Ｖ０１．３３ Ｎｏ．８ 舰船电子工程 总第２３０期 １３８ Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年第８期 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） 摘要为提高舰船通信装备的可用性及可信性，分析了装备特点，提出了将故障树分析法用于舰船通信装备故障诊断及排除的思路， 并从确定顶事件、划分底事件及建立诊断流程等三个方面对故障树法应用于装备排故时的方法及原则进行了讨论，最后提出了三种基于故 障树的排故方法，并对三种排故方法的特点进行了全面对比分析。 关键词舰船通信装备；故障树；顶事件；底事件 中图分类号ＴＰ２０６ ．３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－－９７３０．２０１３．０８．０４５ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｅ ｏｆ Ｗａｒｓｈｉｐ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆａｕｌｔ Ｔｒｅｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＬＩ Ｘｉａｏｊｉｎ ＬＩ Ｚｈｏｎｇｍｅｎｇ。 （１＿Ｎｏ．９１５５１ Ｔｒｏｏｐｓ ｏｆ Ｎａｖｙ，Ｊｉ＠ａｎｇ ３３２００５）（２．Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｔｒａｉｎｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ ｕｓａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｒｅｄｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｒｓｈｉｐ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｄｉａｇｎｏｓｉｎｇ ｗａｒｓｈｉｐ ｃｏｍｍｕｎｉｅａ ｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｂｙ ｆａｕｌｔ ｔｒｅｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ ｔｏｐ ｅｖｅｎｔ，ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌｉｚｉｎｇ ｂｏｔｔｏｍ ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｄｉａｇｎｏｓｅ ｆｌｏｗ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆａｕｌｔ ｔｒｅｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ。ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｗａｒｓｈｉｐ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｆａｕｌｔ ｔｒｅｅ，ｔｏｐ ｅｖｅｎｔ，ｂｏｔｔｏｍ ｅｖｅｎｔ ＣｌａｓｓＮｎｒ ＴＰ２Ｏ６＋．３ １ 引言 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 随着我国海上领土及权益冲突的不断爆发，海战场环境 故障单元的一种有效手段［３］。 日益复杂，舰船的作用也日益凸显。为有效维护我海上领土 对于舰艇通信装备而言，由于普遍实现了模块化及可 完整、保护海上战略通道及相关利益，要求我舰艇部队提供 测性设计，具有集成度高、功能强、操作复杂、维修空间有限 强有力的军事后盾。对于战场态势透明化程度要求越来越 及可更换模块数量适中等特点，因此，非常适合采用故障树 高的海上战场，舰船通信装备承担的使命任务也愈发繁重， 技术进行故障诊断及排除。 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 ３故障树的构建 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 ３．１确定顶事件 题Ｉ１］。尽管已经出现了多种军用通信装备故障检测诊断设 所谓顶事件，就是系统最不希望发生的一种故障状态，通 备，但大多操作复杂，不适合海战场和机动检测，影响了通信 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 装备作战效能的充分发挥。为了保障舰艇通信装备有效完 基本原则就是要直观，便于操作、维护人员及时发现故障。 成新形势所赋予的历史使命，提高战场保障水平，有必要针 新型舰船通信装备普遍采用了可测性设计，设置了诸 对装备特点，研究可操作性强的装备故障诊断及排除方法。 多用于观察、测试的指示灯、显示屏及仪表等，为合理设置 ２故障树的适用性分析 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。 故障树诊断方法是一种将系统故障形成的原因，由总 １）看现象 体到部件按树枝状逐级细化的分析方法。基于故障的层次 现在的装备在研制期间基本都考虑、采用了可测性设 特性，其故障成因和后果的关系往往具有很多层次，并形成 计。根据装备特点，选取信号通路、控制电路及电源的重要 一连串的因果链，加之一因多果或一果多因的情况就构成 测试点，并将其工作状态或相关信息通过装备面板上的指 了故障树 Ｊ。 