基于FMECA分析的無人收放控制系統(tǒng)冗余策略研究

馬立偉，王俊雷，林尚飛

（中國船舶第七一五研究所，杭州 310012）

0 引言

無人系統(tǒng)在現(xiàn)代海洋戰(zhàn)略中有著無可替代的地位，近年來，水面無人艇、水下無人航行器等無人設(shè)備蓬勃發(fā)展，在海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源調(diào)查、軍事領(lǐng)域等方面均發(fā)揮著重要作用[1]。目前海洋無人設(shè)備的主要研制國家有美、英、法、俄等，在我國十八大戰(zhàn)略部署中，明確指出了海洋開發(fā)與安全的緊迫性和重要性。

無人設(shè)備載荷作為無人作業(yè)任務(wù)的核心，無人收放系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是其能夠完成指定任務(wù)的重要保證。無人收放系統(tǒng)是集機(jī)械設(shè)備、動力驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)于一體的集成系統(tǒng)，由于無人收放系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，增加了故障種類及出現(xiàn)故障的概率，導(dǎo)致無人收放系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性受到嚴(yán)重影響。無人收放控制系統(tǒng)作為接收作業(yè)任務(wù)、采集傳感器信號、輸出動作指令的中樞，監(jiān)控著整個無人收放系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，有必要對其進(jìn)行可靠性分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計，降低重大故障出現(xiàn)的概率，確保無人收放系統(tǒng)的可靠性[2]。已有研究表明，F(xiàn)MECA 分析是電子設(shè)備最有效的可靠性分析方法之一，是電子設(shè)備故障診斷、故障控制研究的基礎(chǔ)[3-4]。通過對無人收放控制系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，可使設(shè)計師明確對控制系統(tǒng)任務(wù)安全、設(shè)備安全、可靠性影響嚴(yán)重的故障模式和部件，可以作為設(shè)計改進(jìn)的依據(jù)，為冗余設(shè)計提供基礎(chǔ)，使冗余設(shè)計合理有效，降低致命故障發(fā)生的概率，提高無人作業(yè)任務(wù)的安全性和可靠性。

1 FMECA方法及冗余設(shè)計

FMECA （Failure Mode Effect and Critical Analysis）是可靠性分析方法的一種，由故障模式、影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩部分組成[5-6]，主要通過分析組成系統(tǒng)的每一個部件所有可能的故障模式，以及每種故障模式所造成的對系統(tǒng)的影響，并按照每種故障模式的發(fā)生概率以及故障造成的危害嚴(yán)重程度進(jìn)行分類的一種統(tǒng)計歸納性質(zhì)的分析方法[7]。FMECA 分析針對的是系統(tǒng)中每個部件的單點故障，無法對由多個部件共同影響的導(dǎo)致的故障模式進(jìn)行分析。FMECA 分析通常先進(jìn)行FMEA 分析，以確定系統(tǒng)所有部件可能的故障模式、原因，以及造成的故障影響，在FMEA 分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行CA 分析，對每種故障模式的危害性進(jìn)行計算分析，可以確定系統(tǒng)中發(fā)生概率大且造成嚴(yán)重危害的故障，為設(shè)計師改進(jìn)設(shè)計及可靠性分析提供依據(jù)[8]。

冗余設(shè)計又稱余度設(shè)計技術(shù)，是一種通過在系統(tǒng)關(guān)鍵部位增加一套以上的相同功能的部件以確保系統(tǒng)中該部件出現(xiàn)故障時，仍能完成相應(yīng)功能的設(shè)計，可確保系統(tǒng)的主要功能完整，減少故障發(fā)生概率，增加系統(tǒng)的可靠性[9-10]。冗余設(shè)計依據(jù)冗余信息的不同可分為硬件冗余和解析冗余，硬件冗余是指通過給系統(tǒng)增加相同功能的硬件模塊進(jìn)行冗余，解析冗余是通過構(gòu)造由系統(tǒng)的輸入、輸出及系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型組成的數(shù)值冗余關(guān)系，從而實現(xiàn)故障檢測與分離[11]。冗余設(shè)計按照工作方法可分為靜態(tài)冗余、動態(tài)冗余和混合冗余，靜態(tài)冗余是在確定系統(tǒng)部件會出現(xiàn)故障的基礎(chǔ)上，通過增加功能相同的部件的方式實現(xiàn)，在工作部件出現(xiàn)故障后，自動隔離故障部件，并切換至冗余部件，該方式實現(xiàn)較為簡單，但成本高；動態(tài)冗余是通過結(jié)合故障診斷、信息處理功能，在配置較少冗余部件的基礎(chǔ)上，排除故障部件而實現(xiàn)的冗余方式，該方式成本低，但要求系統(tǒng)具備故障診斷功能；混合冗余結(jié)合了靜態(tài)冗余和動態(tài)冗余，通過表決的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的一種冗余方式，該方式兼顧了成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，可有效提高系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性[12]。

