部队故障树在舰船通信装备故障诊断中的应用研究＊

李晓瑾 李忠猛

（1.海军91551部队自动化站 九江 332005）（2.海军工程大学训练部 武汉 430033）

1 引言

随着我国海上领土及权益冲突的不断爆发，海战场环境日益复杂，舰船的作用也日益凸显。为有效维护我海上领土完整、保护海上战略通道及相关利益，要求我舰艇部队提供强有力的军事后盾。对于战场态势透明化程度要求越来越高的海上战场，舰船通信装备承担的使命任务也愈发繁重，给舰船通信装备的技术保障带来了巨大的挑战和压力。

目前，如何对通信装备进行快速检测并实现故障诊断定位是军用通信装备维修保障工作中仍然有待解决的一个难题［1］。尽管已经出现了多种军用通信装备故障检测诊断设备，但大多操作复杂，不适合海战场和机动检测，影响了通信装备作战效能的充分发挥。为了保障舰艇通信装备有效完成新形势所赋予的历史使命，提高战场保障水平，有必要针对装备特点，研究可操作性强的装备故障诊断及排除方法。

2 故障树的适用性分析

故障树诊断方法是一种将系统故障形成的原因，由总体到部件按树枝状逐级细化的分析方法。基于故障的层次特性，其故障成因和后果的关系往往具有很多层次，并形成一连串的因果链，加之一因多果或一果多因的情况就构成了故障树［2］。

故障树是一种体现故障传播关系的有向图，它反映了系统故障（顶事件）与导致系统故障的诸因素（中间事件和底事件）之间的逻辑关系，因此是分析故障关系、查找系统故障单元的一种有效手段［3］。

对于舰艇通信装备而言，由于普遍实现了模块化及可测性设计，具有集成度高、功能强、操作复杂、维修空间有限及可更换模块数量适中等特点，因此，非常适合采用故障树技术进行故障诊断及排除。

3 故障树的构建

3.1 确定顶事件

所谓顶事件，就是系统最不希望发生的一种故障状态，通常被作为辨识、估计系统发生故障的一种目标。确定顶事件的基本原则就是要直观，便于操作、维护人员及时发现故障。

新型舰船通信装备普遍采用了可测性设计，设置了诸多用于观察、测试的指示灯、显示屏及仪表等，为合理设置故障顶事件提供了便利。通常，根据装备实际特点，可以结合“看”、“听”、“闻”、“摸”等感官方式确定顶事件。

1）看现象

现在的装备在研制期间基本都考虑、采用了可测性设计。根据装备特点，选取信号通路、控制电路及电源的重要测试点，并将其工作状态或相关信息通过装备面板上的指示灯、显示屏、仪表等形式直观表现出来。

眼睛是人们获取信息的首要渠道。用户对装备工作状态的判断，往往都是首先通过视觉观察来完成的。因此，依据装备面板上指示灯、显示屏、仪表的显示内容或状态确定故障树顶事件具有合理性，并将在整个故障顶事件集合中占据主体地位。

2）听声音

电子设备或机械设备加电工作时都会或多或少地产生各种声音，如机械震动、风扇转动、继电器动作、接收机背景噪声以及人为设计的报警声等。通常，这些声音会有其各自特点或规律性，如声音的大小、有无、持续时间、间隔时间、音调等，都能够在一定程度上反应装备当前的运行状态，使得通过“听”来判断装备状态具有较好的可行性。特别是对于大功率设备而言，往往都伴有大功率继电器、风机等，相对降低了“听”的难度。因此，可以根据听到的声音来判断装备工作状态，并相应设置故障树的顶事件。

3）闻气味

电子部件加电工作时难免会产生一些气味，特别是当发生短路、击穿等异常情况或故障时，往往会使得元器件损坏，并散发出各种较为强烈的气味。部分情况下，这类故障也会导致明显的故障现象，如烧黑现象等。但是，这类故障现象通常出现在装备内容的板件上，不打开机箱难以观察到。一旦出现这种情况，往往意味着发生了较为严重的故障，应立即断电检查。因此，可以将闻到异常气味的事件作为故障树的顶事件。

4）摸线索

随着新技术的应用及通信装备的升级换代，装备的功能越来越强大，但同时也越来越复杂。借助看、听、闻等手段查找的故障时，可以考虑通过“感触”来判断装备工作状态。如，当由于装备长时间连续工作或散热不佳、存在故障等原因导致部分部件损坏或自动保护启动时，可以通过直接接触或接近感觉器件表面工作温度来判断装备工作状态是否正常。此类操作通常必须在断电情况下才能进行，以保证人员及设备安全。通过建立故障树进行装备故障诊断时，可以考虑将此类现象作为故障树的一种顶事件。

