基于故障樹分析法的引信作用可靠性分析

吳進煌，孫少華，曹山根，趙永濤

（1. 92228部隊，北京 100072；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；3. 91049部隊，山東 青島 266001）

引信可靠性是整個武器系統(tǒng)的重要性能和關(guān)鍵技術(shù)指標之一，是衡量引信的設(shè)計特性，判定引信的使用特性以及引信的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標的重要依據(jù)。引信可靠性還與引信的生產(chǎn)制造、使用保障因素密切相關(guān)，因此，須采取相應(yīng)的保障措施，以求達到引信作用可靠性要求。提高引信可靠性水平，不僅是設(shè)計工程師的責任，也是生產(chǎn)制造商和使用保障人員的共同責任[1]。引信作為控制戰(zhàn)斗部在最佳時機或位置起爆的關(guān)鍵部件，是武器系統(tǒng)可靠性研究中須特別關(guān)注的領(lǐng)域[2]。因為引信無論能否正常作用，都將對整個武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能產(chǎn)生決定性影響。如：早炸會危及己方人員和裝備安全；遲炸或者失效會錯失攻擊目標的機會，貽誤戰(zhàn)機，也為后續(xù)的戰(zhàn)場清理留下巨大的安全隱患。所以，對引信來說，作用可靠性問題意義重大。若不考慮引信的作用可靠性而對整個武器系統(tǒng)綜合體的戰(zhàn)斗效率做出全面評價是極為困難的[2]。

引信系統(tǒng)具有工作環(huán)境復(fù)雜、對可靠性（特別是安全可靠性）要求高，系統(tǒng)不可修復(fù)和系統(tǒng)失效呈多態(tài)性的特點[3]。目前，在引信可靠性分析和風(fēng)險評估研究領(lǐng)域，主要有3 種方法：故障樹分析方法、失效模式影響和危害度分析方法、成功流方法。王曉方[4]采用故障樹分析法對某型電子時間引信的組成及工作原理做了介紹，并通過建立故障樹失效模型，對系統(tǒng)的失效模式進行分析，為系統(tǒng)的改進設(shè)計和維修打下良好的基礎(chǔ)；段志薇、張亞[5]采用故障樹分析法，對某機電引信的安全性進行了分析，詳細地描述了分析過程，該研究結(jié)果對提高引信的安全性具有重要意義；顧麗敏[6]等人應(yīng)用成功流法，對某彈底機械觸發(fā)引信系統(tǒng)的可靠性進行了分析；段志薇[7]等人采用成功流法分析了某一引信在預(yù)定的解除保險程序前引信作用的可靠性；張偉光[8]等人針對某引信的瞎火事故，采用故障樹分析法給出了故障模式分析結(jié)果，找到了其中的薄弱環(huán)節(jié)；趙河明[9]從引信可靠性分析與設(shè)計角度出發(fā)，提出了1 種應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究引信可靠性的方法，可用于解決引信在設(shè)計和研制中可靠度無法定量化的問題；趙錚[10]等人利用灰色系統(tǒng)理論研究了引信儲存可靠性預(yù)測模型；周利東[11]等人研究了引信作用可靠性的小樣本評估方法，把功能模擬試驗信息作為貝葉斯可靠性評估的先驗信息，有效減少了樣本量。

上述研究采用不同的理論和方法針對某型引信或引信的某個組成部分開展可靠性研究。本文將引信作為1個系統(tǒng)，通過故障樹分析方法，建立基于故障樹分析的引信作用可靠性一般模型，并以某型觸發(fā)引信為研究對象，對其作用可靠性進行分析。

1 故障樹分析理論

故障樹分析是通過對可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、環(huán)境和人為因素等進行分析，畫出故障樹，從而確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合方式和/或其發(fā)生概率的1種分析技術(shù)[12]。

故障樹是1 種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，它利用事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”。在故障樹分析中，各種故障狀態(tài)或不正常情況皆稱故障事件，各種完好狀態(tài)或正常情況皆稱成功事件，兩者均可簡稱為事件[13]。事件的分類,如圖1所示。

