与应急处理研究
余枫杨晓李邵喜陈海力
(大连海事大学航海学院辽宁大连116026)
基金项目：中央高校基本科研业务费（3132019400）；大连海事大学教学改革项目（2020Y16）
摘要：在航行中船舶导航雷达发生故障，只能通过雷达操作和回波观测对故障做出初步诊断，维修雷达存在极大困难。文章基于故障树分析方法构建了船舶导航雷达发射系统故障树，通过定性分析得出最小割集和底事件结构重要度排序，并通过定量分析得出发射系统故障树顶事件发生概率和底事件重要度系数。最终制定了船舶导航雷达发射系统无发射脉冲的诊断检查方案，并提出了异常雷达运行状态，回波及显示对雷达故障判断的最佳识别方法及应急措施。研究结果可为船舶导航雷达发射系统故障的诊断和应急处理提供理论依据。 关键字：船舶导航雷达故障诊断故障树回波应急处理
0 引言
雷达作为国际海事组织认定的用于避碰的重要航海仪器，装载于船舶上执行观测、避碰、导航、定位功能。驾驶员通过对雷达回波图像的观测，捕获最近会遇距离小于安全门限的目标进行跟踪，亦可选择与海图对应的参照物导航，通过对参照物的测距测方位操作确定本船船位。雷达回波图像的正常显示对这些船载雷达的应用有重要影响，只有稳定的、最佳的雷达图像显示，才能够保证雷达跟踪目标数据的可靠性，满足各种应用要求。在海上航行的封闭环境中，雷达故障面临检修困难的现状，及早发现雷达异常以及妥当的应急处理，是保证航行安全的极大保障。
现有的雷达故障诊断方法包括三类，基于信号处理的雷达故障诊断方法，基于解析模型的方法和基于知识的诊断方法。基于信号处理的方法对船舶导航雷达故障诊断有地域性限制和数据传输受限的问题。人工神经网络和模糊推理[1~3，11]较多用于基于知识的雷达故障诊断，可提高雷达故障诊断效率和诊断精度。雷达故障诊断专家系统[4~5]不依赖于系统数学模型，以使用者的实践经验和大量故障
收稿日期：2020-07-08
作者简介：余枫（1982-），女，云南省通人，讲师，主要从事航海科学技术、计算机仿真技术和航海仪器等方面的研究。数据为依据而设计，但此类系统在自适应能力和实时性方面存在局限性。
目前，雷达故障专家系统通过民用船舶导航雷达回波识别而研究雷达的故障研究较少，多限于针对特定型号雷达的检修实例研究[6~8]。对气象雷达的故障诊断研究较为丰富。刘永莲等[9]研究了常规高空
气象存在的高空风失测的主要类型及其原因。对于CINRAD/SA 天气雷达，黄裔诚等[10]通过统计其运行11年的故障情况，提出天线伺服、发射机、接收机、软件、附属设备等分系统常见故障的特征与处理办法，赵瑞金等[11]通过对雷达数据完整性和位置信息的检查，根据硬件故障影响雷达回波形态、位置、范围和强度等图像特征，利用基于模糊逻辑自动识别雷达硬件故障导致的错误数据的质量控制方法。
当然，在船舶导航雷达故障实际维护业务中，雷达报警信息、回波质量、雷达运行状态显示是最直观观察雷达工作状态的途径。然而，雷达报警窗口显示的报警信息并非能够反映出所有雷达故障，而且，异常的雷达回波也可能反映出雷达多个部位可能出现故障，导致雷达硬件故障或人为操作不当无法准确被识别。但雷达异常回波显示是雷达故障识别的最直观表象，在缺乏设备维修人员的海上航行环境中，若能通过回波的观测，加之辅以必要的雷达操作便能最及早发现雷达故障所在并予以纠
正，这对于船舶驾驶员对这类雷达使用来说是最可能办到的，对保障航行安全也极为重要。基于故障树的雷达故障诊断方法[12,13]为海上封闭作业环境中的雷达故障诊断提供了一种很好的解决方案。 1 故障树原理及构建
船舶导航雷达的故障树故障诊断是根据雷达系统功能及系统结构，归纳出可能导致系统故障的所有因素，这些因素即为中间事件，通过分析中间事件出产生此类事件的深层原因，以此类推直至分析至底事件。 1.1 故障树原理
故障树分为三大类事件，顶事件、中间事件和底事件。顶事件是故障树模型中的最高故障；而中间事件可能是多级的，由它引发顶事件产生；底事
件为最低端事件。故障树通过逻辑门以及一些特定符号将底事件、中间事件以及顶事件相连接，主要包括“或门”“与门”和“转移符号”。“或门”指的是所有子事件中只要有大于等于一个发生就会使得父事件发生；“与门”指的是所有子事件必须同时发生才会使得父事件发生；系统有时也会出现较为复杂的树系统，甚至是不同问题树之间相连接，这时就是用到了“转移符号”[14,15]。 1.2 船舶导航雷达发射机故障树的构建
大功率超高频脉冲波从船舶导航雷达发射机发出，送至雷达天线辐射出去以探测目标，发射机系统结构如图1所示。由图1可知发射机的主要组成部分包括极高压、调制器和磁控管。
图1 船舶导航雷达发射机结构
通过对船舶导航雷达发射机故障的定性分析，求解其最小割集，构建船舶导航雷达发射机故障树如图2所示。
图2 船舶导航雷达发射机故障树示意图
2 雷达发射系统故障树分析
2.1 定性分析
对图2的船舶导航雷达发射机故障树进行定性分析，其顶事件U 表示为无发射脉冲。三个中间事件开关无法闭合U 1、磁控管无射频脉冲输出U 2均可能引起顶事件发生。U 的状态j 完全由底事件的状态(1,2,,7)i x i =L 的取值所决定，即
127(U)(x ,x ,,x )j j =L
12U U =+
12345467x x x x x x x x =××+×+×+ （1）
由式(1)可求得顶事件U 的最小割集共4个，分别是12345467{,,},{,},{,},{}x x x x x x x x
