故障樹分析方法在脈沖雷達(dá)故障檢測中的應(yīng)用

姜來春

（解放軍91550部隊 遼寧 大連 116023）

測控裝備技術(shù)保障的特點是測控裝各地域上比較分散、專業(yè)技術(shù)支持人員少而集中，而裝備技術(shù)保障的水平直接影響測控任務(wù)的圓滿完成。近年來復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)越來越受到重視，故障診斷技術(shù)[1]已成為一個十分活躍的研究領(lǐng)域，提出了基于故障字典、故障樹分析、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)、專家系統(tǒng)、故障預(yù)測等理論的故障診斷方法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對故障診斷問題有必要重點研究，必須把以往的經(jīng)驗提升到理論高度，同時在堅實的理論基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地發(fā)展和完善一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)代化電子設(shè)備故障診斷方法，并結(jié)合先進的計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)電子電路故障診斷的自動檢測、定位及故障預(yù)測。

1 故障樹分析方法

圖1 故障樹示意圖Fig.1 Fault tree diagram

故障樹分析[2]是一種主要的系統(tǒng)可靠性和可用性預(yù)測方法，廣泛的應(yīng)用于工程實踐中。它是在系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素（例如硬件、軟件、環(huán)境、人為等因素）進行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，以計算系統(tǒng)失效概率，并采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性、安全性的一種設(shè)計分析方法和評估方法。將系統(tǒng)級的故障現(xiàn)象（稱為頂事件）與最基本的故障原因（稱為底事件）之間的內(nèi)在關(guān)系表示成樹形的網(wǎng)絡(luò)圖，各層事件之間通過 “與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運算關(guān)系相關(guān)聯(lián)。基于故障樹模型可以對系統(tǒng)進行定性和定量的分析，故障診斷則是一個從觀測到的頂層故障現(xiàn)象出發(fā)、逐步向下演繹，最終找出對應(yīng)的底層故障原因的過程。它把系統(tǒng)故障與組成系統(tǒng)的部件故障聯(lián)系在一起，并有層次地分別描述出系統(tǒng)在實效的進程中，各種中間事件的相互關(guān)系。故障樹模型是描述診斷對象結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)系的一種定性因果模型，它體現(xiàn)了故障傳播的層次性和子節(jié)點（即下層故障源）與父節(jié)點（即上層故障現(xiàn)象）之間的因果關(guān)系。

2 故障樹建造

在故障樹分析中，建樹的關(guān)鍵是要清楚地了解所分析的系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系及故障模式、影響及致命度，建樹完善與否直接影響定性分析和定量計算結(jié)果是否正確，故障應(yīng)是實際系統(tǒng)故障組合和傳遞的邏輯關(guān)系的正確抽象。整個建樹過程是工程技術(shù)人員對系統(tǒng)的分析思考過程，通過不同角度的建樹過程，使分析人員進一步得到系統(tǒng)各種信息而更加熟悉系統(tǒng)，可以幫助設(shè)計人員判明潛在故障，以便改進設(shè)計，改進運行和維修方案。建樹工作較繁，因此應(yīng)由系統(tǒng)設(shè)計，使用人員和可靠性方面的專家密切合作，而且應(yīng)該不斷深入，逐步完善。

首先，分析系統(tǒng)各個組件的功能、結(jié)構(gòu)、原理、故障狀態(tài)、故障因素及其影響等，并作深刻透徹的了解，確定一個不希望的頂事件，由此開始，逐級找出各級事件的全部可能的直接原因，并用故障樹的符號表示各類事件及其邏輯關(guān)系，直至分析到各類底事件為止。按以下4個步驟進行建樹[3]：

1）熟悉系統(tǒng)

在對一個系統(tǒng)進行故障樹分析之前，建樹者首先應(yīng)對系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)原理、故障狀態(tài)、故障因素及其影響等作深刻透徹的了解，收集有關(guān)系統(tǒng)的技術(shù)資料，這是建樹的基礎(chǔ)工作。

2）確定頂事件

頂事件可以根據(jù)我們的研究對象來選取，通常頂事件是指系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障事件，為了能夠進行分析，頂事件必須有明確的定義，能夠定量評定，而且能進一步分解出它發(fā)生的原因。一個系統(tǒng)可能有多個不希望發(fā)生的事件，因此可以建立幾棵故障樹，但一個故障樹只能從一個不希望事件開始分析，這就要選擇與設(shè)計、分析目的最相關(guān)的事件作為建樹的起始事件，即頂事件。

3）構(gòu)造故障樹

由頂事件出發(fā)，逐級找出各級事件的全部可能的直接原因，并用故障樹的符號表示各類事件及其邏輯關(guān)系，直至分析到底事件為止，顯然，對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)造一顆故障樹需要浩大的工作量，建樹分為兩類：人工建樹，基本上用演繹法，即對系統(tǒng)的各級故障事件進行邏輯推理；第二類是計算機輔助建樹，目前這是個很活躍的研究課題。

4）簡化故障樹

當(dāng)故障樹構(gòu)成后，還必須從故障樹的最下級開始，逐級寫出上級事件與下級事件的邏輯關(guān)系式，直到頂事件為至。并結(jié)合邏輯運算算法做進一步分析運算，刪除多余事件。

