基于故障樹的多普勒天氣雷達系統在人影作業中可靠性分析

程雷 盧秉紅 李冀寧 朱憲龍 葛月月

摘 要：多普勒天氣雷達系統的可靠性在保障人影作業過程中系統安全運行及產品可用性形成上有著直接影響，尤其在對農業生產有較大影響的防雹、增雨等空中飛行或地面作業過程中越發凸顯，因此基于對故障樹的多普勒天氣雷達系統可靠性分析、研究意義重大，文章對多普勒天氣雷達系統基于故障樹的可靠性進行系統定性和定量分析，旨在總結經驗的同時，提高多普勒天氣雷達產品的可用性，保障雷達系統客觀安全有效運行。

關鍵詞：故障樹；多普勒天氣雷達系統；可靠性分析

遼寧丹東作為北方暴雨中心，夏日強對流天氣頻發，冰雹、大風、強降雨對大田煙葉、河口艷紅桃、藍莓、五味子以及廣譜玉米等作物的生長造成一定的影響，多普勒天氣雷達自運行以來，在人工影響天氣尤其預防冰雹、強對流天氣等重大天氣服務中發揮了重要的作用。隨著科學技術的不斷發展，系統同樣向著大型化和多功能化方面發展，因此對系統的可靠性提出了更高的要求。基于故障樹的多普勒天氣雷達系統對于重大天氣有著極其重要的影響，它的安全性和可靠性對于重大天氣研判、強對流人工影響天氣作業等起到至關重要的作用，所以，研究故障樹的多普勒天氣雷達系統可靠性的重要程度日益凸顯。

1 故障樹

故障樹是一種分析多普勒天氣雷達系統可靠性的方法。故障樹的分析是一種從上往下進行的演繹式時效分析法，通過運用布林邏輯組合低階時間，分析系統中不希望出現的狀態。通過運用這一方法來了解系統出現失效現象的原因，進而依據這一原因制訂具體的解決措施來降低風險。故障樹還能夠針對造成最上方的各種原因將其列出優先次序，針對不同重要性的測量方式來建立關鍵設備的列表，進而使得相關人員能夠依據這一表格對問題進行處理，極大地提升了問題處理效率，降低風險。

故障樹分析主要采取自上而下的演繹推理去分析系統中的哪一環節出了問題，進而去解決，它能有效地分析復雜系統初始失效及時間的影響。同失效模式與影響分析這一方式不同，失效模式與影響分析是一種歸納推理的方法，從下到上的方式去分析設備或子系統中的單一元件失效或機能失效的影響。故障樹分析能很好地應用到分析系統如何避免單一或多重初始故障發生，但無法找出所有可能的初始故障；然而失效模式與影響分析法則可以通過窮舉的方式去列舉出所有的初始故障，而且還能夠有效地識別出它的局部影響，但它不適合用來檢測多重失效，或檢測多重失效對系統層級的影響。因此在采用故障樹分析時需要掌握其優勢所在，進而依據優勢去進行具體的操作。

2 多普勒天氣雷達系統基于故障樹的可靠性分析

多普勒天氣雷達作為一種主動式遙感的探測工具，可以在測量云、降水以及各種強對流天氣發生和發展內在因素等方面有重要的應用意義，基本工作原理就是以多普勒效應為基礎，可以有效測定散射體相對于雷達的速度，在一定條件下進行反演，從而得出大氣風場狀況、氣流垂直速度的分布狀態以及湍流情況等信息。如在遇災害性天氣情況時，及時預警，必要時進行人工干預，將災害性天氣的損失降到最低。

多普勒天氣雷達系統主要由接收機、發射機、天線等構成，以基站為中心，水平180度空間范圍內進行360度旋轉，不間斷度體掃，發射電磁波波束，并按照雷達的方向返回被天線接收，多普勒天氣雷達能夠通過接收到的電磁波束中自帶的振幅和位相等數據，得出氣象目標的平均速度、發射率因子和速度譜寬等數據，進而得出相對應的氣象情況和其他內部結構特征。隨著科技發展多普勒天氣雷達功能越發多樣化，主要包含對降雨地區進行范圍強隊的探測、對暴風雪覆蓋范圍和降雪相態進行探測、對風切變現象進行探測、對冰雹等強對流天氣位置進行探測并指導人工影響天氣科學安排作業防范等。

