基于層次故障樹的地面電源診斷優(yōu)化方法研究

吳玉彬，張合新，呂永佳

（第二炮兵工程學(xué)院301教研室，陜西 西安 710025）

測(cè)試與診斷的快速性、準(zhǔn)確性、完備性是決定和影響導(dǎo)彈部隊(duì)快速反應(yīng)能力和生存能力的重要問題。為了適應(yīng)未來復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，滿足越來越先進(jìn)、精確的現(xiàn)代化導(dǎo)彈裝備的需求，需要對(duì)導(dǎo)彈武器各系統(tǒng)的測(cè)試和診斷方式進(jìn)行改進(jìn)。隨著導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)性能的提高及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，其故障發(fā)生的機(jī)率大大提高，各故障相關(guān)的因素也多種多樣，以至于操作號(hào)手感覺難以掌握繁雜的關(guān)于故障的知識(shí)[1]。現(xiàn)行的導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)故障診斷的一般手段是：操作號(hào)手根據(jù)獲得的故障現(xiàn)象，利用自己的經(jīng)驗(yàn)或者查閱故障手冊(cè)進(jìn)行故障診斷。根據(jù)人工記憶或經(jīng)驗(yàn)的診斷方式效率較低，已不能滿足戰(zhàn)時(shí)快速診斷及操作的需要。另一方面對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷而言，如何提高其測(cè)試與診斷的效率也是急需解決的重要問題。其目標(biāo)是在測(cè)試與診斷的過程中，能夠綜合各類因素、采用系統(tǒng)分析的方法，將相對(duì)重要性大的故障因素優(yōu)先測(cè)試而將相對(duì)重要性弱的因素最后測(cè)試，從而大大減少故障診斷的復(fù)雜程度，提高故障源搜尋時(shí)的一次命中率，避免診斷測(cè)試的盲目性，進(jìn)而省去大量的測(cè)試過程，達(dá)到優(yōu)化故障診斷策略的目的[2-3]。

綜合考慮導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)故障診斷的實(shí)際需求，結(jié)合故障樹及層次化分析法 （Analytie Hierarchy Proeess，AHP）的有關(guān)特性，以30 KVA中頻逆變電源為例，首先對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行故障樹建模，并在此基礎(chǔ)上提出了基于層次化故障樹分析法的30 kVA中頻逆變電源故障診斷策略優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)行了理論的分析及實(shí)際驗(yàn)證。

1 故障樹及層次化分析方法

1.1 基本理論

故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）的原理是一種將系統(tǒng)故障形成原因按樹枝狀逐級(jí)細(xì)化的圖形演繹方法，可用于大系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[4]。它通過對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），再對(duì)系統(tǒng)中發(fā)生的故障事件，作出總體至部分、按樹枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析，并在方案與初步設(shè)計(jì)階段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性、安全性分析，常用于系統(tǒng)的故障分析、預(yù)測(cè)與診斷[5]。

對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，應(yīng)用傳統(tǒng)故障樹分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)排查就可以快速實(shí)現(xiàn)故障的分析與定位，并且借助重要度的概念，對(duì)導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小割集進(jìn)行評(píng)測(cè)，確定其重要程度[6]。然而當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能十分復(fù)雜時(shí)，傳統(tǒng)的分析既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，效率很低，無法實(shí)現(xiàn)故障快速定位。層次化分析方法的思想基礎(chǔ)與系統(tǒng)分析的原則是一致的[7]。在對(duì)事物進(jìn)行決策分析時(shí)，能對(duì)定性問題和定量問題進(jìn)行綜合分析處理，并得到明確的定量化結(jié)論，以優(yōu)劣排序的形式表現(xiàn)出來，對(duì)事物的評(píng)判決策過程十分簡(jiǎn)便。豐富的數(shù)學(xué)原理以及能夠汲取決策者個(gè)人或集團(tuán)的閱歷、經(jīng)驗(yàn)、智慧、判斷能力，從而使得診斷策略建立在更扎實(shí)的理論基礎(chǔ)上。

