艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性分析

于衛(wèi)東，韓衛(wèi)國(guó)

(中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)91分隊(duì)， 河北 秦皇島 066001)

隨著國(guó)際形勢(shì)的日趨緊張，我國(guó)水面艦艇任務(wù)逐漸發(fā)生變化，加速發(fā)展的艦艇軍事技術(shù)裝備大大提高了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性分析的難度，傳統(tǒng)的可靠性分析方法已越來(lái)越難以滿足需求，因此，研究簡(jiǎn)單有效的系統(tǒng)可靠性分析方法意義重大[1-2]。目前，常用的可靠性分析方法有可靠性框圖分析法[3-4]、故障模式影響和危害性分析法(Failure Mode,Effects and Criticism Analysis，F(xiàn)MECA)[5]、故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis， FTA)[6]等。以上方法主要是基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立邏輯關(guān)系，各裝備的可靠性通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合獲得，方法簡(jiǎn)單，但實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)不能完整模擬復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，得到的分析結(jié)果可能誤差較大。

本文根據(jù)當(dāng)前水面艦艇任務(wù)，以某型艦的近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)(下文均簡(jiǎn)稱近程反導(dǎo)系統(tǒng))作為研究對(duì)象，給出艦艇近程對(duì)空作戰(zhàn)的典型任務(wù)剖面，建立任務(wù)可靠性模型，并收集相關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)。模型中各子單元壽命服從指數(shù)分布，采用Bayes方法計(jì)算各子單元的任務(wù)可靠度，然后按照層層邏輯關(guān)系得到系統(tǒng)可靠度。

1 任務(wù)剖面及質(zhì)量數(shù)據(jù)收集

1.1 任務(wù)剖面描述

任務(wù)剖面[7-8]是指產(chǎn)品在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序描述，通常用于界定裝備的主要任務(wù)、所處環(huán)境和任務(wù)時(shí)間等。在整個(gè)近程對(duì)空作戰(zhàn)里可將艦艇任務(wù)剖面劃分為備戰(zhàn)備航、航渡、待機(jī)、任務(wù)執(zhí)行、撤離和返航幾個(gè)階段，每個(gè)階段有相應(yīng)的工作時(shí)間長(zhǎng)度。本文給出艦艇組織近程對(duì)空作戰(zhàn)的典型任務(wù)剖面，如圖1所示。

以該任務(wù)剖面為基礎(chǔ)，需明確執(zhí)行任務(wù)的各相關(guān)系統(tǒng)/設(shè)備的起始和終止工作時(shí)間，各系統(tǒng)/設(shè)備按照要求在不同階段的不同時(shí)段開(kāi)機(jī)。

1.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)收集

收集相關(guān)系統(tǒng)/設(shè)備的前期實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和同型各艦服役以來(lái)的試驗(yàn)、維修、保障數(shù)據(jù)[9]，包括開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行情況、對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)及跟蹤情況、系統(tǒng)通道組織運(yùn)行情況、故障現(xiàn)象、故障發(fā)生時(shí)刻、故障排除時(shí)間及影響程度等，統(tǒng)計(jì)各系統(tǒng)/設(shè)備的有效失效故障數(shù)、累積工作時(shí)間和每次任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，便于進(jìn)行各系統(tǒng)/設(shè)備的任務(wù)可靠度計(jì)算。

進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)收集過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 應(yīng)保證信息完整，在記錄設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和故障情況的同時(shí)記錄好設(shè)備的名稱、型號(hào)和所屬系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)志信息，以便進(jìn)行信息的分析處理；

2) 應(yīng)保證信息客觀，不能任意取舍、推斷數(shù)據(jù)；

3) 應(yīng)保證信息及時(shí)，試驗(yàn)的同時(shí)及時(shí)記錄信息，以免補(bǔ)記時(shí)遺漏重要數(shù)據(jù)。

2 任務(wù)可靠性模型

根據(jù)相關(guān)資料，某型近程反導(dǎo)系統(tǒng)通常主要由1套火控設(shè)備、1部跟蹤雷達(dá)、1部跟蹤儀、1座艦炮綜合體、1套捷聯(lián)參考基準(zhǔn)組成。完成該型武器系統(tǒng)的對(duì)空作戰(zhàn)任務(wù)需要本艦作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、敵我識(shí)別器、對(duì)空搜索雷達(dá)協(xié)同配合，根據(jù)實(shí)際執(zhí)行任務(wù)情況，做如下假設(shè)：

1) 由于安裝失誤導(dǎo)致的系統(tǒng)故障不予考慮；

2) 各系統(tǒng)/設(shè)備之間連接線路的故障發(fā)生率很小，近似為0，不予考慮；

3) 輔助設(shè)備對(duì)任務(wù)可能產(chǎn)生的影響作為被忽略事件不予考慮。

基于該武器系統(tǒng)組成和相關(guān)假設(shè)，建立艦艇組織近程對(duì)空作戰(zhàn)的任務(wù)可靠性模型，如圖2所示，模型中各單元的名稱和代號(hào)如表1所示，虛線框中部分屬于近程反導(dǎo)系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型。

