天文望遠鏡控制系統可靠性數據庫的研究建立

李建玲 劉東亮 何麗萍

摘 要：天文望遠鏡控制系統是望遠鏡的關鍵組成部分，其可靠性對望遠鏡的穩定運行起著重要作用，對其可靠性的分析和研究在望遠鏡設計、研制與運行階段都是必須考慮的問題。文章基于實際的運行條件和操作環境，總結分析望遠鏡控制系統運行和維護數據，研究建立一套控制系統可靠性數據庫，利于望遠鏡控制系統的故障檢測與維護，為望遠鏡長期高效運行提供有效信息，為控制系統的性能改進提供數據依據，同時有效預防相關設備故障的發生，減少不必要的損失。

關鍵詞：天文望遠鏡 控制系統 故障 可靠性數據庫

中圖分類號：P111.4；N945.17 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0040-02

基于現代計算機技術和電子技術的望遠鏡控制系統，是大型望遠鏡系統的重要組成部分[1]。控制系統的性能優劣對于望遠鏡的穩定運行與觀測具有的重要意義不言而喻，現代大型天文望遠鏡要求其控制系統響應快、精度高、故障率低，控制系統可靠性的保障是必須考慮的問題。可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力[2]。這里的產品可以泛指任何系統、設備和元器件[2]。從某一個角度來說，任何系統都不可能百分之百的不發生故障。對于天文望遠鏡控制系統這類需要工作在較為惡劣的自然環境條件下的系統來說，其可靠性的研究更為復雜也更為重要，其控制系統本身是一個高復雜度、高精度、具有一定專有用途的機電系統。為了長期、高效、安全、穩定運行和使用現代大型天文望遠鏡，順利完成各項觀測任務、獲取有效天文數據，從工程技術的角度出發，需要我們建立一套天文望遠鏡的運行維護體系，在這個體系中，可靠性數據庫的建立是必不可少、十分重要的。

20世紀60年代以來，空間科學和宇航技術的發展提高了可靠性的研究水平，擴展了其研究范圍[3]。對可靠性的研究，已經由電子、航空、宇航、核能等尖端工業部門擴展到電機與電力系統、機械、動力、土木等一般產業部門，擴展到工業產品的各個領域[3]。目前，對于望遠鏡控制系統的各類故障模式、影響程度等可靠性性能的分析和研究相對來說比較少，在實際中沒有得到特別廣泛的應用。

在天文望遠鏡運行維護體系中，根據望遠鏡電氣控制系統設備的日常運行與維護需求，基于相關設備已有的實際數據，通過各類可靠性分析、研究方法，基于實際運行環境條件，進行可靠性數據分析。同時廣泛有效地收集實際工作中設備的運行數據、環境數據、維修數據、故障失效數據等實際應用的相關數據，另外，從各類設備的工作原理出發，得出望遠鏡控制系統設備在實際運行環境中各種潛在的故障模式、故障原因，總結形成控制系統設備可靠性數據庫，這是該文涉及的望遠鏡控制系統的可靠性數據庫，進行此數據庫研究最直接的目的是協助工程技術人員和觀測人員在遇到實際問題時充分利用數據庫中的實踐數據和模型，快速對應找到問題所在，及時排查解決問題，有效提高控制系統的維護效率，同時及時有效地避免一些故障的發生，防患于未然，這對于望遠鏡長期、可靠、經濟運行具有較為實際的價值和意義。研究建立一套控制系統的可靠性數據庫對于工程應用也具有實際意義，有利于望遠鏡可靠性保障和性能優化，減少不必要的經濟損失以及觀測時間的損失。

1 望遠鏡控制系統可靠性數據庫的組成

某一射電天文望遠鏡控制系統的主要組成如圖1所示。望遠鏡控制系統由模塊化的子系統構成。在進行可靠性數據庫的建立時可以分模塊來完成。這個模塊化系統的另外一個優勢是每一個子系統在開發和運作階段都可以為測試目的獨立工作[4]。本文以此為例來進行數據庫的建立。

