天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫的研究建立

李建玲 劉東亮 何麗萍

摘 要：天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵組成部分，其可靠性對望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定運行起著重要作用，對其可靠性的分析和研究在望遠(yuǎn)鏡設(shè)計、研制與運行階段都是必須考慮的問題。文章基于實際的運行條件和操作環(huán)境，總結(jié)分析望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)運行和維護數(shù)據(jù)，研究建立一套控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫，利于望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的故障檢測與維護，為望遠(yuǎn)鏡長期高效運行提供有效信息，為控制系統(tǒng)的性能改進提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時有效預(yù)防相關(guān)設(shè)備故障的發(fā)生，減少不必要的損失。

關(guān)鍵詞：天文望遠(yuǎn)鏡 控制系統(tǒng) 故障 可靠性數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：P111.4；N945.17 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0040-02

基于現(xiàn)代計算機技術(shù)和電子技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)，是大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的重要組成部分[1]?？刂葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對于望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定運行與觀測具有的重要意義不言而喻，現(xiàn)代大型天文望遠(yuǎn)鏡要求其控制系統(tǒng)響應(yīng)快、精度高、故障率低，控制系統(tǒng)可靠性的保障是必須考慮的問題?？煽啃允侵府a(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[2]。這里的產(chǎn)品可以泛指任何系統(tǒng)、設(shè)備和元器件[2]。從某一個角度來說，任何系統(tǒng)都不可能百分之百的不發(fā)生故障。對于天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)這類需要工作在較為惡劣的自然環(huán)境條件下的系統(tǒng)來說，其可靠性的研究更為復(fù)雜也更為重要，其控制系統(tǒng)本身是一個高復(fù)雜度、高精度、具有一定專有用途的機電系統(tǒng)。為了長期、高效、安全、穩(wěn)定運行和使用現(xiàn)代大型天文望遠(yuǎn)鏡，順利完成各項觀測任務(wù)、獲取有效天文數(shù)據(jù)，從工程技術(shù)的角度出發(fā)，需要我們建立一套天文望遠(yuǎn)鏡的運行維護體系，在這個體系中，可靠性數(shù)據(jù)庫的建立是必不可少、十分重要的。

20世紀(jì)60年代以來，空間科學(xué)和宇航技術(shù)的發(fā)展提高了可靠性的研究水平，擴展了其研究范圍[3]。對可靠性的研究，已經(jīng)由電子、航空、宇航、核能等尖端工業(yè)部門擴展到電機與電力系統(tǒng)、機械、動力、土木等一般產(chǎn)業(yè)部門，擴展到工業(yè)產(chǎn)品的各個領(lǐng)域[3]。目前，對于望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的各類故障模式、影響程度等可靠性性能的分析和研究相對來說比較少，在實際中沒有得到特別廣泛的應(yīng)用。

在天文望遠(yuǎn)鏡運行維護體系中，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡電氣控制系統(tǒng)設(shè)備的日常運行與維護需求，基于相關(guān)設(shè)備已有的實際數(shù)據(jù)，通過各類可靠性分析、研究方法，基于實際運行環(huán)境條件，進行可靠性數(shù)據(jù)分析。同時廣泛有效地收集實際工作中設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、故障失效數(shù)據(jù)等實際應(yīng)用的相關(guān)數(shù)據(jù)，另外，從各類設(shè)備的工作原理出發(fā)，得出望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)設(shè)備在實際運行環(huán)境中各種潛在的故障模式、故障原因，總結(jié)形成控制系統(tǒng)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫，這是該文涉及的望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)庫，進行此數(shù)據(jù)庫研究最直接的目的是協(xié)助工程技術(shù)人員和觀測人員在遇到實際問題時充分利用數(shù)據(jù)庫中的實踐數(shù)據(jù)和模型，快速對應(yīng)找到問題所在，及時排查解決問題，有效提高控制系統(tǒng)的維護效率，同時及時有效地避免一些故障的發(fā)生，防患于未然，這對于望遠(yuǎn)鏡長期、可靠、經(jīng)濟運行具有較為實際的價值和意義。研究建立一套控制系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)庫對于工程應(yīng)用也具有實際意義，有利于望遠(yuǎn)鏡可靠性保障和性能優(yōu)化，減少不必要的經(jīng)濟損失以及觀測時間的損失。

