大型相控陣雷達系統(tǒng)安全性分析和風險評價

夏亮 楊江平 鄧斌 孫知建

摘? 要： 針對大型相控陣雷達系統(tǒng)的安全性問題，采用FTA方法對大型相控陣雷達系統(tǒng)進行自上而下的定性安全性分析，找出導致事故發(fā)生的直接原因，建立故障樹模型。運用合理的轉(zhuǎn)換方法，將定性安全性分析問題轉(zhuǎn)化為定量貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風險評價模型。最后用GeNIe軟件進行仿真求解，得到風險評價的結(jié)果，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。實例證明，所提方法可以有效分析大型相控陣雷達系統(tǒng)的安全性問題并進行風險評價。

關(guān)鍵詞： 大型相控陣雷達系統(tǒng); 故障樹分析; 網(wǎng)絡(luò)評價模型; 仿真求解; 安全性分析; 風險評價

中圖分類號： TN95?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）09?0021?04

Safety analysis and risk assessment of LPAR system

XIA Liang， YANG Jiangping， DENG Bin， SUN Zhijian

（Air Force Early Warning Academy， Wuhan 430019， China）

Abstract： In view of the safety problems for large phased array radar （LPAR） system， the fault tree analysis （FTA） method is used to analyze the qualitative safety of LPAR system， find out the direct cause of the fault， and set up the fault tree model. The qualitative safety analysis is transformed into a quantitative Bayesian network risk assessment model by using a reasonable transformation method. GeNIe software is used for simulation and solution to obtain the result of risk assessment and find out the weakness of the system. It is proved that this method can effectively analyze the safety of LPAR system and carry out risk assessment.

Keywords： LPAR; fault tree analysis; network assessment model; simulation solution; safety analysis; risk assessment

0? 引? 言

大型相控陣雷達是我軍戰(zhàn)略預警系統(tǒng)中的重要組成部分，擔負著守衛(wèi)國家空天安全的重大使命任務(wù)。安全性是武器裝備的一種固有屬性，提高產(chǎn)品安全性，確保安全性是武器裝備研制、生產(chǎn)、使用和保障的首要要求。因此，對大型相控陣雷達進行安全性分析和風險評價，找出影響其安全性的薄弱環(huán)節(jié)，是保證大型相控陣雷達裝備戰(zhàn)備完好性和任務(wù)持續(xù)性的重要前提[1?3]。

安全性分析常用的方法有故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）、故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）、區(qū)域安全性分析（Zone Safety Analysis，ZSA）等。例如，文獻[4]應(yīng)用FTA研究了太陽翼系統(tǒng)的可靠性問題，根據(jù)太陽翼的工作原理從系統(tǒng)、部件到零件的層面建立了故障樹模型，采用 FTA方法分析了太陽翼關(guān)鍵部件的可靠性。文獻[5]采用FMEA方法研究了導彈在發(fā)射時的故障問題，通過對導彈發(fā)射故障案例和發(fā)射試驗數(shù)據(jù)進行分析，找出發(fā)射故障的根本原因，并對系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行了風險評價，提出改進措施。文獻[6]采用改進的ZSA方法研究飛機的主起落架的起落架艙，確定了起落架艙內(nèi)的危險源和故障信息，分析了危險源和起落架艙內(nèi)各種設(shè)備之間的相互影響，提出了改進措施。

風險評價常用的方法有貝葉斯推斷（Bayesian Inference，BI）、概率風險評價（Probabilistic Risk Assessment，PRA）、馬爾可夫分析（Markov Analysis，MA）等。例如，文獻[7]運用貝葉斯置信網(wǎng)絡(luò)方法，整合專家測試經(jīng)驗和運行信息，評估航空公司的風險;文獻[8]運用PRA方法研究航空發(fā)動機壽命限制條件的失效概率;文獻[9]將灰色馬爾可夫模型運用在柴油機磨損趨勢的預測中。