2.1 基于故障樹分析多普勒天氣雷達系統常規故障

以多普勒天氣雷達在伴隨人工影響天氣空中作業飛行過程中的“喪失風切變探測功能”為例。依據適宜空域作業飛行標準，系統喪失風切變探測功能這一頂事件產生的危險等級為Ⅲ級，危險類別為重大型，在這之中對于每小時飛行中的失效率也做出了一個規定為1E-5，假設平均飛行時間為3小時，當喪失風切變探測功能這一失效狀態的危險類別被劃分為重大型時就需要滿足飛機每小時飛行1E-5或者每次風行3E-5的失效概率，但多普勒天氣雷達系統的失效狀態只在特定的飛行階段運行時被劃分在重大型危險類別中，因此需要它們“每小時”要求要乘以一個系數。這一系數為平均飛行時間3小時被處于風險的時間去除，在起飛及著陸階段中，多普勒天氣雷達系統應當處于風切變探測時間為0.5小時。基于此，通過用故障樹分析具體失效狀態可以看出，雷達風切變探測功能失效或收發組建故障，檢測后發現天線掃描器單元故障、電源故障和發射機故障均為未發展事件。未發展事件是指事件的相關資訊不明或沒有產生后續影響；其中的射頻線纜故障為基本事件，基本事件為系統元件或單元的失效或出現錯誤情況。

2.2 對頂事件分析的結果

首先運用下行法求出低功率射頻單元故障樹中的所有最小割集，當把最小割集求出來之后再依據各個底事件的失效率來計算出頂事件的具體概率。在頂事件“低功率射頻單元故障”引起的風切變功能喪失在人工影響天氣作業飛行中發生的概率大約為6.214 3E-5，這一數值結果與可靠性所明確標注的3E-5這一數值相比偏小，看似滿足了可靠性的要求，但是這兩個數值之間差距不大，因為這次失效原因在于低功率射頻單元故障這一概率，因此從中可以發現在設計多普勒天氣雷達系統時對于可靠性方面還存有一定的不足之處，為了進一步滿足可靠性這一要求，需要對低功率射頻單元進行一定的改進。

2.3 優化可靠性

基于故障樹的多普勒天氣雷達系統，如需提高并優化多普勒天氣雷達系統的可靠性，則需去突破系統中的重點部分，努力尋找系統中存在的薄弱環節。為能夠找到系統中的薄弱環節，最好的方法就是使用底事件重要度，接著將系統中尋找出來的重要度進行一個細致的排序，排序越高的重要度就需要相關技術人員在設計中著重關注，不斷通過各種措施和方法去加強其可靠性與安全性。在底事件重要度列表中，首先需要將底事件排列出來，在將其對應的概率重要度和相對概率重要度進行標注，然后由大到小進行排序。通過對底事件重要度表的觀察，就能夠發現相對概率重要度與底事件的概率重要度有著密切的關系，當它的數值越大，那么它在系統中顯現出來的狀態就越發薄弱，通過采取有效的措施來降低底事件的發生概率就能夠使得頂事件的發生概率得到有效的降低，這一判斷方法是非常有效的，相關技術人員可以依據這一方法來找出系統薄弱環節，進而針對薄弱環節采取相關技術措施來進行改善，從而促使頂事件的發生概率被降低。

3 結束語

基于故障樹的多普勒天氣雷達系統能夠分析出系統中的薄弱環節，并針對薄弱環節來進行改進和完善，從而降低系統風險。故障樹的優勢在多普勒天氣雷達系統的可靠性分析中可以被有效地發揮出來，通過對頂事件的概率值進行計算，后續列出底事件重要度表，根據所得先后程度排列相關技術人員對薄弱環節進行攻克，從而提升系統可靠性。進而為強對流天氣，尤其對及時防御煙葉、果樹等影響較大的冰雹天氣，提供了可靠的保障，為農業生產增收奠定了基礎。

■作者簡介：程雷（1981-），男，漢族，學士學歷，工程師，從事雷達運行和氣象信息技術研究工作。