故障樹分析法在柴油機遙控系統(tǒng)電路故障診斷中的應(yīng)用

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，船舶柴油機遙控系統(tǒng)的功能越來越強，復(fù)雜程度也逐漸提高。在帶來更高安全性和可靠性的同時也給系統(tǒng)的故障診斷增大了難度，因此找出一套行之有效的故障檢測辦法具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船用柴油機遙控系統(tǒng)用于發(fā)電機的原動機運行時的遙控和安全保護，指示氣動輪胎離合器的狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)動機及外部控制聯(lián)鎖。該遙控系統(tǒng)由原動機遙控裝置、離合器保護和信號裝置、電源和信號裝置、原動機狀態(tài)復(fù)示裝置組成，各部分之間的關(guān)系及與船舶上其他設(shè)備的關(guān)系見圖1。圖中虛線部分內(nèi)為船舶主機遙控系統(tǒng)，即被測試對象。

圖1 遙控系統(tǒng)組成及與其他設(shè)備的連接關(guān)系框圖

2 故障樹的建立

故障樹分析法在模擬電路故障診斷過程中具有獨特的優(yōu)勢，也是目前電路故障診斷過程中最為適用、應(yīng)用最為廣泛的分析方法，在本文研究的主機遙控系統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)中，故障診斷部分采用以故障樹分析法為主，文中主要討論故障樹分析法在柴油機遙控系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用。

對柴油機遙控系統(tǒng)故障樹的構(gòu)建，采取理論與實踐相結(jié)合的方法，即在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合積累的人工診斷經(jīng)驗，構(gòu)建合理的故障樹，然后進行合理的故障樹簡化。對于一個系統(tǒng)而言，可能發(fā)生的故障難以窮盡，構(gòu)建故障樹的過程中，如果把所有的因素都考慮進去，勢必使故障樹的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，難以找到真正的焦點。因為系統(tǒng)中有些部件或者元件的失效率極低(比如電阻)，與可靠性差的部件相比幾乎可以忽略它們對分析結(jié)果的影響。為了獲得一個在實際工作條件下與主要邏輯關(guān)系等效的故障樹，在本系統(tǒng)構(gòu)建故障樹的過程中作如下假設(shè)：

1) 各元器件之間的連線故障發(fā)生率很低。

2) 電路印制板質(zhì)量有保證，不存在虛焊、脫焊等現(xiàn)象。

3) 系統(tǒng)一般為單故障。

4) 各接插件連接牢固、可靠，故障發(fā)生率很低。

3 對故障樹進行定性分析

假設(shè)所研究的設(shè)備及其組成的部件、元件等只取正常和故障2種狀態(tài)，并假設(shè)部件、元件的故障是相互獨立的。

3.1 求故障樹的最小割集

此處故障樹最小割集的求法采用由上而下的故障樹搜尋法即Fussell法,用圖2的盤車功能失常為例，其步驟如表1所列,它是根據(jù)邏輯與門僅增加割集容量,而邏輯或門才增加割集個數(shù)的性質(zhì),由上而下,遇到與門就把與門下面所有輸入事件都排列于一行,遇到或門就把或門下面所有輸入事件都排列于一列,依此類推,一直到不能分解為止。

圖2 盤車功能失常故障

表1 盤車功能失效步驟

根據(jù)文獻[1]使用Fussell法得出得最小割集就是故障樹得底事件，本系統(tǒng)的其他故障樹所得出的最小割集也符合同樣的性質(zhì)，因多數(shù)電器設(shè)備所得出的故障樹的邏輯門為或門，這是由于電器設(shè)備的特殊結(jié)構(gòu)所決定的。

由以上的結(jié)論得出每一個底事件都是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的一種故障模式，在該系統(tǒng)中都起到了關(guān)鍵的作用。

3.2 求底事件的重要度

底事件重要度為底事件的發(fā)生概率與頂事件的發(fā)生概率之比，根據(jù)文獻[2]。由上面的結(jié)論可知底事件的重要度(以圖2為例)均為1/26，也就是說在失效相同的情況下每個底事件對頂事件的影響程度是相同的，但是由于部件的制造工藝、制造環(huán)境、出場日期、工作環(huán)境等的不同，所以每個底事件的失效概率也不可能完全相等。

