基于故障树的吊放电缆常见故障分析

李瑞红，张飞飞，赵申东

（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）

航空吊放声纳是通过吊放电缆将水下分机放入水中进行目标探测。在整个搜潜过程中吊放电缆既需要靠本身的拉力来提升、下放和悬挂水下分机，又需要传递水下分机与机载设备之间的各种信号，是一个集机械和电气性能于一体的高科技材料构成的设备，在整个吊放声纳搜潜系统当中发挥着举足轻重的作用。吊放电缆的一点点故障都会对整个搜潜过程产生严重的影响，所以，吊放电缆的维护与预防就显得格外重要。

故障树分析法也称故障树诊断法，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。故障树分析法是“由果求因”的演绎分析方法，是一个根据故障寻求发生原因的过程，能够找出系统内部各种可能发生的设备失效、环境因素改变或者人为因素等各类底事件与系统故障之间的逻辑关系[1-2]。

本文就吊放电缆的常见故障问题，运用故障树的方法，对吊放电缆损伤的原因进行分析，计算常见故障问题发生的概率，并根据分析结果提出装备故障问题预防和优化的建议。

1 故障树分析法

故障树分析法，简称FTA法（Fault Tree Analysis），是分析大型复杂系统的安全性和可靠性的有效工具。其以简单的概率论、布尔代数和逻辑符号等为基础，运用从上到下的方法、生成的一个对系统可靠性定性与定量分析的逻辑模型[3]。

1.1 故障树的定性分析

对故障树进行定性分析的主要目的是为了找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，也即弄清系统（或设备）出现某种最不希望的故障事件有多少种可能性[1]，通过求得最小割集，发现系统设计的最薄弱环节，搜寻故障源，以便改进设计，或用于指导故障诊断，改进运行和维修方案[4-8]。

1.2 故障树的定量分析

故障树的定量分析是在求得最小割集之后，根据底事件的发生概率，运用概率论的知识，计算顶事件的发生概率和各个底事件的重要程度，为有效地控制故障的发生概率以及更好地进行设备的维护提供依据[8-9]。

2 吊放电缆故障树的建立

水下分机是执行反潜任务的核心设备，搜潜效果的好坏主要取决于水下分机的质量，所以用来承重吊挂水下分机并进行信号传输的吊放电缆对于整个搜潜系统来说至关重要。但是由于受材料限制、恶劣的使用环境及使用过程中的人为因素的影响使得吊放电缆的损伤问题较多。针对吊放电缆的损伤问题，运用故障树的方法，对吊放电缆损伤的原因进行分析，以期望对装备的维护保养有一定的预防作用。

首先，考虑系统设计、保障和作业环境等因素，列出造成电缆损伤问题的所有原因，定义各中间事件和底事件含义，见表1。

表1 吊放电缆损伤故障的原因

开始建立故障树，从顶事件开始，逐级向下，直到底事件[10]。例如，“X5（遇到特殊情况时操作人员操作不当）”“X6（直升机突然转向运动）”“X7（风浪过大）”这3个底事件只有同时发生，其中间事件“G3（吊放电缆受力过大）”才会发生，所以，3个底事件与中间事件之间应该用逻辑与门连接；而“X1（吊放电缆材料老化）”“G4（吊放电缆设计不当）”2个事件只要其中一件发生，其上级事件“G1（吊放电缆强度不足）”就会发生，所以这2个底事件与上级的中间事件用逻辑或门连接，通过顺次这样的演绎，一直将所有的原因全部找出来为止，就建立起如图1所示的故障树图[11]。

图1 吊放电缆损伤问题故障树图

3 故障树的定性分析

3.1 求最小割集

利用布尔代数法，对故障树进行化简，得到最小割集

所以，最小割集为{X1}、{X2X3}、{X3X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

电缆损伤故障一共有6个最小割集，也就是说有6种途径可以导致该故障的发生。其中最小割集只含有1个基本事件的有：{X1}、{X5}、{X6}、{X7}是一阶最小割集，{X2X3}、{X3X4}中含有2个基本事件，属于二阶最小割集。可以认为事件X1（吊放电缆材料老化）、事件X5（遇到特殊情况时操作人员操作不当）、事件X6（直升机突然转向运动）、事件X7（风浪过大）这4个基本事件是重要事件，平时应加强电缆的维护保养和相关人员的业务培训工作。