2 無人收放控制系統(tǒng)

某型無人收放控制系統(tǒng)一般由電源、收放控制器、數(shù)據(jù)記錄裝置、傾角傳感器、壓力傳感器、接近開關(guān)、編碼器組成，無人收放控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無人收放控制系統(tǒng)組成

3 無人收放控制系統(tǒng)FMECA分析

本次分析對象為某型無人收放控制系統(tǒng)，采用的方法是硬件FMECA，依據(jù)規(guī)定的FMECA 層次分解方法對無人收放控制系統(tǒng)進(jìn)行功能和硬件分解，按照約定層次與分級功能從下而上對分析對象進(jìn)行故障模式、故障原因、故障模式嚴(yán)酷度、故障影響、故障概率、檢測方法、故障的使用補(bǔ)償措施分析。

根據(jù)每個故障模式對接收陣收放存儲裝置任務(wù)功能所產(chǎn)生最終影響，確定嚴(yán)酷度類別。結(jié)合無人收放控制系統(tǒng)的產(chǎn)品特點和工作性質(zhì)，嚴(yán)酷度類別定義如表1所示。

表1 嚴(yán)酷度類別定義

設(shè)備的故障模式主要根據(jù)設(shè)備發(fā)生故障時不同的表現(xiàn)現(xiàn)象得到，故障模式發(fā)生概率等級是指故障模式出現(xiàn)的可能性，分為A、B、C、D、E五個等級，如表2所示。

表2 故障的發(fā)生概率等級

危險風(fēng)險描述了危險發(fā)生的可能性和危險后果的嚴(yán)重性，用于對危險的評價和控制風(fēng)險等級依據(jù)風(fēng)險矩陣進(jìn)行判定。綜合每個故障模式的嚴(yán)酷度、發(fā)生概率等級和無人系統(tǒng)的特性可得出風(fēng)險矩陣，F(xiàn)MECA 分析的危險風(fēng)險的控制矩陣如圖2所示。

圖2 風(fēng)險矩陣

現(xiàn)將無人收放控制系統(tǒng)所有的硬件故障列出得到硬件FMECA 分析表，如表3 所示。由表可知，無人收放控制系統(tǒng)共12 個故障模式，其中II 類5 個、III 類5 個、IV類1 個，結(jié)合故障概率等級分析，可以得出風(fēng)險等級為R1的故障1個、R2的故障4個、R3的故障5個、R4的故障2個。

表3 無人收放控制系統(tǒng)硬件FMECA工作分析

4 無人收放控制系統(tǒng)冗余策略

對無人系統(tǒng)而言，應(yīng)嚴(yán)格避免風(fēng)險等級為R1、R2的故障發(fā)生，需要采取更改設(shè)計或增加冗余設(shè)計的方法消除或使R1、R2 類的故障降到R3 及以下等級；對于風(fēng)險等級為R3、R4 的故障，應(yīng)增加冗余設(shè)計或適當(dāng)?shù)氖褂醚a(bǔ)償措施，以確保設(shè)備安全及任務(wù)順利完成。

結(jié)合FMECA單個部件故障分析的模式和無人收放控制系統(tǒng)中部件故障檢測手段，可將上述12 種故障模式分為兩類：A 類故障中無人收放控制系統(tǒng)部件故障可進(jìn)行自診斷，并可進(jìn)行故障部件自隔離；B 類故障中無人收放控制系統(tǒng)部件故障不具備自診斷功能，不能完成故障部件自隔離[13]。針對A 類故障，可采用靜態(tài)冗余方法，其冗余模型按照并聯(lián)型設(shè)計，如圖3所示。

圖3 并聯(lián)型冗余模型

在增加冗余措施后，A 類故障的冗余可靠性計算結(jié)果如下：

式中：ηA為A 類故障可靠性；η為冗余部件n1 和n2 的可靠性。

為簡化計算公式，本文采用冗余部件可靠性相同的方式，在實際使用中可按照不同冗余部件真實可靠性進(jìn)行計算。

針對B 類故障，由于故障部件無法有效進(jìn)行故障自診斷和隔離，在進(jìn)行冗余設(shè)計時，無法簡單通過并聯(lián)的方式設(shè)計冗余模型，需采用表決的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，本文中采用三取二表決結(jié)構(gòu)，其冗余模型如圖4所示。

圖4 表決冗余模型

在增加冗余措施后，B 類故障的冗余可靠性計算結(jié)果如下：

式中：ηB為B 類故障可靠性；η為冗余部件n1、n2、n3的可靠性。

為簡化計算公式，本文采用冗余部件可靠性相同的方式，在實際使用中可按照不同冗余部件真實可靠性進(jìn)行計算。

通過以上對無人收放控制系統(tǒng)故障模式的分類，并針對各類故障模式進(jìn)行了冗余模型設(shè)計，以及可靠性計算，可以得出：A 類故障的冗余模型簡單易實施，可有效提高部件的可靠性；B 類故障的冗余模型增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，對提高部件可靠性有一定幫助。

