基于故障樹分析法的某控制系統故障與可靠性研究

摘" 要： 針對復雜衛星載荷控制系統高可靠性提升問題，聚焦系統故障潛在原因，提出一種基于量化底事件與頂事件重要度解析的故障樹分析方法。以衛星載荷控制系統設計原理及功能為基礎，利用故障樹分析法定義故障樹頂事件，查找故障原因，確定與底事件之間的邏輯關系，構建故障樹；利用布爾代數方法確定故障樹最小割集，對故障樹底事件進行定性分析；通過最小割集失效率對頂事件進行定性分析，調整單一底事件的質量參數，對底事件與頂事件重要度依賴關系進行量化。研究結果表明，故障樹能直觀顯示系統存在的故障原因，主控芯片故障、時鐘信號異常、上位機復位通道故障等為影響系統可靠性的主要故障因素，可根據量化底事件對頂事件故障的影響程度，實現對產品設計、生產、調試、運行過程中潛在故障的預先排查。

關鍵詞： 衛星載荷控制系統； 故障樹分析法； 可靠性提升； 最小割集； 定性分析； 定量分析

中圖分類號： TN406?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）22?0001?06

Research on fault and reliability of a control system based on fault tree analysis

Abstract： In allusion to the problem of high reliability improvement in complex satellite payload control systems， a fault tree analysis method based on quantified bottom event and top event importance analysis is proposed by focusing on the potential causes of system faults. Based on the design principles and functions of the satellite payload control system， the fault tree analysis method is used to define the top event of the fault tree， identify the cause of the fault， determine the logical relationship between the bottom events， and construct a fault tree. The Boolean algebra method is used to determine the minimum cut set of fault tree and qualitatively analyze the bottom events of fault tree. The top event is qualitatively analyzed by the minimum cut set failure rate， the quality parameter of single bottom event is adjusted， and the importance dependence between bottom event and top event is quantified. The research results show that the fault tree can directly display the fault causes of the system， and the main control chip fault， clock signal abnormal， and the reset channel fault of the upper computer are the main fault factors affecting the system reliability. According to the influence degree of the bottom event on the top event fault， the potential faults in the process of product design， production， debugging and operation can be realized in advance.

Keywords： satellite payload control system; fault tree analysis method; reliability improvement; minimum cut set; qualitative analysis; quantitative analysis

0" 引" 言

可靠性是指產品或系統在其壽命周期條件及規定時間段內執行預期功能的能力，是產品質量的重要屬性，也是產品技術性能的時間表征。

近年來，衛星技術蓬勃發展，先進衛星系統在軍事通信、地質勘測、定位導航、電視直播、氣象偵察等軍用和民用領域得到廣泛應用[1]。

衛星系統的可靠性評估是一個重要的研究領域，涉及對衛星系統在運行過程中可能遇到的各種故障和失效的分析和評估。可靠性的研究分析貫穿于產品研制、試驗、生產、使用和維修的整個過程中。分析產品的故障原因，找出薄弱環節，提出改進措施，可使產品可靠性得到逐步提升。近年來，針對衛星系統故障模型的研究發展迅速，文獻[2]以衛星功能模塊分類進行可靠性分析，為衛星系統設計、開發和運維提供科學依據，提高了系統的可靠性和性能。文獻[3]通過分析衛星通信設備安全子系統的工作原理，構建了各個子系統的故障模型，解決了衛星通信設備缺少數學模型的問題。文獻[4]利用故障樹分析法精準定位故障原因，保證了系統的功能正常。

隨著衛星產品形態增多，其功能日益強大，設計日趨復雜。其中，載荷控制系統是衛星系統的控制中樞，其可靠性嚴重制約后者長期值守性能，同時，由于衛星成本高且維修困難，因此，建立合理的故障分析模型對復雜衛星控制系統設計及可靠性分析至關重要，亟待開展載荷控制系統故障預測及深入研究。

