基于故障树的某型功放故障诊断系统的设计与实现

摘要功放是通信对抗系统中的关键设备之一，但其设备组成复杂，专业性较强，对维修保障人员的技术水平、检测检修经验、知识面等要求较高。针对某型功放的维修检测实际情况，设计了一个故障诊断系统，通过故障树分析法对故障知识进行表达,能有效减少检测时间,提高工作效率。

【关键词】功放 故障树 故障诊断

1 引言

功放是通信对抗系统中的关键设备之一，具有设备原理复杂、电子元器件数量及种类多、容易出现故障等特点。当前功放检测及维修主要依靠生产厂家工程技术人员的经验维修法，并且需要工程技术人员具有丰富的经验才能对功能的故障正确定位和维修，与现代战争对装备技术保障的要求相比，存在着很大的差距。 因此，能否对功放实施快速、准确的故障检测，对功放的技术保障、维修、提高部队战斗力有着极其重要的作用。笔者针对功放的故障特点，采用故障树分析( FTA)方法，根据数据库技术、模糊诊断算法等理论，设计并实现了基于故障树的某型功放故障诊断系统。

2 故障树模型的建立

2.1 基本理论介绍

故障树分析法是1961 年由美国贝尔实验室的花生和汉塞尔首先提出的， 并用于民兵导弹发射系统的控制， 取得了良好的效果，1965 年在波音公司安全年会上发表， 引起学术界的重视。1974 年美国原子能管理委员会发表了采用故障树分析商用原子反应堆安全性的Wash□1400 报告， 进一步推动该法的研究和应用。

故障树分析法是把分析系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标， 然后找出直接导致这一故障发生的全部因素， 再找出造成下一级事件发生的全部直接因素， 直到那些故障机理已知的基本因素为止。通常把最不希望发生的事件称为顶事件, 不再深究的事件称为底事件, 而介于顶事件与底事件之间的一切事件称为中间事件, 用相应的符号代表这些事件, 再用适当的逻辑门把顶事件、中间事件、底事件联结成树形图, 即构成了故障树。其常用符号如表1。

2.2 故障树建立

通过对某型功放的故障现象进行假设，根据设备工作原理，寻找导致故障现象发生的全部可能因素，并最终定位到部件或板卡，甚至到元器件。以某型功放“功率下降”故障为例，其故障树如图1所示，其中T表示顶事件，M表示中间事件，X表示底事件。在图1中，T表示功放功率下降；M1驱动放大器故障表示；M2电调衰减器故障表示；M3表示放大器供电故障；X1表示220V电源故障；X2表示散热风扇故障；X3表示分路器故障；X4合路器故障表示；X5表示控制板故障；X6表示衰减器故障；X7表示稳压模块故障；X8表示24V电源故障。

3 故障诊断知识库

3.1 知识库和推理机

知识库是诊断知识的集合，用于存放系统的所有规则与信息。知识库简单来说，就是将诊断专家的知识和经验，编制成计算机可读可理解的一系列规则。本系统采用的是目前应用最广泛的若一则（IF- THEN）形式产生规则。

例如，图1中M1驱动放大器故障节点对应的一组规则是：if（>，功率下降超过20dB）then （是 M3）else （X3 or X4）。如果判断在驱动放大器信号功率下降超过20dB，则进入M3节点，如果功率下降不到20dB则进入X3或X4节点（X3和X4节点进入的顺序在诊断顺序排序章节中说明）。进入M3节点之后，根据人机界面的操作提示，装备维修人员输入检测值，系统匹配知识库中的规则激活下一级故障树。由此，故障树之间的逻辑结构就很清晰的表现出来了；然后根据不同的规则，位于上层的叶节点分别进入到不同的下一级故障树中。依此类推，整个知识库中的知识就用计算机语言逐步建立。

在进行知识表示时，表中节点的相关信息包含着故障诊断的步骤。对于每一个故障树，故障树的顶事件对应于要分析解决的任务，其底事件对应于的推理结果，故障树由顶到底的层次和逻辑关系对应于的推理过程。在本系统具体设计中，由于功放设备故障复杂, 可能会出现多故障并发, 诊断结果可能有多个, 因此本系统采用正向推理, 从己知的事实出发运用规则库中的规则一步一步推导出结论。

