CN103810383A - 一种运载火箭单点故障模式的识别与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运载火箭单点故障模式的识别与分析方法，该方法对严酷度从系统层次进行划分，细化了单点故障识别与分析过程对严酷度等级的划分，使严酷度等级的划分更加准确，为FTA顶事件的准确选取提供必要条件。选取严酷度类别为I、II类且发生可能性等级为A级、B级、C级的单点故障模式作为FTA的顶事件，使单点故障后果严酷度影响大、发生可能性高的运载火箭单点故障原因得到更深入的分析，并充分分析各原因的逻辑关系及相互作用关系，为单点故障的消除与控制提供有效输入。结合FMEA与FTA的特点综合进行单点故障的识别与控制，确保了单点故障识别与控制的全面性和效果性。

Description

一种运载火箭单点故障模式的识别与分析方法

技术领域

本发明属于航天质量与可靠性分析技术领域，具体涉及一种运载火箭单点故障模式的识别与分析方法。

背景技术

近年来，航天事业进入加速发展时期，伴随发射任务的增加，运载火箭迎来了高强度研制与高密度发射阶段。近年来两型号运载火箭发射失利向我们敲响了警钟，无论在研型号或成熟型号，质量与可靠性工作不容懈怠。其中单点故障会引起系统故障，而且没有冗余或替代的操作程序作为补救的产品故障。所以单点故障作为航天型号主要技术风险，一直受到研制队伍的高度关注。

FMEA（故障模式、影响分析）技术和FTA（故障树分析）技术作为单点故障模式识别的基础工具，已广泛在航天型号单位开展单点故障识别与分析工作，但运载火箭系统复杂，要实现对单机、系统以及接口等全面识别与分析难度很大。同时单点工作难以同型号研制工作相结合，对单点故障补做分析的情况依然存在。FMEA分析技术在对故障原因分析时，采用单因素分析方法，存在识别过程不规范、原因分析不全面的弊端，这将影响单点故障识别的全面性。FTA技术可以找出系统内可能发生的硬件失效、软件差错、人为失误、环境影响等各种因素和顶事件所代表的系统失效之间的逻辑关系，由于FTA技术由系统特定故障状态（顶事件）出发，可以有效分析导致顶事件的一切可能原因或原因组合。但是，目前FTA技术主要应用在型号质量问题归零分析中，在单点故障识别与分析中应用相对较少。

发明内容

针对目前运载火箭型号单点故障识别不全、原因分析不充分、控制方法不统一、应对措施不规范的问题，本发明提供一种运载火箭单点故障模式的识别与分析方法，该方法结合FMEA与FTA的特点，综合进行单点故障的识别与控制。

本发明的运载火箭单点故障模式的识别与分析方法包括以下步骤：步骤1，确定运载火箭单点故障模式识别分析的系统层次，该系统层次分为四级，分别为：系统级、分系统级、设备或单机级、元器件或零件，定义运载火箭单点故障模式的各系统层次的严酷度等级；

步骤2，开展基于故障模式、影响分析FMEA的单点故障的识别，根据步骤1获得的严酷度等级选择单点故障模式的相应严酷度等级，依据可能性等级表获取单点故障模式的相应发生可能性等级；

步骤3，选取严酷度等级为I、II级且发生可能性等级为A、B、C的单点故障模式作为故障树分析FTA的顶事件；

步骤4，根据步骤3获得的顶事件开展基于故障树分析FTA的单点故障原因的分析，得到单点故障原因的故障树，根据上行法或下行法对所述的故障树进行简化，得到单点故障原因的多个最小割集合，该多个最小割集合为导致顶事件发生的原因组合。

进一步的，所述的运载火箭单点故障模式的识别与分析方法还包括：

步骤5，根据步骤4获得的单点故障原因分析共性原因，将单点故障按照技术原因维度、管理原因维度、关键特性参数维度、九新维度、严酷度维度、发生可能性维度，六个维度对单点故障原因进行分类，用于对单点故障模式消除控制。

