故障樹分析法在雷達發(fā)射機故障診斷中的應(yīng)用*

陳鳳友，陳忠一

(1. 91550部隊92分隊， 遼寧 大連 116023； 2. 大連海事大學(xué)輪機學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

故障樹分析法在雷達發(fā)射機故障診斷中的應(yīng)用*

陳鳳友1，陳忠一2

(1. 91550部隊92分隊， 遼寧 大連 116023； 2. 大連海事大學(xué)輪機學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

故障樹分析方法是一種實用的故障分析方法。根據(jù)輸入的故障征兆自動尋找匹配的底事件,然后生成頂事件故障樹并求出最小割集,按照最小割集重要度大的部件優(yōu)先檢測的順序生成測試流程 ,提示操作人員按照測試流程進行測試并找出故障源。通過構(gòu)建故障樹來進行某型雷達發(fā)射機的故障診斷分析,不僅可以方便推理機構(gòu)尋找潛在故障進行故障診斷, 而且較好地解決了專家知識獲取難的問題，在確保診斷知識完整性的同時充分發(fā)揮了專家知識故障診斷快速高效的優(yōu)點。

故障樹分析；故障診斷；最小割集；重要度；知識庫

引 言

軍用雷達裝備故障診斷是一項十分復(fù)雜困難的工作。在早期的雷達裝備故障診斷中，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(shè)備的故障所在。這種沿用至今的傳統(tǒng)診斷技術(shù)在很大程度上與維修人員的實踐經(jīng)驗和專業(yè)水平相關(guān)，基本上沒有一套可靠的、科學(xué)的、成熟的辦法。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(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)展和完善一套嚴謹?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。

故障樹分析法(Fault Tree Analysis, FTA)簡單可靠，但故障樹的建立需要精確的解析模型和故障機理分析，且該方法不能顯示出求解所使用的知識;傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)診斷不需要精確的解析模型，但知識獲取與知識庫的建立比較困難，需要大量的專家知識。本文結(jié)合雷達裝備保障的實際情況并綜合2種故障診斷模式的優(yōu)點開發(fā)了基于FTA 的某型通用雷達發(fā)射機子系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)。應(yīng)用證明，該系統(tǒng)的建立為通用裝備技術(shù)保障提供了一種簡便實用、可靠高效的故障診斷新途徑。

1 問題的提出

在故障樹模型中，如果將頂事件看作專家系統(tǒng)要分析解決的故障征兆，將底事件看作專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果，那么故障樹的層次和邏輯關(guān)系就對應(yīng)于專家系統(tǒng)的推理過程，割集則是聯(lián)系故障樹與專家系統(tǒng)知識庫的紐帶。故障樹的一個割集就是裝備的一種失效模式，它對應(yīng)于知識庫中的一條規(guī)則。割集中的基本事件相當(dāng)于知識庫中規(guī)則的結(jié)論，割集對應(yīng)的底事件到頂事件的路徑相當(dāng)于知識庫中規(guī)則的前提。故障樹分析法通過最小割集重要度(即底事件對頂事件影響的大小)與專家系統(tǒng)進行交互操作，可以大大減少搜索空間。同時，利用故障樹模型還可以方便地從裝備資料等故障診斷知識源中實現(xiàn)故障歸類，提取故障診斷知識，能夠比較有效地解決專家系統(tǒng)知識獲取難的問題[1-2]。

2 雷達發(fā)射機故障樹模型

2.1 故障樹模型建立

在全面了解某型雷達發(fā)射機子系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分解。把系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分解為多層次結(jié)構(gòu)，從頂層一直分解到最低層次的部件。以某雷達裝備發(fā)射機系統(tǒng)故障作為頂事件，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(chǎn)生故障，U4PIN開關(guān)故障，U5組件電源故障，U6饋線故障。對應(yīng)的故障征兆參數(shù)有10個: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(qū)動故障，X10電源過流或欠壓。

