航空電子系統(tǒng)的可靠性分析

周濤

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.019

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對軍用飛機(jī)的功能要求也越來越高，因此，對飛機(jī)航電系統(tǒng)的改裝將越來越多。針對改裝后的航空電子系統(tǒng)的眾多分系統(tǒng)和設(shè)備，在保證系統(tǒng)功能的前提下，如何提高系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。該文對如何提高航電系統(tǒng)可靠性的常用方法做了一定的分析和闡述，并對改裝后某個(gè)航電系統(tǒng)的任務(wù)可靠性進(jìn)行了分析論證。

關(guān)鍵詞：航空電子系統(tǒng) 可靠性 冗余 MTBF

中圖分類號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（a）-0019-05

隨著信息工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)的日益發(fā)展，在過去的數(shù)十年中，飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的重點(diǎn)有了重大轉(zhuǎn)變，從最初飛機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)演變?yōu)轱w機(jī)的電子設(shè)計(jì)上。因此，為增加飛機(jī)的綜合作戰(zhàn)能力，未來針對飛機(jī)的航電系統(tǒng)改裝將越來越多，而由于功能的增加，對飛機(jī)承載的電子設(shè)備的功能要求就不得不急劇地增長，甚至面臨著一種爆炸性的局面。航空電子系統(tǒng)作為一個(gè)整體，需要統(tǒng)籌考慮，進(jìn)行系統(tǒng)集成，使各種系統(tǒng)資源有機(jī)地結(jié)合起來，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)的使命任務(wù)，任何一個(gè)分系統(tǒng)或設(shè)備的失效將影響整個(gè)航空電子系統(tǒng)的功能。在這種情況下，如何提高航空電子系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方法

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的選擇

根據(jù)自上而下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，在對航空電子系統(tǒng)進(jìn)行改裝時(shí)，首先需要確定航空電子設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)型，選擇一個(gè)合適的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是建立高性能的航電系統(tǒng)的首要前提。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大致分為6種。按其智能節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的鏈路不同形式，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別為：點(diǎn)對點(diǎn)型、環(huán)型、星型、主總線型、共享存儲(chǔ)器型、多級(jí)總線型。這6種局部網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢詮慕涌诘哪K性，可擴(kuò)展性，故障的容錯(cuò)特性，復(fù)雜性和通訊阻塞瓶頸等6個(gè)指標(biāo)上對上述幾種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出全面的比較和評(píng)價(jià)，具體見表1。

由表1可見，總線型的拓?fù)湫问剑▎慰偩€多級(jí)總線）由于其綜合性能優(yōu)良，特別適于在航空電子綜合化中加以采用。它的復(fù)雜性不高，而模塊性良好，很適宜做成標(biāo)準(zhǔn)化的接口模塊，可用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)；它的容錯(cuò)性高，可以使航空電子綜合系統(tǒng)獲得很好的可靠性；它的可擴(kuò)展性使得可以靈活地在總線上增加或刪除智能節(jié)點(diǎn)，以適應(yīng)于飛機(jī)或航空電子設(shè)備改進(jìn)或更型的需求。

1.2 容錯(cuò)與可靠性

航空電子綜合系統(tǒng)作為一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)，要求一定的時(shí)間范圍內(nèi)不允許系統(tǒng)失效，或者要使失效概率低至忽略不計(jì)的程度。提高系統(tǒng)可靠性的冗余度技術(shù)大體上可以分成以下幾種。

（1）硬件冗余——通過給系統(tǒng)增添硬件設(shè)備來求得系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

（2）軟件冗余——通過給系統(tǒng)增添用于系統(tǒng)錯(cuò)誤管理的程序來求得系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

（3）事件冗余——以犧牲一定的時(shí)間代價(jià)來求得系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

