基于故障樹法的廣播電視信號傳輸安全風險評價

孫俊燾，劉海，申婷婷，朱建明

（1.青島市廣播電視臺，青島 266071；2.江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司，南京 210018；3.中國科學院大學，北京 100049）

1 引言

安全播出是廣播電視工作的一項長期性、基礎性和根本性的任務[1]。國家廣播電視總局頒布的《廣播電視安全播出管理規定》（第62 號令）指出，安全播出是指在廣播電視節目播出、集成、傳輸、分發過程中的內容完整、信號安全、網絡安全和技術安全。其中，信號安全是指承載廣播電視內容的電、光信號不間斷、高質量[2]。因此，廣播電視信號傳輸安全是廣播電視臺安全播出工作的重要保障。

如何在多元信號背景下對信號傳輸安全進行有效的風險識別和風險評價，是行業內亟需解決的問題。本文將以廣播電視信號傳輸系統為研究對象，以故障樹分析法為主要研究方法，在風險識別的基礎上對影響信號傳輸安全的風險因素進行定性和定量分析，以獲得相應的風險評價結果，保障廣播電視信號傳輸安全。研究技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線

2 廣播電視信號傳輸系統技術分解

2.1 廣播電視信號傳輸系統概述

在廣播電視直播、轉播的信號傳輸工作中，廣播電視臺通常會將衛星和光纜兩種傳輸模式結合使用并互為備份。如圖2 所示，廣播電視信號傳輸系統由衛星傳輸子系統和光纜傳輸子系統組成。在衛星傳輸子系統中，衛星轉播車將節目信號以衛星傳輸的方式發送，播控中心的衛星接收系統接收到信號后，將其傳輸至播總控系統；而在光纜傳輸子系統中，衛星轉播車利用通信光纜將節目信號傳輸至播控中心的播總控系統。根據相關規定和技術要求，只有兩個子系統的信號均達到不間斷、高質量的技術標準，才能切實保障節目信號傳輸安全。

圖2 廣播電視信號傳輸系統組成

2.2 衛星傳輸子系統技術分解

衛星傳輸子系統由傳輸主系統和應急備系統兩部分構成，如圖3所示。在正常狀態下，衛星轉播車利用車載衛星天線發送節目信號，經過通信衛星轉發后，傳輸主系統的衛星天線接收到節目信號，通過光端機和光纖將信號傳輸至衛星接收機，衛星接收機對信號進行解碼，最后通過電纜將節目信號傳輸至總控矩陣；而在異常狀態下，即傳輸主系統的光端機或衛星接收機出現失效時，技術人員可通過光纖配線架以跳接的方式，迅速將應急備系統的光端機和衛星接收機接入傳輸鏈路，從而確保節目信號可以安全、完整地傳輸至總控矩陣。因此只有當傳輸主系統和應急備系統同時失效時，才會導致衛星傳輸子系統失效。

圖3 衛星傳輸子系統技術分解

2.3 光纜傳輸子系統技術分解

光纜傳輸子系統同樣由傳輸主系統和應急備系統兩部分構成，如圖4所示。在正常狀態下，衛星轉播車通過通信光纜發送節目信號，傳輸主系統的光中繼器接收信號并進行增益，隨后光端機對信號進行光-電轉換，最后通過電纜將節目信號傳輸至總控矩陣；而在異常狀態下，即傳輸主系統的光端機出現失效時，技術人員同樣可通過光纖配線架以跳接的方式，將應急備系統的光端機即時接入傳輸鏈路，以保障節目信號至總控矩陣的傳輸安全。因此只有當傳輸主系統和應急備系統同時失效時，才會導致光纜傳輸子系統失效。

圖4 光纜傳輸子系統技術分解

3 廣播電視信號傳輸安全風險識別

3.1 故障樹分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是用于大型復雜系統可靠性、安全性分析和風險評價的一種方法。本文用到的故障樹事件有用圓形符號表示的底事件、用矩形符號表示的頂事件和中間事件[3]，符號表示及其含義如表1所示。

表1 故障樹事件符號表示及其含義

在故障樹中，邏輯門用于描述不同事件間的邏輯和因果關系。本文用到的邏輯門主要是與門和或門，符號表示及其含義如表2所示。

表2 故障樹邏輯門符號表示及其含義

3.2 廣播電視信號傳輸系統故障樹

根據系統技術特征，以“廣播電視信號傳輸系統失效”為頂事件，以“衛星傳輸子系統失效”、“光纜傳輸子系統失效”為中間事件，各事件的符號表示及其描述如表3所示。建立廣播電視信號傳輸系統的故障樹模型，如圖5所示。