3.2 求最小径集

为求得最小割集，需建立成功树，通过故障树图得出的成功树图如图2所示。

图2 吊放电缆损伤问题成功树图

用布尔代数法来求取成功树的最小割集，此时的最小割集即为最小径集，如下

由上式得出最小径集如下。

从最小径集来看，一共有12个最小径集，也就是说要通过预防这12条途径来预防故障的发生。例如，要想防止P1的发生，只需确保事件X1（吊放电缆材料老化）、事件X2（设计人员经验不足）、事件X3（对水下分机不够了解）和事件X4（作业前检查失误）同时不发生即可。

4 故障树的定量分析

4.1 电缆损伤发生概率的计算

定量分析的主要任务是在底事件相互独立和已知其发生概率的条件下，计算顶事件的发生和底事件重要度等信息。根据底事件实际发生情况，假设底事件的发生概率已知，见表2。

表2 引起吊放电缆损伤的事件发生概率

设Y（x）是故障树的结构函数，利用布尔值的顶事件概率公式为

式中：φ（x）表示顶事件的状态值，为0或者1；xi为底事件的概率；yi表示底事件的状态值，为0或者1。

即

式中：g1=1-（1-q1）（1-g4）；g2=q3q4；g3=q5q6q7；g4=q2q3。

Y（x）表示顶事件的发生概率；gi表示中间事件的发生概率；qi表示底事件的发生概率。

将数据带入可得到吊放电缆损伤故障发生的概率为Y（x）=0.238。

4.2 概率重要度计算

在定性分析中有结构重要度的概念，只是从结构上对各个底事件的重要程度的定性分析。如果要进一步研究底事件的发生概率对顶事件的发生概率的影响，需要及时了解事件发生的概率重要度。

概率重要度计算公式

式中：Ig(i)表示系统中基本事件的概率重要度；Y(i)表示系统的结构函数；y(i)表示基本事件概率。

已知该故障树的最小割集为{X1}、{X2X3}、{X3X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

结构函数为Y（x）＝X1∪X2X3∪X3X4∪X5∪X6∪X7。

根据公式概率重要度公式，将数据代入公式得

4.3 临界重要度的计算

临界重要度是底事件i故障发生概率的变化率与所引起的顶事件发生概率变化率之比。

临界重要度的计算公式为

式中：C[ Ig( i )]是系统的底事件的临界重要度；Y（i）为顶事件的发生概率。

根据上式，得出临界重要度。整理得到概率重要度和临界重要度表，见表3。

表3 引起吊放电缆损伤故障基本事件的概率重要度和临界重要度表

将概率重要度由大到小排列：

将临界重要度由大到小排列：

参考基本事件的重要度，从全局的角度来考虑预防系统发生故障失效的原则，重点关注的对象：事件X5（遇到特殊情况时操作人员操作不当）、事件X1（吊放电缆材料老化）、事件X6（直升机突然转向运动）和事件X7（风浪过大），余下事件作为最后考虑。

5 结论与建议

利用故障树不仅能够分析出事故的直接原因，还能够观察到事故的潜在原因，通过故障树的理论分析和对实际案例的整理，可确定整个吊放电缆系统的好坏与吊缆老化程度、使用环境及维护使用人员都有关系。因此在日常维护中应加强电缆的日常检查，规范人员的操作培训，以有效降低吊放电缆损伤故障的发生。

针对吊缆材料老化的问题，在日常维护中应严格遵循厂家的建议，在达到规定次数后及时更换；入水操作后应及时清洗吊缆表面的海水结晶，并定期对外表涂抹硅脂，做好润滑工作，延缓老化，增长使用时间；在排缆时，应按照预先规定将吊放电缆缠绕在鼓轮上，避免吊放电缆互相重叠、排列疏松，导致表皮的损坏。

通过对吊放电缆损伤的故障树分析可以看出，吊缆的损伤不仅与地勤人员的维护有关，同时受到空勤人员业务水平和应变能力的影响。这就为设备维护和预防打开了一个新的方向，既要加强地勤人员对设备的维护水平，也要提高空勤人员的业务素质，只有维护与使用的整体提高，才能带动装备的发展，从而减少故障发生的几率。