基于故障树的多普勒天气雷达系统在人影作业中可靠性分析

程雷 卢秉红 李冀宁 朱宪龙 葛月月

摘 要：多普勒天气雷达系统的可靠性在保障人影作业过程中系统安全运行及产品可用性形成上有着直接影响，尤其在对农业生产有较大影响的防雹、增雨等空中飞行或地面作业过程中越发凸显，因此基于对故障树的多普勒天气雷达系统可靠性分析、研究意义重大，文章对多普勒天气雷达系统基于故障树的可靠性进行系统定性和定量分析，旨在总结经验的同时，提高多普勒天气雷达产品的可用性，保障雷达系统客观安全有效运行。

关键词：故障树；多普勒天气雷达系统；可靠性分析

辽宁丹东作为北方暴雨中心，夏日强对流天气频发，冰雹、大风、强降雨对大田烟叶、河口艳红桃、蓝莓、五味子以及广谱玉米等作物的生长造成一定的影响，多普勒天气雷达自运行以来，在人工影响天气尤其预防冰雹、强对流天气等重大天气服务中发挥了重要的作用。随着科学技术的不断发展，系统同样向着大型化和多功能化方面发展，因此对系统的可靠性提出了更高的要求。基于故障树的多普勒天气雷达系统对于重大天气有着极其重要的影响，它的安全性和可靠性对于重大天气研判、强对流人工影响天气作业等起到至关重要的作用，所以，研究故障树的多普勒天气雷达系统可靠性的重要程度日益凸显。

1 故障树

故障树是一种分析多普勒天气雷达系统可靠性的方法。故障树的分析是一种从上往下进行的演绎式时效分析法，通过运用布林逻辑组合低阶时间，分析系统中不希望出现的状态。通过运用这一方法来了解系统出现失效现象的原因，进而依据这一原因制订具体的解决措施来降低风险。故障树还能够针对造成最上方的各种原因将其列出优先次序，针对不同重要性的测量方式来建立关键设备的列表，进而使得相关人员能够依据这一表格对问题进行处理，极大地提升了问题处理效率，降低风险。

故障树分析主要采取自上而下的演绎推理去分析系统中的哪一环节出了问题，进而去解决，它能有效地分析复杂系统初始失效及时间的影响。同失效模式与影响分析这一方式不同，失效模式与影响分析是一种归纳推理的方法，从下到上的方式去分析设备或子系统中的单一元件失效或机能失效的影响。故障树分析能很好地应用到分析系统如何避免单一或多重初始故障发生，但无法找出所有可能的初始故障；然而失效模式与影响分析法则可以通过穷举的方式去列举出所有的初始故障，而且还能够有效地识别出它的局部影响，但它不适合用来检测多重失效，或检测多重失效对系统层级的影响。因此在采用故障树分析时需要掌握其优势所在，进而依据优势去进行具体的操作。

2 多普勒天气雷达系统基于故障树的可靠性分析

多普勒天气雷达作为一种主动式遥感的探测工具，可以在测量云、降水以及各种强对流天气发生和发展内在因素等方面有重要的应用意义，基本工作原理就是以多普勒效应为基础，可以有效测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下进行反演，从而得出大气风场状况、气流垂直速度的分布状态以及湍流情况等信息。如在遇灾害性天气情况时，及时预警，必要时进行人工干预，将灾害性天气的损失降到最低。

多普勒天气雷达系统主要由接收机、发射机、天线等构成，以基站为中心，水平180度空间范围内进行360度旋转，不间断度体扫，发射电磁波波束，并按照雷达的方向返回被天线接收，多普勒天气雷达能够通过接收到的电磁波束中自带的振幅和位相等数据，得出气象目标的平均速度、发射率因子和速度谱宽等数据，进而得出相对应的气象情况和其他内部结构特征。随着科技发展多普勒天气雷达功能越发多样化，主要包含对降雨地区进行范围强队的探测、对暴风雪覆盖范围和降雪相态进行探测、对风切变现象进行探测、对冰雹等强对流天气位置进行探测并指导人工影响天气科学安排作业防范等。

