基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的系統(tǒng)級裝備可靠性評估方法的研究

陳中青，朱宜生，王超，王一飛，劉玉石

（1.中國船舶重工集團第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

可靠性是指在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]。由此可以看出可靠性是裝備質(zhì)量的一項重要指標，是影響未來作戰(zhàn)勝負的關(guān)鍵因素。

目前，對于艦載電子設(shè)備可靠性的考核主要是按照GJB 899A-2009 《可靠性鑒定和驗收試驗》[2]和《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》[3]的規(guī)定在實驗室環(huán)境條件下進行試驗驗證，即在溫度/濕度/振動/電應(yīng)力等多種綜合環(huán)境應(yīng)力下進行試驗。對于分系統(tǒng)級或設(shè)備級艦載電子裝備來說，由于其組成和功能相對簡單，國內(nèi)具備按照標準進行試驗考核的條件。但是對于系統(tǒng)級裝備而言，由于其組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、功能性能參數(shù)眾多等，例如某型對抗系統(tǒng)由六個分系統(tǒng)組成，天線和機柜數(shù)量多達數(shù)十個，安裝位置既有艙外、又有艙內(nèi)無溫控和艙內(nèi)有溫控，重量近三十噸，國內(nèi)尚無實驗室具備開展對抗裝備系統(tǒng)級試驗的能力。一般對大型復(fù)雜的系統(tǒng)級裝備采用評估的方式驗證其可靠性水平。

1 系統(tǒng)級裝備可靠性評估現(xiàn)狀

系統(tǒng)級裝備的可靠性評估一般是采用經(jīng)典單元法[4]，目前評估數(shù)據(jù)的采集與處理有兩種方式：

一是自下而上的方式，即采信各個分系統(tǒng)級裝備的可靠性鑒定試驗結(jié)果，然后代入到系統(tǒng)級裝備的可靠性模型中，評估出系統(tǒng)級裝備的可靠性水平。以某型近區(qū)防衛(wèi)裝備為例，其包含六個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)均采用實驗室綜合環(huán)境條件下的可靠性鑒定試驗進行驗證，得到各個分系統(tǒng)在80 %置信度下的基本可靠性置信下限分 別 為 278.52 h、1 323.19 h、1 052.91 h、300.325 h、800.3 h和909.51 h，滿足各分系統(tǒng)研制任務(wù)書中可靠性指標分別不低于150 h、300 h、480 h、300 h、800 h和480 h的要求，將各分系統(tǒng)的試驗結(jié)果代入到其基本可靠性模型[5]中（如圖1所示），經(jīng)計算（見公式（1）），在80 %置信度下某型近區(qū)防衛(wèi)裝備的可靠性評估結(jié)果為53.33 h。

式中：

θL—系統(tǒng)級裝備的MTBF評估結(jié)果；

θLi—各個分系統(tǒng)在相同置信度下MTBF的置信下限。

二是通過收集的系統(tǒng)級裝備某個外場階段（系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試、航行試驗、系泊試驗等）的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計該階段的有效試驗數(shù)據(jù)和故障數(shù)，評估系統(tǒng)級裝備的可靠性是否滿足相關(guān)技術(shù)文件中的指標規(guī)定。以某型綜合指揮系統(tǒng)為例，通過收集其在某試驗場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計有效試驗時間為623 h，試驗中共發(fā)生責(zé)任故障數(shù)5個，按照GJB 899A-2009中的公式（見公式（2））計算得到在80 %置信度下其單側(cè)置信下限為78.8 h（流程如圖2所示）。

式中：

θL—系統(tǒng)級裝備的MTBF評估結(jié)果；

T—系統(tǒng)級裝備總試驗時間；

C—置信度；

r—責(zé)任故障數(shù)。

2 現(xiàn)有可靠性評估方式的不足

上述兩種評估方式均有一定的優(yōu)缺點。采用第一種方式的優(yōu)點主要有：

①評估方法簡單，評估數(shù)據(jù)易于收集，評估成本較低。

②分系統(tǒng)是在實驗室綜合環(huán)境應(yīng)力條件下進行的試驗，試驗應(yīng)力可控，其可靠性水平和故障數(shù)是在實驗室極限應(yīng)力下得到的，而外場試驗的試驗應(yīng)力不可控，在短時間內(nèi)很難遇到各種極限應(yīng)力。

