中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 茍軍喜

基于故障樹分析的某雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)故障研究

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 茍軍喜

本文從雷達(dá)自動調(diào)平技術(shù)基礎(chǔ)出發(fā)，詳細(xì)研究了自動調(diào)平的運行原理和控制機理，對其故障產(chǎn)生的根源進(jìn)行了深入的探究。通過收集故障信息和故障產(chǎn)生的機理，并對其進(jìn)行了深入的分析，建立了自動調(diào)平系統(tǒng)的故障模型，并以自動調(diào)平系統(tǒng)失效為頂事件，層層分析展開，設(shè)計了詳實完整的故障樹，故障樹的底事件數(shù)量達(dá)到了50個以上，基本涵蓋了機械結(jié)構(gòu)、伺服驅(qū)動、電氣控制和軟件邏輯等各個方面的故障信息，并對故障樹進(jìn)行了定性和定量分析，求解了其最小割集，對底事件重要度進(jìn)行了分析。

自動架設(shè)；故障診斷；故障樹分析

1.引言

自動架設(shè)技術(shù)是實現(xiàn)雷達(dá)高機動性的關(guān)鍵技術(shù)之一，一旦出現(xiàn)故障，會直接導(dǎo)致雷達(dá)裝備的戰(zhàn)斗力喪失，如何提高自動架設(shè)系統(tǒng)的可靠性，是現(xiàn)役雷達(dá)裝備研制單位迫切需要研究的方向。某雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)主要由操作控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和檢測系統(tǒng)三大部分組成。采用四點調(diào)平的理論，通過四條撐腿機構(gòu)實現(xiàn)平臺的自動調(diào)平。由于系統(tǒng)屬于戶外使用型，所以將操作控制系統(tǒng)集中設(shè)計在一個戶外密封箱內(nèi)，以下稱為驅(qū)動調(diào)平控制箱。

2.故障樹的建立

2.1 故障模式識別

對自動調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析的目的是找到導(dǎo)致系統(tǒng)無法自動調(diào)平，或者自動調(diào)平后無法進(jìn)行后續(xù)動作的故障原因，并采取相應(yīng)的維修或補救措施，使裝備恢復(fù)戰(zhàn)斗力。而自動調(diào)平系統(tǒng)的故障種類既有硬件故障又有軟件故障，在故障樹分析中需要綜合考慮。為了故障樹建樹的簡潔化和實用化，在建立此故障樹過程中提出以下幾個前提條件：

假設(shè)1：系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試試驗合格并正確執(zhí)行過所有的動作，即系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)和軟件參數(shù)設(shè)置合適；

假設(shè)2：雷達(dá)操作手都是經(jīng)過訓(xùn)練并能夠按照操作使用要求對雷達(dá)進(jìn)行正確的操作；

假設(shè)3：被分析的雷達(dá)設(shè)備沒有經(jīng)歷過由外力損壞造成的安全事故，也就是故障樹分析只針對故障而不包含事故；

假設(shè)4：一些統(tǒng)一封裝的模塊，如PLC模塊、電源模塊、水平傳感器、電機、驅(qū)動器等的故障不進(jìn)一步分解，即定義為底事件。

本自動調(diào)平系統(tǒng)的狀態(tài)有兩個：能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)平和無法滿足自動調(diào)平的需要，將自動調(diào)平系統(tǒng)失效定義為系統(tǒng)不希望事件，即頂事件。故障分析的目的是找到影響自動調(diào)平的所有故障原因事件。由于雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)比較復(fù)雜，對其故障原因進(jìn)行分類顯得額外重要，也是故障樹建樹的關(guān)鍵。所以，結(jié)合實際的故障診斷實例，結(jié)合故障的表現(xiàn)形式，將自動調(diào)平系統(tǒng)失效歸納為四個故障現(xiàn)象，分別為四撐腿均無動作且系統(tǒng)未調(diào)平、個別撐腿動作異?；驘o動作且系統(tǒng)未調(diào)平、四撐腿可以正常動作但系統(tǒng)無法調(diào)平和系統(tǒng)能夠自動調(diào)平但有異常。通過直觀的現(xiàn)象，順利對故障進(jìn)行演繹發(fā)展。同時，針對四撐腿可以正常動作但系統(tǒng)無法調(diào)平的故障事件，細(xì)分為四個底事件：分別為水平傳感器故障（A）、陣地落差過大（B）、A/D模塊損壞（C）和程序溢出（D）。