下面以脈沖雷達(dá)接收機和支路無回波信號為例進行故障樹分析：

圖2 脈沖雷達(dá)接收機和支路電路示意圖Fig.2 Monopulse radar receiver and branch circuit schematic diagram

沖雷達(dá)接收機和支路主要由場放、混頻器、前中、數(shù)控衰減器、移相器以及中放等組成。對于該接收機系統(tǒng)，其故障模式很多，如“無回波信號”、“AGC工作不正?！钡取＿x擇不同的頂事件將會有不同的故障樹，現(xiàn)以“和通道無回波信號”為例建立故障樹進行分析，所建立的故障樹如圖3所示，頂事件是“無回波信號”，底事件分別是 X1、X2、…、X9，中間事件分別是 M1、M2、M3和 M4。樹中各符號的含義如下，X1：場放無輸出；X2：本振無輸出；X3：移相器無輸出；X4：中放無輸出；X5：分路器無輸出；X6：相加器無輸出；X7：輸出級無輸出；X8：鑒頻器無輸出；X9：視放無輸出；M1：混頻器無輸出；M2：16 dB 衰減器無輸出；M3：對放無輸出；M4：變帶寬無輸出。

3 故障樹分析

3.1 定性分析

對故障樹進行定性分析[4]的主要目的是：尋找導(dǎo)致與系統(tǒng)有關(guān)的不希望事件發(fā)生的原因的組合，即尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式。從中確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，采取措施，予以補救。

圖3 和支路無回波信號故障樹Fig.3 And branch no echo signal fault tree

考慮由n個不同的獨立底事件構(gòu)成的故障樹[5]。引入二值變量xi，表示第i個底事件的狀態(tài)。定義底事件的狀態(tài)為：

同樣，引入二值變量Φ，表示頂事件T的狀態(tài)。定義頂事件的狀態(tài)為：

割集是導(dǎo)致正規(guī)故障樹（僅含有底事件、結(jié)果事件以及與、或、非3種邏輯門）頂事件發(fā)生的若干底事件集合。若有K個狀態(tài)向量X，能使 Φ（X）=1，則稱 X為割向量，割向量對應(yīng)的底事件集合稱為割集。最小割集是導(dǎo)致正規(guī)故障樹頂事件發(fā)生數(shù)目不可再少的底事件集合。如圖3所示的故障樹；在此，我們利用下行法求最小割集[6]。下行法的特點是根據(jù)故障樹的實際結(jié)構(gòu)，從頂事件開始，逐級向下尋查，找出故障樹的所有割集，然后再通過集合運算規(guī)則加以簡化、吸收，得到全部最小割集。求解過程如表1所示。

表1 下行法得接收機和支路無回波的最小割集Tab.1 Descending method to receiver and branch no echo minimum cut set

經(jīng)簡化、吸收，去掉重復(fù)的割集，得到全部9個最小割集分別為:

K1={X1}；K2={X2}；K3={X3}；K4={X4}；K5={X5}；K6={X6}；K7={X7}；K8={X8}；K9={X9}。最小割集表明系統(tǒng)的危險性，每個最小割集都是頂事件發(fā)生的一種可能渠道，最小割集越多系統(tǒng)越危險。

3.2 定量分析

定量分析[7]的目的是計算頂事件的發(fā)生概率，以它來評價系統(tǒng)的安全可靠性，將計算的頂事件發(fā)生概率與預(yù)定的目標(biāo)值進行比較，如果超出目標(biāo)值就應(yīng)該采取必要的改進措施，使其降至目標(biāo)值以下。各底事件發(fā)生概率如表2所示。

表2 底事件發(fā)生概率Tab.2 Bottom occurrence probability

根據(jù)底事件的發(fā)生概率可以計算出頂事件發(fā)生概率[8]為：

概率重要度分析是故障樹分析中的重要部分，它反映了底事件概率變化對頂事件概率變化的難易程度，但并不能反映出不同底事件改進的難易程度。設(shè)t=1 000 h，λ為各底事件的發(fā)生概率，則可靠度的計算公式為:

各底事件的可靠度為

式中

各底事件的概率重要度為:

通過分析可知每個底事件在系統(tǒng)中所處位置的重要性，設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)該采取必要的檢測手段和保護措施來提高其可靠性和安全性。

4 結(jié)束語

由于導(dǎo)致頂事件故障的原因有多個，在故障診斷時，可以判斷所有最小割集即故障模式，從而找到故障原因，但是對于復(fù)雜電路的故障樹分析，將有大量的故障模式需要測試，所以在此用故障樹最小割集重要度進行分析，只要對重要度大的故障模式進行監(jiān)測，對于重要度小的故障模式可以不進行監(jiān)測，或者對幾個重要度大的故障模式所對應(yīng)的監(jiān)測點進行監(jiān)測，然后綜合進行判定。根據(jù)故障樹分析結(jié)果，將脈沖雷達(dá)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為對各底事件的可靠性要求，通過提高底事件的可靠性達(dá)到提高脈沖雷達(dá)可靠性的目的。經(jīng)過可靠性驗證，脈沖雷達(dá)實際達(dá)到的可靠性值與分析結(jié)果基本一致。將所有底事件按概率重要度進行排序，由高到低初步設(shè)置故障檢測點，然后再進行優(yōu)化，達(dá)到用盡量少的檢測點來確保盡可能高的故障檢測能力。

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