表3 廣播電視信號傳輸系統故障樹事件符號表示及其描述

圖5 廣播電視信號傳輸系統故障樹

3.3 衛星傳輸子系統故障樹

根據衛星傳輸子系統的技術分解結果和相關文獻資料[4]，以“衛星傳輸子系統失效”為頂事件，識別出9 項中間事件和18 項底事件，各事件的符號表示及其描述如表4所示。分析這些風險因素及風險因素之間的邏輯關系，建立衛星傳輸子系統的故障樹模型，如圖6所示。

表4 衛星傳輸子系統故障樹事件符號表示及其描述

在衛星傳輸子系統的故障樹中，在頂事件“衛星傳輸子系統失效（T1）”之下，組成各中間事件的風險因素共有9項：

（1）傳輸主系統失效（G1），是指衛星傳輸模式下，傳輸主系統因各種內在、外在的因素而導致的系統失效；

（2）應急備系統失效（G2），是指衛星傳輸模式下，應急備系統因各種內在、外在的因素而導致的系統失效；

（3）信號中斷（G3），是指衛星信號完全中斷；

（4）信號劣化（G4），是指衛星信號質量下降，不符合相關技術標準；

（5）應急操作失效（G5），是指各種原因造成技術人員不能進行應急操作，導致衛星信號無法及時恢復；

（6）信號強度低（G6），是指衛星信號信噪比較低，無法正常使用；

（7）信號受干擾（G7），是指衛星信號受到異常干擾，無法正常使用；

（8）人員失效（G8），是指技術人員由于自身原因不能進行應急操作，導致衛星信號無法及時恢復；

（9）管理失效（G9），是指技術人員由于管理原因不能進行應急操作，導致衛星信號無法及時恢復。

在衛星傳輸子系統的故障樹中，在9 項中間事件之下，組成各底事件的風險因素共有18項：

（1）設備故障（x1），是指技術設備因自身損耗造成的設備失效，包含衛星天線接收不到衛星信號或信號強度低、光端機無法進行光-電轉換、衛星接收機不能正常解碼等，導致衛星信號中斷或無法及時恢復；

