故障樹分析在合成孔徑雷達(dá)故障定位中的應(yīng)用

蹇彪

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所軟件質(zhì)量工程中心，廣州511370)

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)等電子裝備逐漸軟件化，設(shè)備集成度、功能復(fù)雜度越來越高。在研發(fā)和使用過程中，設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員往往難以快速判斷故障成因，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力用于故障源定位和故障排除。憑經(jīng)驗(yàn)開展故障定位分析工作容易被思維定勢(shì)誤導(dǎo)，僅適用于小型簡(jiǎn)單設(shè)備的維護(hù)，已無(wú)法滿足現(xiàn)代復(fù)雜裝備發(fā)展需要，因此應(yīng)用一種方法論系統(tǒng)、全面地分析裝備故障影響因素十分必要。

1 故障樹分析方法介紹

1.1 故障樹分析

故障樹分析簡(jiǎn)稱FTA(Fault Tree Analysis)，是一種由上往下的演繹式失效分析方法，利用布爾邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)。最早由美國(guó)貝爾電話公司的電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)展出來，逐漸成為可靠性工程領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)失效分析的重要方法之一，廣泛應(yīng)用在航空航天、核工業(yè)等對(duì)安全性和可靠性要求嚴(yán)苛的工業(yè)行業(yè)[1]。

故障樹分析方法通過結(jié)合診斷目標(biāo)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)建故障分析模型，是一種從系統(tǒng)到部件，再到單元，按樹形結(jié)構(gòu)從上到下逐級(jí)遞推并根據(jù)事件因果而邏輯聯(lián)系的圖形化分析方法[2]。它將故障現(xiàn)象作為頂事件，將直接或間接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的因素作為中間事件，將最基本的故障原因作為底事件，通過“與”“或”等邏輯門將頂事件、中間事件和底事件連接起來，形成一個(gè)樹狀圖，得到一個(gè)定性的因果模型。故障樹建立以后，從頂事件出發(fā)，由上而下分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)異常狀態(tài)的快速故障定位[3]。

故障樹分析法既考慮了設(shè)備中的硬件因素，又考慮了軟件程序缺陷，不僅可以對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行定性分析，準(zhǔn)確定位系統(tǒng)中的故障源，也可以進(jìn)行定量分析，通過計(jì)算各事件的發(fā)生概率求出系統(tǒng)失效概率，可以為故障預(yù)測(cè)和健康管理研究提供參考。

1.2 故障樹分析主要步驟

建立故障樹的主要步驟包括：了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分析故障模式、確定頂事件、繪制故障樹、簡(jiǎn)化故障樹、求解故障樹事件發(fā)生概率。

(1)了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：該步驟主要是詳細(xì)了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要工作狀態(tài)和參數(shù)，必要時(shí)可繪制出工藝流程圖或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

(2)確定頂事件：要分析的對(duì)象即為頂事件，通常將待診斷的故障作為頂事件；

(3)繪制故障樹：根據(jù)建立的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，從頂事件開始向下逐層展開，將各個(gè)事件通過邏輯關(guān)系連接起來，繪制故障樹；

(4)分析故障樹：該步驟主要是分析故障樹中所有可能發(fā)生的事件，定量分析時(shí)給出各基本事件發(fā)生概率；

(5)簡(jiǎn)化故障樹：根據(jù)各基本事件發(fā)生的概率數(shù)據(jù)，確定各基本事件對(duì)頂事件發(fā)生的影響程度，即結(jié)構(gòu)重要度，按結(jié)構(gòu)重要度對(duì)故障樹進(jìn)行簡(jiǎn)化；

(6)求解故障樹事件發(fā)生概率：確定所有事件發(fā)生概率，標(biāo)記在故障樹上，進(jìn)而求解出頂事件發(fā)生概率。

復(fù)雜裝備出現(xiàn)故障現(xiàn)象時(shí)，通常需要快速排查，準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位，屬于定性分析，因此僅需執(zhí)行步驟(1)到步驟(5)，查找出故障源即可。

2 合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要故障模式

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，具有分辨率高、全天候等特點(diǎn)。不同載具平臺(tái)的合成孔徑雷達(dá)，主要功能不同，如機(jī)載SAR和星載SAR主要功能是成像，彈載SAR主要功能是成像、匹配和定位[4]。典型的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 主要故障模式

雷達(dá)裝備的故障發(fā)生模式按照故障發(fā)生速度來分可分為漸發(fā)性故障和突發(fā)性故障。漸發(fā)性故障一般發(fā)生在交付使用階段，由于高溫、高濕、腐蝕等外部因素，以及機(jī)械震動(dòng)、電磁輻射、熱疲勞等內(nèi)部因素導(dǎo)致的元器件、組件失效而產(chǎn)生的故障，通常為硬件故障。突發(fā)性故障一般發(fā)生在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，多屬于需求變更、功能升級(jí)等因素引入的設(shè)計(jì)缺陷，隨著電子裝備功能越來越復(fù)雜，軟件代碼規(guī)模越來越龐大，這類故障發(fā)生的條件越來越難以預(yù)測(cè)。合成孔徑雷達(dá)主要故障模式如表1所示。