無人收放控制系統(tǒng)在進(jìn)行冗余設(shè)計時，應(yīng)遵從以下冗余設(shè)計準(zhǔn)則：（1）應(yīng)盡量選用具備故障診斷功能的部件，尤其是系統(tǒng)核心部件；（2）對于不具備故障診斷功能的部件，采取冗余措施會大幅增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，因此在進(jìn)行冗余設(shè)計時應(yīng)謹(jǐn)慎選擇；（3）對于故障危害性較低的部件，應(yīng)從選型方面考慮，選用可靠性高的器件，不應(yīng)盲目增加冗余設(shè)計，加大系統(tǒng)負(fù)擔(dān)[13]。

結(jié)合無人收放控制系統(tǒng)FMECA分析得到的故障模式風(fēng)險等級，針對R1（F10）和R2（F1、F3、F6、F9）類故障在進(jìn)行冗余設(shè)計時，應(yīng)按照上述冗余設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行，對能夠進(jìn)行故障自診斷的設(shè)備增加冗余措施，對不能進(jìn)行故障自診斷的設(shè)備應(yīng)設(shè)備選型提高其質(zhì)量要求，通過降低失效率的方式降低發(fā)生概率等級，從而達(dá)到降低故障風(fēng)險等級的目的。

編碼器失效導(dǎo)致的排纜失效故障F10 屬于FMECA分析出的風(fēng)險等級最高的故障，在無人系統(tǒng)中應(yīng)嚴(yán)格避免該類故障，應(yīng)對排纜失效故障設(shè)計相應(yīng)冗余措施，以降低故障發(fā)生的可能性。首先依據(jù)故障檢測手段，確定其故障類型，在該型無人控制系統(tǒng)的設(shè)計中，控制器選用的是具備故障自診斷功能的控制器，在編碼器輸出故障時，控制器可有效進(jìn)行故障診斷，因此該故障屬于A類故障，可按照并聯(lián)冗余模型對編碼器進(jìn)行冗余設(shè)計，使排纜失效故障的發(fā)生概率降低到D級（不大可能），從而使排纜失效故障F10風(fēng)險等級降低至R3。

針對R2 類故障，由于F1 和F3 同屬于控制器類故障，且控制器具備豐富的故障自診斷手段，控制器應(yīng)按照硬件冗余的方式設(shè)計，采用靜態(tài)冗余方法，在控制器發(fā)生故障后，迅速切換至冗余控制器，可不影響控制器的正常功能，使控制器類故障風(fēng)險等級降低至R3 以下；F9 故障原因與F10 大致相同，可按照F10 的冗余措施對F9 故障設(shè)計冗余，可使F9 故障風(fēng)險等級降低至R3以下；F6 故障時關(guān)鍵位置的接近開關(guān)失效導(dǎo)致的，由于硬件層面導(dǎo)致接近開關(guān)故障的原因較多，無法正確進(jìn)行診斷，因此在此類故障發(fā)生時，無法通過硬件冗余的方式解決，但運(yùn)動控制可通過建立數(shù)學(xué)模型的方式對運(yùn)動過程進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和輸入、輸出關(guān)系，分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，通過解析冗余的方式使該類故障的危害降低，從而達(dá)到使風(fēng)險等級降低的目的。

按照冗余設(shè)計準(zhǔn)則，分別對R1 和R2 類故障模式的自檢測手段進(jìn)行了分析，確定了各故障的故障類型，針對不同的故障類型，使用硬件冗余和解析冗余等不同方式，采用靜態(tài)冗余結(jié)合動態(tài)冗余的方法進(jìn)行了冗余設(shè)計，制定了合理的冗余措施，使1個R1故障和4個R2故障的風(fēng)險等級下降至R3以下，減小了故障的危害性，提高了無人收放控制系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

本文介紹了FMECA 硬件分析方法和冗余設(shè)計方法，闡述了硬件FMECA的原理和分析步驟，并對某型無人收放控制系統(tǒng)進(jìn)行了FMECA分析，得出了12種故障模式，結(jié)合故障診斷方式，將無人收放控制系統(tǒng)故障模式分為兩類，針對每類故障模式設(shè)計了相應(yīng)的冗余模型，并給出了兩種冗余模型的可靠性計算方法，在此基礎(chǔ)上，提出了無人收放控制系統(tǒng)冗余設(shè)計準(zhǔn)則，依據(jù)該準(zhǔn)則對危害性較高的5類故障模式進(jìn)行了冗余設(shè)計分析，使風(fēng)險等級降低至R3以下。

通過對無人收放控制系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，可以使設(shè)計人員掌握更多的無人收放控制系統(tǒng)故障信息，并按照無人收放控制系統(tǒng)冗余設(shè)計準(zhǔn)則和冗余模型進(jìn)行冗余設(shè)計，可以有效降低致命故障發(fā)生概率，提高設(shè)備可靠性。