进一步的，所述步骤1中定义运载火箭单点故障模式的各系统层次的严酷度等级如下表所示：

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有益效果

1.确定运载火箭单点故障模式识别分析的系统层次，该系统层次分为四级，分别为：系统级、分系统级、设备或单机级、元器件或零件，定义运载火箭单点故障模式的各系统层次的严酷度等级。本专利中对严酷度从系统层次进行划分，并在故障模式最终影响说明中从对任务成果（或功能完成）影响和对安全性影响两个方面进行了定义，细化了单点故障识别与分析过程对严酷度等级的划分，使严酷度等级的划分更加准确，为FTA顶事件的准确选取提供必要条件。

2.选取严酷度类别为I、II类且发生可能性等级为A级、B级、C级的单点故障模式作为FTA的顶事件，使单点故障后果严酷度影响大、发生可能性高的运载火箭单点故障原因得到更深入的分析，并充分分析各原因的逻辑关系及相互作用关系，为单点故障的消除与控制提供有效输入。

3.结合FMEA与FTA的特点综合进行单点故障的识别与控制，能够更系统、更规范的对运载火箭型号单点故障进行识别、分析、控制及应急响应，确保了单点故障识别与控制的全面性和效果性。

具体实施方式

本发明采用基于FMEA（故障模式、影响分析）与FTA（故障树分析）相结合的方式开展单点故障模式识别与分析工作。FMEA是从产品的较低层次开始，逐一进行的单因素分析，它通过全面检查和分析产品的每一个组成部分的故障情况来获得产品故障和可靠性的相关信息；而FTA是从产品整体或较高层次开始的，针对特定分析目标进行的，有选择的多因素分析方法，它可针对产品的某一特定事件（故障）提供较为全面、详细的分析信息。本专利中将FMEA与FTA技术互为补充，对单点故障模式及产生原因进行系统的识别和分析。

本发明的运载火箭单点故障模式的识别与分析方法包括以下步骤：

步骤1，确定运载火箭单点故障模式识别分析的约定层次，该系统约定层次分为三级，分别为：系统级、分系统级、设备或单机级，定义运载火箭单点故障模式的各约定层次的严酷度类别。严酷度类别用于衡量故障后果影响严重程度的指数。严酷度类别从任务成果或功能完成和安全性影响的角度，按故障模式的最坏后果予以确定。如表1所示：

表1

步骤2，开展基于FMEA（故障模式、影响分析）的单点故障模式的识别，根据步骤1获得的严酷度类别选择单点故障模式的相应严酷度类别，依据可能性等级表获取单点故障模式的相应发生可能性等级。

发生可能性等级用于衡量某已知的故障原因引发故障的估计次数的指数。发生可能性等级划分准则如表2所示。

表2

步骤3，选取严酷度类别为I、II类且发生可能性等级为A级、B级、C级的单点故障模式作为FTA的顶事件。

进一步的，该步骤3包括以下两个步骤：

步骤31，根据产品功能描述、功能框图、可靠性框图及故障判据等，开展基于FMEA的单点故障模式识别，填写FMEA表（参见GJB3050），从FMEA表中，提取严酷度为I类、II类，并且发生可能性为A级、B级、C级的产品故障模式，对照产品功能原理图、可靠性框图、设计报告等，检查、分析各故障模式是否存在冗余设计。如果没有冗余设计，是否有可以替代的操作程序作为补救，避免该故障的发生，如果既没有冗余设计也没有可替代的操作程序作为补救，则将该故障模式定位为单点故障模式，列入单点故障模式清单。产品单点故障模式全部识别完成后，进行汇总，形成单点故障模式统计表。

步骤32，选取顶事件

为克服传统单点故障识别分析方法存在单因素分析的局限性（FMEA识别分析过程假设待分析故障对象之外其他对象无故障），并且易受分析人员的主观因素影响，在开展单点故障模式识别的基础上，为了更全面、准确地分析单点故障原因，明确故障原因间的作用和影响关系，以单点故障模式清单中的各单点故障模式为顶事件，逐一开展基于FTA的单点故障原因分析，全面分析导致单点故障发生的原因。

