故障树分析法在某型号导引头故障诊断中的应用

曹明，刘亚斌（北京航空航天大学 北京　100191）

故障树分析法在某型号导引头故障诊断中的应用

曹明，刘亚斌
（北京航空航天大学 北京100191）

基于实现对某型号导引头故障的快速诊断、准确定位的目的，研究了一种基于故障树分析法的解决方案。通过对导引头建立故障树模型，进行定性、定量分析，提取故障树最小割集，计算最小割集重要度和可靠度。按照最小割集重要度大的部件优先检测的顺序生成诊断流程，提示操作人员按照流程进行诊断并找出故障源。该诊断流程提高了诊断效率，可以用于导引头的快速诊断。

导引头；故障树分析法；最小割集；重要度

电子装备的故障诊断在其生命周期中很重要，但是诊断过程很复杂。传统意义上的诊断方法，主要依赖于工作人员的实践经验和专业水平，缺少一套可靠、科学的诊断办法。因此，需要利用先进的计算机数据处理技术，设计一种严谨的故障诊断方法，以实现装备故障的检测、定位及故障预测。

导引头是远程制导导弹的核心部件，它的主要功能是通过目标的自助搜索、识别、和跟踪，给出制导所需要的控制信号，以保证导弹的攻击精确度。所以导引头的故障诊断要求更加准确快速。由于导引头含有的电子设备的集成度和复杂度很高，影响其性能的因素特别复杂。设备不同组成部分相互关联，设备之间也会相互影响，所以导引头的故障检测难度很大。本文结合试验，利用故障树分析法设计出一套针对某型号设备的故障诊断系统，提高了诊断效率。

1　故障树分析方法

故障树分析主要是用于大型复杂系统可靠性分析，以及设备的故障诊断。将系统级别的故障现象也就是顶事件，最底层的故障原因也就是底事件，根据它们之间的内在关联，绘制出树状的网络图，通过与、或、非等逻辑运算关系关联各层事件，构建故障树。利用其树模型，对系统作定性分析和定量分析，而故障诊断是一个基于顶层故障、分步演绎，找到所对应的系统的最底层故障。通过把系统层的故障和部件层故障结合在一起，有调理地表达出系统在实际应用的过程中各个中间事件的互相影响。

2　故障树模型的建立

在建立故障树的过程中，要严格定义故障事件。首先选好顶事件，从上到下逐级建树。顶事件是指系统最不希望发生的故障事件，一般是在初步故障分析的基础上，找出系统可能发生的所有故障状态，这些故障中筛选最不希望发生的故障状态就是顶事件。

由于故障树可以将系统的各种潜在因素联系起来，有利于提高系统的可靠性，找出系统的薄弱环节和故障谱。电子设备故障检测和定位，由于情况复杂、原因较多，保养维护困难，需要利用故障树分析法建立诊断系统，以提高其可靠性。以某型号导引头为例，建立导引头故障树，应用故障树分析方法对导引头进行分析。

在全面了解某型号导引头工作原理的基础上对系统进行结构分解，把系统的总体结构分解为多层次结构，从顶层一直分解到最低层次的部件，建立故障树模型，如图1所示。

树中各符号含义如下：T为导引头制导舱段故障；U1为惯性测量单元；U2电子组合单元；U4为计算机自检单元；U5为惯测接口单元；U6为总线接口单元；X1～X14为故障底事件。

图1　某型号导引头的故障树模型

3　故障树模型分析

故障树分析分为定性分析和定量分析。定性分析主要是研究故障树中所有导致顶事件发生的最小割集；定量分析是确定底事件的故障分布及其参数、底事件发生的概率等，然后求出顶事件发生的概率。

故障树分析，目的是找到故障树模型的全部最小割集［2］。割集是故障树中底事件集合｛X1，X2，Xn｝的子集，当这些底事件全部出现时，顶事件就一定会发生。若删除割集中任何一个底事件，就不再符合割集定义了，满足此条件的割集称为最小割集（MCS）。一般情况下，系统故障树的最小割集都有多个，所以找出系统的所有最小割集是非常重要的，它可以帮助我们发现系统的最薄弱环节，以便有目的、有针对性地进行改进设计，有效地提高系统可靠性。

系统采用下行法（Fussell 法）［3-4］求解最小割集。由于本型号系统的故障树中大部分是或的关系，可以简略的认为本系统的故障树的最小割集是｛X1｝，｛X2｝…｛X14｝。假设只有一个最小割集在同一时刻引起故障，而且在最小割集中，各底层事件例的出现是互不影响且不能同时发生的，那么可以计算出各个最小割集的重要度，将重要度作为割集排序的标准。重要度根据文中的事件重要度公式计算。首先假设故障树中有K个MCS，利用相容事件的概率公式，计算顶事件发生概率:

式中:T代表顶事件，K代表故障树MCS中的基本事件。当MCS的不可靠度很小的时候，顶事件出现的概率计算结果收敛得快，可以公式的首项作为近似解，故顶事件的出现概率可近似为：

系统底事件的概率很多情况下是根据经验得出的，也可以分析部件运行、需求、试验和维修等几个方面的模型，得到起发生概率。根据实验模拟数据，可得如表1所示的底事件概率表

表1　底事件概率表

根据底事件的发生概率可以计算出顶事件出现的概率为：

在故障树的分析中，很重要的一部分就是分析概率的重要度，重要度可以体现底事件概率对顶事件出现概率的影响。设时间 t=1 000 h，λ为各个底事件出现的概率，则底事件的可靠度可根据公式⑶计算，公式如下：

各底事件的发生概率重要度公式为：

根据公式（3）、（4）计算各个底事件的可靠度和重要度，如表2所示。

表2　底事件可靠度和重要度

通过分析可知每个底事件在系统中所处位置的重要性，将所有底事件按概率重要度进行排序，由高到低初步设置故障检测点，然后再进行优化，达到用尽量少的检测点来确保尽可能高的故障检测能力。设计人员在设计过程中应该采取必要的检测手段和保护措施来提高其可靠性和安全性［5-7］。

4　结束语

顶事件故障的诱发因素有多个，在故障诊断时，通过判断所有最小割集找到故障原因。对于包含复杂电路的设备的故障树分析，需要测试大量的故障模式，所以本系统中通过计算故障树MCS重要度，只对重要度大的割集进行监测，忽略重要度较小的。也可以监测对某些重要度大的割集对应的监测点，然后进行综合判定。根据分析结果，将导引头的可靠性指标转换为对各底事件的可靠性要求，通过提高底事件的可靠性达到提高导引头可靠性的目的。经过可靠性验证，导引头实际达到的可靠性值与分析结果基本一致。

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Application of fault tree analysis to seeker fault diagnosis

CAO Ming，LIU Ya-bin
（Beihang University，Beijing 100191，China）

In order to do a fast and accurate positioning in the process of seeker troubleshooting，the article designs a solution which is based on fault tree analysis.The test first builds a fault tree model of the seeker，extracts the minimal cut sets by qualitative and quantitative analysis and computes the priority and reliability of minimum cut sets.The diagnostic flow is created according to the order of importance of minimum cut sets in which the users can be guided to find the fault part.The diagnostic flow improves the efficiency of diagnosis and can be used in the seeker diagnosis of the transmitter.

seeker；fault tree analysis；minimal cut sets；important degree

TN832

A

1674－6236（2016）11-0118-02

2015-06-25稿件编号：201506222

曹 明（1989—），女，河南开封人，硕士研究生。研究方向：检测技术。