表1 合成孔徑雷達(dá)主要故障模式

3 應(yīng)用實(shí)例

以圖1所示典型合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)為例，選擇無(wú)法成像故障作為頂事件，應(yīng)用故障樹分析對(duì)該故障進(jìn)行故障定位。

首先，了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，梳理系統(tǒng)主要功能和工作流程。該系統(tǒng)主要由天線模塊、電源模塊、綜合頻率模塊和綜合處理模塊組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由頻率綜合單元提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，綜合處理模塊中的任務(wù)管理單元根據(jù)上位計(jì)算機(jī)發(fā)送的工作控制參數(shù)，開啟工作流程，并發(fā)送給采集單元，該采集單元形成激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)綜合頻率模塊處理后進(jìn)入天線模塊，由天線單元驅(qū)動(dòng)放大，經(jīng)TR組件后輻射到空間，反射回來的回波經(jīng)綜合頻率模塊的收發(fā)單元接收通道后，形成接收信號(hào)，由綜合處理模塊的采集單元打包成回波數(shù)據(jù)發(fā)送到接口單元，經(jīng)信號(hào)處理單元進(jìn)一步處理后得到成像結(jié)果。繪制出系統(tǒng)工作時(shí)主要數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要工作流程

第二步，確定頂事件。將待診斷的無(wú)法成像故障作為頂事件。

第三步，繪制故障樹。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，繪制出故障樹如圖3。

圖3 故障樹示意圖

第四步，分析故障樹。

天線模塊故障：天線單元故障或波束控制單元故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致天線模塊故障，其中天線單元故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)質(zhì)量下降或無(wú)回波，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，波束控制單元故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致成像異常，也與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，因此可以認(rèn)為底事件I0101或底事件I0102發(fā)生時(shí)，頂事件發(fā)生概率為0。

綜合頻率模塊故障：收發(fā)單元故障或頻率綜合單元故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致綜合頻率模塊故障，其中收發(fā)單元故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)質(zhì)量下降，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，頻率綜合單元故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)回波，依然會(huì)產(chǎn)生噪聲圖像，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，因此可以認(rèn)為底事件I0201或底事件I0202發(fā)生時(shí)，頂事件發(fā)生概率為0。

綜合處理模塊故障：任務(wù)管理單元故障、采集單元故障、信號(hào)處理單元故障或接口單元故障發(fā)生時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致綜合處理模塊故障，其中任務(wù)管理單元故障時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法執(zhí)行工作任務(wù)，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，信號(hào)處理單元故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)回波數(shù)據(jù)，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符。因此可以認(rèn)為底事件I0301或底事件I0303發(fā)生時(shí)，頂事件發(fā)生概率為0。進(jìn)一步分析采集單元故障子樹和接口單元故障子樹，采集單元硬件或駐留軟件故障時(shí)，將導(dǎo)致無(wú)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，既無(wú)法產(chǎn)生圖像，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象吻合。接口單元硬件或駐留軟件故障時(shí)，將導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)無(wú)法輸出，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象吻合。因此可以認(rèn)為底事件I030201、底事件I030202、底事件I030401或底事件I030402發(fā)生時(shí)，頂事件發(fā)生概率為1。

電源模塊故障：天線供電故障、綜合頻率供電故障或綜合處理供電故障均會(huì)導(dǎo)致電源模塊故障，其中天線供電故障或綜合頻率供電故障時(shí)，成像結(jié)果均為噪聲圖像，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，綜合處理供電故障時(shí)，綜合處理模塊無(wú)法工作，系統(tǒng)無(wú)法工作，無(wú)法執(zhí)行工作任務(wù)，與無(wú)法成像故障現(xiàn)象不符，因此可以認(rèn)為底事件I0401、底事件I0402或底事件I0403發(fā)生時(shí)，頂事件發(fā)生概率為0。

第五步，簡(jiǎn)化故障樹。根據(jù)上一步分析故障樹的結(jié)果，簡(jiǎn)化故障樹如圖4。針對(duì)簡(jiǎn)化后的故障樹，進(jìn)一步排查分析，通過硬件BIT檢查和鏈路數(shù)據(jù)分析，排除采集單元故障和接口單元硬件故障，定位出本次故障源為接口單元駐留軟件故障。

圖4 簡(jiǎn)化后的故障樹示意圖

完成故障源定位后，通過對(duì)接口單元駐留軟件進(jìn)行源代碼審查分析，確認(rèn)本次故障為程序設(shè)計(jì)缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

在裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)和使用過程中，對(duì)故障的快速定位和排除具有重要意義，本文通過實(shí)例介紹了故障樹分析在合成孔徑雷達(dá)故障定位中的應(yīng)用，結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子裝備系統(tǒng)中應(yīng)用故障樹可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地定位故障源。通過歸納總結(jié)裝備系統(tǒng)的故障模式，不斷完善故障樹，可以進(jìn)一步開展設(shè)備健康管理研究。