基于模糊故障树的某高炮无线电引信安全评估.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:武器装备预先研究项目()作者简介:贺玮()男硕士研究生:.通信作者:李波()男博士副教授:.:./.基于模糊故障树的某高炮无线电引信安全评估贺 玮李 波麻旭东(.中北大学 机电工程学院 太原 .中国人民解放军 部队)摘要:针对引信系统长期贮藏造成的性能下降、作用过程环境复杂、内部结构失效等情况和传统的 故障树分析方法受限于二元的故障描述状态以及与或关系的限制提出一种基于模糊故障树的引信安全性评估方法 对模糊故障树进行顶事件概率计算和底事件重要度分析体现出引信系统故障机制和事件联系的模糊性和事件发生的时序性 利用该评估方法对某小口径高炮无线电引信在预定的解除保险和解除隔离流程开始前引信作用故障树进行实例分析并与传统 故障树分析结果进行对比 结果表明:模糊故障树计算所得的失效率为.故障树计算所得的顶事件概率值为.两者为同一数量级且模糊故障树的重要度分析更加快速和高效能更加科学地进行引信安全性评估和故障树诊断关键词:引信模糊故障树 故障树安全性评估重要度分析本文引用格式:贺玮李波麻旭东.基于模糊故障树的某高炮无线电引信安全评估.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言引信作为弹药的控制系统其安全性历来被设计、研制和使用部门所重视 引信安全性是整个武器系统的重要性能和关键技术指标之一是衡量引信的设计特性判定引信的使用特性以及引信的战术、技术指标的重要依据 引信安全性还与引信的生产制造、使用保障因素密切相关 因此须采取相应的保障措施以求达到引信的可靠性要求传统的机电引信故障树分析一般是基于 静态故障树逻辑门来进行可靠性评估 但随着可靠性技术的发展人们意识到整个系统的失效分析并不能仅仅基于静态的逻辑门进行分析如机电引信在经过长期贮藏内部的电子元件、弹性元件、火工品等部件会发生部分性能退化造成引信性能的下降还有引信在工作过程中受到环境和软件故障的影响这使得引信的安全性影响往往难以评估 并且传统机电引信故障树中事件发生具有时序性底事件的概率值较为精确对于精密复杂的引信系统二元的故障描述状态并不能准确地描述引信系统的具体失效状态 鉴于此谭正超等提出了基于层次分析法的引信安全性评估方法即通过设计准则满足情况作为切入点建立基于设计准则的安全性评估模型并应用层次化分析方法进行优化分析 但这种安全性评估方法未考虑实现安全系统的软、硬件的安全失效概率仅关注了安全系统不同架构之间的优劣判断模糊故障树作为一种新进发展的故障树分析方法它相对于 故障树能够描述底事件与上级事件的模糊关系和复杂系统的多态、组合和顺序等事件关系 在安全性分析应用上宋华等人提出了模糊故障树分析方法并对/组合导航系统进行了实例分析 姚成玉等人提出了模糊故障树的重要度概念及其计算方法并用部件重要度分析方法进行算例对比与分析验证方法的可行性 刘勇等人将模糊故障树模型应用到多态导航系统性能分析中求解系统在多故障状态下的性能可靠性指标并进行了实例分析 本文中根据现有的研究成果结合模糊故障树基本理论提 出 模 糊 故 障 树 的 构 建 和 分 析 方 法 并 参 考 标 准 引信典型故障树手册中的引信典型故障树实例对引信的部分作用过程建立模糊故障树进行重要度分析和概率值计算与传统的 静态故障树的分析计算进行对比为引信的安全性优化和故障树诊断提供参考 引信模糊故障树模型及计算方法模糊故障树模型是基于学者 等提出的使用模糊含义和推理的系统模糊模型通过可定义的逻辑规则来描述下级事件的状态对上级事件的影响 基于模糊故障树的引信安全性分析方法如图 所示具体步骤如下:)对引信系统进行分析确定顶事件和底事件类型)构建逻辑门描述规则和构建方法确定中间事件类型)确定引信底事件的随机模型和可靠性数据)根据各事件代码来搭建引信模糊故障树)计算引信上级事件和顶事件概率值)对引信底事件进行重要度分析)进行引信安全性评估和故障树诊断图 引信模糊故障树的构建和分析方法框图.引信模糊故障树上级事件概率值计算方法一个简单的引信模糊故障树模型如图 所示其中 为底事件 为上级事件 为一个可以定义规则的逻辑门图 一个引信模糊故障树.若在规则 中下级事件 ()的各故障状态的概率值分别为()()()()()()()()()则 门描述规则的输入规则()的执行可能性为贺 玮等:基于模糊故障树的某高炮无线电引信安全评估()()()()()()()()()()所以上级事件 的各故障状态()()()的概率值分别为:()()()()()()()()()()()()().引信模糊故障树底事件重要度计算方法重要度可以表示底事件概率值的变化对顶事件概率值的影响程度对引信系统安全性评估和优化具有重要作用本文中采用概率重要度和关键重要度进行分析.