基于故障树法的广播电视信号传输安全风险评价

孙俊焘，刘海，申婷婷，朱建明

（1.青岛市广播电视台，青岛 266071；
2.江苏省广电有线信息网络股份有限公司，南京 210018；
3.中国科学院大学，北京 100049）

安全播出是广播电视工作的一项长期性、基础性和根本性的任务[1]。国家广播电视总局颁布的《广播电视安全播出管理规定》（第62 号令）指出，安全播出是指在广播电视节目播出、集成、传输、分发过程中的内容完整、信号安全、网络安全和技术安全。其中，信号安全是指承载广播电视内容的电、光信号不间断、高质量[2]。因此，广播电视信号传输安全是广播电视台安全播出工作的重要保障。

如何在多元信号背景下对信号传输安全进行有效的风险识别和风险评价，是行业内亟需解决的问题。本文将以广播电视信号传输系统为研究对象，以故障树分析法为主要研究方法，在风险识别的基础上对影响信号传输安全的风险因素进行定性和定量分析，以获得相应的风险评价结果，保障广播电视信号传输安全。研究技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线

2.1 广播电视信号传输系统概述

在广播电视直播、转播的信号传输工作中，广播电视台通常会将卫星和光缆两种传输模式结合使用并互为备份。如图2 所示，广播电视信号传输系统由卫星传输子系统和光缆传输子系统组成。在卫星传输子系统中，卫星转播车将节目信号以卫星传输的方式发送，播控中心的卫星接收系统接收到信号后，将其传输至播总控系统；
而在光缆传输子系统中，卫星转播车利用通信光缆将节目信号传输至播控中心的播总控系统。根据相关规定和技术要求，只有两个子系统的信号均达到不间断、高质量的技术标准，才能切实保障节目信号传输安全。

图2 广播电视信号传输系统组成

2.2 卫星传输子系统技术分解

卫星传输子系统由传输主系统和应急备系统两部分构成，如图3所示。在正常状态下，卫星转播车利用车载卫星天线发送节目信号，经过通信卫星转发后，传输主系统的卫星天线接收到节目信号，通过光端机和光纤将信号传输至卫星接收机，卫星接收机对信号进行解码，最后通过电缆将节目信号传输至总控矩阵；
而在异常状态下，即传输主系统的光端机或卫星接收机出现失效时，技术人员可通过光纤配线架以跳接的方式，迅速将应急备系统的光端机和卫星接收机接入传输链路，从而确保节目信号可以安全、完整地传输至总控矩阵。因此只有当传输主系统和应急备系统同时失效时，才会导致卫星传输子系统失效。

图3 卫星传输子系统技术分解

2.3 光缆传输子系统技术分解

光缆传输子系统同样由传输主系统和应急备系统两部分构成，如图4所示。在正常状态下，卫星转播车通过通信光缆发送节目信号，传输主系统的光中继器接收信号并进行增益，随后光端机对信号进行光-电转换，最后通过电缆将节目信号传输至总控矩阵；
而在异常状态下，即传输主系统的光端机出现失效时，技术人员同样可通过光纤配线架以跳接的方式，将应急备系统的光端机即时接入传输链路，以保障节目信号至总控矩阵的传输安全。因此只有当传输主系统和应急备系统同时失效时，才会导致光缆传输子系统失效。

图4 光缆传输子系统技术分解

3.1 故障树分析法

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是用于大型复杂系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。本文用到的故障树事件有用圆形符号表示的底事件、用矩形符号表示的顶事件和中间事件[3]，符号表示及其含义如表1所示。

表1 故障树事件符号表示及其含义

在故障树中，逻辑门用于描述不同事件间的逻辑和因果关系。本文用到的逻辑门主要是与门和或门，符号表示及其含义如表2所示。

表2 故障树逻辑门符号表示及其含义

3.2 广播电视信号传输系统故障树

根据系统技术特征，以“广播电视信号传输系统失效”为顶事件，以“卫星传输子系统失效”、“光缆传输子系统失效”为中间事件，各事件的符号表示及其描述如表3所示。建立广播电视信号传输系统的故障树模型，如图5所示。

