基于故障樹的軍機復雜系統任務可靠性建模預計方法研究

劉世華，黃軼華，鄒 蕊，阿西達

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

任務可靠性預計是估計產品在執行任務過程中完成其規定功能的概率。目前軍機系統級任務可靠性預計常見形式為繪制任務可靠性框圖，通過串聯、并聯、表決和旁聯等數學模型進行計算。隨著軍機系統復雜性的提高，關鍵系統具備功能重構設計，余度設計，系統內部的交聯關系更加復雜，系統之間接口關系復雜，使得此種傳統預計方法已不能保證對于復雜系統可靠性預計的完整性、精確性及與系統設計的一致性要求。因此，本文以某型機航電系統為例，建立以頂層任務失敗為頂事件，以單元的輸入端口功能失效狀態和單元自身的失效狀態為底事件的故障樹，以形式化建模語言Altarica為核心，實現接口、輸入端口、輸出端口失效的故障樹拼接，建立與系統設計一致的形式化模型，通過Saftylab、Rellab等常用軟件在此基礎上實現自動化的故障樹生成并計算系統任務可靠性指標。

1 任務可靠性建模方法

按照系統在執行任務剖面中的具體任務，梳理系統頂層功能及各功能對任務階段的影響，明確系統任務失敗判據，即在各任務階段，哪些功能發生故障會對任務階段產生影響，進而影響整個任務的完成。通過對系統功能建模和故障邏輯建模，建立以頂層任務失敗為頂事件，以單元的輸入端口功能失效狀態和單元自身的失效狀態為底事件的故障樹模型。

2 系統故障建模

2.1 系統功能建模

2.1.1 系統故障判據建模

系統故障判據建模，是以系統頂層功能的故障模式為底事件，以任務階段失敗為頂事件，建立故障樹，確定任務階段失敗與系統頂層功能故障模式之間的邏輯關系，得到系統任務失敗判據。

以某型機訓練剖面中“地面試車后起飛滑跑”階段為例，相關功能為飛機航姿感知功能、飛行高度感知功能、側滑角感知功能、位置導航功能等19個二級功能組成，組合邏輯為任一功能失效，則該任務階段失敗。“地面試車后起飛滑跑”任務階段失敗判據建模見圖1。

圖1 “地面試車后起飛滑跑”任務階段失敗判據建模

2.1.2 系統頂層功能建模

航電系統最終輸出的端口包括顯示功能、數據采集記錄功能、通信功能、攻角指示功能、武器外掛功能、訓練功能、照明功能、控制功能、飛行信息感知功能、導航等。功能模型如圖2所示。

圖2 航電系統頂層功能模型

2.1.3 系統內部構架建模

航電系統由顯示控制管理子系統、武器外掛子系統、通信導航子系統、大氣數據子系統、慣導子系統等9個子系統組成，根據系統功能原理，構建系統內部功能模型，由于航電系統內部功能模型較大，無法全部展示，僅以慣性導航子系統為例，根據慣性導航子系統所含模塊創建內部結構，根據系統功能流圖創建功能交聯關系。慣性導航子系統功能模型見圖3。

圖3 慣性導航子系統功能模型

2.2 故障邏輯建模

2.2.1 功能失效狀態定義

在功能模型中，系統或單元的每個輸出端口都代表一個系統或單元的功能，稱為“功能端口”，功能端口的類型中，就定義了這個功能的所有故障模式。這里以“導航功能”為例，示例功能失效狀態定義，如圖4所示。

2.2.2 單元失效狀態定義

在功能模型中，除了功能端口的失效定義外，還有單元的失效狀態定義。單元的失效狀態是指單元自身的功能故障模式，這些故障模式可能會影響到單元輸出功能的狀態。圖5是慣性導航部件的單元失效狀態定義。

2.2.3 故障邏輯建模

故障邏輯建模就是以單元的輸出端口功能失效狀態為頂事件，以單元的輸入端口功能失效狀態和單元自身的失效狀態為底事件，建立故障樹，描述它們之間的邏輯關系，如圖6所示。

圖6 某單元故障邏輯建模示例

3 任務可靠性預計

在系統功能建模和所有單元的故障邏輯建模完成后，整個系統的故障建模就完成了，通過Saftylab、Rellab等軟件自動生成以頂層任務失敗為頂事件，以單元的輸入端口功能失效狀態和單元自身的失效狀態為底事件的故障樹模型，由系統內各成品失效率自底向上計算頂事件發生概率，然后基于故障樹進行最小割集分析及任務可靠性指標預計。

4 應用實例

以航電系統為例，運用上述方法構建先以系統頂層功能的故障模式為底事件，以任務階段失敗為頂事件的故障樹，再以單元的輸出端口功能失效狀態為底事件，以系統頂層功能的故障模式為頂事件的故障樹，最后以單元的輸入端口功能失效狀態和單元自身的失效狀態為底事件，單元的輸出端口功能失效狀態為頂事件的故障樹。通過將此三層故障樹拼接，建立與系統設計一致的形式化模型，由系統內各成品組成及各成品失效率，得到航電系統訓練剖面任務失敗為頂事件的故障樹的最小割集及任務可靠性指標，如圖7和圖8所示。

圖7 航電系統任務可靠性分析結果

圖8 航電系統任務可靠性預計結果

5 結語

本文通過以某型機航電系統訓練任務失敗為頂事件，以單元的輸入端口功能失效狀態和單元自身的失效狀態為底事件構建故障樹，以形式化建模語言Altarica為核心，建立與系統設計一致的形式化模型，通過Saftylab、Rellab等評估軟件在此基礎上實現自動化的故障樹生成并且對任務可靠性給出定量和定性分析，彌補了傳統預計方法的不足，可保證復雜系統可靠性預計的完整性、精確性及與系統設計的一致性要求，使得復雜系統任務可靠性預計結果更準確。