于 嵩，敖長(zhǎng)林，陳紅光

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150010；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030）

近年來(lái)，隨著單片機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，單片機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程控制、智能化測(cè)試儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入。由于測(cè)控系統(tǒng)所處的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，各種不同形式的干擾都在影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；有來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，還有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選擇、安裝和制造工藝等因素的影響，均可降低單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集誤差大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)發(fā)生變化等方面[1]。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集和遠(yuǎn)距離傳輸，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中占有重要地位，其可靠性高低直接影響測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)的信息傳輸質(zhì)量，進(jìn)而影響機(jī)器系統(tǒng)的作業(yè)效果，研究其可靠性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

本文采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，利用故障樹(shù)分析和蒙特卡羅相結(jié)合方法，對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行可靠性仿真，找到影響系統(tǒng)可靠性的各種不利因素，從而采取相應(yīng)預(yù)防措施。

1 系統(tǒng)工作原理和失效分析

1.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的的工作原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路由兩個(gè)模塊組成，分別是采集模塊和通信模塊；采集模塊在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)設(shè)備與通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信模塊還要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信。系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。采集模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)電路、串并轉(zhuǎn)換電路、調(diào)制解調(diào)電路組成。該模塊完成模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，信號(hào)的調(diào)制，信號(hào)的功率放大及發(fā)送等功能。通信模塊由調(diào)制解調(diào)電路，串并轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)電路組成，主要完成信號(hào)的接收和放大，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信。

圖1 系統(tǒng)硬件電路原理Fig.1 System hardware circuit

1.2 系統(tǒng)的失效分析及其故障樹(shù)

故障樹(shù)分析法（FAT），是一種評(píng)價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性與安全性的重要方法。FAT把系統(tǒng)事件作為故障樹(shù)的頂事件，用規(guī)定的邏輯符號(hào)表示，找出導(dǎo)致事件所有可能發(fā)生的直接因素和原因，它們是處于過(guò)渡狀態(tài)的中間事件，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即故障樹(shù)的底事件為止，這樣逐層的建立系統(tǒng)故障樹(shù)。該系統(tǒng)由兩套單片機(jī)系統(tǒng)和連接二者的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)設(shè)備組成，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成比較復(fù)雜、所用元件品種繁多，工作場(chǎng)所環(huán)境復(fù)雜，所以系統(tǒng)失效的因素也比較多。

由于外界干擾和電源內(nèi)部噪聲等影響，可使電源發(fā)生故障，電源故障則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)供電不足或運(yùn)行故障。在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，存在著大量的復(fù)雜的干擾信號(hào),可導(dǎo)致采集模塊的組成電路發(fā)生故障，如傳感器故障、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路故障、調(diào)制解調(diào)電路故障等。導(dǎo)致通信模塊故障的原因是由于外界干擾（如空間電場(chǎng)磁場(chǎng)干擾）的存在，出現(xiàn)信道故障，單片機(jī)電路故障，接收電路故障,通信電路故障等。根據(jù)以上分析建立本系統(tǒng)的故障樹(shù)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的故障樹(shù)Fig.2 System fault tree

2 系統(tǒng)的數(shù)字仿真原理及過(guò)程

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 系統(tǒng)組成

由圖2可知，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障樹(shù)含有9個(gè)底事件，用S表示系統(tǒng)，則有：

其中Zi（i=1，2，…，9）表示底事件，已知每一個(gè)底事件的失效分布函數(shù)均為指數(shù)分布，設(shè)為：

其中λi（i=1，2，…，9）為失效率。

2.1.2 可靠性仿真邏輯關(guān)系

如果故障樹(shù)的一些底事件都發(fā)生時(shí)將會(huì)引起頂事件發(fā)生，那么這些底事件組成的集合就稱(chēng)為這個(gè)故障樹(shù)的割集；若將割集中所含的底事件任意去掉一個(gè)就不再成為割集，則該割集稱(chēng)為最小割集。對(duì)系統(tǒng)建立的故障樹(shù)，用下行法[2-3]求出其所有最小割集為9個(gè)。

以Mi（i=1，2，…，9）表示最小割集，根據(jù)最小割集的定義，只要有一個(gè)最小割集發(fā)生，則頂事件必然發(fā)生，而該最小割集中的底事件必全部發(fā)生，所以，頂事件Φ和最小割集及其包含的底事件之間的邏輯關(guān)系表示為：

2.2 系統(tǒng)可靠性仿真原理及過(guò)程

系統(tǒng)可靠性仿真利用Monte Carlo方法[4]產(chǎn)生0～1之間的均勻隨機(jī)數(shù)，代入到基本部件的失效分布函數(shù)的反函中，得到底事件的失效時(shí)間。仿真時(shí)，在每個(gè)最小割集范圍內(nèi)找出失效時(shí)間最大的部件，該部件失效時(shí)，該割集中所有的部件已經(jīng)失效，從而說(shuō)明系統(tǒng)失效。由于最小割集之間的關(guān)系為或的邏輯關(guān)系，所以對(duì)所有失效時(shí)間最大值再排序，找出其中最小值，就是系統(tǒng)的失效時(shí)間[5-6]。仿真過(guò)程如下：