表3 广播电视信号传输系统故障树事件符号表示及其描述

图5 广播电视信号传输系统故障树

3.3 卫星传输子系统故障树

根据卫星传输子系统的技术分解结果和相关文献资料[4]，以“卫星传输子系统失效”为顶事件，识别出9 项中间事件和18 项底事件，各事件的符号表示及其描述如表4所示。分析这些风险因素及风险因素之间的逻辑关系，建立卫星传输子系统的故障树模型，如图6所示。

表4 卫星传输子系统故障树事件符号表示及其描述

在卫星传输子系统的故障树中，在顶事件“卫星传输子系统失效（T1）”之下，组成各中间事件的风险因素共有9项：

（1）传输主系统失效（G1），是指卫星传输模式下，传输主系统因各种内在、外在的因素而导致的系统失效；

（2）应急备系统失效（G2），是指卫星传输模式下，应急备系统因各种内在、外在的因素而导致的系统失效；

（3）信号中断（G3），是指卫星信号完全中断；

（4）信号劣化（G4），是指卫星信号质量下降，不符合相关技术标准；

（5）应急操作失效（G5），是指各种原因造成技术人员不能进行应急操作，导致卫星信号无法及时恢复；

（6）信号强度低（G6），是指卫星信号信噪比较低，无法正常使用；

（7）信号受干扰（G7），是指卫星信号受到异常干扰，无法正常使用；

（8）人员失效（G8），是指技术人员由于自身原因不能进行应急操作，导致卫星信号无法及时恢复；

（9）管理失效（G9），是指技术人员由于管理原因不能进行应急操作，导致卫星信号无法及时恢复。

在卫星传输子系统的故障树中，在9 项中间事件之下，组成各底事件的风险因素共有18项：

（1）设备故障（x1），是指技术设备因自身损耗造成的设备失效，包含卫星天线接收不到卫星信号或信号强度低、光端机无法进行光-电转换、卫星接收机不能正常解码等，导致卫星信号中断或无法及时恢复；

（2）人为破坏（x2），是指因台内外人员蓄意对系统进行破坏，造成设备及线缆失效，导致卫星信号中断；

（3）野蛮施工（x3），是指因施工作业不遵守施工规程和管理规范，造成设备及线缆失效，导致卫星信号中断；

（4）偷盗设施（x4），是指因人为窃取、盗割而造成设备及线缆失效，导致卫星信号中断；

（5）插播信号（x5），是指因组织或个人对系统进行恶意攻击，造成节目内容遭到非法篡改，导致卫星信号中断；

（6）线缆断裂（x6），是指电缆、光纤等传输介质因过度弯曲和材料老化而造成的线缆断裂，导致卫星信号中断；

（7）操作失误（x7），是指技术人员因疏忽造成参数设置或线路连接错误，致使设备失效，导致卫星信号中断或无法及时恢复；

（8）电力故障（x8），是指因外电或UPS 供电中断造成设备失效，导致卫星信号中断或无法及时恢复；

（9）火灾（x9），是指因卫星机房或总控机房发生火灾，造成设备及线缆失效，导致卫星信号中断或无法及时恢复；

（10）雷电（x10），是指在极端气象条件下，雷击造成卫星天线等设备设施失效，导致卫星信号中断；

（11）暴雨（x11），是指在在极端气象条件下，暴雨造成电磁波雨衰现象，导致卫星信号强度下降；

（12）大雪（x12），是指在极端气象条件下，积雪造成卫星天线无法正常聚焦电磁波信号，导致卫星信号强度下降；

（13）台风（x13），是指在极端气象条件下，台风造成卫星天线俯仰角、方位角出现偏移，导致卫星信号强度下降；

（14）微波干扰（x14），是指相关单位使用相同、相近频段的电磁波对卫星信号造成同频或邻频干扰，导致卫星信号异常；

（15）业务水平低（x15），是指技术人员由于业务能力不足，在应急状态下不能准确排除故障，造成设备及线缆失效，导致卫星信号无法及时恢复；

（16）规章制度缺陷（x16），是指在突发或应急状态下，因规章制度缺陷而造成技术人员不能进行业务协调或应急操作，导致卫星信号异常或无法及时恢复；

（17）管理不到位（x17），是指因管理松懈迟缓，造成技术人员不能进行业务协调或应急操作，导致卫星信号异常或无法恢复；

（18）应急预案缺失（x18），是指因应急预案存在缺失，造成技术人员不能按照预案采取应急措施，导致卫星信号无法及时恢复。

3.4 光缆传输子系统故障树

根据光缆传输子系统的技术分解结果和相关文献资料[5-6]，以“光缆传输子系统失效”为顶事件，识别出7项中间事件和10项底事件，事件符号表示及其描述如表5 所示。分析这些风险因素及风险因素之间的逻辑关系，建立光缆传输子系统的故障树模型，如图7所示。