步骤4，根据步骤3获得的顶事件开展基于FTA的单点故障原因分析，得到单点故障原因分析的故障树，根据上行法或下行法对所述的故障树进行简化，得到单点故障原因的多个最小割集合，该多个最小割集合为导致顶事件发生的各原因组合。

进一步的，该步骤4包括以下几个步骤：

步骤41，建造故障树

逐一选取单点故障模式清单中的单点故障模式，作为FTA的顶事件，参照GJB768A《故障树分析指南》和GB7829《故障树分析程序》关于故障树建造的规则，建造故障树。故障树建造环节作为顶事件分析的重要环节，需要对重点规则进行强调：

（1）明确建树边界条件，确定简化系统图。故障树的边界应和系统（在本专利中指待分析的运载火箭的相应层级）的边界相一致，方能避免遗漏或出现不应有的重复；一个系统的部件以及部件之间的连接数目可能很多，但其中有些对于给定的顶事件是很不重要的，为了减小树的规模以突出重点，应在FMEA的基础上，将那些很不重要的部分舍去，从系统图的主要逻辑关系得到等效的简化系统图，然后从简化系统图出发进行建树。

（2）所有故障事件，尤其是顶事件必须严格定义，否则建出的故障树将不正确。

（3）故障树演绎过程中首先寻找的是直接原因事件而不是基本原因事件。应不断利用“直接原因事件”作为过渡，逐步地无遗漏地将顶事件演绎为基本原因事件。在故障树往下演绎过程中，还常常用等价的比较具体的或更为直接的事件取代比较抽象的或显得间接的事件，这时就会出现不经任何逻辑门的事件串。

（4）应从上向下逐级建树。大的工程系统建造故障树时，应首先确定系统级顶事件，据以确定各分系统级顶事件；重视总体与分系统之间和分系统相互之间的接口，分层次、有计划、协调配合地进行故障树的建造，但从上到下进行故障演绎的逻辑相同。

（5）建树时不允许逻辑门—逻辑门直接相连，倘若建树时出现逻辑门—逻辑门相连的故障树使评审者无法判断对错，故不允许逻辑门—逻辑门直接相连。在故障树已经建成，且确认无误情况下进行定性、定量分析时，这种逻辑门—逻辑门相连的故障树显得简明，可以使用，但需谨慎。

（6）来自同一故障源的共同的故障原因会引起不同的部件故障，甚至不同的系统故障。共同原因故障事件，简称共因事件。鉴于共因事件对系统故障发生概率影响很大，故建树时必须妥善处理共因事件。若某个故障事件是共因事件，则对故障树的不同分支中出现的该事件必须使用同一事件标号。若该共因事件不是底事件，必须使用相同转移符号简化表示。一般说来，一个共因事件在同一系统故障树的不同子树中出现，这条规则往往可以得到遵守，但有时不同系统是相关的。因此对一些大项目实施故障树分析时，技术负责人一定要采取妥当的措施以保证规则能得到遵守，如让同一人负责有相同共因事件的不同系统故障树建造工作。

步骤42，故障树简化与分解

由于现实的系统错综复杂，按上面方法建造出来的故障树也大不相同。为了能用标准的程序对各种不同的故障树作统一的描述和分析，必须将建好的故障树变为规范化故障树，并尽可能对故障树进行简化，以便减少分析的工作量。故障树的简化按照二元布尔代数和不交布尔代数的若干规则、多元布尔代数和不交布尔代数的若干规则进行，详见表3、表4所示。

表3

表4

步骤43，求出单点故障树最小割集

本步骤的目的是寻找导致顶事件发生的原因和原因组合。在完成故障树的简化后，得到了故障树的“模块最小割集”，它是若干“底事件最小割集”的代表，数量集中，便于掌握。但为了进行底事件重要度的定性比较以及后续定量计算，还应当把“模块最小割集”转换为“底事件最小割集”。根据故障树结构，用下行法或上行法求故障树的所有最小割集。