圖1 某雷達發(fā)射機的故障樹

2.2 故障樹模型分析

故障樹分析的主要目的是找到故障樹模型的全部最小割集。系統(tǒng)采用下行法(Fussell法)求解最小割集，其基本原理可見參考文獻[3]和文獻[4]。由于某型雷達裝備發(fā)射機子系統(tǒng)故障樹中絕大部分是 “或”的關(guān)系，本發(fā)射機系統(tǒng)故障樹的最小割集即為{X1} ，{X2} …{X10} 。假設(shè)同一時刻有且僅有1個最小割集導(dǎo)致故障征兆發(fā)生，最小割集中各基本事件的發(fā)生是相互獨立且不相容的，那么可以把最小割集中各基本事件失效概率的乘積與頂事件失效概率的比值即最小割集重要度作為最小割集的排序標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)故障樹有k個最小割集，由分析可知本系統(tǒng)引起裝備故障的各底事件之間主要是“或”的關(guān)系，故采用幾個相容事件的概率公式計算頂事件發(fā)生概率:

(1)

式中：T代表頂事件，K代表故障樹最小割集中的基本事件。當(dāng)最小割集的不可靠度很小的時候，頂事件發(fā)生的概率計算結(jié)果收斂得很快，可以公式的首項作為近似解，故頂事件的發(fā)生概率可近似為[5]

(2)

將所有最小割集Ki(i= 1 ，2 ，3 …k)標(biāo)以重要度Ii，有:

(3)

根據(jù)底事件的發(fā)生概率可以計算出頂事件發(fā)生概率為

P(K4)+P(K5)+P(K6)+P(K7)+

P(K8)+P(K9)+P(K10)=1.263×10-3

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)時間t=1 000 h,λ為各底事件的發(fā)生概率,各底事件的可靠度為

R1(t)= e-λ1t=0.923；R2(t)=e-λ2t=0.368；

R3(t)=e-λ3t=0.895；R4(t)=e-λ4t=0.926；

R5(t)=e-λ5t=0.945；R6(t)=e-λ6t=0.932；

R7(t)=e-λ7t=0.913；R8(t)=e-λ8t=0.894；

R9(t)=e-λ9t=0.941；R10(t)=e-λ10t=0.926

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(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[6-7]。

3 故障樹知識庫設(shè)計與推理

采用故障樹表的方式進行知識表示。首先分解每一棵故障樹，抽象出其中每一個節(jié)點的相關(guān)信息，連同該節(jié)點的父節(jié)點和子節(jié)點，組成一系列故障記錄，然后將分解結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，每一個節(jié)點信息對應(yīng)的就是數(shù)據(jù)表中的一條記錄，而每一個故障樹流程圖對應(yīng)的是數(shù)據(jù)庫中的一張表，如此即可完成基于故障樹的知識表示。

知識庫采用 MS Access數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，由故障單體表、故障現(xiàn)象表、故障樹表和測試表組成。不同表之間以關(guān)鍵字關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)關(guān)系符合單體故障維修方法。單體表存儲各單體基本情況，其關(guān)鍵字為故障單體名 (Unit ID)，一個故障單體對應(yīng)多個故障現(xiàn)象( Fault ID)；故障樹表存儲故障樹中每一個節(jié)點的相關(guān)信息，其關(guān)鍵字即為故障現(xiàn)象，同時對故障原因編號，也就是故障樹節(jié)點編號(Node ID)，而一個故障現(xiàn)象也對應(yīng)著多個測點(Node ID)。測試表存儲測點名稱、測試項目、測試儀器、標(biāo)準(zhǔn)值以及測試描述等。

這里介紹數(shù)據(jù)庫中幾個重要數(shù)據(jù)表即Tab Dictionary表、Tab Fault Rule表和Tab Node Property表的設(shè)計，見表1、表2和表3。

表1 Tab Dictionary表的字段設(shè)計

表2 Tab Fault Rule表的字段設(shè)計

表3 Tab Node Property表的字段設(shè)計

Tab Dictionary表實現(xiàn)了故障現(xiàn)象、故障結(jié)果、工作階段等基本事實的編號。在其他數(shù)據(jù)表中只用這些編號,而在與用戶交互時則顯示編號所對應(yīng)的具體內(nèi)容。這樣做是為了管理信息的方便以及實現(xiàn)信息的一致性。

Tab Fault Rule表用于存儲故障診斷規(guī)則知識。Fld Stage字段表示當(dāng)前的診斷規(guī)則知識適用于哪個工作階段。Fld Result和Fld Cause分別表示故障結(jié)果和原因,其中故障原因的描述采用了2個基本符號:Or和And,以表示故障原因中基本事件的邏輯關(guān)系；Fld Rule Titile字段用于存儲當(dāng)前規(guī)則知識所對應(yīng)故障樹的文件名。

