故障樹分析法在某型號導引頭故障診斷中的應用

曹明，劉亞斌（北京航空航天大學 北京　100191）

故障樹分析法在某型號導引頭故障診斷中的應用

曹明，劉亞斌
（北京航空航天大學 北京100191）

基于實現(xiàn)對某型號導引頭故障的快速診斷、準確定位的目的，研究了一種基于故障樹分析法的解決方案。通過對導引頭建立故障樹模型，進行定性、定量分析，提取故障樹最小割集，計算最小割集重要度和可靠度。按照最小割集重要度大的部件優(yōu)先檢測的順序生成診斷流程，提示操作人員按照流程進行診斷并找出故障源。該診斷流程提高了診斷效率，可以用于導引頭的快速診斷。

導引頭；故障樹分析法；最小割集；重要度

電子裝備的故障診斷在其生命周期中很重要，但是診斷過程很復雜。傳統(tǒng)意義上的診斷方法，主要依賴于工作人員的實踐經驗和專業(yè)水平，缺少一套可靠、科學的診斷辦法。因此，需要利用先進的計算機數(shù)據處理技術，設計一種嚴謹?shù)墓收显\斷方法，以實現(xiàn)裝備故障的檢測、定位及故障預測。

導引頭是遠程制導導彈的核心部件，它的主要功能是通過目標的自助搜索、識別、和跟蹤，給出制導所需要的控制信號，以保證導彈的攻擊精確度。所以導引頭的故障診斷要求更加準確快速。由于導引頭含有的電子設備的集成度和復雜度很高，影響其性能的因素特別復雜。設備不同組成部分相互關聯(lián)，設備之間也會相互影響，所以導引頭的故障檢測難度很大。本文結合試驗，利用故障樹分析法設計出一套針對某型號設備的故障診斷系統(tǒng)，提高了診斷效率。

1　故障樹分析方法

故障樹分析主要是用于大型復雜系統(tǒng)可靠性分析，以及設備的故障診斷。將系統(tǒng)級別的故障現(xiàn)象也就是頂事件，最底層的故障原因也就是底事件，根據它們之間的內在關聯(lián)，繪制出樹狀的網絡圖，通過與、或、非等邏輯運算關系關聯(lián)各層事件，構建故障樹。利用其樹模型，對系統(tǒng)作定性分析和定量分析，而故障診斷是一個基于頂層故障、分步演繹，找到所對應的系統(tǒng)的最底層故障。通過把系統(tǒng)層的故障和部件層故障結合在一起，有調理地表達出系統(tǒng)在實際應用的過程中各個中間事件的互相影響。

2　故障樹模型的建立

在建立故障樹的過程中，要嚴格定義故障事件。首先選好頂事件，從上到下逐級建樹。頂事件是指系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障事件，一般是在初步故障分析的基礎上，找出系統(tǒng)可能發(fā)生的所有故障狀態(tài)，這些故障中篩選最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)就是頂事件。

由于故障樹可以將系統(tǒng)的各種潛在因素聯(lián)系起來，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和故障譜。電子設備故障檢測和定位，由于情況復雜、原因較多，保養(yǎng)維護困難，需要利用故障樹分析法建立診斷系統(tǒng)，以提高其可靠性。以某型號導引頭為例，建立導引頭故障樹，應用故障樹分析方法對導引頭進行分析。

在全面了解某型號導引頭工作原理的基礎上對系統(tǒng)進行結構分解，把系統(tǒng)的總體結構分解為多層次結構，從頂層一直分解到最低層次的部件，建立故障樹模型，如圖1所示。

樹中各符號含義如下：T為導引頭制導艙段故障；U1為慣性測量單元；U2電子組合單元；U4為計算機自檢單元；U5為慣測接口單元；U6為總線接口單元；X1～X14為故障底事件。

圖1　某型號導引頭的故障樹模型

3　故障樹模型分析

故障樹分析分為定性分析和定量分析。定性分析主要是研究故障樹中所有導致頂事件發(fā)生的最小割集；定量分析是確定底事件的故障分布及其參數(shù)、底事件發(fā)生的概率等，然后求出頂事件發(fā)生的概率。