圖1 基于故障樹分析方法事件分類Fig.1 Event classification based on fault tree analysis

在故障樹分析中，描述事件的因果關(guān)系采用“邏輯門”和符號?！芭c”門“或”門和“非”門是3 個基本門；“順序與”門、“表決”門、“異或”門和“禁”門等其他“邏輯”門為“特殊”門[14]。

故障樹分析需要進行大量的計算。精確計算會出現(xiàn)“組合爆炸”的問題；另外，建立故障樹的過程容易出現(xiàn)錯、漏事件。盡管如此，故障樹由于其技術(shù)成熟，操作簡便，目前仍然是使用最為普遍的可靠性分析方法，并且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，輔助故障樹分析也將成為主流。故障樹分析方法以系統(tǒng)不希望發(fā)生的1個事件（頂事件）作為分析目標：第1步，尋找引起頂事件的直接原因；第2步，尋找引起上述原因的直接原因，重復(fù)第1、2 步。如果由原因甲或者原因乙引起上一級事件發(fā)生，就用“或”門（or）聯(lián)結(jié)；如果原因甲與原因乙合在一起才能引起上一級事件發(fā)生，就用“與”門（and）聯(lián)結(jié)。建樹后，定性和定量分析各底事件對頂事件影響的組合方式和傳播途徑，識別一切可能的故障模式及影響輕重程度。

2 引信系統(tǒng)分析

引信是武器系統(tǒng)中的獨立子系統(tǒng)，現(xiàn)代引信由安全系統(tǒng)、目標探測與發(fā)火控制系統(tǒng)、能源裝置和爆炸序列組成[15]，引信系統(tǒng)的一般組成及其工作邏輯關(guān)系，如圖2所示。

圖2 引信的基本組成Fig.2 Basic composition of the fuze

引信的可靠性表現(xiàn)在引信能夠在預(yù)定的地點或時間，向戰(zhàn)斗部輸出足夠的起爆能量。為了實現(xiàn)這一基本功能，在勤務(wù)處理過程和導(dǎo)彈發(fā)射后的安全距離內(nèi)，要確保引信的安全可靠性，在發(fā)射后要保證引信的作用可靠性。引信安全可靠性由安全系統(tǒng)保證，引信安全系統(tǒng)包括保險機構(gòu)和隔爆機構(gòu)。一方面，保險機構(gòu)可保證隔爆機構(gòu)在引信勤務(wù)處理過程和發(fā)射后的安全距離內(nèi)處于隔爆狀態(tài)，使引信具有安全可靠性；另一方面，在引信勤務(wù)處理過程和發(fā)射后的安全距離內(nèi)，即使爆炸序列首發(fā)火工品意外發(fā)火，隔爆機構(gòu)也能及時阻斷能量傳遞，進而保證引信安全可靠性。引信作用可靠性在引信全壽命周期內(nèi)，是由引信所有組成部分共同完成的，安全可靠性是引信作用可靠性的基礎(chǔ)。

彈藥發(fā)射后，引信安全系統(tǒng)感受至少2 個獨立的環(huán)境信息，完成解除保險動作，釋放隔爆機構(gòu)；隔爆機構(gòu)在環(huán)境力或內(nèi)儲能作用下，完成爆炸序列對正動作；彈藥接近目標或碰擊目標時，目標探測與發(fā)火控制系統(tǒng)的信息感受裝置感受目標信息；信息處理裝置將信息處理后向發(fā)火裝置輸出信號；發(fā)火裝置輸出發(fā)火能量，起爆首發(fā)火工品；爆炸序列將首發(fā)火工品輸出的能量逐級放大，向戰(zhàn)斗部提供足夠的爆炸能量，引信完成工作。

