大型電子系統(tǒng)緊縮試驗(yàn)方法研究

張友蘭，劉俊榮，趙曉林

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

多功能、大型電子系統(tǒng)(含大型武器裝備系統(tǒng)，以下統(tǒng)稱:大型電子系統(tǒng))的高速發(fā)展，注定了電子系統(tǒng)的體積龐大、技術(shù)復(fù)雜和功能模式多樣化。但由于受到系統(tǒng)性能指標(biāo)考核需求和試驗(yàn)設(shè)施不配套的雙重約束，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方法已經(jīng)解決不了大型電子系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)問題，面對(duì)這一挑戰(zhàn)，需要采取新的對(duì)策，以新型的試驗(yàn)方法來取代傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法。通過對(duì)國內(nèi)外可靠性試驗(yàn)方法的分析研究，拓展思路，突破傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，提出一種新型的，既省時(shí)、省力又節(jié)省經(jīng)費(fèi)，更重要的是具有大型電子系統(tǒng)代表性的新型試驗(yàn)方法，這種方法就是緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法。

緊縮系統(tǒng)是對(duì)大型電子系統(tǒng)中由多臺(tái)(套)相同設(shè)備組成的冗余子系統(tǒng)，按照既定的抽樣規(guī)則抽取其中的部分設(shè)備，再與大型電子系統(tǒng)中的非冗余子系統(tǒng)重新組合的系統(tǒng)，稱作大型電子系統(tǒng)的緊縮系統(tǒng)(簡稱:緊縮系統(tǒng));采用系統(tǒng)緊縮組合方法進(jìn)行的試驗(yàn)稱作緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法(簡稱緊縮試驗(yàn)方法)。

緊縮試驗(yàn)方法的技術(shù)難點(diǎn)是解決相關(guān)性、試驗(yàn)參數(shù)有效性，繼而解決試驗(yàn)結(jié)果的正確性問題。通過對(duì)大型電子系統(tǒng)的組成特點(diǎn)、抽樣方法、性能、可靠性指標(biāo)相關(guān)性分析和工程計(jì)算、在對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法剖析的基礎(chǔ)上，突破了傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，結(jié)合我國國情，提出緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法。應(yīng)用實(shí)例證明該試驗(yàn)方法能滿足大型系統(tǒng)在不增加試驗(yàn)設(shè)施投入的條件下，保證系統(tǒng)可靠性指標(biāo)、技術(shù)性能得到有效驗(yàn)證。

1 緊縮試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法是在整體系統(tǒng)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)中功能、性能相同的子系統(tǒng)進(jìn)行抽樣組合，重新組成一個(gè)完整的小型系統(tǒng)(簡稱緊縮系統(tǒng))。

1.1 問題的提出

大型電子系統(tǒng)一般整體量重、體積龐大，而冗余子系統(tǒng)設(shè)備組成數(shù)量在整體系統(tǒng)中占的比重是最大的，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，往往需要兩個(gè)以上試驗(yàn)剖面才能完成試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)設(shè)施、試驗(yàn)條件保障(如振動(dòng)應(yīng)力施加方法、溫控冷卻)要求很高，若新建大型試驗(yàn)室，不僅需要投入大量的經(jīng)費(fèi)，還需要多臺(tái)大型振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，在相同剖面中振動(dòng)臺(tái)同步控制技術(shù)難度較大。此外，對(duì)于大功率器件集中區(qū)，如雷達(dá)天線功率發(fā)射和大功率電源區(qū)，需要對(duì)數(shù)千瓦功率的發(fā)熱量散熱，對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求非?？量?，采用普通的液冷方法降溫，對(duì)該區(qū)域設(shè)備工作溫度控制難度較大，很難滿足散熱要求，需要采用強(qiáng)迫液冷方式冷卻，即采用航空冷卻液冷卻。在短期內(nèi)要設(shè)計(jì)出這樣的大型試驗(yàn)室不僅有技術(shù)難度，而且需要大量的經(jīng)費(fèi)投入，還將延長產(chǎn)品定型時(shí)間，影響用戶使用。對(duì)此，可以設(shè)想在節(jié)約資源的條件下，減少其大功率高溫區(qū)域的功率熱源，同時(shí)又要保證系統(tǒng)的性能、指標(biāo)得到有效考核驗(yàn)證。針對(duì)上述種種問題，對(duì)大型電子系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方法、性能、指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行了較深入的分析研究，在研究結(jié)論基礎(chǔ)上提出了“變試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量的試驗(yàn)方法”，即“緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法”。

