基于故障树的发射机故障诊断＊

钟 飞 刘传伟 邓世东 何爱林

（中国人民解放军91604部队 龙口 265700)

1 引言

军用电子装备故障诊断是一项十分复杂困难的工作。在早期的电子装备故障诊断技术中，其基本方法是依靠一些测试仪表，按照跟踪信号逐点寻迹的思路，借助人的逻辑判断来决定设备的故障所在。这种沿用至今的传统诊断技术在很大程度上与维修人员的实践经验和专业水平相关，基本上没有一套可靠的、科学的、成熟的办法［1］。随着电子工业的发展，人们逐步认识到，对故障诊断问题有必要重新研究，必须把以往的经验提升到理论高度，同时在坚实的理论基础上，系统地发展和完善一套严谨的现代化电子设备故障诊断方法，并结合先进的计算机数据处理技术，实现电子电路故障诊断的自动检测、定位及故障预测。

2 故障树分析方法

故障树分析（fault tree analysis)是用于大型复杂系统可靠性、安全性分析以及故障诊断的一个有力工具。将系统级的故障现象（称为顶事件)与最基本的故障原因（称为底事件)之间的内在关系表示成树形的网络图，各层事件之间通过 “与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑运算关系相关联。基于故障树模型可以对系统进行定性和定量的分析，故障诊断则是一个从观测到的顶层故障现象出发、逐步向下演绎，最终找出对应的底层故障原因的过程。它把系统故障与组成系统的部件故障联系在一起，并有层次地分别描述出系统在实效的进程中，各种中间事件的相互关系。故障树模型是描述诊断对象结构、功能和关系的一种定性因果模型，它体现了故障传播的层次性和子节点 （即下层故障源)与父节点 （即上层故障现象)之间的因果关系［2～4］。

3 发射机故障树的建立

电子设备故障检测和定位，由于情况复杂、原因较多，传统的手段难以很快给出相应正确的故障判断，往往因为故障解决时间的拖延，因此迫切需要可以快速自动检测故障。某装备发射机发射功率大，故障发生频繁，给保养维护带来很多问题。以该发射机为例，建立发射机故障树，应用故障树分析方法对发射机进行分析。

图1 某雷达发射机的故障树

发射机分系统是该雷达的核心部分之一。发射机将激励源所产生的频率稳定度极高的高频小信号放大到所需要的功率电平，具有频率稳定度高，失真小，相位相参等优点。建立某型雷达发射机的故障树，如图1所示。其中，T表示发射机不能上高压；主要故障分别是U1末级组件电路故障，U2前级组件电路故障，U3激励产生故障，U4PIN开关故障，U5组件电源故障，U6馈线故障。对应的故障征兆参数有10个，分别是：X1发射机功率欠输出，X2末级组件输出故障，X3前级组件输出故障，X4前级组件RF功率输出不正常，X5发射机超温，X6工作比和脉宽不正常，X7发射激励故障，X8发射允许故障，X9PIN驱动故障，X10电源过流或欠压。

4 故障树分析

4.1 定性分析

对故障树进行定性分析的主要目的是：寻找导致与系统有关的不希望事件发生的原因的组合，即寻找导致顶事件发生的所有故障模式。从中确定系统的薄弱环节，采取措施，予以补救。

考虑由n个不同的独立底事件构成的故障树。引入二值变量xi，表示第i个底事件的状态。定义底事件的状态为

同样，引入二值变量Φ，表示顶事件T的状态。定义顶事件的状态为

割集是导致正规故障树（仅含有底事件、结果事件以及与、或、非三种逻辑门)顶事件发生的若干底事件集合。若有K个状态向量X，能使Φ（X)＝1，则称X为割向量，割向量对应的底事件集合称为割集。最小割集是导致正规故障树顶事件发生数目不可再少的底事件集合。如图所示的故障树；在此，我们利用下行法求最小割集。下行法的特点是根据故障树的实际结构，从顶事件开始，逐级向下寻查，找出故障树的所有割集，然后再通过集合运算规则加以简化、吸收，得到全部最小割集［6～8］。求解过程如表1所示。

表1 下行法得发射机不能正常工作的最小割集

经简化、吸收，去掉重复的割集，得到全部10个最小割集分别为：K1＝｛X1｝；K2＝｛X2｝；K3＝｛X3｝；K4＝｛X4｝；K5＝ ｛X5｝；K6＝ ｛X6｝；K7＝ ｛X7｝；K8＝ ｛X8｝；K9＝｛X9｝；K10＝｛X10｝。最小割集表明系统的危险性，每个最小割集都是顶事件发生的一种可能渠道，最小割集越多系统越危险。

4.2 定量分析

定量分析的目的是计算顶事件的发生概率，以它来评价系统的安全可靠性，将计算的顶事件发生概率与预定的目标值进行比较，如果超出目标值就应该采取必要的改进措施，使其降至目标值以下。各底事件发生概率如表2所示。

表2 底事件发生概率

根据底事件的发生概率可以计算出顶事件发生概率为

概率重要度分析是故障树分析中的重要部分，它反映了底事件概率变化对顶事件概率变化的难易程度，但并不能反映出不同底事件改进的难易程度。［9，11］设t＝1000h，λ为各底事件的发生概率，则可靠度的计算公式为

各底事件的可靠度为

设t＝1000h，Fi（t)＝1－Ri（t)，则概率重要度的计算公式为

式中

各底事件的概率重要度为：Δg1（t)＝0.221；Δg2（t)＝0.850；Δg3（t)＝0.231；Δg4（t)＝0.239；Δg5（t)＝0.219；Δg6（t)＝0.263；Δg7（t)＝0.256；Δg8（t)＝0.219；Δg9（t)＝0.245；Δg10（t)＝0.219。

通过分析可知每个底事件在系统中所处位置的重要性，设计人员在设计过程中应该采取必要的检测手段和保护措施来提高其可靠性和安全性。

5 结语

由于导致顶事件故障的原因有多个，在故障诊断时，可以判断所有最小割集即故障模式，从而找到故障原因，但是对于复杂电路的故障树分析，将有大量的故障模式需要测试，所以在此用故障树最小割集重要度进行分析，只要对重要度大的故障模式进行监测，对于重要度小的故障模式可以不进行监测，或者对几个重要度大的故障模式所对应的监测点进行监测，然后综合进行判定。根据故障树分析结果，将发射机的可靠性指标转换为对各底事件的可靠性要求，通过提高底事件的可靠性达到提高发射机可靠性的目的。经过可靠性验证，发射机实际达到的可靠性值与分析结果基本一致。将所有底事件按概率重要度进行排序，由高到低初步设置故障检测点，然后再进行优化，达到用尽量少的检测点来确保尽可能高的故障检测能力。

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