3 引信故障模式與故障模型

根據(jù)引信的工作原理，對所有可能存在的故障模式建立故障樹進行分析，并進行合并簡化。最后，對故障樹進行定量，定性分析。

3.1 引信故障模式

故障模式分析的主要目的是識別故障模式/故障特征，確定故障位置/故障定位，找出故障機理/故障的物理原因，識別導(dǎo)致故障的根本原因/導(dǎo)致故障的根源。故障模式即故障的表現(xiàn)形式。引信故障模式分安全性故障模式和作用可靠性故障模式。

引信安全可靠性是指引信只能在預(yù)定條件下作用，其他任何場合下均不得作用的性能[14]。引信安全系統(tǒng)故障模式有勤務(wù)處理期安全系統(tǒng)原發(fā)性或繼發(fā)性失效、膛炸、炮口炸和安全距離內(nèi)的彈道炸。

引信的作用可靠性是指在規(guī)定的貯存期內(nèi)，在規(guī)定的條件（如環(huán)境條件、使用條件等）下，引信必須按預(yù)定的方式作用的性能[15]。引信在安全距離外，未能按預(yù)定的方式感覺目標或未能按預(yù)定的條件控制彈藥爆炸序列的表現(xiàn)形式，都被稱為引信作用可靠性的故障模式?？梢哉J為，除了正常引爆戰(zhàn)斗部外，其余異常情況都背離引信系統(tǒng)既定功能，應(yīng)當認定為不可靠，這些異常情況主要包括過早炸、遲炸、自毀失效、和瞎火等。

3.2 引信故障模型

根據(jù)引信故障模式可以判定引信有2個基本故障模型：一是安全可靠性故障模型；二是作用可靠性故障模型。

3.2.1 安全可靠性故障模型

按照發(fā)生故障時間，建立引信安全可靠性故障模型1，如圖3所示。

圖3 引信安全性故障模型1Fig.3 Fuze safety fault model 1

按照結(jié)構(gòu)組成，建立引信安全可靠性故障模型2，如圖4所示。

圖4 引信安全性故障模型2Fig.4 Fuze safety fault model 2

根據(jù)《引信安全性設(shè)計準則要求》（GJB373A—1997），引信機械類和機電類安全系統(tǒng)具有2個獨立保險件約束隔爆件，這2 個保險件分別感受不同環(huán)境信息。圖3 中，表示引信經(jīng)歷的環(huán)境分為勤務(wù)處理和發(fā)射過程2大類。引信能利用解除保險的環(huán)境信息主要有后坐過載、離心過載、前沖過載、離軌信息和目標基信息等。隔爆機構(gòu)解除隔爆有2 種設(shè)計，利用環(huán)境能和利用內(nèi)儲能。利用環(huán)境能的隔爆件需要利用發(fā)射環(huán)境提供的力運動到戰(zhàn)斗狀態(tài)；利用內(nèi)儲能的隔爆件，只要保險件解除對其約束，就立即運動到戰(zhàn)斗狀態(tài)。隔爆件運動到戰(zhàn)斗狀態(tài)位置就失去隔爆功能。

3.2.2 作用可靠性故障模型

在研究引信作用可靠性時，假設(shè)引信安全系統(tǒng)不出現(xiàn)安全性故障。引信作用可靠性故障模型，如圖5所示。

圖5 引信作用可靠性故障模型Fig.5 Fault model of fuze function reliability

4 引信作用可靠性故障樹分析

選擇頂事件，某觸發(fā)引信未可靠發(fā)火。

通過故障模式分析得知，觸發(fā)引信未可靠發(fā)火的情況主要包括過早炸、遲炸，瞎火以及意外情況未實現(xiàn)自毀發(fā)火4種情況，由此可以建成故障樹，如圖6所示。由文獻[16]，各底事件發(fā)生概率，如表1所示。

圖6 觸發(fā)引信系統(tǒng)未可靠發(fā)火故障樹Fig.6 Fault tree of unreliable firing of trigger fuze system