層次化分析方法是將決策問題的有關(guān)元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性分析和定量分析的一種決策方法。該方法的特點(diǎn)是在對(duì)復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析后，構(gòu)建一個(gè)清晰的層次結(jié)構(gòu)模型，然后引入測(cè)度理論，通過兩兩比較，用相對(duì)標(biāo)度將人的判斷標(biāo)準(zhǔn)用量化的形式表示出來，而后逐層建立判斷矩陣，在此基礎(chǔ)上逐個(gè)求解各個(gè)判斷矩陣的權(quán)重，最后計(jì)算方案的綜合權(quán)重并進(jìn)行層次總排序，按照各個(gè)方案權(quán)重的大小選擇合適的方案[8]。

1.2 層次化分析的步驟

層次分析法本質(zhì)上是一種決策思維方式，它具有人的思維分析、判斷和綜合的特征。它的基本思路可以分為以下6個(gè)步驟[9]。

第一步，將復(fù)雜的問題層次化。決策者根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo)，首先制定出目標(biāo)層，目標(biāo)層通常為一個(gè)元素，是問題的最終目的。把影響問題決策的因素分為幾大類作為目標(biāo)層下面的準(zhǔn)則層。指標(biāo)層是準(zhǔn)則層的細(xì)化，其中的元素均隸屬于準(zhǔn)則層中的一個(gè)或多個(gè)元素。最后一層為決策方案層，列出待選的各種方案。這樣，就把問題按照各因素之間的隸屬關(guān)系和相互關(guān)聯(lián)度分層，形成自上而下的逐層支配的關(guān)系，也即形成一個(gè)遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)Fig．1 Pass class time structure

第二步，采用標(biāo)度法[10]形成判斷矩陣。層次分析法的信息基礎(chǔ)就是判斷矩陣。假設(shè)有m個(gè)指標(biāo)Z1，Z2，…，Zm，給定一個(gè)準(zhǔn)則，利用某一標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)Zi和Zj作相互比較判斷，即可獲得相對(duì)重要度的數(shù)據(jù)aij。以此類推，可構(gòu)建一個(gè)m階的矩陣：

矩陣A就是判斷矩陣。判斷矩陣的實(shí)質(zhì)是一個(gè)主觀評(píng)判的過程，通過專家對(duì)某一層次中所有元素，以所屬的上一層次中某元素為準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較，確定哪一個(gè)重要和重要的程度。判斷矩陣有如下的特性：

第三步，檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性[11]。進(jìn)行一致性檢驗(yàn)可通過計(jì)算一致性比例CR來決定，

表1 傳統(tǒng)AHP法比例標(biāo)度Tab.1 Traditionalm ethod proportion scale for AHP

其中：

稱為一致性指標(biāo)。RI稱為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；λmax為特征方程的最大特征根；n為比較判斷矩陣A的階數(shù) （也是該層次所含的因素個(gè)數(shù)）。RI的取值規(guī)則如表2所示。

表2 RI取值規(guī)則Tab.2 RIvalues rules

若CR≤0．1，則認(rèn)為該層次單排序的結(jié)果有滿意的一致性，否則需要調(diào)整A的元素取值。

第四步，層次總排序。計(jì)算同一層次中所有元素對(duì)于最高層總目標(biāo)的相對(duì)重要性標(biāo)度稱為層次總排序。這一過程是從最高層次向最低層次逐層進(jìn)行的。設(shè)已計(jì)算出k-1層相對(duì)于總目標(biāo)的排序權(quán)重向量為：

式中m為k-1層次所含的因素個(gè)數(shù)。而以第k-1層第j個(gè)因素作為比較準(zhǔn)則時(shí)，第k層各因素相對(duì)重要性標(biāo)度為：

