典型雷达基于可靠性的故障分析方法

王利斌 刘殿卿 刘迪

摘 要：针对典型雷达装备，提出故障分析方法，将FMEA、FMECA与FTA方法的优点和缺点进行比较。

关键词：故障分析；可靠性；FMEA；FMECA；FTA

引言

通过故障分析，对雷达装备系统和分系统单元进行评价，从而增加整体可靠性水平。因此，对武器系统及分系统单元的故障进行详细、具体地系统性的分析是非常需要的，故障分析技术构成了在可靠性分析过程中最基本、最重要的内容。

一、FMEA

故障模式影响分析（Failure Mode Effect Analysis，简称FMEA），是在经验的基础上演变出来的方法，美国格拉曼公司系统地采用并且固定了这种方法的形式，在本质上是一种定性的分析方法。根据已完成的设计，用表格的形式表示，从低层部件次开始，逐步向高层整体次的全面的分析，根据分析结果提出改进意见。

1.1故障影响区分

基于雷达装备使用和设计功能，每个假设的故障模式导致装备产生的后果进行等级划分，可以分为局部影响、高层次影响、最终影响。局部影响是预想的故障模式对所分析雷达武器装备部件功能或状态的影响，对评价补偿措施及提出改进意见提供依据。高层次影响是预想的故障模式对当前所分析雷达武器装备的重要层次使用、功能或状态的影响。最终影响使预想的故障模式对最高层次的雷达武器装备整体使用、功能或状态的影响。

1.2 FMEA分析的目的

雷达武器装备FMEA分析，是对发生故障的所有潜在故障模式进行系统分析，并达到以下目的：

（1）对武器系统功能和性能有重大影响的故障模式进行重点分析；

（2）有助于新型号设计方案作出客观、科学的评价，并选择出满足要求的最优方案；

（3）能全面的分析雷达装备所有子系统的各种故障模式及其影响程度；

（4）能为进一步定量分析雷达装备提供基础；

（5）能为改进武器系统设计提供资料、技术条件。

刘义乐等人基于国外的某些成熟的理论提出了一种改进的FMEA，这种方法能够在装备的使用阶段开展FMEA，达到缩减其工作量、避免遗漏和错误。相对传统FMEA主要应用于使用过程中，目的是降低使用和维护的工作量，提高可靠性和管理水平。在一些发达国家的装备使用和维护过程中，以故障源分析技术为背景的改进FMEA获得广泛应用，借鉴改进FMEA成熟经验，使用较小投入获取较大收益，对不断提高和改进我国武器装备可靠性和可维修性意义重大。

二、FMECA

针对雷达武器装备可靠性分析，运用FMECA（Fault Mode Effect and Criticality Analysis）这一重要的定性分析方法，即故障模式、影响及危害度分析。FMECA方法是在FMEA基础上发展而来的。二十世纪中期，随着对可靠性研究的深入，“危害度”这个概念开始应用飞机操纵系统，十年后这种技术逐渐走向成熟，随之而来，很多行业开始关注FMECA，FMECA是一种自下而上的分析方法，从基本零件到子系统，最后对整个系统分析。FMECA可以为雷达武器装备的维修性、易损性和武器装备后勤保障、雷达子系统改进设计提供信息来源。

定性的分析方法是将每种故障模式对雷达武器装备的影响和后果进行评定。严酷度类别分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类。Ⅰ类表示的指灾难故障是一种会造成人员死亡或雷达武器装备系统毁坏的故障。Ⅱ类表示的致命故障是一种导致人员严重受伤，武器系统性能严重降低或武器系统严重损坏，从而使任务失败的故障。Ⅲ类表示的临界故障将使人员轻度受伤，雷达武器装备性能轻度下降或轻度损坏，从而导致任务延误。Ⅳ类表示的轻度故障是一种不足以导致上述三类后果的故障，但它会导致需要进行非计划性维修。

故障率等级分为A级、B级、C级、D级和E级。A级代表雷达武器装备故障经常发生，在雷达武器装备使用中发生故障的概率是很高的，故障模式出现的概率是总故障概率1.2倍以上。B级代表雷达武器装备故障有时发生，在雷达武器装备使用中发生故障的概率为中等，故障模式出现的概率是总故障概率1.1～1.2倍。C级代表雷达武器装备故障偶然发生，在雷达武器装备使用中发生故障是偶然的，故障模式出现的概率大于总故障概率，并在1.1倍以内。D级代表雷达武器装备故障很少发生，在雷达武器装备使用中发生故障概率是很小的，故障模式出现的概率为总故障概率的1%～10%。E级代表雷达武器装备故障极少发生，在雷达武器装备使用中发生故障概率接近于0，故障模式出现的概率小于总故障概率的1%。

FMECA的分析程序如图1所示。

三、故障树分析法

故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）是1962年由美国贝尔电话研究所（BTL）提出的。FTA方法在雷达武器系统寿命周期的任何阶段都可以采用，因为FTA表达直观，信息清晰可见，逻辑严密并进行定量的分析，对处理复合起因，特别是人员差错效果明显。所以，FTA广泛应用于安全工程领域中。

4.1 故障树分析的特点

（1）故障树分析对雷达武器装备整体可能出现的故障进行全面考虑，不仅对雷达分系统故障产生的故障影响进行细分，还考虑到雷达武器装备操作软件应用环境和人为等因素。

（2）故障树清晰的图形逻辑演绎，直观清晰的看出故障之间的逻辑关系，从而通过故障现象定位故障可能产生的薄弱环节。

（3）建立故障树，相当于为雷达武器系统建立一个维修和检测指南，装备使用人员可通过故障树检查兵器故障原因。

（4）故障树分析缺点主要为：建立雷达武器故障树耗费人力和时间，需要考虑的因素多、難度大，对武器装备分析人员要求较高，容易漏项和出错。

4.2 故障树分析过程

FTA一般的实施步骤按照熟悉分析对象、选定顶事件、故障树建立与简化、定性量分析、总结（评价，改进建议等）的顺序进行。具体分析程序如图2所示。

4.3 结合某型雷达的故障树分析

结合某型雷达可靠性的研究，按照雷达的结构机理，建立故障树包括：电源故障、发射系统故障、接收系统故障、信号系统故障和显示类故障几种情况。