大型電子系統(tǒng)一般由冗余子系統(tǒng)和非冗余子系統(tǒng)組成，冗余子系統(tǒng)包含常規(guī)冗余和余量功能冗余，這里統(tǒng)稱為冗余系統(tǒng)或冗余設(shè)備。緊縮系統(tǒng)是針對(duì)冗余子系統(tǒng)而言，如相控陣?yán)走_(dá)中的天線子系統(tǒng)，通信數(shù)傳系統(tǒng)中的通信數(shù)傳鏈路等。

緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法是在盡可能不增加試驗(yàn)設(shè)施投入的條件下，保證系統(tǒng)可靠性指標(biāo)、技術(shù)性能參數(shù)得到良好驗(yàn)證的一種試驗(yàn)方法，它適合于具有冗余子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大型電子系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.2 樣機(jī)與組成

緊縮試驗(yàn)方法適合于功能、性能相同設(shè)備組成的系統(tǒng)(包括大型電子系統(tǒng)中的冗余子系統(tǒng))，它們的抽樣(緊縮)原理基本相同，但是在組成結(jié)構(gòu)上有差異。

1.2.1 抽樣原理

緊縮試驗(yàn)是對(duì)大型系統(tǒng)中的冗余子系統(tǒng)采取隨機(jī)抽樣的方法，抽取試驗(yàn)樣機(jī)，使系統(tǒng)體積、重量縮減，性能、指標(biāo)達(dá)到有效驗(yàn)證的目的。

以雷達(dá)學(xué)科中的相控陣?yán)走_(dá)為例，系統(tǒng)主要由天線收發(fā)子系統(tǒng)(以下簡稱天線子系統(tǒng)或天線單元)、波束掃描控制電路、信號(hào)處理、控制電路、高壓電源和低壓電源等子系統(tǒng)組成，相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，天線冗余子系統(tǒng)是大型功能冗余子系統(tǒng)，適宜采用緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。

其中天線子系統(tǒng)由功能、性能相同的大量設(shè)備(單元)組成，如圖1所示。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)天線子系統(tǒng)組成設(shè)備示意圖

所有天線單元按照不同種類和數(shù)量，排列成n個(gè)天線陣面(陣面A、陣面B…陣面n)，n個(gè)陣面構(gòu)成一個(gè)矩陣結(jié)構(gòu)天線子系統(tǒng)。在該子系統(tǒng)中相同種類的收發(fā)單元具有相同的功能和性能，以及可靠性指標(biāo)，在功能模式上具有同等的替代能力。因此在可靠性試驗(yàn)時(shí)，對(duì)它們采取抽樣試驗(yàn)方法是可行的。

抽樣數(shù)量根據(jù)組成新的緊縮系統(tǒng)需求確定，但是為了保證驗(yàn)證性能、指標(biāo)的有效性與合理性，抽樣數(shù)量以達(dá)到緊縮系統(tǒng)驗(yàn)證指標(biāo)有效、節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、樣機(jī)成本費(fèi)最大為原則，但是要保證冗余子系統(tǒng)組成設(shè)備的性能、指標(biāo)保持高度一致性。

對(duì)矩陣結(jié)構(gòu)型系統(tǒng)抽樣時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的組合方案、組成陣面的單元種類(或類型)S，以及單元數(shù)X確定樣本量，所有樣本等量對(duì)稱分布在n個(gè)陣面上，采用矩陣排列分類抽樣法進(jìn)行抽樣。其方法是按天線單元種類將其劃分為互不交叉、互不重疊的S種類型，每一類包含的單元數(shù)(或樣本量)分別為:X1，X2，…，XS;每個(gè)陣面包含的樣本量分別為:XA，XB，…，Xn。其中:XA=XA1+XA2+… +XAS;XB=XB1+XB2+… +XBS;…;Xn=Xn1+Xn2+… +Xns，則總樣本量為:X=XA+XB+…+Xn。隨后在每個(gè)類型中進(jìn)行獨(dú)立抽樣，采用的方法可以相同，也可以不同，但這時(shí)都是簡單的隨機(jī)抽樣。把這種按矩陣分類抽樣稱作矩陣排列分類隨機(jī)抽樣法，然后再根據(jù)陣面組合的要求重新排列組合成具有獨(dú)立功能、性能的完整系統(tǒng)。對(duì)于一般冗余系統(tǒng)抽取試驗(yàn)樣機(jī)就比較簡單了，只要按照既定的取樣數(shù)量隨機(jī)抽取試驗(yàn)樣機(jī)即可。