（4）信息冗余——在系統(tǒng)內(nèi)增添一些提高系統(tǒng)可靠性所需要的信息。

硬件冗余又分成靜態(tài)冗余和動(dòng)態(tài)冗余兩種。靜態(tài)冗余（又稱之為掩蔽冗余）是指采用串并配置以及2N+1模冗余等邏輯重迭技術(shù)來有效地掩蔽硬件故障。對于靜態(tài)冗余來說，在部件出故障后不必對相應(yīng)的故障部件進(jìn)行診斷、隔離、修復(fù)就能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行，因此，靜態(tài)冗余的突出優(yōu)點(diǎn)是對付瞬時(shí)性故障很有效。其缺點(diǎn)是代價(jià)較大，體積重量增加很多。硬件冗余技術(shù)中的第2種是動(dòng)態(tài)冗余（也稱之為選擇冗余，它包括故障檢出、故障隔離及系統(tǒng)恢復(fù)3個(gè)基本組成部分。所謂故障檢出是指對故障做出定性、定位的診斷。在航空電子綜合系統(tǒng)之中，一般需要在3個(gè)級(jí)別上進(jìn)行故障檢出：即計(jì)算機(jī)故障；存儲(chǔ)器/定時(shí)器故障；指令執(zhí)行功能故障；子系統(tǒng)之間數(shù)字通訊的1553B傳輸故障；動(dòng)態(tài)過程的數(shù)據(jù)有效性診斷等。所謂故障隔離是與硬件的余度配置密切相關(guān)，隔離是使兩個(gè)或多個(gè)部件之間的互相作用減到最小以至于零，因此，故障的隔離常常是指余度部件的切換，使故障得以屏蔽或弱化。系統(tǒng)恢復(fù)是指系統(tǒng)設(shè)計(jì)師根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和最低級(jí)別上的故障隔離特性所采取的容錯(cuò)管理策略。它是根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)向量和狀態(tài)的歷史情況而定、在恢復(fù)過程之中必然會(huì)有一個(gè)擾動(dòng)出現(xiàn)，但要限制此擾動(dòng)使飛機(jī)任務(wù)能夠容忍的程度。動(dòng)態(tài)冗余的優(yōu)點(diǎn)是硬件利用率較高，但診斷、定位、恢復(fù)的過程較慢，且付出了軟件的代價(jià)，此種方法如不與其他冗余技術(shù)配合使用，較難消除瞬時(shí)性故障的影響。

3.6 可靠性分配

根據(jù)改裝任務(wù)的設(shè)計(jì)要求，Rs≥0.985，為滿足此要求，需進(jìn)行可靠性分配，將系統(tǒng)的可靠性要求分配到每個(gè)航電設(shè)備上，可靠性主要分配方法見表2。

從表2中內(nèi)容可以看出，可靠性分配方法中，評(píng)分法應(yīng)用較靈活，適用性強(qiáng)，應(yīng)用較普遍。因此，在此選用評(píng)分法進(jìn)行可靠性分配。分配因素及評(píng)分規(guī)則如下。

（1）復(fù)雜程度：對結(jié)構(gòu)、功能、裝配而言，簡單1～復(fù)雜10。

（2）技術(shù)水平：對設(shè)計(jì)方法而言，先進(jìn)1～最低10。

（3）工作時(shí)間：在任務(wù)時(shí)間內(nèi)，工作時(shí)間最短1～最長10。

（4）環(huán)境：對承受的環(huán)境條件而言，最好1～嚴(yán)酷10。

分配過程及結(jié)果見表3所示。

3.7 可靠性計(jì)算

根據(jù)分配給各個(gè)航空電子設(shè)備的可靠度，可以根據(jù)公式算出每臺(tái)設(shè) 備的平均無故障時(shí)間，與各成品廠實(shí)際能夠達(dá)到的平均無故障時(shí)間進(jìn)行對比。

從表4中可以看出，各成品廠設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以達(dá)到的平均無故障時(shí)間以及成熟期后的平均無故障時(shí)間均已達(dá)到或超過分配后要求的可靠度。因此，改裝后系統(tǒng)完成某型武器的發(fā)射控制任務(wù)的可靠度是滿足要求的。

4 結(jié)語

對軍工產(chǎn)品尤其是飛機(jī)來說，可靠性就更加重要，因?yàn)椤翱煽啃允怯绊戃婈?duì)?wèi)?zhàn)斗力的關(guān)鍵因素”，裝備的可靠性決定了裝備的戰(zhàn)備完好性，決定了戰(zhàn)斗的成敗，也是裝備自身的生命線。在任何威脅環(huán)境下贏得勝利所要求的一個(gè)不變的因素是高度可靠和易維修的武器系統(tǒng)，它能夠提供連續(xù)的攻擊能力。工業(yè)部門和科研院所應(yīng)當(dāng)抓住可靠性發(fā)展的歷史機(jī)遇，不斷地探索，豐富和壯大可靠性工程的技術(shù)體系與管理體系，形成了較為完整、配套、成熟的可靠性設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并向更高層次、更深領(lǐng)域發(fā)展。

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