1 望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫的組成

某一射電天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的主要組成如圖1所示。望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)由模塊化的子系統(tǒng)構(gòu)成。在進行可靠性數(shù)據(jù)庫的建立時可以分模塊來完成。這個模塊化系統(tǒng)的另外一個優(yōu)勢是每一個子系統(tǒng)在開發(fā)和運作階段都可以為測試目的獨立工作[4]。本文以此為例來進行數(shù)據(jù)庫的建立。

根據(jù)控制系統(tǒng)各功能模塊組成設(shè)備的復(fù)雜程度及重要性的不同，選取和分析相關(guān)功能設(shè)備的數(shù)據(jù)，組成可靠性數(shù)據(jù)庫。

研究與建立的可靠性數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。主要包括運行數(shù)據(jù)庫、故障數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)分析庫。數(shù)據(jù)庫中，對于每一個設(shè)備類，給出其設(shè)備編碼、名稱、型號、功能、參數(shù)、故障失效模式等一系列信息。

其中，運行數(shù)據(jù)庫匯總設(shè)備長期的與實際運行相關(guān)的數(shù)據(jù)，這是一個長期收集積累的過程，故障數(shù)據(jù)庫包括設(shè)備實際故障數(shù)據(jù)以及通過分析得出的潛在故障數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析庫包括設(shè)備故障分析、設(shè)備可靠性參數(shù)的分析等。設(shè)備全面的運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)是建立可靠性數(shù)據(jù)庫必需的基本信息，也是對整個控制系統(tǒng)進行可靠性分析和研究的依據(jù)，而設(shè)備可靠性分析與其可靠性設(shè)計息息相關(guān)?？煽啃詳?shù)據(jù)分析給可靠性設(shè)計和可靠性試驗提供了基礎(chǔ)，為可靠性管理提供了決策依據(jù)[5]。

2 望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫的建立可分為以下步驟進行：

2.1 設(shè)備的選取，可靠性分析條件的選擇

選取用于實際分析和研究的控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。選取在望遠(yuǎn)鏡實際工作環(huán)境下較為典型的運行環(huán)境條件（包括自然環(huán)境條件和人為操作環(huán)境條件），基于多種條件進行相應(yīng)設(shè)備的分析。在不同條件下，獲得的結(jié)果相應(yīng)也會不同。在低海拔地區(qū)實驗室條件下和在高海拔地區(qū)野外臺站的環(huán)境條件下的分析結(jié)果會有很大的區(qū)別。

2.2 可靠性數(shù)據(jù)的收集、歸納、總結(jié)

歸納總結(jié)望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)各設(shè)備實際運行中的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中，望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)實際運行工作中的數(shù)據(jù)各有差別、各有特點，數(shù)據(jù)量比較大，不一一列出。

2.3 分析研究對象，形成可靠性數(shù)據(jù)庫

對所選取設(shè)備的分析和研究主要采用FMEA（失效模式及影響分析）和FTA（故障樹分析）方法進行，這是在可靠性分析研究中廣泛采用的方法。找出潛在可能出現(xiàn)的故障模式，故障產(chǎn)生的原因以及對整個望遠(yuǎn)鏡運行產(chǎn)生的影響等。通過對造成設(shè)備故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進行分析研究，從源頭出發(fā)，找出故障原因，提出相應(yīng)的改進措施。望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)典型故障樹分析過程如圖3所示。一般來說，電機的故障可分為電氣故障和機械故障[6]。

基于以上數(shù)據(jù)的歸納、總結(jié)、分析和研究，建立、完善望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫。

在實際操作中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息的交互與共享，設(shè)置不同的權(quán)限，工程技術(shù)人員和望遠(yuǎn)鏡使用人員可以查詢、瀏覽、添加、修改、更新數(shù)據(jù)庫中的信息，系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的日常維護。利用數(shù)據(jù)庫的信息可以進行可靠性數(shù)據(jù)分析研究，優(yōu)化系統(tǒng)的維護方案，提高系統(tǒng)的運行效率，并為后續(xù)可能的望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的改進與更新出謀劃策。

3 結(jié)語

針對天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)日常運行與維護需求，形成望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的運行維護體系，保障相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運行，同時獲取設(shè)備全面的可靠性數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能，該文以某一天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)主要組成為基礎(chǔ)，給出了其控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)組成、建立步驟、可靠性分析方法與過程等?？煽啃詳?shù)據(jù)庫要在望遠(yuǎn)鏡的運行中得到實際應(yīng)用、發(fā)揮作用，還需要在現(xiàn)有初步研究的基礎(chǔ)上進行更進一步的分析研究。

參考文獻

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