本文針對某型衛星載荷控制系統故障潛在原因，提出一種基于量化底事件與頂事件重要度解析的故障樹分析方法。首先，分析產品潛在故障因素，并對故障類型進行重要程度分類；然后，通過定量分析，研究底事件失效率與頂事件失效率之間的依賴關系；最后，通過對頂事件影響程度的分析，幫助設計者對系統故障進行重要性甄別和可靠性預知，為系統設計優化提供模型參考。

1" 衛星載荷控制系統及工作過程

衛星載荷控制系統的任務是完成衛星載荷測控管理功能，控制相應的外部動作機構，在規定的時間，按照規定的順序完成相應的動作，保證衛星機構按照工作時序流程完成相應的任務，并且可以實現與上級系統間的信息交互，以及機構的狀態檢測與工作管理。

衛星載荷控制系統的原理框圖如圖1所示。系統包括了主控模塊、動作機構控制模塊、遙測通信模塊、攝像模塊、采集模塊、存儲模塊和電源模塊等。

正常在軌工作狀態下，衛星攝像設備可以通過衛星載荷控制系統與地面取得聯系，發送相應的圖像數據。當衛星的動作機構需要執行機構運轉時，地面單位可以通過遙測通信實現對衛星載荷的控制。主控模塊根據提前設定的通信協議，接收并解析相關信息報文，發送相應的操作指令，來控制系統外部動作機構執行相應的操作。機構執行完畢后，返還數據到主控模塊，同時動作傳感器也會采集機構動作時產生的信號。經過主控模塊分析，將數據傳送至地面，保證地面可以掌握衛星載荷的運行狀況。此外，衛星載荷控制系統設置了故障狀態檢測與管理功能，當系統發生故障時，通過監測到的信息來判斷故障類別，并通過故障斷電恢復、主備份切換、復位電路等多種方法，實現系統自主處理故障功能，同時上報給地面單位。

2" 衛星載荷控制系統故障樹模型建立

2.1" 故障樹分析法

故障樹分析（Fault Tree Analysis， FTA）法，這個概念最初是在1961年由貝爾電話實驗室作為一個民兵發射控制系統的安全性評估技術提出的，是評價復雜產品、系統可靠性和安全性的有效方法之一[5?6]。

作為元件和子系統之間各種組合的失效函數，故障樹圖的基本元素是對應于元件和子元件的不正確功能的事件以及表示和、或條件的門。與可靠性框圖的情況一樣，故障樹最初建立在相對粗糙的水平上，然后根據需要進行擴展以提供更多的細節。該結構以元件和子元件的可靠性分配結束。在設計階段，這些可靠性可能來自相關系統類似元件的可靠性、供應商數據或專家的判斷。一旦產生了這些詳細的可靠性信息，故障樹圖就提供了一種方法來評估更高層次的聚合失效概率，從而可以用來評估整個系統的失效概率。如果系統可靠性不足，故障樹可以闡明設計對給定元件的依賴性，從而優先考慮增加冗余或者對各種元件進行其他設計修改的需要。目前，FTA法已廣泛應用于核工業、航空航天及船舶等裝備領域的安全評估、故障分析和系統可靠性分析[7]。

2.2" 故障樹分析步驟

根據《故障樹分析程序》，可將故障樹分析法[8]總結為以下幾個主要步驟：

1） 識別故障樹分析目標；

2） 定義故障樹頂事件；

3） 查找故障原因；

4） 構建故障樹；

5） 簡化故障樹；

6） 定性與定量分析；

7） 分析結論。

2.3" 衛星載荷控制系統故障原因分析

衛星載荷控制系統故障是指控制系統無法在規定時間內，按照要求執行相應的工作任務。根據控制系統功能設計和工作原理對故障進行分類。

1） 主控功能故障。主控模塊是整個控制系統的核心部件，負責向多個模塊下達指令，并進行信息交互。主控模塊相當于控制系統的指揮中心，主控功能一旦發生故障，控制人員便無法與其他模塊產生聯系。

2） 機構功能故障。機構模塊是完成衛星相應機械操作最直接的工具，根據規定的指令完成相應的機械動作。機構功能發生故障將無法順利進行相應的機械任務。

3） 遙測功能故障。遙測功能用來保證地面與衛星之間的通信，實現雙方信息交互。工程師可以通過該功能調整衛星的工作狀態，同時衛星也可以將信息及時反饋到地面。遙測功能發生故障會導致工程師與衛星之間失去聯系，無法正常對衛星的工作進行指揮。