下行法的特点是根据故障树的实际结构，从顶事件开始，逐级向下寻查，找出割集。规定在下行过程中，顺次将逻辑门的输出事件置换为输入事件。遇到与门就将其输入事件排在同一行（取输入事件的交（布尔积）），遇到或门就将其输入事件各自排成一行（去输入事件的并（布尔和）），这样直到全部换成底事件为止，这样得到的割集再通过两两比较，划去那些非最小割集，剩下即为故障树的全部最小割集。

上行法是从底事件开始，自下而上逐步地进行事件集合运算，将或门输出事件表示为输入事件的并（布尔和），将与门输出事件表示为输入事件的交（布尔积）。这样向上层层代入，在逐步代入过程中或者最后，按照布尔代数吸收律和等幂律来化简，将顶事件表示成底事件积之和的最简式。其中每一积项对应于故障树的一个最小割集，全部积项即是故障树的所有最小割集。

步骤44，单点故障原因

在求得全部最小割集C1，C2，···，Cr的基础上，可将故障树的顶事件（单点故障）表示为：

$T={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^r{\mathrm{\Π}}_{X_i\∈C_j}{X}_i$

其中，Σ——并集；

Π——交集；

Xi——第i个底事件。

为了节省分析工作量，在工程上可以略去阶数（最小割集中所含底事件的个数）大于指定值的所有最小割集来进行近似分析。通过本步骤分析出了导致顶事件（单点故障）的产生的全部原因及原因间的逻辑关系。

步骤5，根据步骤4获得的单点故障原因分析共性原因，将单点故障按照技术原因维度、管理原因维度、关键特性参数维度、九新维度、严酷度维度、发生可能性维度，六个维度对单点故障原因进行分类，用于对单点故障模式消除控制。

通过开展单点故障模式的识别与原因分析，已明确了单点故障的各原因。为了对后续的消除和控制工作提供更清晰、更详细的分析结果，支撑采取针对性的消除和控制措施，从单点故障产生原因、故障产品分类、故障发生阶段等方面对单点故障进行分类。然后再通过对航天产品单点故障模式开展分类分析，找出单点故障模式发生最多的故障原因，对单点故障模式发生后的故障影响严重程度进行排序，为单点故障模式制定风险控制措施提供基础信息，同时也为后续数据库系统的开发奠定基础。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种运载火箭单点故障模式的识别与分析方法，其特作在于，包括以下步骤：

步骤1，确定运载火箭单点故障模式识别分析的系统层次，该系统层次分为四级，分别为：系统级、分系统级、设备或单机级、元器件或零件，定义运载火箭单点故障模式的各系统层次的严酷度等级；

步骤2，开展基于故障模式、影响分析FMEA的单点故障的识别，根据步骤1获得的严酷度等级选择单点故障模式的相应严酷度等级，依据可能性等级表获取单点故障模式的相应发生可能性等级；

步骤3，选取严酷度等级为I、II级且发生可能性等级为A、B、C的单点故障模式作为故障树分析FTA的顶事件；

步骤4，根据步骤3获得的顶事件开展基于故障树分析FTA的单点故障原因的分析，得到单点故障原因的故障树，根据上行法或下行法对所述的故障树进行简化，得到单点故障原因的多个最小割集合，该多个最小割集合为导致顶事件发生的原因组合。

2.如权利要求1所述的运载火箭单点故障模式的识别与分析方法，其特征在于，还包括：

步骤5，根据步骤4获得的单点故障原因分析共性原因，将单点故障按照技术原因维度、管理原因维度、关键特性参数维度、九新维度、严酷度维度、发生可能性维度，六个维度对单点故障原因进行分类，用于对单点故障模式消除控制。

3.如权利要求1所述的运载火箭单点故障模式的识别与分析方法，其特征在于，所述步骤1中定义运载火箭单点故障模式的各系统层次的严酷度等级如下表所示：

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