[发明专利]一种面向备份结构的故障树分析方法

说明书

技术领域

本发明属于机电系统的可靠性分析领域，具体涉及一种动态故障树分析的方法。

背景技术

可靠性分析已广泛应用于各个工程领域，航空工业是一种高度精密的综合性行业，有些航空产品会关系到飞行人员及乘坐人员的生命安全，而有些航空产品则会关系整个战局的成败，因此可靠性工程对于航空工业来说显得尤为重要，航空产品的可靠性工程主要研究可靠性分析、评估以及保障和提高产品可靠性水平的技术措施。无人机在研制阶段，其可靠性问题尤为突出。一方面，可靠性低会导致无人机丧失侦查和作战能力甚至失控坠机，造成无法挽回的经济损失，严重时会引起地面伤亡事故；另一方面，频繁的故障和修复也会严重地降低无人机的战备能力，并带来高额的系统维护成本。因此，如何有效地分析和评估复杂系统可靠性是一个很重要的问题。

为了预防突发失效、提高无人机飞行安全和任务完成率，无人机在研制阶段对于一些关键的组件均采用了备份技术，例如：安装了两套无线电高度表系统以互为备份、大气数据系统采用备份技术安置了两台大气数据技术计算机、冷气系统设计了应急起落架收放气压系统作为备份结构等。这些备份结构在保障无人机可靠性和安全性方面发挥了巨大的作用。根据备份结构中备件在备份期的失效行为，可将备份技术分为以下三类：(1)冷备份(CSP)，指备件在备份期不发生退化或失效；(2)热备份(HSP)，指备件在切换到工作状态前后，都具有相同退化失效行为和规律；(3)温备份(WSP)，指备件在备份期的退化失效率介于冷备份与热备份之间。一旦主部件失效后，备件将自动由备份状态切换至工作状态，之后，系统将继续工作。但在实际情况中由于检测装置的失效或漏检等原因，主部件的失效往往不会被检测到，这种情况下即使存在备件结构，系统也会因主部件失效未被及时检测并切换至备件而发生失效，这种情况被称之为备份结构的不完全覆盖。由此可见，备份结构的失效一般是指该结构中所有的备份部件全部失效或备件切换过程的失效。从失效行为上看，备份结构的失效过程是具有动态性和时序性的，必须在无人机备份结构的故障树分析中加以考虑，以更准确地掌握系统的可靠度以及潜在失效风险。

另一方面，绝大部分现有的故障树分析方法中均建立在零部件的工作状态和失效状态是明确定义的假定基础上，并且认为零部件处于工作或失效的某种状态的概率必须是精确已知的。然而，在实际工程中，上述假设往往并不成立，其原因如下：

①多数系统或零部件的状态是逐渐退化而非突然发生的。在这种情况下，诸如不精确测量和人为因素等不确定性就会使得难以精确判定零部件或者系统的状态，零部件或者系统失效行为的模糊性也会为精确评估故障树中基本事件的失效概率带来困难。

②量化可靠性特征量时，获得精确的和足够的失效数据也是困难的甚至是不可能的，对于一些失效率非常低的产品以及一些新产品来说，该问题尤为突出。在这种情况下是不可能用准确的失效率或概率值来描述失效行为。

由于以上两个因素的存在，运用传统的精确值开展故障树分析时可能会存在潜在风险，使可靠性评估结果的可信性降低。

传统的故障树分析方法主要是以大量的统计数据为依据，而忽略了数据信息的不精确性，使得传统的完全基于统计信息的故障树分析方法应用在无人机备份结构可靠性分析中存在较大的局限性。

到目前为止，对无人机备份结构开展故障树分析的研究非常少，而全面掌握无人机备份结构的潜在失效机制和可靠性情况对于无人机的研制又尤为重要。针对上述两种无法得到精确值的情况，尽管国内外学者已提出了模糊故障树分析方法以弥补传统故障树分析方法无法处理不精确信息的局限，但由于无人机备份结构的失效往往具有明显的动态和时序特征，因此，很难直接运用现有的模糊故障树分析方法，也无法准确地描述备份结构真实地失效机制和过程。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有故障树分析方法存在的上述问题，提出了一种面向备份结构的故障树分析方法。

本发明的技术方案是：一种面向备份结构的故障树分析方法，具体包括如下步骤：

S1：根据备份结构的工作原理和失效过程构建其动态故障树模型：所述动态故障树模型具体为一备份门，所述备份门包括了一个主部件和多个备件，以及一个输出端，主部件起始时处于工作状态，多个备件处于备份状态；当主部件失效时，可用的备件将会被切换到工作状态，直到备份耗尽；当备份耗尽时，则输出端输出失效，第i个备件切换到下一个备件的切换成功概率用备件的不完全覆盖率c_i表示，取值范围为[0 1]；