姜來(lái)春

（解放軍91550部隊(duì) 遼寧 大連 116023）

測(cè)控裝備技術(shù)保障的特點(diǎn)是測(cè)控裝各地域上比較分散、專(zhuān)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(cè)控任務(wù)的圓滿(mǎn)完成。近年來(lái)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)越來(lái)越受到重視，故障診斷技術(shù)[1]已成為一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，提出了基于故障字典、故障樹(shù)分析、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)、專(zhuān)家系統(tǒng)、故障預(yù)測(cè)等理論的故障診斷方法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)故障診斷問(wèn)題有必要重點(diǎn)研究，必須把以往的經(jīng)驗(yàn)提升到理論高度，同時(shí)在堅(jiān)實(shí)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(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子電路故障診斷的自動(dòng)檢測(cè)、定位及故障預(yù)測(cè)。

1 故障樹(shù)分析方法

圖1 故障樹(shù)示意圖Fig.1 Fault tree diagram

故障樹(shù)分析[2]是一種主要的系統(tǒng)可靠性和可用性預(yù)測(cè)方法，廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)踐中。它是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)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(jìn)行分析，畫(huà)出邏輯框圖（即故障樹(shù)），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(jì)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(jì)分析方法和評(píng)估方法。將系統(tǒng)級(jí)的故障現(xiàn)象（稱(chēng)為頂事件）與最基本的故障原因（稱(chēng)為底事件）之間的內(nèi)在關(guān)系表示成樹(shù)形的網(wǎng)絡(luò)圖，各層事件之間通過(guò) “與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運(yùn)算關(guān)系相關(guān)聯(lián)。基于故障樹(shù)模型可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量的分析，故障診斷則是一個(gè)從觀測(cè)到的頂層故障現(xiàn)象出發(fā)、逐步向下演繹，最終找出對(duì)應(yīng)的底層故障原因的過(guò)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(shí)效的進(jìn)程中，各種中間事件的相互關(guān)系。故障樹(shù)模型是描述診斷對(duì)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(diǎn)（即下層故障源）與父節(jié)點(diǎn)（即上層故障現(xiàn)象）之間的因果關(guān)系。

2 故障樹(shù)建造

在故障樹(shù)分析中，建樹(shù)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(shù)完善與否直接影響定性分析和定量計(jì)算結(jié)果是否正確，故障應(yīng)是實(shí)際系統(tǒng)故障組合和傳遞的邏輯關(guān)系的正確抽象。整個(gè)建樹(shù)過(guò)程是工程技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)的分析思考過(guò)程，通過(guò)不同角度的建樹(shù)過(guò)程，使分析人員進(jìn)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(jì)人員判明潛在故障，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)運(yùn)行和維修方案。建樹(shù)工作較繁，因此應(yīng)由系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用人員和可靠性方面的專(zhuān)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(gè)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(gè)不希望的頂事件，由此開(kāi)始，逐級(jí)找出各級(jí)事件的全部可能的直接原因，并用故障樹(shù)的符號(hào)表示各類(lèi)事件及其邏輯關(guān)系，直至分析到各類(lèi)底事件為止。按以下4個(gè)步驟進(jìn)行建樹(shù)[3]：

1）熟悉系統(tǒng)

在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障樹(shù)分析之前，建樹(shù)者首先應(yīng)對(duì)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(shù)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(duì)象來(lái)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(jìn)行分析，頂事件必須有明確的定義，能夠定量評(píng)定，而且能進(jìn)一步分解出它發(fā)生的原因。一個(gè)系統(tǒng)可能有多個(gè)不希望發(fā)生的事件，因此可以建立幾棵故障樹(shù)，但一個(gè)故障樹(shù)只能從一個(gè)不希望事件開(kāi)始分析，這就要選擇與設(shè)計(jì)、分析目的最相關(guān)的事件作為建樹(shù)的起始事件，即頂事件。

3）構(gòu)造故障樹(shù)

由頂事件出發(fā)，逐級(jí)找出各級(jí)事件的全部可能的直接原因，并用故障樹(shù)的符號(hào)表示各類(lèi)事件及其邏輯關(guān)系，直至分析到底事件為止，顯然，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)造一顆故障樹(shù)需要浩大的工作量，建樹(shù)分為兩類(lèi)：人工建樹(shù)，基本上用演繹法，即對(duì)系統(tǒng)的各級(jí)故障事件進(jìn)行邏輯推理；第二類(lèi)是計(jì)算機(jī)輔助建樹(shù)，目前這是個(gè)很活躍的研究課題。

4）簡(jiǎn)化故障樹(shù)