（2）人為破壞（x2），是指因臺內外人員蓄意對系統進行破壞，造成設備及線纜失效，導致衛星信號中斷；

（3）野蠻施工（x3），是指因施工作業不遵守施工規程和管理規范，造成設備及線纜失效，導致衛星信號中斷；

（4）偷盜設施（x4），是指因人為竊取、盜割而造成設備及線纜失效，導致衛星信號中斷；

（5）插播信號（x5），是指因組織或個人對系統進行惡意攻擊，造成節目內容遭到非法篡改，導致衛星信號中斷；

（6）線纜斷裂（x6），是指電纜、光纖等傳輸介質因過度彎曲和材料老化而造成的線纜斷裂，導致衛星信號中斷；

（7）操作失誤（x7），是指技術人員因疏忽造成參數設置或線路連接錯誤，致使設備失效，導致衛星信號中斷或無法及時恢復；

（8）電力故障（x8），是指因外電或UPS 供電中斷造成設備失效，導致衛星信號中斷或無法及時恢復；

（9）火災（x9），是指因衛星機房或總控機房發生火災，造成設備及線纜失效，導致衛星信號中斷或無法及時恢復；

（10）雷電（x10），是指在極端氣象條件下，雷擊造成衛星天線等設備設施失效，導致衛星信號中斷；

（11）暴雨（x11），是指在在極端氣象條件下，暴雨造成電磁波雨衰現象，導致衛星信號強度下降；

（12）大雪（x12），是指在極端氣象條件下，積雪造成衛星天線無法正常聚焦電磁波信號，導致衛星信號強度下降；

（13）臺風（x13），是指在極端氣象條件下，臺風造成衛星天線俯仰角、方位角出現偏移，導致衛星信號強度下降；

（14）微波干擾（x14），是指相關單位使用相同、相近頻段的電磁波對衛星信號造成同頻或鄰頻干擾，導致衛星信號異常；

（15）業務水平低（x15），是指技術人員由于業務能力不足，在應急狀態下不能準確排除故障，造成設備及線纜失效，導致衛星信號無法及時恢復；

（16）規章制度缺陷（x16），是指在突發或應急狀態下，因規章制度缺陷而造成技術人員不能進行業務協調或應急操作，導致衛星信號異常或無法及時恢復；

（17）管理不到位（x17），是指因管理松懈遲緩，造成技術人員不能進行業務協調或應急操作，導致衛星信號異常或無法恢復；

（18）應急預案缺失（x18），是指因應急預案存在缺失，造成技術人員不能按照預案采取應急措施，導致衛星信號無法及時恢復。

3.4 光纜傳輸子系統故障樹

根據光纜傳輸子系統的技術分解結果和相關文獻資料[5-6]，以“光纜傳輸子系統失效”為頂事件，識別出7項中間事件和10項底事件，事件符號表示及其描述如表5 所示。分析這些風險因素及風險因素之間的邏輯關系，建立光纜傳輸子系統的故障樹模型，如圖7所示。

表5 光纜傳輸子系統故障樹事件符號表示及其描述

在光纜傳輸子系統的故障樹中，在頂事件“光纜傳輸子系統失效（T2）”之下，組成各中間事件的風險因素有7項：

（1）傳輸主系統失效（F1），是指光纜傳輸模式下，傳輸主系統因各種內在、外在的因素而導致的系統失效；

（2）應急備系統失效（F2），是指光纜傳輸模式下，應急備系統因各種內在、外在的因素而導致的系統失效；

（3）光電轉換系統失效（F3），是指光端機和連接光端機的電纜或光纖出現失效，導致光纜信號中斷；

（4）中繼系統失效（F4），是指光中繼器及其連接的光纖出現失效，導致光纜信號中斷；

（5）應急操作失效（F5），是指各種原因造成技術人員不能進行應急操作，導致光纜信號無法及時恢復；

（6）人員失效（F6），是指技術人員由于自身原因不能進行應急操作，導致光纜信號無法及時恢復；

（7）管理失效（F7），是指技術人員由于管理原因不能進行應急操作，導致光纜信號無法及時恢復。

在光纜傳輸子系統的故障樹中，在7 項中間事件之下，組成各底事件的風險因素共有10項：

（1）設備故障（x1），是指技術設備因自身損耗造成的設備失效，包含光中繼器不能實現對光信號的增益、光端機無法進行光-電轉換等，導致光纜信號中斷或無法及時恢復；

（2）野蠻施工（x3），是指因施工作業不遵守施工規程和管理規范，造成設備及線纜失效，導致光纜信號中斷；

（3）線纜斷裂（x6），是指電纜、光纖等傳輸介質因過度彎曲和材料老化而造成的線纜斷裂，導致光纜信號中斷；

（4）操作失誤（x7），是指技術人員因疏忽造成參數設置或線路連接錯誤，致使設備失效，導致光纜信號中斷或無法及時恢復；

（5）電力故障（x8），是指因外電或UPS 供電中斷造成設備失效，導致光纜信號中斷或無法及時恢復；

（6）火災（x9），是指因配線機房或總控機房發生火災，造成設備及線纜失效，導致光纜信號中斷或無法及時恢復；

（7）業務水平低（x15），是指技術人員由于業務能力不足，在應急狀態下不能準確排除故障，導致光纜信號無法及時恢復；

（8）規章制度缺陷（x16），是指在應急狀態下，因規章制度缺陷而造成技術人員不能進行應急操作，導致光纜信號無法及時恢復；

（9）管理不到位（x17），是指因管理松懈遲緩，造成技術人員不能進行應急操作，導致光纜信號無法及時恢復；

（10）應急預案缺失（x18），是指因應急預案存在缺失，造成技術人員不能按照預案采取應急措施，導致光纜信號無法及時恢復。

4 廣播電視信號傳輸安全風險評價

4.1 故障樹定性分析

故障樹法主要以計算最小割集的方式進行定性分析。假設系統事件的發生狀態只有兩種且互為獨立，故障樹由n個底事件構成，設xi（i=1,2,…,n）取值為1或0，表示底事件發生或不發生。

割集C是底事件集合{x1,x2,…xn}的子集，若底事件都發生則頂事件必發生。如果將割集中任一底事件去掉后C不再是割集，則該割集C稱為最小割集[7]。

設故障樹由n個底事件組成，xi為描述第i個底事件狀態的布爾變量，xi的描述如式（1）所示：

其集合為X={x1,x2,…xn}。故障樹頂事件狀態變量與底事件狀態變量的關系可用結構函數φ(X) =φ(x1,x2,…xn)來表示。令C1,C2,…Cn為故障樹的k個最小割集，φ(X)如式（2）所示：