故障樹分析，目的是找到故障樹模型的全部最小割集［2］。割集是故障樹中底事件集合｛X1，X2，Xn｝的子集，當這些底事件全部出現(xiàn)時，頂事件就一定會發(fā)生。若刪除割集中任何一個底事件，就不再符合割集定義了，滿足此條件的割集稱為最小割集（MCS）。一般情況下，系統(tǒng)故障樹的最小割集都有多個，所以找出系統(tǒng)的所有最小割集是非常重要的，它可以幫助我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，以便有目的、有針對性地進行改進設計，有效地提高系統(tǒng)可靠性。

系統(tǒng)采用下行法（Fussell 法）［3-4］求解最小割集。由于本型號系統(tǒng)的故障樹中大部分是或的關系，可以簡略的認為本系統(tǒng)的故障樹的最小割集是｛X1｝，｛X2｝…｛X14｝。假設只有一個最小割集在同一時刻引起故障，而且在最小割集中，各底層事件例的出現(xiàn)是互不影響且不能同時發(fā)生的，那么可以計算出各個最小割集的重要度，將重要度作為割集排序的標準。重要度根據文中的事件重要度公式計算。首先假設故障樹中有K個MCS，利用相容事件的概率公式，計算頂事件發(fā)生概率:

式中:T代表頂事件，K代表故障樹MCS中的基本事件。當MCS的不可靠度很小的時候，頂事件出現(xiàn)的概率計算結果收斂得快，可以公式的首項作為近似解，故頂事件的出現(xiàn)概率可近似為：

系統(tǒng)底事件的概率很多情況下是根據經驗得出的，也可以分析部件運行、需求、試驗和維修等幾個方面的模型，得到起發(fā)生概率。根據實驗模擬數(shù)據，可得如表1所示的底事件概率表

表1　底事件概率表

根據底事件的發(fā)生概率可以計算出頂事件出現(xiàn)的概率為：

在故障樹的分析中，很重要的一部分就是分析概率的重要度，重要度可以體現(xiàn)底事件概率對頂事件出現(xiàn)概率的影響。設時間 t=1 000 h，λ為各個底事件出現(xiàn)的概率，則底事件的可靠度可根據公式⑶計算，公式如下：

各底事件的發(fā)生概率重要度公式為：

根據公式（3）、（4）計算各個底事件的可靠度和重要度，如表2所示。

表2　底事件可靠度和重要度

通過分析可知每個底事件在系統(tǒng)中所處位置的重要性，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。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［5-7］。

4　結束語

頂事件故障的誘發(fā)因素有多個，在故障診斷時，通過判斷所有最小割集找到故障原因。對于包含復雜電路的設備的故障樹分析，需要測試大量的故障模式，所以本系統(tǒng)中通過計算故障樹MCS重要度，只對重要度大的割集進行監(jiān)測，忽略重要度較小的。也可以監(jiān)測對某些重要度大的割集對應的監(jiān)測點，然后進行綜合判定。根據分析結果，將導引頭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導引頭可靠性的目的。經過可靠性驗證，導引頭實際達到的可靠性值與分析結果基本一致。

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Application of fault tree analysis to seeker fault diagnosis

CAO Ming，LIU Ya-bin
（Beihang University，Beijing 100191，China）

In order to do a fast and accurate positioning in the process of seeker troubleshooting，the article designs a solution which is based on fault tree analysis.The test first builds a fault tree model of the seeker，extracts the minimal cut sets by qualitative and quantitative analysis and computes the priority and reliability of minimum cut sets.The diagnostic 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.The diagnostic flow improves the efficiency of diagnosis and can be used in the seeker diagnosis of the transmitter.

seeker；fault tree analysis；minimal cut sets；important degree

TN832

A

1674－6236（2016）11-0118-02

2015-06-25稿件編號：201506222

曹 明（1989—），女，河南開封人，碩士研究生。研究方向：檢測技術。