4） 供電系統故障。供電系統是保證衛星載荷控制系統正常運行的必要能量來源。能源供給異常，控制系統便可能失去衛星載荷控制系統的工作能力。

5） 其他功能故障。除上述功能，系統配有數據存儲功能、攝像功能和同步時鐘功能。

本文以衛星載荷控制單元功能故障為頂事件，逐層分析故障樹底事件，確定故障及其代號，如表1所示。

2.4" 故障樹的建立與簡化

根據上述故障分析、基本事件列表以及事件之間的關系，建立某衛星載荷控制單元故障樹，如圖2所示。

根據圖2所示故障樹，列出故障樹的布爾結構表達式：

[T=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7" "=[（X1+X2）+（X3X4）]+" " " "[（X5+X6+X7）X8]+（X7X9）+（X5+X6）+" " " （X10X11）+X12+（X13+X14）+X5] （1）

根據布爾代數[9]運算化簡后，得到：

[T=X1+X2+（X3X4）+（X7X8）+（X7X9）+" " " " X5+X6+（X10X11）+X12+X13+X14] （2）

3" 定性與定量分析

3.1" 最小割集

最小割集是充分導致頂事件發生的初始事件的組合（交集），是一個最小的組合，在這個組合中，所有的失效會導致頂事件的發生[10]。

任何一個故障樹都包括一個有限數量的最小割集，并且這些最小割集對那個頂事件來說是唯一的。

由式（2）可知，故障樹最小割集有11個，分別是{[X1]}、{[X2]}、{[X3X4]}、{[X7X8]}、{[X7X9]}、{[X5]}、{[X6]}、{[X10X11]}、{[X12]}、{[X13]}、{[X14]}。

3.2" 定性分析

故障樹定性分析的目的在于尋找導致頂事件發生的原因和原因組合，識別導致頂事件發生的所有故障模式。它可以幫助判明潛在的故障，以便改進設計，并可以用于指導故障診斷，改進運行和維修方案。

在各個底層事件發生概率比較小，其差別相對不大的條件下，可以根據故障樹最小割集對產品進行定性分析，包括以下幾點：

1） 階數越小的最小割集越重要；

2） 在低階最小割集中出現的底事件比高階最小割集中的底事件重要；

3） 在同一最小割集階數的條件下，在不同最小割集中重復出現的次數越多的底事件越重要。

根據上述原則，最小階數為1的事件為重要事件；二階事件中，[X7]出現次數比其他同階底事件更多，所以[X7]的重要度高于其他同階底事件。

根據上述分析，對所有底事件重要性由高到低進行排序，如表2所示。

3.3" 定量分析

3.3.1" 底事件發生概率計算

故障樹定量計算的任務就是要計算或估計頂事件發生的概率等。在傳統的FTA中，認為底事件的發生概率是一個精確值，但是在實際生產生活模型中，由于其本身的概念就相對模糊，影響底事件的因素復雜，導致底事件發生的概率也只能是一個模糊值[11]。

根據上述狀況，依據GJB/Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》，以引起底事件發生的元器件失效率為底事件發生概率，來評估衛星載荷控制系統的可靠性。例如事件[X1]，失效率計算公式為：

[λp=πQ[C1πTπV+（C2+C3）πE]πL]" （3）

式中：[πQ]為質量系數；[πT]為溫度應力系數；[πV]為電壓應力系數；[πE]為環境系數；[πL]為器件成熟系數；[C1]及[C2]為電路復雜度失效率；[C3]為封裝復雜度失效率。失效率單位為10-6h-1。

依據手冊中的各參數數據計算得出底事件的失效率，如表3所示。

3.3.2" 頂事件發生概率計算

在衛星載荷控制系統電路可靠性研究中，已知功能設計滿足系統要求，同時所選用的材料、器件的電應力、熱應力、機械應力和抗輻射應力等因素，均滿足衛星正常工作環境要求，并保有一定的余量。在此基礎上，對頂事件發生概率進行計算，為預測系統故障發生的概率提供一定的參考價值[12]。