單元代號(hào)單元名稱X1本艦作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)X2導(dǎo)航系統(tǒng)X3通信系統(tǒng)X4敵我識(shí)別器X5對(duì)空搜索雷達(dá)X6近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)X61火控設(shè)備X62跟蹤雷達(dá)X63跟蹤儀X64艦炮綜合體X65捷聯(lián)參考基準(zhǔn)

通過(guò)研究圖2模型，在邏輯功能上，模型的X1～X6采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各單元中又包含多個(gè)子單元，以虛線框X6為例，該系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型由多個(gè)子單元混聯(lián)而成。計(jì)算系統(tǒng)任務(wù)可靠度需要先掌握各單元的任務(wù)可靠度，然后按邏輯關(guān)系得到系統(tǒng)可靠度，其中單元任務(wù)可靠度的準(zhǔn)確程度至關(guān)重要。

3 任務(wù)可靠度計(jì)算

3.1 單元任務(wù)可靠度計(jì)算

利用現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)可靠性水平需要積累一定的數(shù)據(jù)量，同時(shí)需要確定合適的置信水平。置信水平的選取需根據(jù)收集的可靠性數(shù)據(jù)量、產(chǎn)品成熟程度等因素綜合而定，以X6為例，該系統(tǒng)由多個(gè)設(shè)備混聯(lián)而成，各設(shè)備數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，置信水平應(yīng)該取小一些。

本文考慮使用Bayes法計(jì)算各子單元任務(wù)可靠度，既利用了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，又視情況結(jié)合了前期實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題。根據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)收集情況，具體考慮兩種情況下可靠度RL的Bayes估計(jì)：一種是可靠度RL無(wú)驗(yàn)前信息可以利用，只能根據(jù)在總時(shí)間內(nèi)失效次數(shù)Z來(lái)進(jìn)行當(dāng)前試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定；一種是考慮由歷史信息確定的評(píng)定方法。

1) 可靠度RL無(wú)信息可以利用的情況。在當(dāng)前壽命試驗(yàn)下，假設(shè)設(shè)備工作總時(shí)間為T(mén)，失效次數(shù)為Z，給定置信度為γ，任務(wù)時(shí)間為t。

① 當(dāng)失效次數(shù)Z≠0時(shí)，可靠度RL為：

(1)

② 當(dāng)失效次數(shù)Z=0 時(shí)，可靠度RL為：

RL=(1-γ)t/T

(2)

2) 可靠度RL有信息可以利用的情況。假定在歷次的壽命試驗(yàn)中，設(shè)備累積工作時(shí)間為T(mén)0，失效次數(shù)為Z0，在當(dāng)前壽命試驗(yàn)下，設(shè)備工作總時(shí)間為T(mén)′，失效次數(shù)為Z′，給定置信度為γ，任務(wù)時(shí)間為t，則可靠度RL的計(jì)算方法也分Z=0和Z≠0兩種情況，方法同上，其中T=T0+T′，Z=Z0+Z′。

3.2 系統(tǒng)可靠度計(jì)算

按上文給出的單元任務(wù)可靠度計(jì)算方法，可以計(jì)算出模型中各子單元的任務(wù)可靠度，然后按邏輯關(guān)系和相應(yīng)方法求出X1～X6的可靠度，最后得到系統(tǒng)任務(wù)可靠度R。

以X6為例，其任務(wù)可靠度為

RX6L=RX61L(tX61)·(1-((1-RX62L(tX62))· (1-RX63L(tX63))))·RX64L(tX64)·RX65L(tX65)

(3)

則整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)可靠度為

R=RX1L·RX2L·RX3L·RX4L·RX5L·RX6L

(4)

由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可以看出，在相同工作時(shí)間內(nèi)，設(shè)備失效次數(shù)越少，即平均無(wú)故障工作時(shí)間越長(zhǎng)，則設(shè)備任務(wù)可靠度越高。必須基于各子設(shè)備提高其平均無(wú)故障工作時(shí)間，才能滿足海軍更高需求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究某近程反導(dǎo)系統(tǒng)，給出了艦艇近程對(duì)空作戰(zhàn)的典型任務(wù)剖面，基于任務(wù)建立系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型，并采用Bayes法評(píng)估模型中子單元的任務(wù)可靠度，最后根據(jù)模型的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)求得系統(tǒng)可靠性。該方法既反映了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也充分利用了前期收集的質(zhì)量數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了作戰(zhàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量不足?；谌蝿?wù)和Bayes法評(píng)估系統(tǒng)可靠性的方法簡(jiǎn)單有效，為整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性分析提供了一種思路。

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