根據控制系統各功能模塊組成設備的復雜程度及重要性的不同，選取和分析相關功能設備的數據，組成可靠性數據庫。

研究與建立的可靠性數據庫的結構組成如圖2所示。主要包括運行數據庫、故障數據庫和數據分析庫。數據庫中，對于每一個設備類，給出其設備編碼、名稱、型號、功能、參數、故障失效模式等一系列信息。

其中，運行數據庫匯總設備長期的與實際運行相關的數據，這是一個長期收集積累的過程，故障數據庫包括設備實際故障數據以及通過分析得出的潛在故障數據，數據分析庫包括設備故障分析、設備可靠性參數的分析等。設備全面的運行數據和故障數據是建立可靠性數據庫必需的基本信息，也是對整個控制系統進行可靠性分析和研究的依據，而設備可靠性分析與其可靠性設計息息相關。可靠性數據分析給可靠性設計和可靠性試驗提供了基礎，為可靠性管理提供了決策依據[5]。

2 望遠鏡控制系統可靠性數據庫的建立

數據庫的建立可分為以下步驟進行：

2.1 設備的選取，可靠性分析條件的選擇

選取用于實際分析和研究的控制系統相關設備。選取在望遠鏡實際工作環境下較為典型的運行環境條件（包括自然環境條件和人為操作環境條件），基于多種條件進行相應設備的分析。在不同條件下，獲得的結果相應也會不同。在低海拔地區實驗室條件下和在高海拔地區野外臺站的環境條件下的分析結果會有很大的區別。

2.2 可靠性數據的收集、歸納、總結

歸納總結望遠鏡控制系統各設備實際運行中的相關數據。數據庫中，望遠鏡控制系統實際運行工作中的數據各有差別、各有特點，數據量比較大，不一一列出。

2.3 分析研究對象，形成可靠性數據庫

對所選取設備的分析和研究主要采用FMEA（失效模式及影響分析）和FTA（故障樹分析）方法進行，這是在可靠性分析研究中廣泛采用的方法。找出潛在可能出現的故障模式，故障產生的原因以及對整個望遠鏡運行產生的影響等。通過對造成設備故障的各種因素（包括硬件、軟件、環境、人為因素等）進行分析研究，從源頭出發，找出故障原因，提出相應的改進措施。望遠鏡控制系統典型故障樹分析過程如圖3所示。一般來說，電機的故障可分為電氣故障和機械故障[6]。

基于以上數據的歸納、總結、分析和研究，建立、完善望遠鏡控制系統設備可靠性數據庫。

在實際操作中，可以實現數據庫信息的交互與共享，設置不同的權限，工程技術人員和望遠鏡使用人員可以查詢、瀏覽、添加、修改、更新數據庫中的信息，系統管理員負責數據庫的日常維護。利用數據庫的信息可以進行可靠性數據分析研究，優化系統的維護方案，提高系統的運行效率，并為后續可能的望遠鏡控制系統的改進與更新出謀劃策。

3 結語

針對天文望遠鏡控制系統日常運行與維護需求，形成望遠鏡控制系統的運行維護體系，保障相關設備的穩定運行，同時獲取設備全面的可靠性數據，優化系統性能，該文以某一天文望遠鏡控制系統主要組成為基礎，給出了其控制系統可靠性數據庫的結構組成、建立步驟、可靠性分析方法與過程等。可靠性數據庫要在望遠鏡的運行中得到實際應用、發揮作用，還需要在現有初步研究的基礎上進行更進一步的分析研究。

參考文獻

[1]鄧小超.大型望遠鏡異構控制系統的研究[D].合肥：中國科學技術大學，2012.

[2]曾聲奎.可靠性設計與分析[M].北京：國防工業出版社，2011.

[3]宋保維.系統可靠性設計與分析[M].西安：西北工業大學出版社，2008.

[4]G.Winnewisser，M.Bester，R.Ewald，et al.The University of Cologne 3-m radio telescope[J].Astronomy and Astrophysics， 1986（167）：207-213.

[5]趙宇.可靠性數據分析[M].北京：國防工業出版社，2011.

[6]張燁，康勁松，房立存.驅動電機系統故障機理及可靠性分析[J].機電一體化，2008（12）：64-68.