3.2 划分底事件

底事件通常是指在故障树诊断过程中，不能再展开或毋需再深究的最基本的故障事件或解决措施。根据舰艇通信装备形体小、集成度高且多采用模块化设计等特点，可将底事件分为软故障及硬故障两大类。软故障主要是指由于参数设置不当、操作不正确等原因导致装备工作不正常的现象。软故障的排除通常只需重新进行正确的参数设置及操作即可。因此，软故障类的故障底事件主要是以参数设置及检查操作为主。

硬故障主要包括保险丝断路、连接线及接插件等导致的通路故障、板件故障等类型故障。对于硬故障而言，在有随机备件且维修实时性要求较高的情况下，通常是以连接通路的检查和部件、板件的更换为主。有条件的情况下，再对更换下来的部件及板件进行勘用性分析及修复处理。因此，硬故障类的故障底事件主要是以连接通路的检查和部件、板件的更换为主。

3.3 建立诊断流程

建立故障树的过程，就是一个从故障顶事件导出底事件的过程，同时也是对装备进行故障诊断及排除的过程。在诊断过程中，故障树很好地体现了系统与单元之间的故障因果关系，即关于系统故障与单元故障原因之间的逻辑数学关系［4］。

故障树分析包括定性分析和定量分析。定性分析中使用最小割集算法和最小路集算法找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即分析系统或设备出现某种最不希望的故障时间的各种可能性；定量分析的主要目的是求顶事件发生的特征量（如可靠度、重要度、故障率、累计故障概率、首次故障时间等）和底事件的重要度［2］。

当前工程实践中，故障树的定性分析比其定量计算更具有实用性，特别是考虑到数据不全、不准，人为因素难以定量时尤其如此。

4 故障树的应用

熟悉装备基本原理及操作，能够通过“看”、“听”、“闻”、“摸”等手段全面掌握装备正常工作及技术状态，及时、准确发现故障顶事件，是利用故障树进行装备故障诊断及排除的前提。同时，由于基础条件、检测时间要求、费用消耗及检测完整度要求的不同，用户可根据自身经验、技术水平进行不同的故障诊断及排除操作。

4.1 流程检测法

流程检测法是指严格从故障顶事件出发，按照故障树的要求依次进行检测或判断，并根据检测或判断结果逐步推理，直至达到故障底事件，实现故障诊断及排除的一种方法。流程检测法可以达到较高的检测完整度，但是对人员技术水平、基础条件的要求均较高，相应也会花费较长的检测时间。

4.2 替换法

替换法是指从故障顶事件出发，依据该顶事件对应故障树中底事件操作的难易程度，同时结合一定的经验，跳过故障树的中间事件，直接进行与底事件相应的检测或判断，实现故障诊断及排除的一种方法。替换法适合操作人员，对备品备件的要求较高。当故障树的规模较大时，采用替换法的检测时间具有较大的偶然性，并且可能会导致许多不必要的操作，甚至增加人为故障的风险。

4.3 经验法

经验法是指从故障顶事件出发，主要根据操作者的实际排故经验，同时参考故障树的流程，直接进行针对性的检测或判断，实现故障诊断及排除的一种方法。经验法的检测时间通常都较短，但是对操作人员技术水平及排故经验的要求都很高，同时难以保证故障检测的完整度。

4.4 对比

上述三种基于故障树的排故方法各有特点，表1是从检测时间、适用人群等方面对三种排故方法进行的对比。

表1 不同的故障树应用方法对比

5 结语

通信装备规模适中、普遍采用模块化及可测性设计的特点，非常适合采用故障树分析法进行故障诊断与排除，对提高装备可信性具有十分积极的作用及意义。在故障树的建立过程中，应结合装备特点合理确定顶事件并划分底事件，并结合信号流程、控制电路及电源供应综合建立诊断流程，提高检测方法及流程的可操作性。应用故障树进行通信装备故障诊断及排除时，不同的检测环境有着不同的最优解，实际操作时根据应用人员技术水平并结合备品备件条件及排故要求等因素，可分别采用流程检测法、替换法或经验法。

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［2］夏虹，刘永阔，谢春丽.设备故障诊断技术［J］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010，3.

［3］朱学军，陈宇.基于FTA的智能型故障诊断方法研究［J］.微计算机信息，2005，（6）：123－125.

［4］于永利，朱小冬，郝建平.系统维修性建模理论与方法［M］.北京：国防工业出版社，2007，6.

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