基于故障樹的發(fā)射機故障診斷＊

鐘 飛 劉傳偉 鄧世東 何愛林

（中國人民解放軍91604部隊 龍口 265700)

1 引言

軍用電子裝備故障診斷是一項十分復雜困難的工作。在早期的電子裝備故障診斷技術中，其基本方法是依靠一些測試儀表，按照跟蹤信號逐點尋跡的思路，借助人的邏輯判斷來決定設備的故障所在。這種沿用至今的傳統(tǒng)診斷技術在很大程度上與維修人員的實踐經驗和專業(yè)水平相關，基本上沒有一套可靠的、科學的、成熟的辦法［1］。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，人們逐步認識到，對故障診斷問題有必要重新研究，必須把以往的經驗提升到理論高度，同時在堅實的理論基礎上，系統(tǒng)地發(fā)展和完善一套嚴謹?shù)默F(xiàn)代化電子設備故障診斷方法，并結合先進的計算機數(shù)據處理技術，實現(xiàn)電子電路故障診斷的自動檢測、定位及故障預測。

2 故障樹分析方法

故障樹分析（fault tree analysis)是用于大型復雜系統(tǒng)可靠性、安全性分析以及故障診斷的一個有力工具。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)之間的內在關系表示成樹形的網絡圖，各層事件之間通過 “與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運算關系相關聯(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系。故障樹模型是描述診斷對象結構、功能和關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)之間的因果關系［2～4］。

3 發(fā)射機故障樹的建立

電子設備故障檢測和定位，由于情況復雜、原因較多，傳統(tǒng)的手段難以很快給出相應正確的故障判斷，往往因為故障解決時間的拖延，因此迫切需要可以快速自動檢測故障。某裝備發(fā)射機發(fā)射功率大，故障發(fā)生頻繁，給保養(yǎng)維護帶來很多問題。以該發(fā)射機為例，建立發(fā)射機故障樹，應用故障樹分析方法對發(fā)射機進行分析。

圖1 某雷達發(fā)射機的故障樹

發(fā)射機分系統(tǒng)是該雷達的核心部分之一。發(fā)射機將激勵源所產生的頻率穩(wěn)定度極高的高頻小信號放大到所需要的功率電平，具有頻率穩(wěn)定度高，失真小，相位相參等優(yōu)點。建立某型雷達發(fā)射機的故障樹，如圖1所示。其中，T表示發(fā)射機不能上高壓；主要故障分別是U1末級組件電路故障，U2前級組件電路故障，U3激勵產生故障，U4PIN開關故障，U5組件電源故障，U6饋線故障。對應的故障征兆參數(shù)有10個，分別是：X1發(fā)射機功率欠輸出，X2末級組件輸出故障，X3前級組件輸出故障，X4前級組件RF功率輸出不正常，X5發(fā)射機超溫，X6工作比和脈寬不正常，X7發(fā)射激勵故障，X8發(fā)射允許故障，X9PIN驅動故障，X10電源過流或欠壓。

4 故障樹分析

4.1 定性分析

對故障樹進行定性分析的主要目的是：尋找導致與系統(tǒng)有關的不希望事件發(fā)生的原因的組合，即尋找導致頂事件發(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。

考慮由n個不同的獨立底事件構成的故障樹。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

割集是導致正規(guī)故障樹（僅含有底事件、結果事件以及與、或、非三種邏輯門)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，割向量對應的底事件集合稱為割集。最小割集是導致正規(guī)故障樹頂事件發(fā)生數(shù)目不可再少的底事件集合。如圖所示的故障樹；在此，我們利用下行法求最小割集。下行法的特點是根據故障樹的實際結構，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［6～8］。求解過程如表1所示。

表1 下行法得發(fā)射機不能正常工作的最小割集

經簡化、吸收，去掉重復的割集，得到全部10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｝；K10＝｛X10｝。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。

4.2 定量分析

定量分析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)生概率與預定的目標值進行比較，如果超出目標值就應該采取必要的改進措施，使其降至目標值以下。各底事件發(fā)生概率如表2所示。

表2 底事件發(fā)生概率

根據底事件的發(fā)生概率可以計算出頂事件發(fā)生概率為

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。［9，11］設t＝1000h，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

設t＝1000h，F(xiàn)i（t)＝1－Ri（t)，則概率重要度的計算公式為

式中

各底事件的概率重要度為：Δg1（t)＝0.221；Δg2（t)＝0.850；Δg3（t)＝0.231；Δg4（t)＝0.239；Δg5（t)＝0.219；Δg6（t)＝0.263；Δg7（t)＝0.256；Δg8（t)＝0.219；Δg9（t)＝0.245；Δg10（t)＝0.219。

通過分析可知每個底事件在系統(tǒng)中所處位置的重要性，設計人員在設計過程中應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。

5 結語

由于導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的監(jiān)測點進行監(jiān)測，然后綜合進行判定。根據故障樹分析結果，將發(fā)射機的可靠性指標轉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到提高發(fā)射機可靠性的目的。經過可靠性驗證，發(fā)射機實際達到的可靠性值與分析結果基本一致。將所有底事件按概率重要度進行排序，由高到低初步設置故障檢測點，然后再進行優(yōu)化，達到用盡量少的檢測點來確保盡可能高的故障檢測能力。

［1］羅志勇.雷達系統(tǒng)智能故障診斷技術研究［M］.西安：西北工業(yè)大學，2006：3442.

［2］金星，洪延姬，武江濤，等.基于故障樹的智能型故障診斷系統(tǒng)［J］.宇航學報，2001，22（3)：111113，118.

［3］楊曉川，謝慶華，何俊，等.基于故障樹的模糊故障診斷方法［J］.同濟大學學報，2001，29（9)：10581060.

［4］張琦，廖捷，吳建軍，等.基于FTA的通用裝備電子系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)設計［J］.兵工學報，2008，29（2)：174177.

［5］Tang Zhihua，Dugan J B.Minimal Cut Set/Sequence Generation for Dynamic Fault Trees［C］//Proceedings of Annual Reliability and Maintainability Symposium.［S.l.］：IEEE Press，2004.

［6］張超，馬存寶，宋東，等.基于故障樹分析的航空電子系統(tǒng)BIT診斷策略設計［J］.計算機測量與控制，2008，16（1)：1216.

［7］丁彩紅，黃文虎，姜興渭.基于最小割集排序的航天器故障定位方法［J］.空間科學學報，2000，20（1)：8993.

［8］韓邦華，吳慧媛.基于故障樹的主風機失效分析［J］.機械設計與制造，2005（4)：1921.

［9］周長林，常青美，左秀彥.電子設備可靠性預測與設計［J］.繼電器，2005，33 （14)：9295.

［10］金俊，郭福亮，孫浩.計算機遠程故障診斷系統(tǒng)的設計實現(xiàn)［J］.計算機與數(shù)字工程.2008（12).

［11］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)據采集與處理，2002，17（3)：341344.