其中，k為最小割集數目；Cj為第j個最小割集（j=1,2,…,k）。

上行法是計算故障樹最小割集的一種重要方法。該計算方法沿故障樹自下而上進行，利用運算規則進行簡化吸收，從而得到底事件積之和的表達式，其中每項即為一個最小割集[8]。

利用上行法對衛星傳輸子系統故障樹的最小割集進行計算，故障樹最下一級為：

往上一級為：

再往上一級為：

通過集合運算簡化吸收后，最后一級為：

得到衛星傳輸子系統故障樹的32項最小割集為：

同樣利用上行法對光纜傳輸子系統故障樹的最小割集進行計算，故障樹最下一級為：

往上一級為：

再往上一級為：

通過集合運算簡化吸收后，最后一級為：

得到光纜傳輸子系統故障樹的11項最小割集為：

由于衛星傳輸子系統和光纜傳輸子系統的故障樹是或門關系，T=T1+T2，通過集合運算簡化吸收后，得到廣播電視信號傳輸系統故障樹的32項最小割集為：

4.2 故障樹定量分析

因為不能確定影響廣播電視信號傳輸安全的風險因素的發生概率，所以本文采用結構重要度分析的方式對系統故障樹進行定量分析。結構重要度是指在底事件發生概率未知的情況下，設定底事件的概率值均為1/2，即底事件的重要度僅由故障樹的結構確定，此時的重要度IY（xi）稱為底事件xi的結構重要度[9]。結構重要度系數的計算如式（3）所示：

其中，Kj為第j個最小割集；Nj為底事件所在最小割集中的底事件個數。

x1（設備故障）、x7（操作失誤）、x8（電力故障）和x9（火災）在所有最小割集中各出現1 次，其中1 個底事件的最小割集為1個，因此根據式（3）計算得到：

x2（人為破壞）、x3（野蠻施工）、x4（偷盜設施）、x5（插播信號）、x6（線纜斷裂）、x10（雷電）、x11（暴雨）、x12（大雪）和x13（臺風）在所有最小割集中各出現3 次，其中2個底事件的最小割集為2個，3個底事件的最小割集為1個，因此根據式（3）計算得到：

x15（業務水平低）和x18（應急預案缺失）在所有最小割集中各出現9次，其中2個底事件的最小割集為9個，因此根據式（3）計算得到：

x16（規章制度缺陷）和x17（管理不到位）在所有最小割集中各出現10次，其中3個底事件的最小割集為10個，因此根據式（3）計算得到：

x14（微波干擾）在所有最小割集中出現1次，其中3個底事件的最小割集為1個，因此根據式（3）計算得到：

以結構重要度為依據，對故障樹底事件進行排序，建立故障樹底事件與風險因素的映射對應關系，使用相關標度法確定影響廣播電視信號傳輸安全的風險因素的風險等級，如表6所示。

表6 廣播電視信號傳輸安全風險評價結果

研究得到的廣播電視信號傳輸安全風險評價結果，為后續風險應對策略的選擇、風險應對措施的制定等工作提供了重要決策依據。可以看出：

（1）因為“設備故障”、“操作失誤”、“電力故障”、“火災”、“業務水平低”、“應急預案缺失”、“規章制度缺陷”和“管理不到位”為重大風險因素，所以在設備運行保障、操作規程應用、電力保障、火災防范、人員培訓、應急預案完善、規章制度修訂和管理水平提升等方面采取相應的風險應對措施，是確保廣播電視信號傳輸安全的先決條件；

（2）因為“人為破壞”、“野蠻施工”、“偷盜設施”、“插播信號”、“線纜斷裂”、“雷電”、“暴雨”、“大雪”和“臺風”為較大風險因素，所以在安保能力提升、施工管理保障、信號冗余備份、線纜維護保養、惡劣天氣防范等方面采取相應的風險應對措施，是廣播電視信號傳輸安全保障工作中需要重點關注的關鍵問題；

（3）因為“微波干擾”為一般風險因素，所以在干擾協調機制建設等方面采取相應的風險應對措施，也是保障廣播電視信號傳輸安全不可忽視的因素。

5 結束語

本文在技術分解基礎上，利用故障樹分析法對影響廣播電視信號傳輸安全的風險因素進行了風險識別和風險分析，得到了廣播電視信號傳輸安全風險評價結果。該研究成果在實際應用中展現出了良好的適用性和有效性，為廣播電視信號傳輸安全的風險管理工作提供了有力的決策支撐，有效保障了多元信號背景下的信號傳輸安全，推動了廣播電視臺的安全播出保障工作更上新臺階。