故障树分析法在柴油机遥控系统电路故障诊断中的应用

2008-01-29，

船海工程 2008年1期

，

(海军工程大学船舶与动力学院，武汉 430033)

随着科学技术的进步，船舶柴油机遥控系统的功能越来越强，复杂程度也逐渐提高。在带来更高安全性和可靠性的同时也给系统的故障诊断增大了难度，因此找出一套行之有效的故障检测办法具有重要意义。

1 系统结构

船用柴油机遥控系统用于发电机的原动机运行时的遥控和安全保护，指示气动轮胎离合器的状态，实现发动机及外部控制联锁。该遥控系统由原动机遥控装置、离合器保护和信号装置、电源和信号装置、原动机状态复示装置组成，各部分之间的关系及与船舶上其他设备的关系见图1。图中虚线部分内为船舶主机遥控系统，即被测试对象。

图1 遥控系统组成及与其他设备的连接关系框图

2 故障树的建立

故障树分析法在模拟电路故障诊断过程中具有独特的优势，也是目前电路故障诊断过程中最为适用、应用最为广泛的分析方法，在本文研究的主机遥控系统的自动测试系统中，故障诊断部分采用以故障树分析法为主，文中主要讨论故障树分析法在柴油机遥控系统故障诊断中的应用。

对柴油机遥控系统故障树的构建，采取理论与实践相结合的方法，即在分析其工作原理的基础上，结合积累的人工诊断经验，构建合理的故障树，然后进行合理的故障树简化。对于一个系统而言，可能发生的故障难以穷尽，构建故障树的过程中，如果把所有的因素都考虑进去，势必使故障树的结构极为复杂，难以找到真正的焦点。因为系统中有些部件或者元件的失效率极低(比如电阻)，与可靠性差的部件相比几乎可以忽略它们对分析结果的影响。为了获得一个在实际工作条件下与主要逻辑关系等效的故障树，在本系统构建故障树的过程中作如下假设：

1) 各元器件之间的连线故障发生率很低。

2) 电路印制板质量有保证，不存在虚焊、脱焊等现象。

3) 系统一般为单故障。

4) 各接插件连接牢固、可靠，故障发生率很低。

3 对故障树进行定性分析

假设所研究的设备及其组成的部件、元件等只取正常和故障2种状态，并假设部件、元件的故障是相互独立的。

3.1 求故障树的最小割集

此处故障树最小割集的求法采用由上而下的故障树搜寻法即Fussell法,用图2的盘车功能失常为例，其步骤如表1所列,它是根据逻辑与门仅增加割集容量,而逻辑或门才增加割集个数的性质,由上而下,遇到与门就把与门下面所有输入事件都排列于一行,遇到或门就把或门下面所有输入事件都排列于一列,依此类推,一直到不能分解为止。

图2 盘车功能失常故障

表1 盘车功能失效步骤

根据文献[1]使用Fussell法得出得最小割集就是故障树得底事件，本系统的其他故障树所得出的最小割集也符合同样的性质，因多数电器设备所得出的故障树的逻辑门为或门，这是由于电器设备的特殊结构所决定的。

由以上的结论得出每一个底事件都是导致顶事件发生的一种故障模式，在该系统中都起到了关键的作用。

3.2 求底事件的重要度

底事件重要度为底事件的发生概率与顶事件的发生概率之比，根据文献[2]。由上面的结论可知底事件的重要度(以图2为例)均为1/26，也就是说在失效相同的情况下每个底事件对顶事件的影响程度是相同的，但是由于部件的制造工艺、制造环境、出场日期、工作环境等的不同，所以每个底事件的失效概率也不可能完全相等。

3.3 顶事件的失效概率

根据图1的故障树，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(×××)表示该事件所对应的失效概率，因此需要从实践中得出各种底事件的发生概率，这样就可以得出顶事件的发生概率。

4 利用故障树建立关系数据库

将故障树转化为关系知识，这一过程是导出专家系统关系规则(诊断知识)的有效途径。产生式规则表示的形式，用规则序列的形式描写过程的思想首先是由波斯特提出来的，表示方法是产生式规则。它是由具有如下形式的语句序列构成:

“if condition then execute (conclusion)”

例如：

If P2/2常闭触点未闭合then盘车装置未受到信号;

If P4/2常闭触点未闭合then盘车装置未受到信号;

If P12/2常闭触点未闭合then盘车装置未受到信号;

关系数据库具有较高的数据独立性、数据库一致性，关系中的关系性明确，且关系具有相对性(即一个关系既可以看作是对一个实体的表示，也可以看作是一个n元的关系)。因而，利用关系数据库可以方便地表示各类知识及实现以查询为基础的知识推理。知识库采用关系数据库的形式。因而，规则知识描述为数据库中的关系，即采用“关系表述知识，连接成库”的组织形式。

如对上述规则在系统表示为知识数据库的“或”关系元组:{1，P2/2常闭触点未闭合，P4/2常闭触点未闭合，P12/2常闭触点未闭合……，盘车装置未受到信号……}其中，1为知识编号，盘车装置未受到信号位于结论字段，其余位于前提字段。在基于关系组织规则的专家系统中，知识的关系形式具有以下优点:

1) 模块性。每个关系独立于其余关系定义了一定的规则知识。

2) 便于更新。新关系的增加一般不影响已有的关系。

3) 修改性。对一些关系的修改仅对与其相联系的少部分关系有影响。

4) 透明性。通过关系的连续性传递，系统能显示达到结论的推理路径，便于进行推理的解释，这对于专家系统的实用性是极其重要的。

5 故障诊断

将遥控系统整机功能测试所需的测试点连线接入测试系统，计算机将针对遥控系统整机的所有工作状态，仿真模拟被控对象的工作过程，按照程序设置依次送给遥控系统所需的输入信号，同时检测其输出信号，根据输入矢量和输出矢量之间的关系判断整机功能是否正常。当系统功能测试不正常，计算机首先判断其故障属于哪一种顶事件的失效形式，再依据故障树数据库逐级对可能引起该顶事件的子事件进行判断，由于系统的测试点数目的限制，所以计算机只能将故障定位到回路并自动给出故障排除的建议。