基于故障樹的多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)在人影作業(yè)中可靠性分析

程雷 盧秉紅 李冀寧 朱憲龍 葛月月

摘 要：多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性在保障人影作業(yè)過程中系統(tǒng)安全運(yùn)行及產(chǎn)品可用性形成上有著直接影響，尤其在對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較大影響的防雹、增雨等空中飛行或地面作業(yè)過程中越發(fā)凸顯，因此基于對(duì)故障樹的多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)可靠性分析、研究意義重大，文章對(duì)多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)基于故障樹的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)定性和定量分析，旨在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，提高多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品的可用性，保障雷達(dá)系統(tǒng)客觀安全有效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：故障樹；多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)；可靠性分析

遼寧丹東作為北方暴雨中心，夏日強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，冰雹、大風(fēng)、強(qiáng)降雨對(duì)大田煙葉、河口艷紅桃、藍(lán)莓、五味子以及廣譜玉米等作物的生長(zhǎng)造成一定的影響，多普勒天氣雷達(dá)自運(yùn)行以來(lái)，在人工影響天氣尤其預(yù)防冰雹、強(qiáng)對(duì)流天氣等重大天氣服務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)同樣向著大型化和多功能化方面發(fā)展，因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求?；诠收蠘涞亩嗥绽仗鞖饫走_(dá)系統(tǒng)對(duì)于重大天氣有著極其重要的影響，它的安全性和可靠性對(duì)于重大天氣研判、強(qiáng)對(duì)流人工影響天氣作業(yè)等起到至關(guān)重要的作用，所以，研究故障樹的多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的重要程度日益凸顯。

1 故障樹

故障樹是一種分析多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的方法。故障樹的分析是一種從上往下進(jìn)行的演繹式時(shí)效分析法，通過運(yùn)用布林邏輯組合低階時(shí)間，分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)。通過運(yùn)用這一方法來(lái)了解系統(tǒng)出現(xiàn)失效現(xiàn)象的原因，進(jìn)而依據(jù)這一原因制訂具體的解決措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。故障樹還能夠針對(duì)造成最上方的各種原因?qū)⑵淞谐鰞?yōu)先次序，針對(duì)不同重要性的測(cè)量方式來(lái)建立關(guān)鍵設(shè)備的列表，進(jìn)而使得相關(guān)人員能夠依據(jù)這一表格對(duì)問題進(jìn)行處理，極大地提升了問題處理效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。

故障樹分析主要采取自上而下的演繹推理去分析系統(tǒng)中的哪一環(huán)節(jié)出了問題，進(jìn)而去解決，它能有效地分析復(fù)雜系統(tǒng)初始失效及時(shí)間的影響。同失效模式與影響分析這一方式不同，失效模式與影響分析是一種歸納推理的方法，從下到上的方式去分析設(shè)備或子系統(tǒng)中的單一元件失效或機(jī)能失效的影響。故障樹分析能很好地應(yīng)用到分析系統(tǒng)如何避免單一或多重初始故障發(fā)生，但無(wú)法找出所有可能的初始故障；然而失效模式與影響分析法則可以通過窮舉的方式去列舉出所有的初始故障，而且還能夠有效地識(shí)別出它的局部影響，但它不適合用來(lái)檢測(cè)多重失效，或檢測(cè)多重失效對(duì)系統(tǒng)層級(jí)的影響。因此在采用故障樹分析時(shí)需要掌握其優(yōu)勢(shì)所在，進(jìn)而依據(jù)優(yōu)勢(shì)去進(jìn)行具體的操作。

2 多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)基于故障樹的可靠性分析

多普勒天氣雷達(dá)作為一種主動(dòng)式遙感的探測(cè)工具，可以在測(cè)量云、降水以及各種強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生和發(fā)展內(nèi)在因素等方面有重要的應(yīng)用意義，基本工作原理就是以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以有效測(cè)定散射體相對(duì)于雷達(dá)的速度，在一定條件下進(jìn)行反演，從而得出大氣風(fēng)場(chǎng)狀況、氣流垂直速度的分布狀態(tài)以及湍流情況等信息。如在遇災(zāi)害性天氣情況時(shí)，及時(shí)預(yù)警，必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，將災(zāi)害性天氣的損失降到最低。

多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)主要由接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、天線等構(gòu)成，以基站為中心，水平180度空間范圍內(nèi)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，不間斷度體掃，發(fā)射電磁波波束，并按照雷達(dá)的方向返回被天線接收，多普勒天氣雷達(dá)能夠通過接收到的電磁波束中自帶的振幅和位相等數(shù)據(jù)，得出氣象目標(biāo)的平均速度、發(fā)射率因子和速度譜寬等數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出相對(duì)應(yīng)的氣象情況和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。隨著科技發(fā)展多普勒天氣雷達(dá)功能越發(fā)多樣化，主要包含對(duì)降雨地區(qū)進(jìn)行范圍強(qiáng)隊(duì)的探測(cè)、對(duì)暴風(fēng)雪覆蓋范圍和降雪相態(tài)進(jìn)行探測(cè)、對(duì)風(fēng)切變現(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)、對(duì)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣位置進(jìn)行探測(cè)并指導(dǎo)人工影響天氣科學(xué)安排作業(yè)防范等。