但是，也存在如下的局限性和不足：

①評估數(shù)據(jù)來源單一，對各分系統(tǒng)裝備組成系統(tǒng)后的可靠性水平未進行實際驗證，僅是參考各分系統(tǒng)的可靠性結(jié)果采用理論分析的方式評估系統(tǒng)級裝備的可靠性水平，因而造成評估結(jié)果與后續(xù)實際使用的可靠性水平有一定的差距。

②采用該方式進行評估，要求各個分系統(tǒng)的MTBF置信下限必須是在相同置信度下得出的。如果各個分系統(tǒng)的置信下限是在不同的置信度下得到的，則需要轉(zhuǎn)化為相同的置信度或采用最低的置信度結(jié)果進行評估。

圖1 某型近區(qū)防衛(wèi)裝備基本可靠性模型

圖2 某綜合指揮系統(tǒng)基本可靠性評估流程圖

③要求各個分系統(tǒng)考核的指標要一致，均為MTBF或均為MTBCF，否則不能直接采用分系統(tǒng)的試驗結(jié)果，需要轉(zhuǎn)化為相同的指標后再進行評估。

第二種評估方式的優(yōu)點有：

①評估方法簡單，一般采用經(jīng)典的服從指數(shù)分布的單元設(shè)備法。

②評估數(shù)據(jù)為組成系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)，相對第一種方式的數(shù)據(jù)更能反映出當前裝備組成系統(tǒng)后的可靠性水平。

該評估方式的其局限性和不足主要有：

①數(shù)據(jù)采集區(qū)間相對較短，不能很好的反映出系統(tǒng)級裝備的實際可靠性水平，因此其評估結(jié)果與實際使用的可靠性水平也有一定的偏差。

②系統(tǒng)級裝備在該階段經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力相對比較溫和，不會遇到各種極限應(yīng)力，分系統(tǒng)在實驗室極限條件下發(fā)生的故障未得到有效利用。

3 基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的可靠性綜合評估方法

針對上述兩種評估方式的不足，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，本文提出基于內(nèi)外場數(shù)據(jù)融合技術(shù)的可靠性綜合評估方法。該方法充分利用各分系統(tǒng)在實驗室極限條件下的試驗數(shù)據(jù)（內(nèi)場試驗數(shù)據(jù)）和組成系統(tǒng)后裝備聯(lián)調(diào)聯(lián)試、系泊航行試驗等各個階段的試驗數(shù)據(jù)（外場試驗數(shù)據(jù)），對內(nèi)外場試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提取出有效試驗數(shù)據(jù)和故障信息，并對有效數(shù)據(jù)按照不同的環(huán)境因子進行折合，獲得經(jīng)數(shù)據(jù)融合后的綜合評估數(shù)據(jù)。綜合評估數(shù)據(jù)的融合過程如圖3所示。

評估數(shù)據(jù)信息的提取和數(shù)據(jù)處理，需要注意以下幾點：

1）評估數(shù)據(jù)中，由于硬件原因引起的系統(tǒng)或設(shè)備/分系統(tǒng)功能不能實現(xiàn)或性能下降，均應(yīng)統(tǒng)計為故障；

2）對于聯(lián)調(diào)階段及聯(lián)調(diào)前，由于軟件接口問題引起的功能不能實現(xiàn)或性能指標超出范圍，可不統(tǒng)計為故障；

3）由于系統(tǒng)級裝備所使用的電子元器件種類和數(shù)據(jù)較多，在進行環(huán)境因子的折算時，按照所使用的電子元器件中環(huán)境系數(shù)[6]最小值進行折合。環(huán)境系數(shù)參考GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中各類電子元器件在不同使用環(huán)境下的推薦值。