圖1 模塊A故障樹

2.2 子故障樹A

從子樹A的頂部事件進(jìn)行分析，結(jié)合實際故障排除和產(chǎn)品的技術(shù)資料，四條撐腿均無動作的故障原因首先考慮供電系統(tǒng)是否正常，其次再考慮自動調(diào)平的前提條件是否滿足，這兩條中間事件也是故障的常發(fā)部位，尤其是前提條件不滿足，即PLC控制程序的開啟條件，而自動調(diào)平的前提條件為支腿展開到位，而支腿展開到位主要通過接近開關(guān)進(jìn)行檢測，然后給PLC一個是否到位的高電平信號，由此再發(fā)展為三個底事件：接近開關(guān)松脫或故障，以及線路故障。其次，結(jié)合伺服電機驅(qū)動器的自診斷功能，也就是錯誤報警代碼，進(jìn)一步發(fā)掘故障的直接原因，由于驅(qū)動器的報警故障代碼及其意義相同，所以將其發(fā)展為一個通用的子故障樹Q并進(jìn)一步分析解釋，子故障樹Q可參閱驅(qū)動器廠家提供的故障代碼表。而驅(qū)動電機動作的條件是必須對其進(jìn)行解鎖，解鎖信號又由PLC發(fā)出，經(jīng)過電磁繼電器，統(tǒng)一分配給四條撐腿，從其信號流可以看出，此處四條撐腿解鎖失效，必然是在撐腿連接器之前的線路和器件故障，從而找到此電機解鎖故障的三個底事件：繼電器故障、PLC模塊故障或者線路故障，而這三個底事件由邏輯或門連接。其他兩個事件，包括鍵盤故障和PLC模塊故障，在實際使用過程中也發(fā)生過，由于PLC模塊只能返廠維修，所以此處將其定位底事件，鍵盤故障發(fā)生較少，進(jìn)一步分解主要由兩個底事件自動調(diào)平按鍵故障或動作停止按鍵故障構(gòu)成。子樹A（四撐腿均無動作且系統(tǒng)未調(diào)平）的故障樹如圖1所示。

3.故障樹分析

3.1 故障樹的定性分析

采用上行法對雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)故障樹進(jìn)行定性分析，找出其最小割集的所有組合。

先求四個子模塊的最小割集：

A=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+Q

B=X15+X16+X17+X18+X23+X16+X25+X15+X26+X27+Q +X51·（X19+X20+X21+X22）

B=X15+X16+X17+X18+X23+X25+X26+X27+X19X51 +X20X51+X21X51+X22X51+Q

C=X30+X31+X32+X33+X34+X35+X36+X37+X34+X35+X38+X39+Q

Q=X40+X41+X42+X43+X44+X45+X46+X47+X48+X49+X5 0+X51+X52+X53+X54+X55+X56

自動調(diào)平系統(tǒng)故障的最小割集為：

T=A+B+X35+X15+X12+X13+C

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+Q+X15+X16+X1 7+X18+X23+X25+X26+X27+X19X51+X20X51+X21X51+X22X51+Q+X3 0+X31+X32+X33+X34+X35+X36+X37+X34+X35+X38+X39+Q

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X15+X16+X17+ X18+X23+X25+X26+X27+X30+X31+X32+X33+X34+X35+X36+X37+X38 +X39+X40+X41+X42+X43+X44+X45+X46+X47+X48+X49+X50+X51+X 52+X53+X54+X55+X56+X19X51+X20X51+X21X51+X22X51

3.2 故障樹的定量分析

3.2.1 故障樹的故障概率函數(shù)

可以看出，我們建造的故障樹，只含有故障事件、邏輯與門和邏輯或門，所以調(diào)平系統(tǒng)失效的故障樹為單調(diào)故障樹。所以可以對其進(jìn)行定量分析方法計算其頂事件發(fā)生概率。而通過定性分析可知，其最小割集數(shù)量為r=50，可以看出，若想采用采用容斥定理展開后對所得多項式進(jìn)行計算，多項式的數(shù)目為2r-1=1125899906842623。計算量非常大，難以采用容斥定理計算其精確解，同時，各個底事件的數(shù)據(jù)本身就不準(zhǔn)確，采用精確計算沒有必要。當(dāng)必須得到精確解時，也可以采用不交話算法。