2.2.1 初始數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)的基本部件的失效分布函數(shù)均為指數(shù)分布，總仿真次數(shù)為10 000次，系統(tǒng)最大工作時(shí)間為25 000 h，最小割集數(shù)目為9個(gè)，即所有的底事件。

2.2.2 底事件的失效時(shí)間

已知基本部件的失效分布函數(shù)及參數(shù),利用反函數(shù)法求得第i個(gè)底事件Zi失效時(shí)間為：

其中f（u）是基本部件的失效分布函數(shù)，f-1（u為其反函數(shù)，u為0～1之間分布的隨機(jī)數(shù)。

2.2.3 系統(tǒng)的失效時(shí)間

不失一般性，若系統(tǒng)有k個(gè)最小割集，每個(gè)割集中有p個(gè)基本部件。

①取p個(gè)抽樣時(shí)間，取k次，每次取的抽樣時(shí)間必須滿(mǎn)足隨機(jī)性和獨(dú)立性的要求，代入到最小割集中，得：

這樣可得到每個(gè)最小割集的抽樣時(shí)間T1，T2，…，Tk。

②對(duì)k個(gè)最小割集抽樣時(shí)間令TT=min{T1，T2，…，Tk}，得到時(shí)間等價(jià)于系統(tǒng)做一次仿真試驗(yàn)的失效時(shí)間。

③重復(fù)1）、2）步n次，得到系統(tǒng)失效時(shí)間的實(shí)現(xiàn)值序列：TT1，TT2，…，TTn。

④在仿真運(yùn)行期間，記錄所需的統(tǒng)計(jì)量，在仿真結(jié)束之后，整理并輸出各種統(tǒng)計(jì)量。

本文研究的系統(tǒng)k取9，p取1，n取10 000，則最終得到系統(tǒng)失效時(shí)間：TT1，TT2，…，TT10000。

2.2.4 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

仿真完成后，需要對(duì)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。利用文獻(xiàn)[5]中的區(qū)間統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行系統(tǒng)失效數(shù)的分布統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而算出系統(tǒng)可靠性指標(biāo),得到系統(tǒng)總失效率為：1.253×10-4·h-1，系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）為：7 980 h。圖3給出了系統(tǒng)仿真的流程。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)的故障樹(shù)由4個(gè)門(mén)事件和9個(gè)基本部件組成。應(yīng)用Matlab7.0開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件，軟件程序框圖見(jiàn)圖3。系統(tǒng)最大仿真時(shí)間設(shè)為25 000 h，仿真運(yùn)行10 000次，把各基本部件失效率、故障樹(shù)割集等數(shù)據(jù)輸入仿真軟件并運(yùn)行，可以得到系統(tǒng)可靠度曲線(xiàn)、基本部件模式重要度直方圖，如圖4、5所示。

由圖4可以看出，系統(tǒng)可靠度曲線(xiàn)近似符合失效規(guī)律為指數(shù)分布的曲線(xiàn)形式。由曲線(xiàn)可以得到，系統(tǒng)可靠度達(dá)到50%時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為7.1×103h，約為10個(gè)月，系統(tǒng)的可靠度達(dá)到90%時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1 240 h，這種情況說(shuō)明要保持系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行，就要開(kāi)始使用約為51 d內(nèi)對(duì)系統(tǒng)做一次檢查比較合理。

圖3 系統(tǒng)仿真程序框Fig.3 System simulation block

圖4 系統(tǒng)可靠度曲線(xiàn)Fig.4 System reliability curve

由圖5可知，基本部件3、4的模式重要度大，說(shuō)明這些部件失效最容易引起系統(tǒng)失效，應(yīng)該重點(diǎn)維護(hù)，及時(shí)維修。

圖5 基本部件模式重要度直方圖Fig.5 Mode importance of the basic components of the histogram

4 結(jié)論

本文采用故障樹(shù)最小割集和蒙特卡羅相結(jié)合的方法對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，得到系統(tǒng)可靠性相關(guān)指標(biāo)的曲線(xiàn)，即可靠度和失效率曲線(xiàn)；可靠性仿真可顯著降低遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)費(fèi)用和縮短試驗(yàn)周期，研究結(jié)論將為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用管理、維修提供理論參考依據(jù)。

[1]洪志剛.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2]魏選平,卞樹(shù)檀.故障樹(shù)分析法及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù),2004(3):43-45.

[3]金星,洪延姬,沈懷榮,等.系統(tǒng)可靠性數(shù)值分析方法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[4]肖剛,李天柁.系統(tǒng)可靠性分析中的蒙特卡羅方法[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[5]袁立峰,王浚.可靠性數(shù)字仿真方法及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2005(2):17-20

[6]楊為民,盛一興.系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,1990.