在不考虑底事件发生概率值的情况下，首先分析各底事件在发射系统故障树结构中的位置重要程度，利用最小割集求各底事件的结构重要度。当最小割集中只含有一个底事件，该底事件的结构重要度最大；当最小割集中底事件书目相等时，出现
次数越多的底事件，其结构重要度越大
[16]
。分析雷
达发射系统故障树的4个最小割集，可以得出各底
事件的结构重要度()(17)l i i f ££的排序为：
(7)(4)()(),(5,6;1,2,3)l l l m l n m n f f f f >>>==（2）
2.2 定量分析
2.2.1 雷达发射系统顶事件发生概率
雷达发射系统顶事件U 发生的概率P (U)就是(X)1j =的概率，即求取(X)j 的数学期望[(X)]E j 。
令(1,4)i X i k k ££=为该故障树的最小割集，可得顶事件U 发生的概率P (U)为：
U 1
二维力传感器
(U)[(X)][(X)1]()i k X i P E P P j j =====（3） 按照概率求和公式将式(3)展开，由于顶事件U 的最小割集共4个（k=4），因此，顶事件U 发生的概率可展为式(4)：
1111石油测井仪器
()()1
(U)()()()i i i j k i j i j k i j l i j l m k i j l m k X i k P X P X X i P P P X X X P X X X X £££££££££££=ååå-+å===-U （4）
若(17)i q i ££为底事件发生的概率，由式(4)可得顶事件发生概率为：
123454671234512346123745645746712345612345712346745671234567
(U)()()()P q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q =-++++++++++++- （5）
2.2.2 雷达发射系统底事件结构重要度分析
概率重要度可以反映底事件不可靠度的变化对系统顶事件发生概率的影响程度。在计算概率重
要度计算时，若假定所有底事件发生概率q i 均为
12
虚拟轨道列车时，概率重要度系数等于结构重要度系数
[16]
，如式
(6)所示。计算所有底事件的概率重要度l g (i )如式
(7)：
12
(())(),1,2,,n i q Ig i I i i f ===L （6） ()(U)/i Ig i p q =¶¶（7）
由式(5)，(6)，(7)得顶事件发生概率和所有底事件结构重要度的结果汇总见表1。
出水服务
lncrna引物设计础上，各底事件的结构重要度系数的计算值。由计算值可知，底事件的结构重要度
(7)(4)(5)(6)(1)(2)(3)I I I I I I I f f f f f f f >>=>==，与
式(2)的结构重要度结果一致。由式(2)和表1中各底事件结构重要度结果可知，磁控管损坏或严重老化的结构重要度系数最大；其次是电源电路故障，无直流高压；再次是调制器损坏、无预调制脉冲；最后是发射按键接触不良或损坏，无灯丝电压，开关电路故障。因此，雷达发射系统无发射脉冲的检查顺序可从磁控管、调制器、发射按键检查及电路故障排查开始，这是更有效的排查顺序。 3 船舶导航雷达发射系统故障检查及应急
经过对船舶导航雷达发射系统故障树的定性和定量分析，结合船舶驾驶员在实船上的雷达使用情况，进一步研究发射系统故障与其可能导致的几
1）雷达显示器亮度可调，但无回波图像：首先按雷达图像调整步骤检查是否未调整好雷达图像，若还是无回波图像，可查看磁控管电流，若电流值为0或低于额定值，则可首先检查雷达发射机，确定雷达磁控管无大功率辐射后，确定雷达发射机故障；
2）雷达已开机，但无法操作，操作硬面板无亮度。电源电压故障、电源板故障、发射机运行中无法实现加高压、保险丝熔断、硬面板灯故障均可导致此现象。针对以上相应的故障，正确连接电源或更换电源板、更换保险丝、更换面板灯即可； 3）将STC 或AUTO STC 调至最小后调整GAIN 控件，标识符号和噪音斑点均出现，但无回波图像：多因磁控管老化、发射机功率严重不足，调制器板故障或SPU 板故障引起。通过核查日志中雷达磁
控管使用时间长，若大于该雷达磁控管的额定使用时效，并在48nm量程上发射，检查磁控管电流，如果电流低于正常值，磁控管可能老化，更换磁控管。若高频放大器或中频放大器增益严重不足，则需维修更换。再检查调制器板和SPU板，若有故障，则更换；
4）雨雪天气过后雷达发生故障：若无回波或图像模糊，多因雷达天线或数据传输线接头进水所致。若雷达开机发射30min之后图像无明显改善，应到进水位置，排除进水并做干燥处理，或需更换线缆。
4 结束语
本文基于故障树分析方法构建了船舶导航雷达发射系统故障树，通过定性分析得出4个最小割集和7个底事件的结构重要度排序。以底事件同等发生概率基础上，定量分析得出发射系统故障树顶事件发生概率为0.828，底事件重要度系数计算结果与定性分析一致。结果表明，最应加强对雷达发射机磁控管的检测，这可最大程度地降低其老化或损坏对雷达回波观测的影响，其次应确保供电电路的正常工作以提供调制高压。最后，提出了船舶导航雷达发射系统无发射脉冲的诊断检查方案，并制定了异常雷达运行状态，回波及显示对雷达故障判断的最佳识别方法及应急措施。
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