通過定性分析可知，各個最小割集眾相同的底事件較少且其發(fā)生概率較低，可以假設(shè)各個最小割集之間互相獨立，各個最小割集發(fā)生（或不發(fā)生）互不相關(guān)。所以以下采用獨立近似算法，對自動調(diào)平系統(tǒng)故障的發(fā)生概率Q進(jìn)行簡單的近似計算。

獨立近似算法：當(dāng)所有最小割集都不發(fā)生即頂事件不發(fā)生，根據(jù)概率論乘法定理，下式成立：

其中，Q為頂事件發(fā)生的概率，Ki為第I個最小割集Ci的所有底事件的交，P（Ki）為最小割集Ci的所有底事件發(fā)生概率的積。

計算頂事件發(fā)生的概率：

故障樹中的底事件并非同等重要的。若能對故障樹中每個底事件的重要性程度給予定量的描述，對系統(tǒng)設(shè)計和故障分析都是很有價值的。幾個常用的底事件的重要度如下：

3.2.2 底事件的概率重要度

假設(shè)故障樹的所有底事件互相獨立，則第i個底事件的概率重要度為：

當(dāng)故障樹只有與門和或門構(gòu)成時，頂事件發(fā)生的概率可以表示為第i個底事件發(fā)生時頂事件發(fā)生的概率乘以底事件發(fā)生的概率，減去第i個底事件不發(fā)生時頂事件發(fā)生的概率乘以底事件不發(fā)生的概率，所以上式可以簡化為：

第i個底事件的概率重要度的含義：表示第i個底事件發(fā)生概率的微小變化而引起的頂事件發(fā)生概率的變化率。也就是第i個底事件發(fā)生時頂事件發(fā)生的概率減去第i個底事件不發(fā)生時頂事件發(fā)生的概率。概率重要度大的底事件，當(dāng)其發(fā)生的概率稍有變化，會引起頂事件發(fā)生概率的顯著變化，可見這種底事件就很重要。

3.2.3 底事件的結(jié)構(gòu)重要度

在不考慮底事件發(fā)生概率值的情況下，通過故障樹的結(jié)構(gòu)關(guān)系，確定某個底事件的相對位置的重要性。定義第I個底事件的結(jié)構(gòu)重要度為：

底事件的結(jié)構(gòu)重要度的含義：底事件i發(fā)生時頂事件發(fā)生的狀態(tài)數(shù)減去底事件i不發(fā)生時頂事件發(fā)生的狀態(tài)數(shù)，對所有底事件組合求和，然后除以剩余r-1個底事件的狀態(tài)數(shù)。底事件的結(jié)構(gòu)重要度從故障樹結(jié)構(gòu)的角度反映了各個底事件在故障樹中的重要程度。

4.小結(jié)

本文對雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行了詳細(xì)的識別，辨識了故障樹分析的邊界條件，以自動調(diào)平系統(tǒng)失效為頂事件，基于故障診斷的便捷性和直觀性，分解為“四撐腿均無動作且系統(tǒng)未調(diào)平”、“個別撐腿動作異常或無動作且系統(tǒng)未調(diào)平”、“四撐腿可以正常動作但系統(tǒng)無法調(diào)平”和“系統(tǒng)能夠自動調(diào)平但有異常”，共四個中間事件，然后層層展開，建立了四個子故障樹。最后對故障樹進(jìn)行了定性和定量分析，確定了故障樹的最小割集，為相關(guān)裝備故障診斷與維修提供依據(jù)。

[1]翟羽健.重型載體多點位自動調(diào)平技術(shù)[J].中國機械工程, 2014,5(5).

[2]李忠于.某雷達(dá)自動調(diào)平機構(gòu)的設(shè)計分析[J].火控雷達(dá)技術(shù),2012,10(9).

[3]李鵬.西門子PLC與計算機之間的通訊程序設(shè)計[J].國外電子元器件,2014,8(8).

茍軍喜（1983－），男，工程師，主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。