3.2 诊断顺序的排序

传统的装备维修保障对于数据的收集很少，导致具体实现起来难度很大，特别是功放设备，一般在缺少足够数据的情况下，要对故障概率作出精确的估计是很困难的。因此，我们在诊断顺序的排序过程中提出规则如下：

（1）假定每一个独立部件的故障率相等。

（2）根据测试时间的长短以及测试方法的难易程度，给对应的部件故障率进行加权计算，使测试时间短、测试方法简单的部件诊断靠前。

（3）在系统使用过程中，对“确诊”的故障部件，给对应的部件故障率进行加权计算，每出现一次加1，使其诊断排序靠前。

（4）根据以往的工作经验和资料提供的故障概率，进行适当的加权。

4 系统设计与实现

4.1 系统组成框图

功放故障诊断系统主要由信号测量系统、信号测试与控制系统、软件系统组成。整个系统结构如图2 所示。装备维修人员通在软件人机界面输入故障现象，故障诊断系统从知识库中获取此故障现象的故障诊断步骤，依据人机界面提示的测试方法，通过测试系统测试部件的供电电压或者信号功率，逐步定位到故障单元。

4.2 软件设计

根据功放故障诊断、维修情况记录和维修管理的需要, 将系统软件分为三个子系统，分别是测量子系统、诊断子系统和信息管理子系统，每个子系统完成特定功能。软件功能结构如图3所示。

4.2.1 测量子系统

此型功放在诊断过程中，各测试节点测试内容主要为零部件的供电和信号在各部件的放大情况。装备维修人员通过人机界面，控制频谱分析测量设备、功率计、数字万用表等设备，自动获取、记录各测试节点相关测试数据。诊断过程各节点测试数据能打印输出。

4.2.2 诊断子系统

诊断子系统是本系统的核心模块。故障诊断模块根据装备维修人员输入的故障现象，先获取此故障现象相关的故障树, 根据故障树id 初步确定故障树中各节点事件的优先级; 然后根据根据测量子系统中的测试结果, 系统从知识库中选择规则对测试结果进行匹配，匹配成功则进行故障树下一节点的故障诊断,直到进行到底事件也就是叶节点; 最后给出诊断结果。诊断过程中的详细记录可以形成报表打印输出。

对于知识库中的信息可以进行更新。

4.2.3 信息管理子系统

装备数据管理包括装备数据查询和管理两个模块。装备数据指同一型号装备的所有数据，包括装备的生产厂家、战术指标、技术参数、列装时间、维修记录等信息。装备管理人员可以通过关键词查询装备在一段时间内的维修使用情况，装备数据能进行更新。

维修记录管理模块的功能是在装备故障排除后对维修情况进行电子登记。通过维修记录管理模块, 将装备的故障发生事件、装备状态、故障现象、排除方案、排除结果以及备品工具、仪器仪表的使用情况进行记录, 并根据记录结果统计数据统计，对诊断顺序进行优化排序。

维修资料管理包括资料查询和管理两个模块,维修资料包括工作原理说明、使用/ 技术说明书、维修手册、机械结构图、布局图、线缆联接图等。维修查询用户可以通过关键字、电路图编号、元件位号查询装备的组成结构图、电原理图及所有元器件的型号和技术参数; 通过故障现象描述的关键词查询数据库中收录和累积的可能故障分析与排除方案。同时可以对所有维修资料进行更新。

备件管理是对装备备件、耗材的配备数量、使用情况等进行管理。当维修记录提交后, 备品工具的使用、库存等数据自动更新。

5 结束语

我们以Oracle 10i作为数据库平台, 以Visual C++ 6.0作为开发平台, 开发出了某型功放故障系统。实现了对某型功放故障诊断、故障信息统计、维修记录管理等功能。系统经通信对抗部队装备维修人员试用， 达到了预期效果。同时, 由于具有通用的知识表达环境，该系统具有良好的移植性。下一步将建立通信对抗装备整车、整系统的故障诊断系统，方便技术人员的维修，提供部队装备技术保障能力。

参考文献

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[2]段隽喆.基于故障树的故障诊断专家系统研究[J].科学技术与工程,2009.

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[4]李志成.雷达发射机的故障树分析[J].舰船电子对抗,2007(08).

作者单位

中国电子科技集团公司第54研究所河北省石家庄市050081

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