1.2.2 系統(tǒng)組成

緊縮系統(tǒng)由整體系統(tǒng)中的非冗余子系統(tǒng)和冗余子系統(tǒng)中的抽樣受試樣機(jī)組成。

緊縮系統(tǒng)是對(duì)功能、性能相同的多臺(tái)(套)設(shè)備(主要指冗余系統(tǒng))，如圖1中的天線子系統(tǒng)，按照規(guī)定的比例抽樣緊縮，如抽取冗余設(shè)備的30%、40%等。冗余子系統(tǒng)以外的所有子系統(tǒng)統(tǒng)稱為非冗余子系統(tǒng)，在緊縮試驗(yàn)方法中，非冗余子系統(tǒng)必須全部參加試驗(yàn)，因此，緊縮系統(tǒng)的組成是一個(gè)完整的小型系統(tǒng)。

1.3 驗(yàn)證指標(biāo)

緊縮系統(tǒng)驗(yàn)證指標(biāo)是由組成該系統(tǒng)的各子系統(tǒng)或設(shè)備可靠性的概率邏輯組合。驗(yàn)證指標(biāo)MTBF1(或θ1)是系統(tǒng)的合同指標(biāo)或MTBF的檢驗(yàn)下限值，它等于整體系統(tǒng)指標(biāo)(分配指標(biāo)或合同指標(biāo))扣除不參加試驗(yàn)設(shè)備的指標(biāo)，或者等于所有參試設(shè)備失效率λ之和的倒數(shù)。無論采用哪種計(jì)算方法，驗(yàn)證指標(biāo)經(jīng)折算后都必須滿足MTBF1≥整體系統(tǒng)指標(biāo)或合同指標(biāo)的要求。

根據(jù)圖1所示，緊縮系統(tǒng)驗(yàn)證指標(biāo)MTBF1用式(1)估計(jì)為

式中，MTBF1為緊縮系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證指標(biāo)(h)為整體系統(tǒng)中非冗余子系統(tǒng)的失效率(10－6/h);

為冗余子系統(tǒng)的失效率(10－6/h);為冗余子系統(tǒng)中不參加試驗(yàn)設(shè)備的失效率(10－6/h)。

式(1)中的失效率λ為分配指標(biāo)(即用戶要求指標(biāo))或合同指標(biāo)。

2 相關(guān)性

緊縮試驗(yàn)方法的技術(shù)關(guān)鍵是解決大型系統(tǒng)與其緊縮系統(tǒng)間的相關(guān)性、驗(yàn)證指標(biāo)的有效性問題。相關(guān)性正是檢驗(yàn)緊縮試驗(yàn)方法對(duì)整體系統(tǒng)試驗(yàn)方法有效程度的一個(gè)定量指標(biāo)，相關(guān)程度越高，緊縮試驗(yàn)效果越好。

所討論的相關(guān)性是指冗余整體系統(tǒng)與其緊縮系統(tǒng)之間的相關(guān)程度，包括技術(shù)性能相關(guān)性和可靠性指標(biāo)相關(guān)性。

2.1 可靠性相關(guān)

可靠性指標(biāo)相關(guān)是指冗余系統(tǒng)與其緊縮系統(tǒng)之間可靠性指標(biāo)的關(guān)系，系統(tǒng)基本可靠性MTBF(簡稱可靠性)等于組成系統(tǒng)設(shè)備失效率λ之和的倒數(shù)，為

當(dāng)緊縮系統(tǒng)為第i個(gè)組合方案時(shí)，MTBF=θ1=s，系統(tǒng)失效率 λsi計(jì)算為

式中，s為冗余系統(tǒng)緊縮前可靠性指標(biāo)(h);d為冗余系統(tǒng)緊縮前組成設(shè)備數(shù)量(臺(tái)、套);系統(tǒng)組成設(shè)備確定后，s和d都為常數(shù)，χi為冗余系統(tǒng)抽樣數(shù)量(臺(tái)、套)，是一個(gè)變量。

