為路徑集添加對策併計算最有利的。
    圖 8、為路徑集添加對策併計算最有利的。

    路徑集機率(`P_p`)是系統在依照其路徑所訂的作業程序中 遭遇一點(個)或多點(個)錯誤的機率。

    `P_p ≅ ΣP_e`

    練習場景

    #1、鬧鐘未能喚醒睡眠者

     

    圖 9、人工喚醒的 FTA 圖
    圖 9、人工喚醒的 FTA 圖

    假定每年260次操作。 因果因素(和率作為錯誤/年)

    1. 鬧鐘的時針干擾內部機制:1次/20年
    2. 鬧鐘的時針脫落:1次/10年
    3. 電氣故障: 1次/15年
    4. 停電: 3次/1年
    5. 忘了設置鬧鐘: 2次/1年
    6. 鬧鐘機制故障: 1次/10年
    7. 忘了轉動鬧鐘: 3次/1年
    8. 夜間耳聾:微不足道

    邏輯分析

    • [1] 和 [2] 導致〝{a}機械故障〞 (第四層級事件)
    • {a} 或 [3] 導致〝{b}有缺陷的內臟機〞 (第三層級事件)
    • {b} 或 [4] 或 [5] 導致〝{c}主插件時鐘失敗〞 (第二層級事件)
    • [6] 或 [7] 或 [8] 導致〝{d}備份(發條)時鐘失敗〞 (第二層級事件)
    • {c} 和 {d} 導致〝{e}鬧鐘失敗〞 (第一層級事件)
    • {e} 或 {f} 導致〝{g}人工喚醒失敗〞 (頂級事件)
    #2、鞏膜的壞血病 — 宇航員的禍害。

     

    圖 10、宇航員壞血病的 FTA
    圖 10、宇航員壞血病的 FTA

    背景

    所有返航的太空人中有10%感染了硬化性壞血症。 疾病潛伏期為13天。 之後一週,感染者開始出現包括萎靡不適、倦怠及易怒等症狀。 如在潛伏期中對受感染的太空人投予抗毒素,能夠100%發揮藥效,預防此疾病。 然而,如果對未感染的太空人投予抗毒素,則會出現方向定位障礙 混亂及增強所有不良的人格特質表現等副作用,副作用持續時間約為7天。 目前可在潛伏期中施行一項檢驗 以確定太空人是否感染此疾病 檢驗之結果大約有2%為偽陽性 (未感染者判定為感染者), 約有1%的偽陰性結果。

    無論是對未感染的太空人進行治療或未對感染的太空人進行治療, 皆為誤診瀆職。

    問題

    使用感染檢驗, 以及依照檢驗結果需要使用抗毒素, 則返航的太空人 遭遇誤診瀆職情形的機率有多少?

    尋找最小割集和路徑集

     

    圖 11.故障樹標記並編號用於剪切集分析
    圖 11.故障樹標記並編號用於剪切集分析

     

    圖 12.故障樹標記並編號用 #prac01 於剪切集分析
    圖 12.故障樹標記並編號用 #prac01 於剪切集分析

     

    圖 13.故障樹標記並編號用 #prac02 於剪切集分析
    圖 13.故障樹標記並編號用 #prac02 於剪切集分析

     

    圖 14.故障樹的路徑集實踐 #pathset 分析
    圖 14.故障樹的路徑集實踐 #pathset 分析

    練習題答案

    尋找最小割集和路徑集

     

    圖 15.人工喚醒的解決方案(圖9)
    圖 15.人工喚醒的解決方案(圖9)

     

    圖 16.#01剪切集分析的解決方案(圖12)
    圖 16.#01剪切集分析的解決方案(圖12)

     

    圖 17.#02剪切集分析的解決方案(圖13)
    圖 17.#02剪切集分析的解決方案(圖13)

     

    圖 18.路徑集實踐的解決方案(圖14)
    圖 18.路徑集實踐的解決方案(圖14)

    關鍵文獻

    1. 陳曉惠
      2010-03-30 (22 slides) 集合的基本概念 467KB (22 slides)
    2. Clements PL.
      邏輯閘概率計算 3,055KB (11 slides)
    3. Clements PL.
      1990-06-30 2nd Edition (13pp)
    4. Clements PL.
      1993-05-30 4th Edition (96pp)
    5. Abecassis ZA, McElroy LM, Patel RM, Khorzad R, Carroll C, Mehrotra S. Applying fault tree analysis to the prevention of wrong site surgery.
      2014; 193(1): 88-94.
    6. Hyman WA, Johnson E. Fault tree analysis of clinical alarms.
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    7. Marx DA, Slonim AD. Assessing patient safety risk before the injury occurs: an introduction to sociotechnical probabilistic risk modelling in health care.
      2003; 12 (Suppl II): ii33-ii38. [probability data]
    8. Wreathall J, Nemeth C. Assessing risk: the role of probabilistic risk assessment (PRA) in patient safety improvement.
      2004; 13: 206-212. [probability data]
    9. NEBOSG National Diploma. Fault Tree Analysis (FTA) and Event Tree Analysis (ETA)
      2004; 13: 206-212. [bow-tie model]
    10. Lyons M, Adams S, Woloshynowych M, Vincent C. Human reliability analysis in healthcare: a review of techniques.
      2004; 16: 223-237. [probability data] VIP REVIEW
    11. McElroy LM, Khorzad R, Rowe TA, Abecassis ZA, Apley DW, Barnard C, Holl JL. Fault Tree Analysis: assessing the adequacy of reporting efforts to reduce postoperative bloodstream infection.
      2017; 32(1): 80-86.
    12. Charters DA, Barnett JR, Shannon M, Harrod P, Shea D, Morin K. Assessment of the probabilities that staff and/or patients will detect fires in hospitals.
      Proceedings of the fifth international symposium. pp. 747-758. [probability data]
    13. Rice WP. Medical Device Risk Based Evaluation and Maintenance Using Fault Tree Analysis.
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    14. Department of Mechanical Engineering (UT Austin) Reliability
      2002; May 28.
    15. Precalculus: Find the First Derivative of a Function
    16. Idaho National Laboratory PRA Technology and Regulatory Perspectives — VI Module N Importance Measures
      Calculate values for four types of importance measures given Level 1 PRA results. www.nrc.gov/docs/ 22pp