雷達高任務可靠性模型對比分析

王學峰

(國營第七二〇廠，南京 210038)

0 引 言

隨著雷達技術(shù)的進步，雷達裝備的可靠性不斷提高，高可靠性雷達應用也越來越廣泛。在美國北方預警系統(tǒng)中，部署的AN/FPS-117型雷達和AN/FPS-124型雷達均為高可靠性預警探測雷達，可有效彌補自然環(huán)境惡劣地區(qū)的雷達監(jiān)控盲區(qū)。近年來，國內(nèi)雷達廠所也做了大量的研究、分析和應用，通過對國外先進高可靠性雷達技術(shù)進行深入研究分析，證明了雷達高任務可靠性的關鍵主要取決于高效費比的任務可靠性模型。[1]本文針對高任務可靠性模型中冷旁待(冷儲備)、熱旁待(熱儲備)及輕載旁待(溫儲備)系統(tǒng)對雷達任務可靠性的影響，采用CARMES軟件開展定量分析研究，在相同單元相同失效率前提下計算不同模型給出的實際任務可靠性量化結(jié)果，為冗余模型的合理選擇提供理論依據(jù)，以期得到較高效費比的可靠性工作模型。[2-3]

1 旁待系統(tǒng)定義和分類

組成系統(tǒng)的N個單元只有一個單元在線工作，其余單元處于備用狀態(tài)，一旦BITE(機內(nèi)自檢設備)或者人工檢測出在線單元故障則由轉(zhuǎn)換開關切換至一個備用單元接替在線繼續(xù)工作，只有在線單元和所有備用單元均故障系統(tǒng)方才失效，此系統(tǒng)為旁待系統(tǒng)。根據(jù)備用單元電應力的不同，旁待系統(tǒng)分為冷旁待(冷儲備)、熱旁待(熱儲備)、輕載旁待(溫儲備)3種。

在檢測設備和切換開關可靠度接近1時，熱旁待的可靠度和MTBCF(部件故障平均間隔時間)與并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度和MTBCF幾乎一樣，因此重點分析冷旁待(冷儲備)和輕載旁待(溫儲備)系統(tǒng)。旁待系統(tǒng)的可靠性框圖如圖1所示。

2 熱旁待系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)

前面講過，在檢測設備和切換開關可靠度接近1時熱旁待的可靠度和MTBCF與并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度和MTBCF幾乎一樣，下面在CARMES軟件中新建“模型對比”項目進行說明。

圖1 旁待系統(tǒng)的可靠性框圖

在雷達系統(tǒng)中選取一個冗余節(jié)點分析計算。在RBD節(jié)點信息中選擇相同單元儲備模型，儲備類型選擇熱儲備，應力比1，轉(zhuǎn)換開關失效率0，維修類型選擇不維修，分布類型選擇指數(shù)分布，任務時間100 h。熱旁待模型圖如圖2所示。系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果如表1所示。

圖2 熱旁待模型圖

表1 系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果報表

在雷達系統(tǒng)中選取同一個冗余節(jié)點分析計算，在RBD節(jié)點信息中選擇相同單元并聯(lián)模型，維修類型選擇不維修，分布類型選擇指數(shù)分布，任務時間100 h，并聯(lián)模型圖如圖3所示。系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果如表2所示。

圖3 并聯(lián)系統(tǒng)模型圖

表2 系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果報表

3 冷旁待系統(tǒng)

冷旁待是指備用單元在備用期間不加電，并忽略在貯存期的失效率。下面分別進行不維修(系統(tǒng)任務時間內(nèi)不能維修或不維修)和完全維修(不關機維修失效的冗余單元)模式計算。

(1) 不維修模式(系統(tǒng)任務時間內(nèi)不能維修或不維修)

假設切換裝置的可靠度與時間無關，每次切換的時間(Ps)恒定。可靠度Rs(t)和任務可靠性MTBCF計算公式如下：

依據(jù)上述定義，在CARMES軟件中“模型對比”項目系統(tǒng)中選取了一個冗余節(jié)點分析計算。在RBD節(jié)點信息中選擇相同單元儲備模型。儲備類型選擇冷儲備，應力比0，轉(zhuǎn)換開關失效率0，維修類型選擇不維修，分布類型選擇指數(shù)分布，任務時間100 h。冷旁待模型圖如圖4所示。系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果如表3所示。

圖4 冷旁待模型圖

表3 系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果報表

(2) 完全維修模式(不關機維修失效的冗余單元)

實現(xiàn)完全檢修只備份一個單元，因此只考慮N=2的情況。

其中，μ為1/MTTR,λk為切換裝置的失效率。

依據(jù)上述定義，在CARMES軟件中“模型對比”項目系統(tǒng)中選取了一個冗余節(jié)點分析計算。在RBD節(jié)點信息中選擇相同單元儲備模型。儲備類型選擇冷儲備，應力比0，轉(zhuǎn)換開關失效率0，維修類型選擇完全維修，分布類型選擇指數(shù)分布，MTTR記為1.2 h，任務時間100 h。冷旁待模型圖如圖4所示。系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果如表4所示。

表4 系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果報表

4 輕載旁待系統(tǒng)

輕載旁待(即溫儲備)是指備用單元在備用期間加電但不滿載工作，僅考慮輕載應力條件下的失效率。下面分別進行不維修和完全維修模式計算。

(1) 不維修模式

不維修模式可靠度Rs(t)和任務可靠性MTBCF計算公式如下：

式中，λ1為在線單元的失效率；λ′為旁待單元在輕載應力下的失效率；λ2為旁待單元接替工作后的失效率，一般情況，λ2?λ1。

依據(jù)上述定義，在CARMES軟件中“模型對比”系統(tǒng)中選取了一個冗余節(jié)點分析計算。在RBD節(jié)點信息中選擇相同單元儲備模型。儲備類型選擇溫儲備，應力比0.5，轉(zhuǎn)換開關失效率0，維修類型選擇不維修，分布類型選擇指數(shù)分布，任務時間100 h。輕載旁待模型圖如圖5所示。系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果如表5所示。

圖5 輕載旁待模型圖

表5 系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果報表

(2) 完全維修模式

完全維修可靠度Rs(t)和任務可靠性MTBCF計算公式如下：

依據(jù)上述定義，在CARMES軟件中新建“模型對比”項目，在雷達系統(tǒng)中選取了一個冗余節(jié)點分析計算。在RBD節(jié)點信息中選擇相同單元儲備模型。儲備類型選擇溫儲備，應力比0.5，轉(zhuǎn)換開關失效率0，維修類型選擇完全維修，分布類型選擇指數(shù)分布，MTTR記為1.2 h，任務時間100 h。輕載旁待模型圖如圖5所示。系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果如表6所示。

表6 系統(tǒng)可靠性預計結(jié)果報表

5 小 結(jié)

節(jié)點失效率λ=50×10-6，可靠性MTBF=20 000 h，任務時間100 h，不維修和完全維修模式下的MTBCF和Rs(t)匯總?cè)绫?所示。由表7可知，在同等條件下，4種模型相比，冷旁待模型的任務可靠性和可靠度較高，輕載旁待次之，熱旁待和并聯(lián)系統(tǒng)最低。

表7 不維修和完全維修模式下的MTBCF和Rs(t)匯總表

6 結(jié)束語

通過以上可靠性分析可知，高可靠性雷達系統(tǒng)在選擇冗余模型時盡量采用冷旁待或者輕載旁待系統(tǒng)，可有效提高雷達任務可靠性，避免過度冗余，耽誤研制進度，進而獲得最大的可靠性-費用比，降低后勤保障費用。