示灯、显示屏、仪表等形式直观表现出来。 故障树是一种体现故障传播关系的有向图，它反映了 眼睛是人们获取信息的首要渠道。用户对装备工作状 收稿日期：２０１３年２月２６日，修回日期：２０１３年３月３０日 作者简介：李晓瑾，女，工程师，研究方向：通信装备维修。李忠猛，男，讲师，研究方向：通信与信息系统。 ２０１３年第８期 舰船电子工程 １３９ 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 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［ 。 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 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 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Ｅ 。 当前工程实践中，故障树的定性分析比其定量计算更 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，当由于装备长时问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。 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』芪事件，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Ｉ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 检测时间 长 不定 短 费用消耗 出 低 低 基础条件 高 低 低 检测完整度 高 低 低 备品备件要求 由 高 低 对故障树的依赖程度 高 中 低 适用人群 技师／操作人员 操作人员 技师 （下转第１６３页） ２０１３年第８期 舰船电子工程 １６３ 声、接收机噪声以及大气噪声等，电力干扰可以采用窄带工 ［２］李勇，林品荣，郑采君，等．极低频电磁波技术电磁响应建模及 频陷波器滤除基波和谐波的干扰，天线噪声、接收机噪声为 电离层影响分析口］．物探与化探，２０１０，３４（３）：３３２ ３３９． 固定噪声可通过优化设计来减小，而大气噪声具有很宽的 ［３］卓贤军，陆建勋．“极低频探地工程”在资源探测和地震预测中 频谱，其特点有明显的非高斯特性，因此降低大气噪声对提 的应用与展望［Ｊ］．舰船科学技术，２０１０，３２（６）：３－７，３Ｏ． 高整体接收信号质量尤为重要。研究表明，大气噪声信号 ［４１卓贤军，赵国泽，底青云，等．无线电磁法（ＷＥＭ）在地球物理勘 可以简化为高斯背景噪声加尖峰脉冲等非高斯噪声组成的 探中的初步应用［Ｊ］．地球物理学进展，２００７，２２（６）：１９２１— １９２４． 模型，针对大气噪声的非高斯特性，可以用削波器去除大的 ［５］赵国泽，陆建勋．利用人工源超低频电磁波监测地震的试验与 尖峰脉冲的影响，用非线性窄带处理器处理后，通过相关检 分析［Ｊ］．中国工程科学，２００３，５（１０）：２７—３３． 测等软、硬件方法求出大气噪声的功率谱，降低噪声的干 ［６］刘勇，孙景．０．１ Ｈｚ￣３０ｋＨｚ频段电波特性及应用研究［Ｊ］．舰 扰，提高电磁信号的信噪比。 船科学技术，２００８，３０（Ｓ１）：３６—４２． ３）存储数据快速处理技术 ［７］Ｌ Ｈ．Ｇｉｎｓｂｅｒｇ．Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｎｏｉｓｅ 由于现场测试的时间很长，数据信息量十分庞大，存储 Ｌｅｖｅｌ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓａｎｇｕｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｃｏｍ— 数据回放需采用快速回放技术，重放加速的影响使信号或 ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９７４，ＣＯＭ－２２（４）． 噪声的带宽加大，因此在数据处理时需要增加校准因子还 ｒ８］八Ｓ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ．ＥＬＦ ＮＯＩＳＥ ＰＲ０ＣＥＳＳＩＮＧ，ＡＤ７３９９Ｏ７，Ｊａｎ． 原信号或噪声测试时的场强，其关键技术为计算回放速度 １９７３ 与校准因子的比例关系等。 ［９］Ｄ．Ｐ．Ｗｈｉｔｅ，Ｅ１．Ｋ．ｗ．１１ｉｎ ＥＬＦ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ（Ｐｈａｓｅ １一 Ｓｕｍｍｅｒ １９７０），ＡＤ７１８１００，Ｊａｎ．１９７１． ４结语 ［１Ｏ］Ｃａｇｎｉａｒｄ Ｌ Ｂａｓｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｅｏ— 基于大功率人工源的无线电磁探测技术的发展在我国 ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｃｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，１９５３１，１８：６０５—６３５． ［１１］Ｔ．Ｍ Ｇａｍｂｌｅ，Ｗ．Ｍ Ｇｏｕｂａｕ，Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ．Ｍａｇｎｅｔｏｔｅ１ｌｕｒｉｃ Ｄａ— 刚刚起步，由于极低频／超低频信号通过地面与电离层之间 ｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ：ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｂｉａｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｅｓ，１９７８，４３：１１５７— 的“波导”传播，其信号衰减小，可以传播数千公里范围，因 １１６９． 此通过把大功率人工源的无线电磁探测法与天然源大地电 ［１２］ＩＶＩ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，Ｐ．Ｇ．Ｈａｌｌｏｆ．ＣＳＡＭＴ ｃａｓｅ ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ａ 磁法结合起来进行采集处理的方法，既补充了现有天然源 ｍｕｌｔｂｃｈａｎｎｅｌ ＣＳＡＭＴ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｎｅａｒｆｉｅｌｄ ｄａ— ＭＴ方法接收信号弱，探测精度低的缺点，又补充了人工可 ｔａ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ［Ｃ］／／１９８５，Ｐｈｏｅｎｉｘ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｔｄ． 控源音频电磁法（Ｃ ＭＴ）设备笨重，探测深度浅（１～ ［１３］ｎ Ｅｇｂｅｒｔ，Ｒ．Ｂｏｏｋｅｒ．Ｒｏｂｕｓｔ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓ— ２ｋｍ）覆盖范围小的缺点，将极大提高地质勘探的工作效率 ｆｅｒ ｆｕｎｅｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｊ．Ｒ．ａｓｔｒ．Ｓｏｅ，１９８６，８７：１７３—１９４． 和精度，可满足能源和资源勘探、工程环境勘察、地震火山 ［１４］Ｂａｈｒ Ｋ．Ｉｎｔｅｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔｅｎ— 灾害监测、地壳上地幔结构探测、海洋和空间电磁测量等大 ｓｏｒ：ｒｅｇｉｏｎａｌ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｔｅｌｌｕｒｉｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｅｏ— 深度探测的需求，为地球物理、空间物理和无线电物理等学 ｐｈｙｓ，１９８８，６２：１１９—１２７． 科的研究提供了新的科学技术手段。 ［１５］Ａ ｎ Ｃｈａｖｅ，ｎ Ｊ．Ｔｈｏｍｓｏｎ．Ｓｏｍｅ Ｃｏｍｍｅｎｔｓ ｏｎ ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌ— ｌｕｒｉｃ ｒｅｓｐｏｎｄｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｉｆ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ 参考文献 ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９８９，９４：１４２１５－１４２５５． ［１６］Ｈｕａｎｇ Ｎ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ［１］底青云，王妙月，王若，等．长偶极大功率可控源电磁波响应特 Ｈｉｌｂｅｒｔ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｎｏｎ－ｓｔａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］． 征研究［Ｊ］．地球物理学报，２００８，５１（６）：１９１７—１９２８． Ｐｒｏｅ Ｒ Ｓｏｃ Ｌｏｎｄｏｎ １９９８，４５４：９０３—９９５． （上接第１３９页） 子工程，２０１０，（８）：１６５—１６７． ５ 结语 ［２］夏虹，刘永阔，谢春丽．设备故障诊断技术［Ｊ］．哈尔滨：哈尔滨 通信装备规模适中、普遍采用模块化及可测性设计的 工业大学出版社，２０１０，３． 特点，非常适合采用故障树分析法进行故障诊断与排除，对 ［３］朱学军，陈宇．基于ＦＴＡ的智能型故障诊断方法研究［Ｊ］．微计 提高装备可信性具有十分积极的作用及意义。在故障树的 算机信息，２００５，（６）：１２３—１２５． 建立过程中，应结合装备特点合理确定顶事件并划分底事 ［４］于永利，朱小冬，郝建平．系统维修性建模理论与方法［Ｍ］．北 件，并结合信号流程、控制电路及电源供应综合建立诊断流 京：国防工业出版社，２００７，６． ［５］许荣，车建国，杨作宾，等．故障树分析法及其在系统可靠性分 程，提高检测方法及流程的可操作性。应用故障树进行通 析中的应用［Ｊ］．指挥控制与仿真，２０１０（１）． 信装备故障诊断及排除时，不同的检测环境有着不同的最 ［６］王厚军．可测性设计技术的回顾与发展综述［Ｊ］．中国科技论文 优解，实际操作时根据应用人员技术水平并结合备品备件 在线，２００８，３（１）． 条件及排故要求等因素，可分别采用流程检测法、替换法或 ［７］司广宇，周云松，古斌．故障树分析法在设备维修中的应用［Ｊ］． 经验法。 指挥控制与仿真，２００３（９）． 参考文献 ［８］倪绍徐，张信芳，易宏，等．基于故障树的智能故障诊断方法 ［１］曹诚，李娜．军用通信装备通用测试诊断系统研究［Ｊ］．舰船电 ［Ｊ］．上海交通大学学报，２００８（８）：１３７２—１３７５．