2.1 基于故障树分析多普勒天气雷达系统常规故障

以多普勒天气雷达在伴随人工影响天气空中作业飞行过程中的“丧失风切变探测功能”为例。依据适宜空域作业飞行标准，系统丧失风切变探测功能这一顶事件产生的危险等级为Ⅲ级，危险类别为重大型，在这之中对于每小时飞行中的失效率也做出了一个规定为1E-5，假设平均飞行时间为3小时，当丧失风切变探测功能这一失效状态的危险类别被划分为重大型时就需要满足飞机每小时飞行1E-5或者每次风行3E-5的失效概率，但多普勒天气雷达系统的失效状态只在特定的飞行阶段运行时被划分在重大型危险类别中，因此需要它们“每小时”要求要乘以一个系数。这一系数为平均飞行时间3小时被处于风险的時间去除，在起飞及着陆阶段中，多普勒天气雷达系统应当处于风切变探测时间为0.5小时。基于此，通过用故障树分析具体失效状态可以看出，雷达风切变探测功能失效或收发组建故障，检测后发现天线扫描器单元故障、电源故障和发射机故障均为未发展事件。未发展事件是指事件的相关资讯不明或没有产生后续影响；其中的射频线缆故障为基本事件，基本事件为系统元件或单元的失效或出现错误情况。

2.2 对顶事件分析的结果

首先运用下行法求出低功率射频单元故障树中的所有最小割集，当把最小割集求出来之后再依据各个底事件的失效率来计算出顶事件的具体概率。在顶事件“低功率射频单元故障”引起的风切变功能丧失在人工影响天气作业飞行中发生的概率大约为6.214 3E-5，这一数值结果与可靠性所明确标注的3E-5这一数值相比偏小，看似满足了可靠性的要求，但是这两个数值之间差距不大，因为这次失效原因在于低功率射频单元故障这一概率，因此从中可以发现在设计多普勒天气雷达系统时对于可靠性方面还存有一定的不足之处，为了进一步满足可靠性这一要求，需要对低功率射频单元进行一定的改进。

2.3 优化可靠性

基于故障树的多普勒天气雷达系统，如需提高并优化多普勒天气雷达系统的可靠性，则需去突破系统中的重点部分，努力寻找系统中存在的薄弱环节。为能够找到系统中的薄弱环节，最好的方法就是使用底事件重要度，接着将系统中寻找出来的重要度进行一个细致的排序，排序越高的重要度就需要相关技术人员在设计中着重关注，不断通过各种措施和方法去加强其可靠性与安全性。在底事件重要度列表中，首先需要将底事件排列出来，在将其对应的概率重要度和相对概率重要度进行标注，然后由大到小进行排序。通过对底事件重要度表的观察，就能够发现相对概率重要度与底事件的概率重要度有着密切的关系，当它的数值越大，那么它在系统中显现出来的状态就越发薄弱，通过采取有效的措施来降低底事件的发生概率就能够使得顶事件的发生概率得到有效的降低，这一判断方法是非常有效的，相关技术人员可以依据这一方法来找出系统薄弱环节，进而针对薄弱环节采取相关技术措施来进行改善，从而促使顶事件的发生概率被降低。

3 结束语

基于故障树的多普勒天气雷达系统能够分析出系统中的薄弱环节，并针对薄弱环节来进行改进和完善，从而降低系统风险。故障树的优势在多普勒天气雷达系统的可靠性分析中可以被有效地发挥出来，通过对顶事件的概率值进行计算，后续列出底事件重要度表，根据所得先后程度排列相关技术人员对薄弱环节进行攻克，从而提升系统可靠性。进而为强对流天气，尤其对及时防御烟叶、果树等影响较大的冰雹天气，提供了可靠的保障，为农业生产增收奠定了基础。

■作者简介：程雷（1981-），男，汉族，学士学历，工程师，从事雷达运行和气象信息技术研究工作。