基于故障樹的吊放電纜常見故障分析

李瑞紅，張飛飛，趙申東

（海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

航空吊放聲納是通過吊放電纜將水下分機放入水中進行目標探測。在整個搜潛過程中吊放電纜既需要靠本身的拉力來提升、下放和懸掛水下分機，又需要傳遞水下分機與機載設備之間的各種信號，是一個集機械和電氣性能于一體的高科技材料構成的設備，在整個吊放聲納搜潛系統當中發揮著舉足輕重的作用。吊放電纜的一點點故障都會對整個搜潛過程產生嚴重的影響，所以，吊放電纜的維護與預防就顯得格外重要。

故障樹分析法也稱故障樹診斷法，是一種將系統故障形成的原因由總體到部件按樹枝狀逐級細化的分析方法。故障樹分析法是“由果求因”的演繹分析方法，是一個根據故障尋求發生原因的過程，能夠找出系統內部各種可能發生的設備失效、環境因素改變或者人為因素等各類底事件與系統故障之間的邏輯關系[1-2]。

本文就吊放電纜的常見故障問題，運用故障樹的方法，對吊放電纜損傷的原因進行分析，計算常見故障問題發生的概率，并根據分析結果提出裝備故障問題預防和優化的建議。

1 故障樹分析法

故障樹分析法，簡稱FTA法（Fault Tree Analysis），是分析大型復雜系統的安全性和可靠性的有效工具。其以簡單的概率論、布爾代數和邏輯符號等為基礎，運用從上到下的方法、生成的一個對系統可靠性定性與定量分析的邏輯模型[3]。

1.1 故障樹的定性分析

對故障樹進行定性分析的主要目的是為了找出導致頂事件發生的所有可能的故障模式，也即弄清系統（或設備）出現某種最不希望的故障事件有多少種可能性[1]，通過求得最小割集，發現系統設計的最薄弱環節，搜尋故障源，以便改進設計，或用于指導故障診斷，改進運行和維修方案[4-8]。

1.2 故障樹的定量分析

故障樹的定量分析是在求得最小割集之后，根據底事件的發生概率，運用概率論的知識，計算頂事件的發生概率和各個底事件的重要程度，為有效地控制故障的發生概率以及更好地進行設備的維護提供依據[8-9]。

2 吊放電纜故障樹的建立

水下分機是執行反潛任務的核心設備，搜潛效果的好壞主要取決于水下分機的質量，所以用來承重吊掛水下分機并進行信號傳輸的吊放電纜對于整個搜潛系統來說至關重要。但是由于受材料限制、惡劣的使用環境及使用過程中的人為因素的影響使得吊放電纜的損傷問題較多。針對吊放電纜的損傷問題，運用故障樹的方法，對吊放電纜損傷的原因進行分析，以期望對裝備的維護保養有一定的預防作用。

首先，考慮系統設計、保障和作業環境等因素，列出造成電纜損傷問題的所有原因，定義各中間事件和底事件含義，見表1。

表1 吊放電纜損傷故障的原因

開始建立故障樹，從頂事件開始，逐級向下，直到底事件[10]。例如，“X5（遇到特殊情況時操作人員操作不當）”“X6（直升機突然轉向運動）”“X7（風浪過大）”這3個底事件只有同時發生，其中間事件“G3（吊放電纜受力過大）”才會發生，所以，3個底事件與中間事件之間應該用邏輯與門連接；而“X1（吊放電纜材料老化）”“G4（吊放電纜設計不當）”2個事件只要其中一件發生，其上級事件“G1（吊放電纜強度不足）”就會發生，所以這2個底事件與上級的中間事件用邏輯或門連接，通過順次這樣的演繹，一直將所有的原因全部找出來為止，就建立起如圖1所示的故障樹圖[11]。

圖1 吊放電纜損傷問題故障樹圖

3 故障樹的定性分析

3.1 求最小割集

利用布爾代數法，對故障樹進行化簡，得到最小割集

所以，最小割集為{X1}、{X2X3}、{X3X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

電纜損傷故障一共有6個最小割集，也就是說有6種途徑可以導致該故障的發生。其中最小割集只含有1個基本事件的有：{X1}、{X5}、{X6}、{X7}是一階最小割集，{X2X3}、{X3X4}中含有2個基本事件，屬于二階最小割集。可以認為事件X1（吊放電纜材料老化）、事件X5（遇到特殊情況時操作人員操作不當）、事件X6（直升機突然轉向運動）、事件X7（風浪過大）這4個基本事件是重要事件，平時應加強電纜的維護保養和相關人員的業務培訓工作。