2.1 基于故障樹分析多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)常規(guī)故障

以多普勒天氣雷達(dá)在伴隨人工影響天氣空中作業(yè)飛行過程中的“喪失風(fēng)切變探測(cè)功能”為例。依據(jù)適宜空域作業(yè)飛行標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)喪失風(fēng)切變探測(cè)功能這一頂事件產(chǎn)生的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，危險(xiǎn)類別為重大型，在這之中對(duì)于每小時(shí)飛行中的失效率也做出了一個(gè)規(guī)定為1E-5，假設(shè)平均飛行時(shí)間為3小時(shí)，當(dāng)喪失風(fēng)切變探測(cè)功能這一失效狀態(tài)的危險(xiǎn)類別被劃分為重大型時(shí)就需要滿足飛機(jī)每小時(shí)飛行1E-5或者每次風(fēng)行3E-5的失效概率，但多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的失效狀態(tài)只在特定的飛行階段運(yùn)行時(shí)被劃分在重大型危險(xiǎn)類別中，因此需要它們“每小時(shí)”要求要乘以一個(gè)系數(shù)。這一系數(shù)為平均飛行時(shí)間3小時(shí)被處于風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間去除，在起飛及著陸階段中，多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于風(fēng)切變探測(cè)時(shí)間為0.5小時(shí)。基于此，通過用故障樹分析具體失效狀態(tài)可以看出，雷達(dá)風(fēng)切變探測(cè)功能失效或收發(fā)組建故障，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)天線掃描器單元故障、電源故障和發(fā)射機(jī)故障均為未發(fā)展事件。未發(fā)展事件是指事件的相關(guān)資訊不明或沒有產(chǎn)生后續(xù)影響；其中的射頻線纜故障為基本事件，基本事件為系統(tǒng)元件或單元的失效或出現(xiàn)錯(cuò)誤情況。

2.2 對(duì)頂事件分析的結(jié)果

首先運(yùn)用下行法求出低功率射頻單元故障樹中的所有最小割集，當(dāng)把最小割集求出來(lái)之后再依據(jù)各個(gè)底事件的失效率來(lái)計(jì)算出頂事件的具體概率。在頂事件“低功率射頻單元故障”引起的風(fēng)切變功能喪失在人工影響天氣作業(yè)飛行中發(fā)生的概率大約為6.214 3E-5，這一數(shù)值結(jié)果與可靠性所明確標(biāo)注的3E-5這一數(shù)值相比偏小，看似滿足了可靠性的要求，但是這兩個(gè)數(shù)值之間差距不大，因?yàn)檫@次失效原因在于低功率射頻單元故障這一概率，因此從中可以發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)對(duì)于可靠性方面還存有一定的不足之處，為了進(jìn)一步滿足可靠性這一要求，需要對(duì)低功率射頻單元進(jìn)行一定的改進(jìn)。

2.3 優(yōu)化可靠性

基于故障樹的多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)，如需提高并優(yōu)化多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性，則需去突破系統(tǒng)中的重點(diǎn)部分，努力尋找系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)。為能夠找到系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，最好的方法就是使用底事件重要度，接著將系統(tǒng)中尋找出來(lái)的重要度進(jìn)行一個(gè)細(xì)致的排序，排序越高的重要度就需要相關(guān)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中著重關(guān)注，不斷通過各種措施和方法去加強(qiáng)其可靠性與安全性。在底事件重要度列表中，首先需要將底事件排列出來(lái)，在將其對(duì)應(yīng)的概率重要度和相對(duì)概率重要度進(jìn)行標(biāo)注，然后由大到小進(jìn)行排序。通過對(duì)底事件重要度表的觀察，就能夠發(fā)現(xiàn)相對(duì)概率重要度與底事件的概率重要度有著密切的關(guān)系，當(dāng)它的數(shù)值越大，那么它在系統(tǒng)中顯現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)就越發(fā)薄弱，通過采取有效的措施來(lái)降低底事件的發(fā)生概率就能夠使得頂事件的發(fā)生概率得到有效的降低，這一判斷方法是非常有效的，相關(guān)技術(shù)人員可以依據(jù)這一方法來(lái)找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采取相關(guān)技術(shù)措施來(lái)進(jìn)行改善，從而促使頂事件的發(fā)生概率被降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于故障樹的多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)能夠分析出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，并針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)和完善，從而降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。故障樹的優(yōu)勢(shì)在多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性分析中可以被有效地發(fā)揮出來(lái)，通過對(duì)頂事件的概率值進(jìn)行計(jì)算，后續(xù)列出底事件重要度表，根據(jù)所得先后程度排列相關(guān)技術(shù)人員對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行攻克，從而提升系統(tǒng)可靠性。進(jìn)而為強(qiáng)對(duì)流天氣，尤其對(duì)及時(shí)防御煙葉、果樹等影響較大的冰雹天氣，提供了可靠的保障，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增收奠定了基礎(chǔ)。

■作者簡(jiǎn)介：程雷（1981-），男，漢族，學(xué)士學(xué)歷，工程師，從事雷達(dá)運(yùn)行和氣象信息技術(shù)研究工作。