3.3 頂事件的失效概率

根據(jù)圖1的故障樹，按照概率的加法公式得出：

P(F3)=+P(F50)+P(F51)+P(F52)+

P(F53)+P(F55)+P(F56)+

P(F57)

公式中的P(×××)表示該事件所對應(yīng)的失效概率，因此需要從實踐中得出各種底事件的發(fā)生概率，這樣就可以得出頂事件的發(fā)生概率。

4 利用故障樹建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫

將故障樹轉(zhuǎn)化為關(guān)系知識，這一過程是導(dǎo)出專家系統(tǒng)關(guān)系規(guī)則(診斷知識)的有效途徑。產(chǎn)生式規(guī)則表示的形式，用規(guī)則序列的形式描寫過程的思想首先是由波斯特提出來的，表示方法是產(chǎn)生式規(guī)則。它是由具有如下形式的語句序列構(gòu)成:

“if condition then execute (conclusion)”

例如：

If P2/2常閉觸點未閉合then盤車裝置未受到信號;

If P4/2常閉觸點未閉合then盤車裝置未受到信號;

If P12/2常閉觸點未閉合then盤車裝置未受到信號;

關(guān)系數(shù)據(jù)庫具有較高的數(shù)據(jù)獨立性、數(shù)據(jù)庫一致性，關(guān)系中的關(guān)系性明確，且關(guān)系具有相對性(即一個關(guān)系既可以看作是對一個實體的表示，也可以看作是一個n元的關(guān)系)。因而，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫可以方便地表示各類知識及實現(xiàn)以查詢?yōu)榛A(chǔ)的知識推理。知識庫采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的形式。因而，規(guī)則知識描述為數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系，即采用“關(guān)系表述知識，連接成庫”的組織形式。

如對上述規(guī)則在系統(tǒng)表示為知識數(shù)據(jù)庫的“或”關(guān)系元組:{1，P2/2常閉觸點未閉合，P4/2常閉觸點未閉合，P12/2常閉觸點未閉合……，盤車裝置未受到信號……}其中，1為知識編號，盤車裝置未受到信號位于結(jié)論字段，其余位于前提字段。在基于關(guān)系組織規(guī)則的專家系統(tǒng)中，知識的關(guān)系形式具有以下優(yōu)點:

1) 模塊性。每個關(guān)系獨立于其余關(guān)系定義了一定的規(guī)則知識。

2) 便于更新。新關(guān)系的增加一般不影響已有的關(guān)系。

3) 修改性。對一些關(guān)系的修改僅對與其相聯(lián)系的少部分關(guān)系有影響。

4) 透明性。通過關(guān)系的連續(xù)性傳遞，系統(tǒng)能顯示達到結(jié)論的推理路徑，便于進行推理的解釋，這對于專家系統(tǒng)的實用性是極其重要的。

5 故障診斷

將遙控系統(tǒng)整機功能測試所需的測試點連線接入測試系統(tǒng)，計算機將針對遙控系統(tǒng)整機的所有工作狀態(tài)，仿真模擬被控對象的工作過程，按照程序設(shè)置依次送給遙控系統(tǒng)所需的輸入信號，同時檢測其輸出信號，根據(jù)輸入矢量和輸出矢量之間的關(guān)系判斷整機功能是否正常。當系統(tǒng)功能測試不正常，計算機首先判斷其故障屬于哪一種頂事件的失效形式，再依據(jù)故障樹數(shù)據(jù)庫逐級對可能引起該頂事件的子事件進行判斷，由于系統(tǒng)的測試點數(shù)目的限制，所以計算機只能將故障定位到回路并自動給出故障排除的建議。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)將故障樹分析法應(yīng)用到電路的故障診斷中，很好的解決了知識庫建立和知識獲取等的難題，保證了故障診斷的完整性和可靠性。通常故障樹分析采用故障概率來實現(xiàn)故障診斷的定量分析，但由于實際系統(tǒng)元部件的失效概率很難確定，因此其在實際中的應(yīng)用中仍存在偏差。

[1] 朱大奇，于盛林.基于故障樹最小割集的故障診斷方法研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2002，17(3)：341-343.

[2] 朱繼洲.故障樹原理和應(yīng)用[M].西安:西安交大出版社，1989.