表5 光缆传输子系统故障树事件符号表示及其描述

在光缆传输子系统的故障树中，在顶事件“光缆传输子系统失效（T2）”之下，组成各中间事件的风险因素有7项：

（1）传输主系统失效（F1），是指光缆传输模式下，传输主系统因各种内在、外在的因素而导致的系统失效；

（2）应急备系统失效（F2），是指光缆传输模式下，应急备系统因各种内在、外在的因素而导致的系统失效；

（3）光电转换系统失效（F3），是指光端机和连接光端机的电缆或光纤出现失效，导致光缆信号中断；

（4）中继系统失效（F4），是指光中继器及其连接的光纤出现失效，导致光缆信号中断；

（5）应急操作失效（F5），是指各种原因造成技术人员不能进行应急操作，导致光缆信号无法及时恢复；

（6）人员失效（F6），是指技术人员由于自身原因不能进行应急操作，导致光缆信号无法及时恢复；

（7）管理失效（F7），是指技术人员由于管理原因不能进行应急操作，导致光缆信号无法及时恢复。

在光缆传输子系统的故障树中，在7 项中间事件之下，组成各底事件的风险因素共有10项：

（1）设备故障（x1），是指技术设备因自身损耗造成的设备失效，包含光中继器不能实现对光信号的增益、光端机无法进行光-电转换等，导致光缆信号中断或无法及时恢复；

（2）野蛮施工（x3），是指因施工作业不遵守施工规程和管理规范，造成设备及线缆失效，导致光缆信号中断；

（3）线缆断裂（x6），是指电缆、光纤等传输介质因过度弯曲和材料老化而造成的线缆断裂，导致光缆信号中断；

（4）操作失误（x7），是指技术人员因疏忽造成参数设置或线路连接错误，致使设备失效，导致光缆信号中断或无法及时恢复；

（5）电力故障（x8），是指因外电或UPS 供电中断造成设备失效，导致光缆信号中断或无法及时恢复；

（6）火灾（x9），是指因配线机房或总控机房发生火灾，造成设备及线缆失效，导致光缆信号中断或无法及时恢复；

（7）业务水平低（x15），是指技术人员由于业务能力不足，在应急状态下不能准确排除故障，导致光缆信号无法及时恢复；

（8）规章制度缺陷（x16），是指在应急状态下，因规章制度缺陷而造成技术人员不能进行应急操作，导致光缆信号无法及时恢复；

（9）管理不到位（x17），是指因管理松懈迟缓，造成技术人员不能进行应急操作，导致光缆信号无法及时恢复；

（10）应急预案缺失（x18），是指因应急预案存在缺失，造成技术人员不能按照预案采取应急措施，导致光缆信号无法及时恢复。

4.1 故障树定性分析

故障树法主要以计算最小割集的方式进行定性分析。假设系统事件的发生状态只有两种且互为独立，故障树由n个底事件构成，设xi（i=1,2,…,n）取值为1或0，表示底事件发生或不发生。

割集C是底事件集合{x1,x2,…xn}的子集，若底事件都发生则顶事件必发生。如果将割集中任一底事件去掉后C不再是割集，则该割集C称为最小割集[7]。

设故障树由n个底事件组成，xi为描述第i个底事件状态的布尔变量，xi的描述如式（1）所示：

其集合为X={x1,x2,…xn}。故障树顶事件状态变量与底事件状态变量的关系可用结构函数φ(X) =φ(x1,x2,…xn)来表示。令C1,C2,…Cn为故障树的k个最小割集，φ(X)如式（2）所示：