3.2 求最小徑集

為求得最小割集，需建立成功樹，通過故障樹圖得出的成功樹圖如圖2所示。

圖2 吊放電纜損傷問題成功樹圖

用布爾代數法來求取成功樹的最小割集，此時的最小割集即為最小徑集，如下

由上式得出最小徑集如下。

從最小徑集來看，一共有12個最小徑集，也就是說要通過預防這12條途徑來預防故障的發生。例如，要想防止P1的發生，只需確保事件X1（吊放電纜材料老化）、事件X2（設計人員經驗不足）、事件X3（對水下分機不夠了解）和事件X4（作業前檢查失誤）同時不發生即可。

4 故障樹的定量分析

4.1 電纜損傷發生概率的計算

定量分析的主要任務是在底事件相互獨立和已知其發生概率的條件下，計算頂事件的發生和底事件重要度等信息。根據底事件實際發生情況，假設底事件的發生概率已知，見表2。

表2 引起吊放電纜損傷的事件發生概率

設Y（x）是故障樹的結構函數，利用布爾值的頂事件概率公式為

式中：φ（x）表示頂事件的狀態值，為0或者1；xi為底事件的概率；yi表示底事件的狀態值，為0或者1。

即

式中：g1=1-（1-q1）（1-g4）；g2=q3q4；g3=q5q6q7；g4=q2q3。

Y（x）表示頂事件的發生概率；gi表示中間事件的發生概率；qi表示底事件的發生概率。

將數據帶入可得到吊放電纜損傷故障發生的概率為Y（x）=0.238。

4.2 概率重要度計算

在定性分析中有結構重要度的概念，只是從結構上對各個底事件的重要程度的定性分析。如果要進一步研究底事件的發生概率對頂事件的發生概率的影響，需要及時了解事件發生的概率重要度。

概率重要度計算公式

式中：Ig(i)表示系統中基本事件的概率重要度；Y(i)表示系統的結構函數；y(i)表示基本事件概率。

已知該故障樹的最小割集為{X1}、{X2X3}、{X3X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

結構函數為Y（x）＝X1∪X2X3∪X3X4∪X5∪X6∪X7。

根據公式概率重要度公式，將數據代入公式得

4.3 臨界重要度的計算

臨界重要度是底事件i故障發生概率的變化率與所引起的頂事件發生概率變化率之比。

臨界重要度的計算公式為

式中：C[ Ig( i )]是系統的底事件的臨界重要度；Y（i）為頂事件的發生概率。

根據上式，得出臨界重要度。整理得到概率重要度和臨界重要度表，見表3。

表3 引起吊放電纜損傷故障基本事件的概率重要度和臨界重要度表

將概率重要度由大到小排列：

將臨界重要度由大到小排列：

參考基本事件的重要度，從全局的角度來考慮預防系統發生故障失效的原則，重點關注的對象：事件X5（遇到特殊情況時操作人員操作不當）、事件X1（吊放電纜材料老化）、事件X6（直升機突然轉向運動）和事件X7（風浪過大），余下事件作為最后考慮。

5 結論與建議

利用故障樹不僅能夠分析出事故的直接原因，還能夠觀察到事故的潛在原因，通過故障樹的理論分析和對實際案例的整理，可確定整個吊放電纜系統的好壞與吊纜老化程度、使用環境及維護使用人員都有關系。因此在日常維護中應加強電纜的日常檢查，規范人員的操作培訓，以有效降低吊放電纜損傷故障的發生。

針對吊纜材料老化的問題，在日常維護中應嚴格遵循廠家的建議，在達到規定次數后及時更換；入水操作后應及時清洗吊纜表面的海水結晶，并定期對外表涂抹硅脂，做好潤滑工作，延緩老化，增長使用時間；在排纜時，應按照預先規定將吊放電纜纏繞在鼓輪上，避免吊放電纜互相重疊、排列疏松，導致表皮的損壞。

通過對吊放電纜損傷的故障樹分析可以看出，吊纜的損傷不僅與地勤人員的維護有關，同時受到空勤人員業務水平和應變能力的影響。這就為設備維護和預防打開了一個新的方向，既要加強地勤人員對設備的維護水平，也要提高空勤人員的業務素質，只有維護與使用的整體提高，才能帶動裝備的發展，從而減少故障發生的幾率。