在式(3)中，1/s=λs，為冗余系統(tǒng)總失效率;χi/d 為抽樣比，令 χi/d=k，則式(3)變?yōu)?/p>

式中，k是一個(gè)小于1的系數(shù)，為組成緊縮系統(tǒng)設(shè)備的抽樣比例，如30%、40%等，是一個(gè)變量值，且與抽樣數(shù)量有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)組成設(shè)備數(shù)量一定時(shí)，可靠性指標(biāo)也是確定的，緊縮系統(tǒng)可靠性指標(biāo)取決于抽樣設(shè)備數(shù)量χ。若把χ稱為自變量，y稱為因變量，則式(4)可寫成

失效率λ—抽樣比例χ的分布曲線圖，如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)為失效率λ，橫坐標(biāo)為受試樣機(jī)抽樣比例χ(%)。

圖2 冗余子系統(tǒng)失效率λi—抽樣比例χ關(guān)系圖

由失效率λ公式(5)和圖2可以看出，失效率λsi與抽樣比χ(%)的關(guān)系為線性關(guān)系，失效率λ隨抽樣比例的增大成相同的比例增加，也就是說失效率λ是沿著一條直線分布的，抽樣比例(%)越大，失效率λ值越高，可靠性MTBF1越低;反之，抽樣比例(%)越小，失效率λ值越低，可靠性MTBF1越高。

變量χ，y之間的相關(guān)關(guān)系為線性關(guān)系，線性方程為

2.2 性能相關(guān)

為了進(jìn)一步證明緊縮試驗(yàn)方法的有效性，還對(duì)系統(tǒng)主要性能參數(shù)如雷達(dá)作用距離R進(jìn)行了相關(guān)性研究。

相關(guān)性系數(shù)γ是用來檢驗(yàn)兩個(gè)變量線性關(guān)系密切程度的一個(gè)有效方法。相控陣?yán)走_(dá)作用距離R與天線數(shù)量χ之間線性相關(guān)的程度又稱為線性相關(guān)的顯著性程度，采用相關(guān)系數(shù)γ為統(tǒng)計(jì)量。一般來說，值越大，相關(guān)性越顯著。

系統(tǒng)性能相關(guān)性參數(shù)以雷達(dá)作用距離R為代表，由于雷達(dá)工作的瞬態(tài)性、雷達(dá)天線的復(fù)雜性、時(shí)變性和非線性，即使按照靜態(tài)過程處理，雷達(dá)方程也是一個(gè)多因變量對(duì)多自變量方程，難以進(jìn)行精確的預(yù)測和計(jì)算。針對(duì)這個(gè)問題，本研究采用基于最小二乘估計(jì)法中的多元回歸分析法，使主成分回歸，得出主成分回歸方程，見式(7)。經(jīng)分析、推導(dǎo)、計(jì)算結(jié)果表明，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射功率pav、作用距離R的變化取決于天線單元χ的數(shù)量(抽樣數(shù))。

雷達(dá)緊縮系統(tǒng)與整體系統(tǒng)之間呈現(xiàn)出非常顯著的正相關(guān)，相關(guān)程度用相關(guān)系數(shù)γ來表示，采用最小二乘法估計(jì)相關(guān)性系數(shù)γ，計(jì)算公式為

通過大量計(jì)算結(jié)果，相關(guān)性系數(shù)γ在99%以上，表明了大型電子系統(tǒng)與其緊縮系統(tǒng)具有很好的相關(guān)性。由此推斷大型電子系統(tǒng)與其緊縮系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)、性能參數(shù)密切相關(guān)，緊縮系統(tǒng)可靠性指標(biāo)、性能參數(shù)能夠代表大型電子系統(tǒng)的性能、指標(biāo)，或者說緊縮系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法能夠代替大型電子系統(tǒng)整體試驗(yàn)。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證緊縮試驗(yàn)方法的科學(xué)性，結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，受試產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)程序、參數(shù)測試、故障判據(jù)、過程管理及評(píng)審等與整體系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)要求相同。

2.3.1 試驗(yàn)方案

驗(yàn)證試驗(yàn)在具有國家級(jí)資質(zhì)的第三方試驗(yàn)室進(jìn)行，受試樣機(jī)組成(緊縮系統(tǒng))，數(shù)量為一套，提供的備件和維修零部件與受試樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)一致。