假設底事件發生的概率為[pi]（[i=1，2，…，15]），不發生的概率為[qi]=1-[pi]，則頂事件發生的概率[13]為：

[pT=p[X1?X2?（X3X4）?（X7X8）?（X7X9）?" " " " "X5?X6?（X10X11）?X12?X13?X14]" " "=1-[q1q2（1-p3p4）（1-p7p8）（1-p7p9）" " " " "q5q6（1-p10p11）q12q13q14]] （4）

由表3和式（4）可知，頂事件發生的概率為：

[pT=6.046 99×10-6 h-1]

平均無故障工作時間為：

通過上述分析可以初步估算出系統的平均無故障工作時間約為18.9年，滿足設計要求的相應指標。

3.3.3" 底事件重要度定量分析

根據3.3.1節研究，不難發現以下問題。

1） 重要性為一級的底事件[X1]、[X2]、[X5]、[X6]、[X12]、[X13]、[X14]中，[X1]的失效率明顯高于其他底事件，因此推斷事件[X1]相較于其他事件，對于頂事件具有更高的重要性。

2） 重要性為二級、三級的底事件[X3]、[X4]、[X7]、[X8]、[X9]、[X10]、[X11]對頂事件的影響程度較低，在保證產品功能條件下，分析軍用級別產品對頂事件的響應程度。

針對以上問題，通過改變單一事件參數進一步對系統內涉及到的底事件重要度進行分析。

1） 主控芯片選用了質量等級為宇航級的產品，在不影響產品性能和正常工作的情況下，僅對芯片的質量等級進行調整，失效率影響程度如表4所示。

根據表4可以看出，在其他條件不變的情況下，僅調整主控芯片的質量等級，會造成頂事件發生的概率提高，平均無故障工作時間下降明顯。

因此，事件[X1]對頂事件影響程度高，使用質量等級更高的產品有助于提高產品的可靠性。

2） 對與[X1]處于同一級的底事件[X2]進行比較分析，事件[X2]對頂事件失效率影響結果如表5所示。

根據表5結果，當產品質量從宇航級下降到軍用級時，平均無故障工作時間會有一定的下降。主控芯片下降時間約為時鐘發生器下降時間的12倍。主控芯片在同級重要事件中，比其他一級底事件重要度更高，優先使用質量等級更高、性能更穩定的產品，來保證衛星載荷控制系統的可靠性。

同時，可以發現當產品質量從軍用級降到更低的SJ2956產品時，底事件的失效率為宇航級的5倍，底事件失效率大幅度增加，平均無故障工作時間也會大幅度下降。因此在設計中，應避免使用軍用級以下產品。

3） 在底事件重要等級較低的二級、三級底事件當中，事件[X8]對頂事件失效率影響的結果如表6所示。

表6結果顯示，處于三級重要性當中的事件[X8]，使用軍標B2質量等級的產品時，底事件失效率比宇航級增加4倍，但對頂事件失效率和MTTFS的影響程度明顯小于一級底事件的影響程度。

4" 結" 論

本文利用故障樹分析的方法對某衛星載荷控制系統的可靠性進行研究，確定故障頂事件，通過分解逐一列舉出可能導致系統故障的原因，并且將14個底事件按照重要性分為三類。分析結果有助于工程師對系統可能存在的故障點進行針對性分析。通過合理設計減少底事件對頂事件的影響，提高系統可靠性。

通過對底事件重要性的進一步研究表明，同一級的底事件中，部分器件對頂事件的影響程度遠高于其他同等級底事件。對于重要性更高的底事件，在設計生產過程中進行可靠性分配時應當優先考慮，通過設計提高產品質量等級來提高相應事件的可靠性；部分底事件對頂事件影響較小，在保證產品性能均可滿足設計要求情況下，可以考慮降低其質量等級，將有限的資源提供給重要性更高的事件，有助于生產資源的合理優化。本文研究可為工程師在選用設計產品時提供一種定量方法，具有實際應用價值。

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