式中n為k層次所含的因素個(gè)數(shù)。bkj（i）為第k層第i個(gè)因素的相對(duì)重要性標(biāo)度。令 Bk=（bk1，bk2，…，bkm），則第 k 層各因素相對(duì)于總目標(biāo)的排序權(quán)向量ak由（6）式給出：

一般的，有排序權(quán)重公式：

式中a2為第二層因素的排序權(quán)重向量；h為層次數(shù)。

第五步，層次總排序的一致性檢驗(yàn)。考慮到人們?cè)趯?duì)各層元素作比較時(shí)，盡管每一層次中所用的比較尺度可能基本一致，但各層之間仍可能有所差異，而這種差異將隨著層次總排序的逐層計(jì)算而累計(jì)起來，為此需從評(píng)價(jià)模型的總體上檢驗(yàn)一下這種差異程度的累積是否顯著，上述檢驗(yàn)過程稱為層次總排序的一致性檢驗(yàn)。這一工作也是從高到低逐層進(jìn)行的。設(shè)已得到以k-1層第j個(gè)因素為比較準(zhǔn)則時(shí)，第k層各因素兩兩比較的層次單排序一致性指標(biāo)為CIk-1j，平均隨即一致性指標(biāo)為RIk-1j，則第k層次的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)有：

當(dāng)CRk≤0．1時(shí)，可認(rèn)為評(píng)價(jià)模型在第k層水平上整個(gè)判斷達(dá)到了局部滿意一致性。若上述檢驗(yàn)過程一直完成到第h層次（最低層次），并有 CRh≤0．1，則可認(rèn)為該評(píng)價(jià)模型在作逐層比較時(shí)，對(duì)所有層次和所有因素作比較所用的尺度達(dá)到了總體上的滿意一致性，因而所得到的層次總排序權(quán)重向量W=ah是可信的，可以用來做排序和優(yōu)選之用。

第六步，通過逐層計(jì)算，得到方案層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，比重最大的一個(gè)為待選方案中的最優(yōu)方案。

2 故障樹建模

將層次故障樹診斷方法引入導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)故障診斷中，首先必須對(duì)該電源系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對(duì)各故障狀態(tài)進(jìn)行故障樹建模。故障樹建造過程的實(shí)質(zhì)是尋找出所研究的系統(tǒng)故障和導(dǎo)致系統(tǒng)故障的諸因素之間的邏輯關(guān)系，并將這種關(guān)系用故障樹的圖像符號(hào)（事件符號(hào)與邏輯門符號(hào)）表示，成為以頂事件為根，若干個(gè)二次事件和基本事件（底事件）為干枝和分枝的倒樹圖形。下面以故障現(xiàn)象“逆變電路能啟動(dòng)，但輸出的490 Hz頻率不正?；虿环€(wěn)定?！睘槔M(jìn)行故障樹建模分析。

故障現(xiàn)象：逆變電路能啟動(dòng)，但輸出的490 Hz頻率不正常或不穩(wěn)定。

該故障現(xiàn)象，根據(jù)導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)層次模型，可以推斷出故障發(fā)生在逆變分系統(tǒng)和整流分系統(tǒng)。故障部件可能為RC調(diào)頻器件、逆變觸發(fā)電路，分析至此，將故障范圍縮小到部件級(jí)。

對(duì)部件級(jí)故障進(jìn)行故障樹分析：假如故障發(fā)生在RC調(diào)頻器件，則故障原因?yàn)椤皶r(shí)鐘振蕩”電路IC7（74132）故障，或者直流分壓電阻R8～Rl0有燒壞的，或者濾波電容有漏電或開路的，從而引起輸出的490 Hz頻率不穩(wěn)定；假如故障發(fā)生在逆變觸發(fā)電路，則可能原因是分配緩沖電路IC2（7416）、選通電路 IC5/6（7416）、脈沖放大電路 T6～T11及其相關(guān)外圍器件故障，另外逆變可控硅性能變壞時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致此現(xiàn)象。單元模塊故障樹如圖2所示。