以上研究只是運用某一種特定的方法對研究對象進行定性安全性分析或者是進行定量風險評價。本文在總結(jié)各種研究方法的基礎(chǔ)上，提出了一種將定性和定量相結(jié)合的綜合安全性分析和評價方法。首先，利用FTA對雷達裝備進行系統(tǒng)和分系統(tǒng)層次的定性安全性分析，找出導致故障和影響裝備安全性的直接原因;其次，運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Network，BN）方法建立風險評價模型，找出事故之間的相互關(guān)系;最后，借助GENIE軟件對系統(tǒng)進行定量風險評價，找出系統(tǒng)的安全性薄弱環(huán)節(jié)。這種將定性和定量相結(jié)合的安全性分析和風險評價方法，既能夠找到引起安全性事故的直接原因和根本原因，又能夠分析各個原因之間的變量關(guān)系和彼此影響，為下一步針對事故原因找出改進措施，進行相關(guān)安全性設(shè)計提供了有力依據(jù)和理論支撐。

1? 故障樹定性安全性分析

故障樹分析是一種將系統(tǒng)故障形成的原因，由總體至部分按樹枝狀逐層分解的方法，它可以用來分析系統(tǒng)故障的原因，是系統(tǒng)安全性分析的一種重要方法[10?11]。

1.1? 定性安全性分析

在建立故障樹模型之前，首先對大型相控陣雷達系統(tǒng)進行定性安全性分析，安全性分析包括系統(tǒng)層面和分系統(tǒng)層面。系統(tǒng)層面的安全性分析就是大型相控陣雷達系統(tǒng)發(fā)生安全性事故;大型相控陣雷達系統(tǒng)的分系統(tǒng)包括天線陣面分系統(tǒng)、綜合信息處理控制分系統(tǒng)、供電分系統(tǒng)和冷卻分系統(tǒng)，下面對各個分系統(tǒng)的安全性進行分析。

天線陣面分系統(tǒng)采用多極模塊化設(shè)計，由眾多結(jié)構(gòu)子陣面組成，每個結(jié)構(gòu)子陣面又包含T/R組件、發(fā)射電源、組合控制器等。它面臨的安全性問題主要包括T/R組件的安全性故障，發(fā)射電源在雷電環(huán)境或電磁脈沖環(huán)境下引起的感應(yīng)雷擊事故以及組合控制器的故障。此外，還應(yīng)對天線陣面結(jié)構(gòu)的安全性進行分析，研究其在強風、強雷電環(huán)境或維修過程中發(fā)生安全性問題的可能性。

綜合信息處理控制分系統(tǒng)的安全性問題包括數(shù)字陣列分系統(tǒng)中DBF模塊的安全性故障、信號處理系統(tǒng)中通用信息處理模塊的安全性故障和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)中系統(tǒng)控制插箱的安全性故障。這些安全性故障的主要來源是雷電流中的感應(yīng)雷和電磁脈沖炸彈對各種終端造成的沖擊。

供電分系統(tǒng)包括市電供電和油機機電供電兩部分。其中，存在的安全性隱患有雷擊事故，系統(tǒng)輸入過流、過壓或欠壓，系統(tǒng)輸出過流、過壓或欠壓，振動、沖擊造成漏電保護裝置機械損壞，危險帶電件與可觸及件之間的絕緣擊穿，安全聯(lián)鎖裝置故障等。

冷卻分系統(tǒng)由冷卻設(shè)備、冷卻管網(wǎng)、末端冷卻機組、環(huán)控機組等組成，它的安全性隱患有冷板故障、冷卻管網(wǎng)破裂、冷卻液泄漏和冷卻機組故障。

1.2? 故障樹的建立

故障樹的建立包括確定頂事件、中層事件和底事件，根據(jù)故障樹確定的基本流程，繪制大型相控陣雷達系統(tǒng)故障樹模型，如圖1所示，各個事件代號相應(yīng)的名稱如表1所示。

2? 貝葉斯定量風險評價

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有向圖解描述，是人工智能、概率理論、圖論和分析決策的產(chǎn)物，是目前不確定知識表達和推理領(lǐng)域最有效的理論模型之一?；谪惾~斯網(wǎng)絡(luò)是解決復雜系統(tǒng)不確定性問題的有效途徑，因此，用其對大型相控陣雷達系統(tǒng)進行風險評估[12?13]。

2.1? 故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換方法

在FTA中，系統(tǒng)的某一故障C出現(xiàn)時用C=1表示，不出現(xiàn)時用C=0表示;在BN中，C=0表示狀態(tài)正常，C=1表示出現(xiàn)故障。

