基于故障樹分析的某雷達自動調平系統故障研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所 茍軍喜

基于故障樹分析的某雷達自動調平系統故障研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所 茍軍喜

本文從雷達自動調平技術基礎出發，詳細研究了自動調平的運行原理和控制機理，對其故障產生的根源進行了深入的探究。通過收集故障信息和故障產生的機理，并對其進行了深入的分析，建立了自動調平系統的故障模型，并以自動調平系統失效為頂事件，層層分析展開，設計了詳實完整的故障樹，故障樹的底事件數量達到了50個以上，基本涵蓋了機械結構、伺服驅動、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，對底事件重要度進行了分析。

自動架設；故障診斷；故障樹分析

1.引言

自動架設技術是實現雷達高機動性的關鍵技術之一，一旦出現故障，會直接導致雷達裝備的戰斗力喪失，如何提高自動架設系統的可靠性，是現役雷達裝備研制單位迫切需要研究的方向。某雷達自動調平系統主要由操作控制系統、執行機構和檢測系統三大部分組成。采用四點調平的理論，通過四條撐腿機構實現平臺的自動調平。由于系統屬于戶外使用型，所以將操作控制系統集中設計在一個戶外密封箱內，以下稱為驅動調平控制箱。

2.故障樹的建立

2.1 故障模式識別

對自動調平系統進行故障樹分析的目的是找到導致系統無法自動調平，或者自動調平后無法進行后續動作的故障原因，并采取相應的維修或補救措施，使裝備恢復戰斗力。而自動調平系統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1：系統已經經過調試試驗合格并正確執行過所有的動作，即系統設備的參數和軟件參數設置合適；

假設2：雷達操作手都是經過訓練并能夠按照操作使用要求對雷達進行正確的操作；

假設3：被分析的雷達設備沒有經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4：一些統一封裝的模塊，如PLC模塊、電源模塊、水平傳感器、電機、驅動器等的故障不進一步分解，即定義為底事件。

本自動調平系統的狀態有兩個：能夠實現自動調平和無法滿足自動調平的需要，將自動調平系統失效定義為系統不希望事件，即頂事件。故障分析的目的是找到影響自動調平的所有故障原因事件。由于雷達自動調平系統比較復雜，對其故障原因進行分類顯得額外重要，也是故障樹建樹的關鍵。所以，結合實際的故障診斷實例，結合故障的表現形式，將自動調平系統失效歸納為四個故障現象，分別為四撐腿均無動作且系統未調平、個別撐腿動作異常或無動作且系統未調平、四撐腿可以正常動作但系統無法調平和系統能夠自動調平但有異常。通過直觀的現象，順利對故障進行演繹發展。同時，針對四撐腿可以正常動作但系統無法調平的故障事件，細分為四個底事件：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的頂部事件進行分析，結合實際故障排除和產品的技術資料，四條撐腿均無動作的故障原因首先考慮供電系統是否正常，其次再考慮自動調平的前提條件是否滿足，這兩條中間事件也是故障的常發部位，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進行檢測，然后給PLC一個是否到位的高電平信號，由此再發展為三個底事件：接近開關松脫或故障，以及線路故障。其次，結合伺服電機驅動器的自診斷功能，也就是錯誤報警代碼，進一步發掘故障的直接原因，由于驅動器的報警故障代碼及其意義相同，所以將其發展為一個通用的子故障樹Q并進一步分析解釋，子故障樹Q可參閱驅動器廠家提供的故障代碼表。而驅動電機動作的條件是必須對其進行解鎖，解鎖信號又由PLC發出，經過電磁繼電器，統一分配給四條撐腿，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，鍵盤故障發生較少，進一步分解主要由兩個底事件自動調平按鍵故障或動作停止按鍵故障構成。子樹A（四撐腿均無動作且系統未調平）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

采用上行法對雷達自動調平系統故障樹進行定性分析，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

自動調平系統故障的最小割集為：

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

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，所以調平系統失效的故障樹為單調故障樹。所以可以對其進行定量分析方法計算其頂事件發生概率。而通過定性分析可知，其最小割集數量為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行計算，多項式的數目為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，各個底事件的數據本身就不準確，采用精確計算沒有必要。當必須得到精確解時，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生概率較低，可以假設各個最小割集之間互相獨立，各個最小割集發生（或不發生）互不相關。所以以下采用獨立近似算法，對自動調平系統故障的發生概率Q進行簡單的近似計算。

獨立近似算法：當所有最小割集都不發生即頂事件不發生，根據概率論乘法定理，下式成立：

其中，Q為頂事件發生的概率，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的所有底事件發生概率的積。

計算頂事件發生的概率：

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，對系統設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：

當故障樹只有與門和或門構成時，頂事件發生的概率可以表示為第i個底事件發生時頂事件發生的概率乘以底事件發生的概率，減去第i個底事件不發生時頂事件發生的概率乘以底事件不發生的概率，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個底事件發生概率的微小變化而引起的頂事件發生概率的變化率。也就是第i個底事件發生時頂事件發生的概率減去第i個底事件不發生時頂事件發生的概率。概率重要度大的底事件，當其發生的概率稍有變化，會引起頂事件發生概率的顯著變化，可見這種底事件就很重要。

3.2.3 底事件的結構重要度

在不考慮底事件發生概率值的情況下，通過故障樹的結構關系，確定某個底事件的相對位置的重要性。定義第I個底事件的結構重要度為：

底事件的結構重要度的含義：底事件i發生時頂事件發生的狀態數減去底事件i不發生時頂事件發生的狀態數，對所有底事件組合求和，然后除以剩余r-1個底事件的狀態數。底事件的結構重要度從故障樹結構的角度反映了各個底事件在故障樹中的重要程度。

4.小結

本文對雷達自動調平系統的故障模式進行了詳細的識別，辨識了故障樹分析的邊界條件，以自動調平系統失效為頂事件，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未調平”、“個別撐腿動作異常或無動作且系統未調平”、“四撐腿可以正常動作但系統無法調平”和“系統能夠自動調平但有異常”，共四個中間事件，然后層層展開，建立了四個子故障樹。最后對故障樹進行了定性和定量分析，確定了故障樹的最小割集，為相關裝備故障診斷與維修提供依據。

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

[2]李忠于.某雷達自動調平機構的設計分析[J].火控雷達技術,2012,10(9).

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

茍軍喜（1983－），男，工程師，主要從事雷達總體結構設計。