當(dāng)故障樹(shù)構(gòu)成后，還必須從故障樹(shù)的最下級(jí)開(kāi)始，逐級(jí)寫(xiě)出上級(jí)事件與下級(jí)事件的邏輯關(guān)系式，直到頂事件為至。并結(jié)合邏輯運(yùn)算算法做進(jìn)一步分析運(yùn)算，刪除多余事件。

下面以脈沖雷達(dá)接收機(jī)和支路無(wú)回波信號(hào)為例進(jìn)行故障樹(shù)分析：

圖2 脈沖雷達(dá)接收機(jī)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(jī)和支路主要由場(chǎng)放、混頻器、前中、數(shù)控衰減器、移相器以及中放等組成。對(duì)于該接收機(jī)系統(tǒng)，其故障模式很多，如“無(wú)回波信號(hào)”、“AGC工作不正?！钡?。選擇不同的頂事件將會(huì)有不同的故障樹(shù)，現(xiàn)以“和通道無(wú)回波信號(hào)”為例建立故障樹(shù)進(jìn)行分析，所建立的故障樹(shù)如圖3所示，頂事件是“無(wú)回波信號(hào)”，底事件分別是 X1、X2、…、X9，中間事件分別是 M1、M2、M3和 M4。樹(shù)中各符號(hào)的含義如下，X1：場(chǎng)放無(wú)輸出；X2：本振無(wú)輸出；X3：移相器無(wú)輸出；X4：中放無(wú)輸出；X5：分路器無(wú)輸出；X6：相加器無(wú)輸出；X7：輸出級(jí)無(wú)輸出；X8：鑒頻器無(wú)輸出；X9：視放無(wú)輸出；M1：混頻器無(wú)輸出；M2：16 dB 衰減器無(wú)輸出；M3：對(duì)放無(wú)輸出；M4：變帶寬無(wú)輸出。

3 故障樹(shù)分析

3.1 定性分析

對(duì)故障樹(shù)進(jìn)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(bǔ)救。

圖3 和支路無(wú)回波信號(hào)故障樹(shù)Fig.3 And branch no echo signal fault tree

考慮由n個(gè)不同的獨(dú)立底事件構(gòu)成的故障樹(shù)[5]。引入二值變量xi，表示第i個(gè)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(shù)（僅含有底事件、結(jié)果事件以及與、或、非3種邏輯門(mén)）頂事件發(fā)生的若干底事件集合。若有K個(gè)狀態(tài)向量X，能使 Φ（X）=1，則稱(chēng) X為割向量，割向量對(duì)應(yīng)的底事件集合稱(chēng)為割集。最小割集是導(dǎo)致正規(guī)故障樹(shù)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(shù)；在此，我們利用下行法求最小割集[6]。下行法的特點(diǎn)是根據(jù)故障樹(shù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從頂事件開(kāi)始，逐級(jí)向下尋查，找出故障樹(shù)的所有割集，然后再通過(guò)集合運(yùn)算規(guī)則加以簡(jiǎn)化、吸收，得到全部最小割集。求解過(guò)程如表1所示。

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

經(jīng)簡(jiǎn)化、吸收，去掉重復(fù)的割集，得到全部9個(gè)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(xiǎn)性，每個(gè)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(xiǎn)。

3.2 定量分析

定量分析[7]的目的是計(jì)算頂事件的發(fā)生概率，以它來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的安全可靠性，將計(jì)算的頂事件發(fā)生概率與預(yù)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，如果超出目標(biāo)值就應(yīng)該采取必要的改進(jìn)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(jì)算出頂事件發(fā)生概率[8]為：

概率重要度分析是故障樹(shù)分析中的重要部分，它反映了底事件概率變化對(duì)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(jìn)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(jì)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(guò)分析可知每個(gè)底事件在系統(tǒng)中所處位置的重要性，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該采取必要的檢測(cè)手段和保護(hù)措施來(lái)提高其可靠性和安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于導(dǎo)致頂事件故障的原因有多個(gè)，在故障診斷時(shí)，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(duì)于復(fù)雜電路的故障樹(shù)分析，將有大量的故障模式需要測(cè)試，所以在此用故障樹(shù)最小割集重要度進(jìn)行分析，只要對(duì)重要度大的故障模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于重要度小的故障模式可以不進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者對(duì)幾個(gè)重要度大的故障模式所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后綜合進(jìn)行判定。根據(jù)故障樹(shù)分析結(jié)果，將脈沖雷達(dá)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)各底事件的可靠性要求，通過(guò)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(guò)可靠性驗(yàn)證，脈沖雷達(dá)實(shí)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(jìn)行排序，由高到低初步設(shè)置故障檢測(cè)點(diǎn)，然后再進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到用盡量少的檢測(cè)點(diǎn)來(lái)確保盡可能高的故障檢測(cè)能力。

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