其中，k为最小割集数目；
Cj为第j个最小割集（j=1,2,…,k）。

上行法是计算故障树最小割集的一种重要方法。该计算方法沿故障树自下而上进行，利用运算规则进行简化吸收，从而得到底事件积之和的表达式，其中每项即为一个最小割集[8]。

利用上行法对卫星传输子系统故障树的最小割集进行计算，故障树最下一级为：

往上一级为：

再往上一级为：

通过集合运算简化吸收后，最后一级为：

得到卫星传输子系统故障树的32项最小割集为：

同样利用上行法对光缆传输子系统故障树的最小割集进行计算，故障树最下一级为：

往上一级为：

再往上一级为：

通过集合运算简化吸收后，最后一级为：

得到光缆传输子系统故障树的11项最小割集为：

由于卫星传输子系统和光缆传输子系统的故障树是或门关系，T=T1+T2，通过集合运算简化吸收后，得到广播电视信号传输系统故障树的32项最小割集为：

4.2 故障树定量分析

因为不能确定影响广播电视信号传输安全的风险因素的发生概率，所以本文采用结构重要度分析的方式对系统故障树进行定量分析。结构重要度是指在底事件发生概率未知的情况下，设定底事件的概率值均为1/2，即底事件的重要度仅由故障树的结构确定，此时的重要度IY（xi）称为底事件xi的结构重要度[9]。结构重要度系数的计算如式（3）所示：

其中，Kj为第j个最小割集；
Nj为底事件所在最小割集中的底事件个数。

x1（设备故障）、x7（操作失误）、x8（电力故障）和x9（火灾）在所有最小割集中各出现1 次，其中1 个底事件的最小割集为1个，因此根据式（3）计算得到：

x2（人为破坏）、x3（野蛮施工）、x4（偷盗设施）、x5（插播信号）、x6（线缆断裂）、x10（雷电）、x11（暴雨）、x12（大雪）和x13（台风）在所有最小割集中各出现3 次，其中2个底事件的最小割集为2个，3个底事件的最小割集为1个，因此根据式（3）计算得到：

x15（业务水平低）和x18（应急预案缺失）在所有最小割集中各出现9次，其中2个底事件的最小割集为9个，因此根据式（3）计算得到：

x16（规章制度缺陷）和x17（管理不到位）在所有最小割集中各出现10次，其中3个底事件的最小割集为10个，因此根据式（3）计算得到：

x14（微波干扰）在所有最小割集中出现1次，其中3个底事件的最小割集为1个，因此根据式（3）计算得到：

以结构重要度为依据，对故障树底事件进行排序，建立故障树底事件与风险因素的映射对应关系，使用相关标度法确定影响广播电视信号传输安全的风险因素的风险等级，如表6所示。

表6 广播电视信号传输安全风险评价结果

研究得到的广播电视信号传输安全风险评价结果，为后续风险应对策略的选择、风险应对措施的制定等工作提供了重要决策依据。可以看出：

（1）因为“设备故障”、“操作失误”、“电力故障”、“火灾”、“业务水平低”、“应急预案缺失”、“规章制度缺陷”和“管理不到位”为重大风险因素，所以在设备运行保障、操作规程应用、电力保障、火灾防范、人员培训、应急预案完善、规章制度修订和管理水平提升等方面采取相应的风险应对措施，是确保广播电视信号传输安全的先决条件；

（2）因为“人为破坏”、“野蛮施工”、“偷盗设施”、“插播信号”、“线缆断裂”、“雷电”、“暴雨”、“大雪”和“台风”为较大风险因素，所以在安保能力提升、施工管理保障、信号冗余备份、线缆维护保养、恶劣天气防范等方面采取相应的风险应对措施，是广播电视信号传输安全保障工作中需要重点关注的关键问题；

（3）因为“微波干扰”为一般风险因素，所以在干扰协调机制建设等方面采取相应的风险应对措施，也是保障广播电视信号传输安全不可忽视的因素。

本文在技术分解基础上，利用故障树分析法对影响广播电视信号传输安全的风险因素进行了风险识别和风险分析，得到了广播电视信号传输安全风险评价结果。该研究成果在实际应用中展现出了良好的适用性和有效性，为广播电视信号传输安全的风险管理工作提供了有力的决策支撑，有效保障了多元信号背景下的信号传输安全，推动了广播电视台的安全播出保障工作更上新台阶。

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