模糊故障树底事件概率重要度计算方法模糊故障树概率重要度可以表示为()()()()()式()中:()表示可靠性数据()为 时引起顶事件 为 的概率值()表示可靠性数据()为 时引起顶事件 为 的概率值则基本事件 对顶事件 故障状态为 的 故障树概率重要度为()()()()()式()中:为底事件 所有故障状态的个数若故障状态为、.、则.模糊故障树底事件关键重要度计算方法模糊故障树关键重要度可以表示为()()()()()()()式()中:()为顶事件 为 的概率值则基本事件 对顶事件 故障状态为 的 故障树关键重要度为:()()()()()实例分析本文中以 引信典型故障树手册中某小口径高炮无线电引信在预定的解除保险和接触隔离流程开始前引信作用故障树为例进行分析 由于该故障树中存在概率相同的相似底事件因此对该故障树和底事件进行简化建造如图 所示的故障树记顶事件为 中间事件为、和 底事件为 故障树事件代号、名称和发生概率如表 所示图 某小口径高炮无线电引信在预定的解除保险和接触隔离流程开始前引信作用故障树.表 故障树事件代号、名称和发生概率.事件代号事件名称概率值在预定的解除保险和解除隔离流程开始前引信作用电雷管炸在预定的解除保险和解除隔离流程开始前安全失效电雷管被引炸安全系统原发性失效在预定的解除保险和解除隔离流程开始前引信解除隔离电雷管自炸 短路销解除短路 电源提前激活 开关管异常导通 隔爆材料异常 隔爆距离小 后座保险解除 离心保险解除 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./假设 、和 的故障状态为()其中 表示正常状态.表示半故障状态 表示失效状态且故障状态为.的故障率与故障状态为 的相同 为可定义规则的逻辑门其中 门规则见表和 门规则见表和 见表 和表 由于 门下 先于 发生即 事件的故障状态为.和 时 事件才发生如表 所示 在进行 故障树计算和分析时、为与门、为或门底事件的概率值与表 相同表 门规则 规则.表 和 门规则 规则.表 门规则 规则.续表(表)规则.表 门规则 规则.表 门规则 规则.计算引信故障树顶事件的概率值.计算模糊故障树顶事件的概率以中间事件 为例根据 门规则计算 在故障状态为、.和 时的概率值()()()().(.)()()(.).贺 玮等:基于模糊故障树的某高炮无线电引信安全评估()()()().同理利用上述方法根据表 的故障概率值和表 表 的规则求得中间事件、和顶事件 的故障状态为、.、的概率值如表 所示表 中间事件和顶事件各故障状态概率值 事件概率值.由上述结果可得失效事件和顶事件的无故障、半故障和失效状态的概率值之和为 某引信小口径无线电引信在预定的解除保险和解除隔离流程开始前引信出现故障和半故障是一个小概率事件该事件的概率值比底事件的概率值小 个数量级 而引信正常工作的可能性非常大与实际的引信安全性分析一致验证了本文中提出的模糊故障树在引信安全性评估上的可行性和准确性 其中电雷管炸、在预定的解除保险和解除隔离流程开始前安全失效、安全系统原发性失效这 个中间事件发生的概率较其他事件高出几个数量级因此在该小口径无线电引信出现故障时需要重点关注这 部分的工作状况.计算 故障树顶事件的概率首先用上行法求所有最小割集将顶事件表示为各底事件积之和的最简布尔表达式即 根据不交布尔代数法将上式变为不交和即 将表 的数据代入并通过首项近似的方法得顶事件概率值().模糊故障树和 故障树计算所得的顶事件概率值处在同一数量级且比较接近证明了模糊故障树计算方法的可行性和准确性在计算顶事件概率时 故障树可以使用上行法快速得到结构函数代入底事件的概率值计算得到顶事件的概率值 但在故障树较为复杂或底事件较多时会发生“组合爆炸”问题一般情况下可以采用首项近似的方法快速得到顶事件的概率值 而模糊故障树在计算时由于考虑有半故障的故障状态存在在计算时较为繁琐需要借助软件编程进行辅助计算.计算引信故障树底事件的重要度.计算模糊故障树底事件的概率重要度根据式()底事件 故障程度为.对顶事件 故障状态为.的模糊故障树概率重要度为(.)(.)(.(.)(.(.).底事件 故障程度为.对顶事件 故障状态为 的模糊故障树概率重要度为()(.)(.)(.).底事件 故障程度为 对顶事件 故障状态为.的模糊故障树概率重要度为(.)()(.()(.().底事件 故障程度为 对顶事件 故障状态为 的模糊故障树概率重要度为()()()().由式 即可计算底事件 故障状态为.和 对顶事件 的概率重要度分别为(.)()(.)(.)(.)().()()()(.)()().同理可得各底事件对顶事件 故障状态为.和 的模糊故障树概率重要度如表 所示表 底事件对顶事件 故障状态为.和 的模糊故障树概率重要度 .