Tab Node Property表用于存儲故障診斷規(guī)則知識所對應(yīng)故障樹中節(jié)點的信息,每個節(jié)點的信息包括節(jié)點的編號、節(jié)點編號所代表的含義、節(jié)點類型、節(jié)點所在故障樹。其中,節(jié)點有頂結(jié)點、中間節(jié)點、底結(jié)點、邏輯節(jié)點4種類型。

推理機制就是依據(jù)一定的搜索策略從知識庫(故障樹)中選擇有關(guān)知識,對已知或用戶提供的證據(jù)不斷地進行推理,直到得出結(jié)論為止。本文的故障診斷在故障樹知識表示的基礎(chǔ)上,將專家經(jīng)驗分析和原理分析的思想集成到專家系統(tǒng)的診斷過程中。由于故障樹的表示是二叉樹的形式,對故障的推理很大部分工作就對應(yīng)于各個二叉故障樹的遍歷問題。遍歷二叉樹是指以一定的次序訪問二叉樹中的每個節(jié)點,每個節(jié)點僅被訪問一次。所謂訪問節(jié)點,就是指對節(jié)點進行各種操作。本文采用前序遍歷二叉樹的方法對故障樹進行搜索并診斷推理。二叉樹的前序遍歷就是首先訪問根節(jié)點,然后遍歷左子樹,最后遍歷右子樹。其遞歸算法描述如下:

Procedure find fault (TNode node) / /推理診斷算法

begin

if (node不為空) / /不為空,進入故障樹的根節(jié)點

begin

if (node沒有孩子) / /若為真,則為底部事件

if (node故障邏輯判別式為真)

output (查明node為故障原因); / /找到故障源

else

begin

find fault (node左孩子);

/ /遞歸調(diào)用,按前序次序搜索并判斷左子樹

find fault (node右孩子);

/ /遞歸調(diào)用,按前序次序搜索并判斷右子樹

end;

end

end;

節(jié)點故障邏輯判別式為知識庫中產(chǎn)生式規(guī)則表中的布爾表達式,根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)控機構(gòu)可以判斷該節(jié)點為是否故障原因。

4 結(jié)束語

應(yīng)用證明,故障樹分析診斷具有如下優(yōu)點：

1)樹狀結(jié)構(gòu)建立故障知識庫,不易遺漏故障原因,且引起故障的原因一目了然,可避免排除故障時的盲目性；

2)知識存貯于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,不僅可以快速地修改及瀏覽知識庫,方便用戶檢查和更新知識庫中的知識,而且能夠較容易地實現(xiàn)知識庫、推理機及應(yīng)用程序的分離,有助于維護整個專家系統(tǒng)；

3)基于故障樹的推理過程規(guī)則靈活通用,推理簡潔直觀,加上SQL語言的強大功能,可實現(xiàn)復(fù)雜的推理功能,且大大減少了程序代碼的編制。故障樹技術(shù)可以較好地解決知識獲取難的問題,在確保診斷知識完整性的同時又可以充分發(fā)揮專家系統(tǒng)診斷快速高效的優(yōu)點。

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

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陳鳳友(1975-)，男，工程師，主要從事于脈沖雷達總體技術(shù)研究。

Application of Fault Tree Analysis to Radar Transmitter Fault Diagnosis

CHEN Feng-you1，CHEN Zhong-yi2

(1.PLA91550Unit92，Dalian116023,China;2.DalianMaritimeUniversityMarineInstitute,Dalian116023,China)

Fault tree analysis is a practical failure analysis method. It is the concept of the diagnostic reasoning that matched bottom event is searched automatically by inputting the fault phenomenon. Then top event fault tree is generated and minimum cut sets are computed. The test flow is created according to the order of importance of minimum cut sets in which the users can be guided to find the fault part. Fault diagnosis of a radar transmitter is carried out by fault tree construction. This fault tree analysis can not only facilitate the reasoning in search for potential failure or fault diagnosis, but also further resolve the problem of knowledge acquisition and keep high efficiency of the expert knowledge with the integrity of the knowledge.

fault tree analysis; fault diagnosis; minimum cut sets; important degree; knowledge database

2013-03-29

TP182

A

1008-5300(2013)03-0061-04