根據(jù)相關(guān)控陣?yán)走_(dá)緊縮系統(tǒng)驗(yàn)證指標(biāo)、試驗(yàn)時(shí)間、用戶方和承制方風(fēng)險(xiǎn)，選取GJB899中定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，雷達(dá)緊縮系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，見表1。為了加嚴(yán)考核，緊縮試驗(yàn)方案在判據(jù)上比常規(guī)試驗(yàn)要更加嚴(yán)格，并規(guī)定了加嚴(yán)判據(jù)條件。受試樣機(jī)在規(guī)定的溫度、振動(dòng)、濕度和電應(yīng)力綜合環(huán)境應(yīng)力作用下，按照規(guī)定的試驗(yàn)剖面運(yùn)行，試驗(yàn)狀態(tài)受控。

表1 雷達(dá)緊縮系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案方案

2.3.2 效果和效益

緊縮試驗(yàn)方法具有如下效果和效益。

2.3.2.1 效果

受試樣機(jī)累積試驗(yàn)時(shí)間×××h，共發(fā)生了6起責(zé)任故障，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案允許發(fā)生7起責(zé)任故障，試驗(yàn)結(jié)果，所測得的性能參數(shù)和可靠性指標(biāo)均滿足“可靠性鑒定試驗(yàn)大綱”的要求。試驗(yàn)結(jié)束后，組織了外場整體系統(tǒng)評(píng)估，在落實(shí)故障糾正措施之前，試驗(yàn)室問題多的子系統(tǒng)，在外場試用中也同樣多。糾正措施落實(shí)后，評(píng)估結(jié)果，系統(tǒng)原有的故障模式已消除，評(píng)估結(jié)果與試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)情況基本一致。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果還表明，系統(tǒng)性能參數(shù)檢驗(yàn)合格，在冗余系統(tǒng)抽樣數(shù)量相同條件下，試驗(yàn)值和估計(jì)值構(gòu)成的兩條曲線，如圖3所示，圖3中(1)為試驗(yàn)曲線，(2)為估計(jì)曲線，兩條曲線非常相似，斜率基本相等，說明它們之間線性相關(guān)關(guān)系十分顯著。

圖3 雷達(dá)作用距離試驗(yàn)曲線和估計(jì)曲線比較

2.3.2.2 效益

緊縮試驗(yàn)方法中受試設(shè)備組成了一個(gè)完整的小型閉環(huán)系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間相互引起的從屬故障得到了暴露和糾正，減少了各子系統(tǒng)之間存在的遺留問題。緊縮試驗(yàn)方法科學(xué)合理地解決了大型電子系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)問題;相對(duì)于設(shè)備級(jí)試驗(yàn)方法，大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間和產(chǎn)品研制周期。節(jié)省了昂貴的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)及試驗(yàn)樣機(jī)成本費(fèi)上億元，獲得了高效的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，緊縮系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)(λ)與抽樣數(shù)量χ之間呈現(xiàn)出非常顯著的正相關(guān)，抽樣數(shù)量χ越大，失效率λ越高。失效率λ隨抽樣數(shù)量變化的方程是一個(gè)線性方程:λs=k*λ，相關(guān)性系數(shù)γ等于1。此外，緊縮系統(tǒng)的性能如相控陣?yán)走_(dá)作用距離R與其天線組成數(shù)量χ亦呈現(xiàn)出非常顯著的正相關(guān)，若增加天線單元數(shù)量χ，會(huì)同時(shí)提高雷達(dá)的作用距離R，作用距離估計(jì)值與試驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)γ在99%以上?；谙到y(tǒng)性能、可靠性指標(biāo)顯著性相關(guān)，為大型電子系統(tǒng)小型化試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)，因此，緊縮系統(tǒng)試驗(yàn)方法對(duì)大型電子系統(tǒng)是一個(gè)有效的科學(xué)的試驗(yàn)方法。

緊縮系統(tǒng)的組成是一個(gè)功能、性能完整的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，是大型電子系統(tǒng)的縮影版本，實(shí)踐證明，緊縮試驗(yàn)方法驗(yàn)證的技術(shù)性能、可靠性指標(biāo)對(duì)大型電子系統(tǒng)很具代表性;緊縮試驗(yàn)以新型的試驗(yàn)方法取代了傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，是解決大型電子系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的有效手段;采用緊縮試驗(yàn)方法還可以獲得高效的經(jīng)濟(jì)效益、軍事和社會(huì)效益。

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