對最終獲得評估數(shù)據(jù)按照公式（2）評估系統(tǒng)級裝備的可靠性水平。

4 案例

本文以某型電子信息系統(tǒng)為研究對象，該型系統(tǒng)由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ等六個分系統(tǒng)組成，其MTBF最低可接受值為不小于20 h，各個分系統(tǒng)的MTBF最低可接受值分別要求不小于130 h、110 h、65 h、180 h、120 h和200 h。

各個分系統(tǒng)均在實驗室綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度/濕度/振動）下進行了可靠性試驗，統(tǒng)計方案選取GJB899A-2009中的20-2號方案，試驗時間為θ1（將MTBF最低可接受值設(shè)為θ1）的2.99倍。經(jīng)統(tǒng)計，Ⅲ和Ⅵ分系統(tǒng)在試驗中分別發(fā)生一次責(zé)任故障，其他分系統(tǒng)在試驗中無故障發(fā)生。經(jīng)計算六個分系統(tǒng)在80 %置信度下的MTBF單側(cè)置信下限分別為241.5 h、204.35 h、65.8 h（1個責(zé)任故障）、222.9 h、和204.7 h（1個責(zé)任故障），試驗結(jié)果表明各個分系統(tǒng)的可靠性水平均能滿足其研制總要求的規(guī)定。

所有的分系統(tǒng)組成系統(tǒng)后按照項目進度先后進行了聯(lián)調(diào)試驗和航行試驗。經(jīng)統(tǒng)計，聯(lián)調(diào)試驗有效試驗時間為345 h，期間共發(fā)生16個故障，其中由于硬件引起的責(zé)任故障5個，軟件接口引起的故障11個；航行試驗有效時間為641 h，期間共發(fā)生12個故障，其中由于硬件引起的責(zé)任故障7個，其他均為非關(guān)聯(lián)故障。按照圖3的流程對評估數(shù)據(jù)進行融合，結(jié)果如表1所示。

圖3 采用內(nèi)外場試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)級裝備評估流程圖

由于航行試驗為裝備實際使用環(huán)境，實驗室可靠性試驗條件為極限應(yīng)力環(huán)境，環(huán)境因子為1.0；聯(lián)調(diào)試驗階段在某試驗場進行，環(huán)境條件主要為標稱電應(yīng)力，溫濕度應(yīng)力為當?shù)販貪穸葢?yīng)力，為地面良好使用環(huán)境，因此環(huán)境系數(shù)取0.5。

將融合后的綜合評估數(shù)據(jù)代入到公式（2）中，經(jīng)計算，該型電子信息系統(tǒng)在80 %置信度下的單邊置信下限θL=48.19 h，滿足該型系統(tǒng)MTBF最低可接受值為不小于20 h的要求。

表1 綜合評估數(shù)據(jù)

采用分系統(tǒng)級可靠性試驗數(shù)據(jù)進行評估，按照公式（1）得出系統(tǒng)的可靠性指標為29.75 h；采用聯(lián)調(diào)試驗數(shù)據(jù)和航行試驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)可靠性水平分別進行評估，按照公式（2）得出系統(tǒng)的可靠性指標分別為21.81 h和62.64 h。

由本案例可以看出，該型電子信息系統(tǒng)在各個階段的評估結(jié)果均不相同。由于綜合評估方法所采用的評估數(shù)據(jù)范圍更寬，涵蓋了分系統(tǒng)的可靠性試驗、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗和系統(tǒng)航行試驗等數(shù)據(jù)，評估結(jié)果更具合理性和可信性。

5 結(jié)論

本文所提出的綜合評估方法是應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)的一種評估方法，是對原有評估方法的補充，適用于系統(tǒng)級大型復(fù)雜電子信息裝備。通過本文的闡述，希望能為系統(tǒng)級裝備可靠性指標的評估提供一定的幫助。