故障樹分析法在柴油機遙控系統電路故障診斷中的應用

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(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

隨著科學技術的進步，船舶柴油機遙控系統的功能越來越強，復雜程度也逐漸提高。在帶來更高安全性和可靠性的同時也給系統的故障診斷增大了難度，因此找出一套行之有效的故障檢測辦法具有重要意義。

1 系統結構

船用柴油機遙控系統用于發電機的原動機運行時的遙控和安全保護，指示氣動輪胎離合器的狀態，實現發動機及外部控制聯鎖。該遙控系統由原動機遙控裝置、離合器保護和信號裝置、電源和信號裝置、原動機狀態復示裝置組成，各部分之間的關系及與船舶上其他設備的關系見圖1。圖中虛線部分內為船舶主機遙控系統，即被測試對象。

圖1 遙控系統組成及與其他設備的連接關系框圖

2 故障樹的建立

故障樹分析法在模擬電路故障診斷過程中具有獨特的優勢，也是目前電路故障診斷過程中最為適用、應用最為廣泛的分析方法，在本文研究的主機遙控系統的自動測試系統中，故障診斷部分采用以故障樹分析法為主，文中主要討論故障樹分析法在柴油機遙控系統故障診斷中的應用。

對柴油機遙控系統故障樹的構建，采取理論與實踐相結合的方法，即在分析其工作原理的基礎上，結合積累的人工診斷經驗，構建合理的故障樹，然后進行合理的故障樹簡化。對于一個系統而言，可能發生的故障難以窮盡，構建故障樹的過程中，如果把所有的因素都考慮進去，勢必使故障樹的結構極為復雜，難以找到真正的焦點。因為系統中有些部件或者元件的失效率極低(比如電阻)，與可靠性差的部件相比幾乎可以忽略它們對分析結果的影響。為了獲得一個在實際工作條件下與主要邏輯關系等效的故障樹，在本系統構建故障樹的過程中作如下假設：

1) 各元器件之間的連線故障發生率很低。

2) 電路印制板質量有保證，不存在虛焊、脫焊等現象。

3) 系統一般為單故障。

4) 各接插件連接牢固、可靠，故障發生率很低。

3 對故障樹進行定性分析

假設所研究的設備及其組成的部件、元件等只取正常和故障2種狀態，并假設部件、元件的故障是相互獨立的。

3.1 求故障樹的最小割集

此處故障樹最小割集的求法采用由上而下的故障樹搜尋法即Fussell法,用圖2的盤車功能失常為例，其步驟如表1所列,它是根據邏輯與門僅增加割集容量,而邏輯或門才增加割集個數的性質,由上而下,遇到與門就把與門下面所有輸入事件都排列于一行,遇到或門就把或門下面所有輸入事件都排列于一列,依此類推,一直到不能分解為止。

圖2 盤車功能失常故障

表1 盤車功能失效步驟

根據文獻[1]使用Fussell法得出得最小割集就是故障樹得底事件，本系統的其他故障樹所得出的最小割集也符合同樣的性質，因多數電器設備所得出的故障樹的邏輯門為或門，這是由于電器設備的特殊結構所決定的。

由以上的結論得出每一個底事件都是導致頂事件發生的一種故障模式，在該系統中都起到了關鍵的作用。

3.2 求底事件的重要度

底事件重要度為底事件的發生概率與頂事件的發生概率之比，根據文獻[2]。由上面的結論可知底事件的重要度(以圖2為例)均為1/26，也就是說在失效相同的情況下每個底事件對頂事件的影響程度是相同的，但是由于部件的制造工藝、制造環境、出場日期、工作環境等的不同，所以每個底事件的失效概率也不可能完全相等。

3.3 頂事件的失效概率

根據圖1的故障樹，按照概率的加法公式得出：

P(F3)=+P(F50)+P(F51)+P(F52)+

P(F53)+P(F55)+P(F56)+

P(F57)

公式中的P(×××)表示該事件所對應的失效概率，因此需要從實踐中得出各種底事件的發生概率，這樣就可以得出頂事件的發生概率。

4 利用故障樹建立關系數據庫

將故障樹轉化為關系知識，這一過程是導出專家系統關系規則(診斷知識)的有效途徑。產生式規則表示的形式，用規則序列的形式描寫過程的思想首先是由波斯特提出來的，表示方法是產生式規則。它是由具有如下形式的語句序列構成:

“if condition then execute (conclusion)”

例如：

If P2/2常閉觸點未閉合then盤車裝置未受到信號;

If P4/2常閉觸點未閉合then盤車裝置未受到信號;

If P12/2常閉觸點未閉合then盤車裝置未受到信號;

關系數據庫具有較高的數據獨立性、數據庫一致性，關系中的關系性明確，且關系具有相對性(即一個關系既可以看作是對一個實體的表示，也可以看作是一個n元的關系)。因而，利用關系數據庫可以方便地表示各類知識及實現以查詢為基礎的知識推理。知識庫采用關系數據庫的形式。因而，規則知識描述為數據庫中的關系，即采用“關系表述知識，連接成庫”的組織形式。

如對上述規則在系統表示為知識數據庫的“或”關系元組:{1，P2/2常閉觸點未閉合，P4/2常閉觸點未閉合，P12/2常閉觸點未閉合……，盤車裝置未受到信號……}其中，1為知識編號，盤車裝置未受到信號位于結論字段，其余位于前提字段。在基于關系組織規則的專家系統中，知識的關系形式具有以下優點:

1) 模塊性。每個關系獨立于其余關系定義了一定的規則知識。

2) 便于更新。新關系的增加一般不影響已有的關系。

3) 修改性。對一些關系的修改僅對與其相聯系的少部分關系有影響。

4) 透明性。通過關系的連續性傳遞，系統能顯示達到結論的推理路徑，便于進行推理的解釋，這對于專家系統的實用性是極其重要的。

5 故障診斷

將遙控系統整機功能測試所需的測試點連線接入測試系統，計算機將針對遙控系統整機的所有工作狀態，仿真模擬被控對象的工作過程，按照程序設置依次送給遙控系統所需的輸入信號，同時檢測其輸出信號，根據輸入矢量和輸出矢量之間的關系判斷整機功能是否正常。當系統功能測試不正常，計算機首先判斷其故障屬于哪一種頂事件的失效形式，再依據故障樹數據庫逐級對可能引起該頂事件的子事件進行判斷，由于系統的測試點數目的限制，所以計算機只能將故障定位到回路并自動給出故障排除的建議。

6 結束語

本系統將故障樹分析法應用到電路的故障診斷中，很好的解決了知識庫建立和知識獲取等的難題，保證了故障診斷的完整性和可靠性。通常故障樹分析采用故障概率來實現故障診斷的定量分析，但由于實際系統元部件的失效概率很難確定，因此其在實際中的應用中仍存在偏差。

[1] 朱大奇，于盛林.基于故障樹最小割集的故障診斷方法研究[J].數據采集與處理，2002，17(3)：341-343.

[2] 朱繼洲.故障樹原理和應用[M].西安:西安交大出版社，1989.