底事件(.)()()().兵 器 装 备 工 程 学 报:/./续表(表)底事件(.)()()().计算模糊故障树底事件的关键重要度根据式()底事件 故障程度为.和 对顶事件故障状态为.和 的模糊故障树关键重要度为(.)(.)(.)(.)(.)(.).(.)()()(.)(.)().()(.)(.)()()(.).()()()()()().由式()即可计算底事件 故障状态为.和 对顶事件 的概率重要度分别为(.)()(.)(.)(.)().()()()(.)()().同理可得各底事件对顶事件 故障状态为.和 的模糊故障树关键重要度如表 所示表 底事件对顶事件 故障状态为.和 的模糊故障树关键重要度 .底事件(.)()()().由表 的模糊故障树概率重要度和表 的模糊故障树关键重要度可知该小口径无线电引信在在预定的解除保险和解除隔离流程开始前引信系统出现半故障时的关键重要度较大设计中要对隔爆机构和保险机构进行重点优化同时按照可 的顺序依次排查引信系统出现失效故障时的关键重要度较大提高电雷管和隔爆材料的性能对预防引信系统失效故障的效果明显同时按照可 的顺序依次排查其中 和 由于处于“与门”下几个底事件对顶事件变化的影响较小 而在对故障树进行优化时底事件 对顶事件 概率值的影响最大可以对 进行优化设计或者在顶事件下增加安全系统设计从而提高引信的安全性.计算 故障树底事件的概率重要度底事件的概率重要度表示第 个底事件的概率重要度定义为()()()式()中:()为顶事件发生的概率在底事件相互独立的条件下为各底事件发生概率 的一个函数可求得在图 所示故障树的函数为()()()()()()()()()()将表 的数据代入式()得底事件 的概率重要度如表 所示表 故障树底事件的概率重要度 事件代号概率重要度事件代号概率重要度 .计算 故障树底事件的关键重要度事件的关键重要度表示第 个底事件的相对概率重要度定义为()()()仍将表 的数据代入式()得底事件 的关键重要度如表 所示贺 玮等:基于模糊故障树的某高炮无线电引信安全评估表 故障树底事件的关键重要度 事件代号概率重要度事件代号概率重要度.在计算底事件的重要度时模糊故障树是通过对底事件的各故障状态的故障概率值赋 计算出此时顶事件的概率值并与底事件的完全无故障情况下顶事件的概率值做差进行计算的 由于在引信的故障树中底事件的概率值很低靠近顶事件的部分底事件在 故障树重要度计算结果中要比其余底事件的重要度高出几个数量级如表 表 所示的情况 模糊故障树和 故障树的重要度计算结果基本都处于同一数量级下证明了模糊故障树计算方法的可行性模糊故障树的重要度计算可以直观地显示底事件对顶事件各故障状态的重要程度并且并不依赖于故障树结构函数的分析和运算而是直接根据规则进行计算降低了分析难度有利于后续对引信系统的优化 结论本文中基于模糊故障树理论提出一种引信安全性评估方法对引信模糊故障树的构建和分析进行阐述并结合典型无线电引信故障树实例对其的部分作用过程建立模糊故障树进行安全性评估和重要度计算还与传统的 静态故障树的可靠性计算和重要度分析进行了对比通过对比得出结论:)对某小口径高炮无线电引信在预定的解除保险和解除隔离流程开始前引信作用故障树为例进行故障分析时模糊故障树计算所得的半故障率和失效率分别为.和.故障树计算所得的顶事件概率值约为.与模糊故障树失效率为同一数量级且较接近验证了使用模糊故障树方法进行引信安全性评估的可行性)在重要度计算分析中对比模糊故障树和 故障树的计算结果发现:模糊故障树和 故障树的重要度计算结果基本都处于同一数量级下证明了模糊故障树计算方法的可行性和准确性 但 故障树在故障树较为复杂或底事件较多时重要度计算和分析比较困难 在引信系统工程应用中可以同时采用模糊故障树和 故障树对引信进行安全性评估本文实例中半故障机理和规则的建立为假设估计具体模型和数值需要收集专家意见和长期的工程统计进行进一步研究参考文献:李世中.引信概论.北京:北京理工大学出版社:.:.吴进煌孙少华曹山根等.基于故障树分析法的引信作用可靠性分析.海军航空大学学报():.():.谭正超李伟.基于准则和层次化分析的失效风险评估方法.电子产品可靠性与环境试验():.():.姚成玉陈东宁.故障树理论及其研究.北京:国防工业出版社:.:.宋华张洪钺王行仁.模糊故障树分析方法.控制与决策():.():.姚成玉张荧驿王旭峰等.模糊故障树重要度分析方法.中国机械工程():.():.刘勇罗德林石翠等.基于 模糊故障树的多态导航系统性能可靠性.北京航空航天大学学报():.():.(/):.中北大学.引信典型故障树手册././.张亚安晓红.引信可靠性技术.北京:国防工业出版社.:.科学编辑 张骢 博士(沈阳理工大学 副教授、硕导)责任编辑 胡君德兵 器 装 备 工 程 学 报:/./