圖2 單元模塊故障樹Fig．2 Unitmodule fault tree

3 層次故障樹分析

層次故障樹分析的基本思路是：首先將故障診斷樹轉(zhuǎn)化為符合層次化分析方法的遞階層次結(jié)構(gòu)；其次對(duì)變換后的遞階層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次化分析，求得各底事件或割集的相對(duì)測(cè)度值，將相對(duì)重要性大的故障因素優(yōu)先測(cè)試而將相對(duì)重要性弱的元素最后測(cè)試，從而可以大大減少故障診斷的復(fù)雜程度，同時(shí)也必然使故障源搜尋時(shí)的一次命中率大大提高，避免診斷測(cè)試的盲目性，省去大量的測(cè)試過程，達(dá)到優(yōu)化故障診斷策略。

以故障“逆變電路能啟動(dòng)，但輸出的490 Hz頻率不正常或不穩(wěn)定”為例，對(duì)基于層次故障樹的診斷優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證。首先將圖2所示故障樹轉(zhuǎn)化為遞階層次結(jié)構(gòu)。

在將故障樹結(jié)構(gòu)向遞階層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的過程中，首要解決的就是故障樹中邏輯符號(hào)的處理。文獻(xiàn)1提出兩種解決的方法，即直接轉(zhuǎn)化法和間接轉(zhuǎn)化法。為了能夠清楚地說明上述轉(zhuǎn)換過程，以圖2所示的故障樹為例進(jìn)行說明。

STEP1將故障樹的頂事件“逆變電路能啟動(dòng)，但輸出的490 Hz頻率不正常或不穩(wěn)定”列為A級(jí)元素。

STEP2進(jìn)行B級(jí)遍歷，并分級(jí)編號(hào)，得B級(jí)元素如表3所示。

表3 B級(jí)元素Tab.3 B level element

STEP3進(jìn)行C級(jí)遍歷，并分級(jí)編號(hào)，得C級(jí)元素如表4所示。

表4 C級(jí)元素Tab.4 C level element

由此獲得的遞階結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 圖2的遞階層次結(jié)構(gòu)Fig．3 Pass class time structure for Fig．2

判斷矩陣

C層對(duì)于目標(biāo)層A的一致性檢驗(yàn)：

滿足整體一致性要求。C層次對(duì)于A的總排序可用表5所示。

表5 C層次對(duì)于A的總排序Tab.5 C level total order for A

由此可以看出，C3（逆變可控硅損壞，導(dǎo)致逆變觸發(fā)電路故障），C2（逆變單元可控硅的觸發(fā)脈沖Ⅲ～Ⅱ6異常，導(dǎo)致逆變觸發(fā)電路故障），C0（直流分壓電阻 R8～Rl0燒壞，導(dǎo)致整流主電路故障），C1（濾波電容漏電或開路，導(dǎo)致整流主電路故障）這4個(gè)故障因素對(duì)于總目標(biāo)的相對(duì)重要性排序?yàn)?C0＞C3＞C1＞C2。在故障診斷策略制定的過程中，按照上述順序，將相對(duì)重要性大的故障因素優(yōu)先測(cè)試而將相對(duì)重要性弱的元素最后測(cè)試，達(dá)到優(yōu)化故障診斷策略。

4 結(jié)束語

從導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)故障診斷的實(shí)際需求出發(fā)，首先采用故障樹的方法構(gòu)建了典型故障及其故障原因之間的故障樹模型，其次針對(duì)傳統(tǒng)故障樹模型中，重要度評(píng)價(jià)方法存在的問題，引入層次化分析的方法，實(shí)現(xiàn)故障因素對(duì)于總目標(biāo)的相對(duì)重要性的量化評(píng)價(jià)和排序，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)診斷策略的優(yōu)化。理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明，故障樹模型能夠快速地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈地面電源系統(tǒng)故障的分析和定位，層次化分析方法比重要度評(píng)測(cè)方法更為高效和實(shí)用。

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