表1 底事件發(fā)生概率Tab.1 Probability of occurrence of the bottom events

4.1 定性分析

定性分析的核心是求最小割集（MCS），采用下行法對故障樹求解MCS，其關(guān)鍵是見到“或”門就向下豎排，見到“與”門就向右橫排。

首先求出故障樹的割集為：{X1，X2，X3}，{X1，X2，X4}，{X1，X2，X5}，{X1，X2，X6}，{X1，X3，X7}，{X1，X3，X8}，{X1，X3，X9}，{X1，X4，X7}，{X1，X4，X8}，{X1，X4，X9}，{X1，X5，X7}，{X1，X5，X8}，{X1，X5，X9}，{X1，X6，X7}，{X1，X6，X8}，{X1，X6，X9}，{X1}，{X10}，{X11}，{X7}，{X8}，{X9}，{X12}，{X13}，{X14}。再把割集通過集合運算規(guī)則加以簡化、吸收，得到相應(yīng)的全部MCS 為：{X1}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}。

通過分析得知以下故障對系統(tǒng)作用可靠性影響很大，如：傳火體尺寸不合格、離心保險機構(gòu)故障、后座保險機構(gòu)故障、球轉(zhuǎn)子缺陷、自毀簧抗力過大、擊發(fā)體上薄擊針過短、傳爆序列未作用、頭部觸發(fā)機構(gòu)故障、尾部觸發(fā)自毀機構(gòu)故障。特別是傳爆序列未作用發(fā)生概率為1.5×10-2，這將嚴重影響整個系統(tǒng)的最終可靠性。

4.2 定量計算

故障樹定量計算的任務(wù)就是計算或估計頂事件發(fā)生的概率。在故障樹分析的定量計算時，可以通過底事件發(fā)生的概率直接求頂事件發(fā)生的概率，也可以通過MCS求頂事件的發(fā)生概率，它又分為精確解法與近似解法。

4.2.1 通過底事件發(fā)生概率直接求頂事件發(fā)生的概率

4.2.2 通過MCS求頂事件發(fā)生的概率

MCS 求解頂事件發(fā)生概率分為相交和不相交2種情況。

假定故障樹的全部MCS 在1 個很短的時間間隔內(nèi)，不考慮同時發(fā)生2 個以上的MCS，且各MCS 沒有重復(fù)出現(xiàn)的底事件，即MCS 之間不相交，則頂事件發(fā)生概率可以表示為[17]：

式（1）是假設(shè)MCS 不相交的情況，然而在大多數(shù)情況下MCS之間是相交的，必須用相容事件的概率公式求解，如果精確計算會產(chǎn)生“組合爆炸”的問題。工程中常通過化相交和為不交和，采用近似方法求解首項或前2項[18]，分別為式（2）和式（3）。

式（2）（3）中，S1、S2為首項及第二項。

本文的故障樹比較特殊，MCS 均為一階，沒有相交的項，因此運用式（1）即可求解頂事件發(fā)生概率為0.015 6，此結(jié)果與通過底事件發(fā)生概率直接求頂事件發(fā)生的概率0.017 07，相對誤差為8.61%，2 種方法計算出的結(jié)果比較吻合。

5 結(jié)論

引信可靠性問題關(guān)系到武器系統(tǒng)的安全性和能否最終順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。盡管引信可靠性分析方法有多種，然而最普遍使用的方法仍然是故障樹分析法。通過對引信系統(tǒng)的組成及其邏輯關(guān)系分析，建立了引信故障模式和故障模型，并以某觸發(fā)引信為例，建立其作用可靠性故障模式和事件完整的故障樹，并得出對頂事件發(fā)生概率影響最大的最小割集，其中傳爆序列未作用對整個系統(tǒng)可靠性影響最為嚴重。通過底事件發(fā)生的概率直接求出頂事件發(fā)生的概率和通過最小割集求頂事件的發(fā)生概率，2 種方法計算該型觸發(fā)引信未可靠發(fā)火的發(fā)生概率分別為0.017 07和0.015 6，2 種方法得出的結(jié)果比較吻合。本文的研究結(jié)果對應(yīng)用故障樹分析方法解決引信可靠性分析問題具有一定的借鑒意義。