典型雷達基于可靠性的故障分析方法

王利斌 劉殿卿 劉迪

摘 要：針對典型雷達裝備，提出故障分析方法，將FMEA、FMECA與FTA方法的優點和缺點進行比較。

關鍵詞：故障分析；可靠性；FMEA；FMECA；FTA

引言

通過故障分析，對雷達裝備系統和分系統單元進行評價，從而增加整體可靠性水平。因此，對武器系統及分系統單元的故障進行詳細、具體地系統性的分析是非常需要的，故障分析技術構成了在可靠性分析過程中最基本、最重要的內容。

一、FMEA

故障模式影響分析（Failure Mode Effect Analysis，簡稱FMEA），是在經驗的基礎上演變出來的方法，美國格拉曼公司系統地采用并且固定了這種方法的形式，在本質上是一種定性的分析方法。根據已完成的設計，用表格的形式表示，從低層部件次開始，逐步向高層整體次的全面的分析，根據分析結果提出改進意見。

1.1故障影響區分

基于雷達裝備使用和設計功能，每個假設的故障模式導致裝備產生的后果進行等級劃分，可以分為局部影響、高層次影響、最終影響。局部影響是預想的故障模式對所分析雷達武器裝備部件功能或狀態的影響，對評價補償措施及提出改進意見提供依據。高層次影響是預想的故障模式對當前所分析雷達武器裝備的重要層次使用、功能或狀態的影響。最終影響使預想的故障模式對最高層次的雷達武器裝備整體使用、功能或狀態的影響。

1.2 FMEA分析的目的

雷達武器裝備FMEA分析，是對發生故障的所有潛在故障模式進行系統分析，并達到以下目的：

（1）對武器系統功能和性能有重大影響的故障模式進行重點分析；

（2）有助于新型號設計方案作出客觀、科學的評價，并選擇出滿足要求的最優方案；

（3）能全面的分析雷達裝備所有子系統的各種故障模式及其影響程度；

（4）能為進一步定量分析雷達裝備提供基礎；

（5）能為改進武器系統設計提供資料、技術條件。

劉義樂等人基于國外的某些成熟的理論提出了一種改進的FMEA，這種方法能夠在裝備的使用階段開展FMEA，達到縮減其工作量、避免遺漏和錯誤。相對傳統FMEA主要應用于使用過程中，目的是降低使用和維護的工作量，提高可靠性和管理水平。在一些發達國家的裝備使用和維護過程中，以故障源分析技術為背景的改進FMEA獲得廣泛應用，借鑒改進FMEA成熟經驗，使用較小投入獲取較大收益，對不斷提高和改進我國武器裝備可靠性和可維修性意義重大。

二、FMECA

針對雷達武器裝備可靠性分析，運用FMECA（Fault Mode Effect and Criticality Analysis）這一重要的定性分析方法，即故障模式、影響及危害度分析。FMECA方法是在FMEA基礎上發展而來的。二十世紀中期，隨著對可靠性研究的深入，“危害度”這個概念開始應用飛機操縱系統，十年后這種技術逐漸走向成熟，隨之而來，很多行業開始關注FMECA，FMECA是一種自下而上的分析方法，從基本零件到子系統，最后對整個系統分析。FMECA可以為雷達武器裝備的維修性、易損性和武器裝備后勤保障、雷達子系統改進設計提供信息來源。

定性的分析方法是將每種故障模式對雷達武器裝備的影響和后果進行評定。嚴酷度類別分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類。Ⅰ類表示的指災難故障是一種會造成人員死亡或雷達武器裝備系統毀壞的故障。Ⅱ類表示的致命故障是一種導致人員嚴重受傷，武器系統性能嚴重降低或武器系統嚴重損壞，從而使任務失敗的故障。Ⅲ類表示的臨界故障將使人員輕度受傷，雷達武器裝備性能輕度下降或輕度損壞，從而導致任務延誤。Ⅳ類表示的輕度故障是一種不足以導致上述三類后果的故障，但它會導致需要進行非計劃性維修。

故障率等級分為A級、B級、C級、D級和E級。A級代表雷達武器裝備故障經常發生，在雷達武器裝備使用中發生故障的概率是很高的，故障模式出現的概率是總故障概率1.2倍以上。B級代表雷達武器裝備故障有時發生，在雷達武器裝備使用中發生故障的概率為中等，故障模式出現的概率是總故障概率1.1～1.2倍。C級代表雷達武器裝備故障偶然發生，在雷達武器裝備使用中發生故障是偶然的，故障模式出現的概率大于總故障概率，并在1.1倍以內。D級代表雷達武器裝備故障很少發生，在雷達武器裝備使用中發生故障概率是很小的，故障模式出現的概率為總故障概率的1%～10%。E級代表雷達武器裝備故障極少發生，在雷達武器裝備使用中發生故障概率接近于0，故障模式出現的概率小于總故障概率的1%。

FMECA的分析程序如圖1所示。

三、故障樹分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是1962年由美國貝爾電話研究所（BTL）提出的。FTA方法在雷達武器系統壽命周期的任何階段都可以采用，因為FTA表達直觀，信息清晰可見，邏輯嚴密并進行定量的分析，對處理復合起因，特別是人員差錯效果明顯。所以，FTA廣泛應用于安全工程領域中。

4.1 故障樹分析的特點

（1）故障樹分析對雷達武器裝備整體可能出現的故障進行全面考慮，不僅對雷達分系統故障產生的故障影響進行細分，還考慮到雷達武器裝備操作軟件應用環境和人為等因素。

（2）故障樹清晰的圖形邏輯演繹，直觀清晰的看出故障之間的邏輯關系，從而通過故障現象定位故障可能產生的薄弱環節。

（3）建立故障樹，相當于為雷達武器系統建立一個維修和檢測指南，裝備使用人員可通過故障樹檢查兵器故障原因。

（4）故障樹分析缺點主要為：建立雷達武器故障樹耗費人力和時間，需要考慮的因素多、難度大，對武器裝備分析人員要求較高，容易漏項和出錯。

4.2 故障樹分析過程

FTA一般的實施步驟按照熟悉分析對象、選定頂事件、故障樹建立與簡化、定性量分析、總結（評價，改進建議等）的順序進行。具體分析程序如圖2所示。

4.3 結合某型雷達的故障樹分析

結合某型雷達可靠性的研究，按照雷達的結構機理，建立故障樹包括：電源故障、發射系統故障、接收系統故障、信號系統故障和顯示類故障幾種情況。