航天飛行訓(xùn)練模擬器系統(tǒng)分析范文

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《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程雜志》2014年第三期

1可靠性分析

1．1可靠性分析方法接口系統(tǒng)屬于總線型結(jié)構(gòu)，其可靠性分析宜采用故障樹分析法(faulttreeanalysis，F(xiàn)TA)。從圖1可知，主控模塊至關(guān)重要，若其發(fā)生故障，其他功能模塊也必定發(fā)生故障，反之則不然。這種邏輯關(guān)系具有動(dòng)態(tài)性和相關(guān)性，不能簡單地用與門，或門，表決門等表達(dá)，因此引入一種特殊的門———功能相關(guān)門(FDEP，圖2a)來表示。FDEP指系統(tǒng)某個(gè)部分T(稱為激發(fā)事件)發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致與其相關(guān)的其他部分A，B無法進(jìn)入工作狀態(tài)或發(fā)生故障。激發(fā)事件可以是一個(gè)基本事件，也可以是一個(gè)邏輯門的輸出。激發(fā)事件發(fā)生時(shí)，相關(guān)事件一定發(fā)生。但是相關(guān)事件發(fā)生時(shí)，并不影響激發(fā)事件［3-4］。主控模塊故障可視為激發(fā)事件，其他功能處理模塊則為相關(guān)事件。兩塊DC27V電源并聯(lián)輸出，若其中一塊電源故障，則其負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另一塊電源上，于是額外增加的負(fù)荷將導(dǎo)致另一塊電源的故障率上升。這里引入負(fù)載相關(guān)門(LDEP，圖2b)表達(dá)。在故障樹定量分析中，一般方法也不再適用于具有動(dòng)態(tài)性、相關(guān)性的邏輯門，考慮到一般電子產(chǎn)品的可靠性函數(shù)服從指數(shù)分布，滿足馬爾科夫(Markov)建模要求。因此最優(yōu)的策略就是先基于故障樹中間事件合理劃分動(dòng)態(tài)子樹，轉(zhuǎn)換為馬爾科夫模型，單獨(dú)求解狀態(tài)方程，然后回歸FTA整體分析。

1．2建立故障樹以接口系統(tǒng)故障為頂事件，演繹分析法建樹，確定邊界條件為:1)模塊內(nèi)部故障事因不作進(jìn)一步研究;2)假定部件之間電路連線可靠;3)動(dòng)態(tài)子樹劃分以部件相關(guān)性強(qiáng)，數(shù)量小為原則(主要降低模型的繁雜度)。從圖3可知，接口系統(tǒng)故障樹包含M1～M4四個(gè)動(dòng)態(tài)子樹，其中M1～M3屬于功能相關(guān)型，M4屬于負(fù)載相關(guān)型。

1．3功能相關(guān)型建模以M1子樹為例進(jìn)行求解分析，設(shè)故障樹底事件X1～X4的故障率分別為λ1～λ4，那么圖4為M1的馬爾科夫模型。S0表示設(shè)備均正常，系統(tǒng)可用;障概率P(1200)下降了2．94%，平均無故障時(shí)間延長了2266h。可見，在功能相關(guān)門中，對激發(fā)事件采取冗余設(shè)計(jì)，可以大幅提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性。

1．4負(fù)載相關(guān)型建模給定λ9，λ10分別為電源模塊的故障率λ''''9，λ''''10，分別為承接額外負(fù)載后的故障率(圖6)2．5整體分析設(shè)λ5，λ6，λ7，λ8分別代表M3，M4子樹的事件故障率，根據(jù)部件資料λ5=λ6=4．2×10－5，λ7=2．5×10－5，λ8=2．1×10－5，可得系統(tǒng)工作1200h后，同理可計(jì)算出其他子樹的故障概率:若系統(tǒng)無冗余設(shè)計(jì)(即激發(fā)事件中僅有主控轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、M4中僅有DC-1模塊)，同樣可得系統(tǒng)的P(1200)等于59．1%(M4中=4．6×10－4)，相比之下，在關(guān)鍵點(diǎn)采取冗余措施，系統(tǒng)的故障概率下降了35．66%。相比之下，傳統(tǒng)的串并模型僅考慮了冗余部件的共模故障，忽略了部件間內(nèi)含的功能相關(guān)、負(fù)載相關(guān)等特性，在系統(tǒng)工作1200h后，得出的故障概率少了1．64%，顯然新方法可靠性分析結(jié)果更可信。

2結(jié)論

引入功能相關(guān)門和負(fù)載相關(guān)門表達(dá)非獨(dú)立部件之間的可靠性關(guān)系，使得故障樹構(gòu)建更符合實(shí)際。針對動(dòng)態(tài)相關(guān)性系統(tǒng)，合理劃分動(dòng)態(tài)子樹，將其轉(zhuǎn)化為馬爾科夫模型，再求解狀態(tài)方程是一種有效的可靠性分析方法。在模擬器接口系統(tǒng)可靠性分析中，通過與串并聯(lián)模型對比，運(yùn)用FTA和馬爾可夫模型相結(jié)合方法，達(dá)到模型簡潔、計(jì)算結(jié)果可信的效果。同樣對比可得，在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中，針對激發(fā)事件等關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取冗余設(shè)計(jì)，可大幅降低系統(tǒng)故障概率。

作者：浣上王素琴晁建剛單位：中國航天員科研訓(xùn)練中心華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院