BN的建模比FTA更具有一般性，把FTA映射到等價的BN上，通過條件概率表（Conditional Probability Table，CPT）適當調(diào)整可以實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。首先，將FTA中的各種邏輯門關(guān)系轉(zhuǎn)換為BN的形式，圖2給出了FTA中邏輯或門、與門的BN表達形式;其次，確定BN中父節(jié)點的先驗概率，F(xiàn)TA中基本事件的先驗概率為BN中父節(jié)點的先驗概率;最后，確定BN中子節(jié)點的條件概率，子節(jié)點條件概率值可以通過CPT得到。

FTA模型向BN模型的轉(zhuǎn)換方法可以總結(jié)為：

Step1：將FTA中所有的底層事件表示為BN中對應(yīng)的根節(jié)點，如果FTA中的某一底層事件出現(xiàn)多次，在BN中只需要表示為一個根節(jié)點。

Step2：將FTA各底層事件的發(fā)生概率作為BN中對應(yīng)根節(jié)點的先驗信息。

Step3：將FTA中的每個邏輯門都表達為BN中的一個節(jié)點，節(jié)點標志和狀態(tài)取值與FTA中邏輯門的輸出事件保持一致。

Step4：按照FTA中表達的邏輯門與基本事件的關(guān)系，連接BN中的節(jié)點，連接節(jié)點的有向邊方向與FTA中邏輯門的輸入、輸出關(guān)系對應(yīng)。

Step5：將FTA中邏輯門的邏輯關(guān)系表示為BN中對應(yīng)節(jié)點的CPT。

按照上述確定的故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換方法，可以構(gòu)建大型相控陣雷達系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3所示。

2.2? 仿真計算

以某型相控陣雷達為例，按照本文確定的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，運用GeNIe軟件進行仿真[14]，具體的方法如下：

1） 建立評價指標體系

進行仿真的第一步是建立評價指標體系和獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。本文將大型相控陣雷達系統(tǒng)風險評價等級分為好、中、差三個等級，根據(jù)專家組評價結(jié)果和歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到底事件的相關(guān)評價，如表2所示。

2） 利用GeNIe軟件仿真計算

① 在GeNIe軟件中根據(jù)圖3所示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行建模，構(gòu)造仿真模型;

② 以表2中的評價情況作為各個根節(jié)點的先驗概率;

③ 根據(jù)專家組確定的CPT，得到各子節(jié)點的條件概率，基于篇幅限制，不詳細列出各節(jié)點的CPT;

④ 將各節(jié)點的先驗概率和條件概率代入模型進行計算，得到中層事件和頂層事件的評價情況，構(gòu)造的模型和仿真結(jié)果如圖4所示。

3） 結(jié)果分析

大型相控陣雷達系統(tǒng)和各個分系統(tǒng)的風險評價結(jié)果統(tǒng)計圖如圖5所示。從圖5中可以看到，大型相控陣雷達系統(tǒng)評價為好的概率為30%，評價為中的概率為67%，評價為差的概率為3%，根據(jù)最大隸屬度原則，本文判定大型相控陣雷達系統(tǒng)的風險等級為中。

下面對雷達系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)的評價結(jié)果進行分析，找出大型相控陣雷達系統(tǒng)的安全性薄弱環(huán)節(jié)。從圖5中可以觀察到，以評價等級為好作為比較標準，雷達系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)的優(yōu)劣順序為[A4>A2>A3>A1]，因此天線陣面分系統(tǒng)為大型相控陣雷達系統(tǒng)的安全性薄弱環(huán)節(jié)。

3? 結(jié)? 論

本文所做的工作主要有以下幾點：

1） 運用FTA對雷達系統(tǒng)進行了至上而下的定性安全性分析，建立了故障樹模型，找出了各個分系統(tǒng)存在的安全性問題和隱患;

2） 在故障樹模型的基礎(chǔ)上，運用BN方法建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，找出了各個風險和故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;

3） 針對具體的例子，運用GeNIe軟件對建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進行仿真計算，根據(jù)計算結(jié)果判斷系統(tǒng)的風險評價等級并找出了安全性薄弱環(huán)節(jié)。

本文提出的安全性分析和風險評價方法亦適用于其他武器裝備，為武器裝備的安全性分析和風險評價提供了一種定性與定量相結(jié)合的新方法。

注：本文通訊作者為楊江平。

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