基于現(xiàn)場(chǎng)可維修的艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)可靠度研究?

王 鐵 李 騰 張軍周

（1.中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì) 北京 100036）（2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京 100094）

1 引言

艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)是水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，主要承擔(dān)電子偵察監(jiān)視、目標(biāo)識(shí)別告警、有源無源干擾、電子情報(bào)收集等使命任務(wù)。近年來，水面艦艇使用頻度不斷提高、使用強(qiáng)度不斷增大，對(duì)艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)用提出了越來越高的要求，大工作時(shí)長(zhǎng)、連續(xù)值班、具有較高的任務(wù)可靠度，已成為艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)應(yīng)具備的一項(xiàng)重要能力［1］。

傳統(tǒng)定義的艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)剖面僅有幾小時(shí)或十幾個(gè)小時(shí)，與實(shí)際使用中工作時(shí)長(zhǎng)通常能夠達(dá)到數(shù)百小時(shí)嚴(yán)重不符；另外分析任務(wù)可靠度時(shí)沒有考慮檢測(cè)維修、備品配件等因素的影響，任務(wù)可靠度模型與實(shí)際情況存在差異。針對(duì)上述問題，本文從任務(wù)剖面入手，在傳統(tǒng)任務(wù)可靠度定義基礎(chǔ)上，開展了基于現(xiàn)場(chǎng)可維修的艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)可靠度研究，根據(jù)電子對(duì)抗偵察干擾功能特點(diǎn)，結(jié)合常態(tài)化運(yùn)用條件，分析了系統(tǒng)典型任務(wù)剖面，建立了能夠反映系統(tǒng)工作、維修特點(diǎn)的任務(wù)可靠度模型，并開展了分析計(jì)算，對(duì)影響任務(wù)可靠度的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析研究。

2 艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)剖面分析

艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)從功能上說，主要包括偵察告警和電子干擾兩大部分。從設(shè)備組成上說，主要由顯示控制、雷達(dá)偵察、有源干擾、無源干擾等設(shè)備組成，其中顯示控制、偵察告警設(shè)備屬于長(zhǎng)期連續(xù)使用的可維修產(chǎn)品，有源干擾、無源干擾設(shè)備屬于間斷使用的可維修產(chǎn)品。

水面艦艇海上作戰(zhàn)，通常包括備戰(zhàn)備航、航渡、待機(jī)、作戰(zhàn)、撤離等階段，對(duì)艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)可靠度進(jìn)行研究，其作戰(zhàn)使用傳統(tǒng)上被局限在作戰(zhàn)階段，航渡、待機(jī)、撤離等階段的作戰(zhàn)使用往往被忽略，傳統(tǒng)定義的系統(tǒng)典型任務(wù)剖面如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)定義的典型任務(wù)剖面

在當(dāng)前日益復(fù)雜的海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)環(huán)境下，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)的使命任務(wù)不斷拓展，高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間使用要求日益提高，典型任務(wù)剖面也發(fā)生了巨大變化，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

一是工作時(shí)長(zhǎng)大幅增長(zhǎng)。目前艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)使命任務(wù)正在從傳統(tǒng)的電子對(duì)抗防空反導(dǎo)，向區(qū)域警戒監(jiān)視和遠(yuǎn)距離情報(bào)收集方向拓展，作戰(zhàn)使用也不局限于艦艇的作戰(zhàn)階段，而是要貫徹艦艇海上活動(dòng)的全過程。在近海執(zhí)行任務(wù)時(shí)，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)的工作時(shí)長(zhǎng)通常為幾天到幾十天，在遠(yuǎn)海執(zhí)行任務(wù)時(shí)工作時(shí)長(zhǎng)甚至可以達(dá)到上百天。

二是故障檢測(cè)維修是系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)中重要的組成部分。傳統(tǒng)的任務(wù)剖面不考慮設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)期間的檢測(cè)維修工作。但隨著近年來軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，以及模塊化的設(shè)計(jì)不斷深入，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)中的LRU（現(xiàn)場(chǎng)可更換單元）比例越來越高。同時(shí)，BIT功能（機(jī)內(nèi)檢測(cè)）已經(jīng)成為艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)必要的組成部分，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障、修復(fù)故障的能力越來越強(qiáng)，為艦員級(jí)故障檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)維修奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三是偵察告警、電子干擾功能使用方式存在較大差異。系統(tǒng)在海上執(zhí)行任務(wù)期間，顯示控制與偵察告警設(shè)備基本處于連續(xù)工作狀態(tài)，只有當(dāng)工作時(shí)長(zhǎng)大于最大連續(xù)工作時(shí)間后，才進(jìn)行短暫的停機(jī)休整，工作期間如出現(xiàn)故障，則采用更換備件的方式對(duì)故障進(jìn)行維修；執(zhí)行電子干擾任務(wù)期間，有源干擾與無源干擾設(shè)備根據(jù)需要開機(jī)工作，主要處于間斷工作狀態(tài)，由于電子干擾對(duì)于艦艇防衛(wèi)具有至關(guān)重要的作用，所以干擾設(shè)備工作期間不允許出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)故障則判斷任務(wù)失敗。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除系統(tǒng)存在的故障隱患，在備戰(zhàn)備航階段和停機(jī)休整間隙，通常會(huì)開展預(yù)防性檢測(cè)、維修。

根據(jù)上述分析，新時(shí)期艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)的典型任務(wù)剖面如圖2所示。

圖2 新時(shí)期艦載電子對(duì)抗裝備任務(wù)剖面

與傳統(tǒng)定義的任務(wù)剖面相比，新的任務(wù)剖面反映了艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)在海上執(zhí)行任務(wù)期間的完整工作過程。在艦艇離港后，系統(tǒng)即開始執(zhí)行偵察告警任務(wù)，既包括作戰(zhàn)階段，也包括航渡、等待，撤離戰(zhàn)區(qū)等時(shí)間段，偵察告警任務(wù)基本覆蓋所有任務(wù)時(shí)間?？紤]到海上作戰(zhàn)的復(fù)雜性，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)需要具備執(zhí)行多次電子干擾任務(wù)的能力，因此新的任務(wù)剖面中將電子干擾的使用劃分為多個(gè)階段。同時(shí)新的任務(wù)剖面增加了設(shè)備檢測(cè)維修要素，即在執(zhí)行任務(wù)間隙，適時(shí)開展例行檢測(cè)、預(yù)防性維修和故障維修等工作，保證系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間、高頻度使用的要求。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)可維修的任務(wù)可靠度模型

艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)主要分為基本可靠性和任務(wù)可靠性兩類。艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)傳統(tǒng)上使用平均故障間隔時(shí)間（MTBF）表征系統(tǒng)的基本可靠性，該指標(biāo)是指引起裝備進(jìn)行非計(jì)劃維修的兩次故障之間的平均間隔時(shí)間，主要反映裝備無故障工作能力和對(duì)維修資源的要求。確定基本可靠性時(shí)，應(yīng)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的所有壽命單位和所有的關(guān)聯(lián)故障，而不局限于發(fā)生在任務(wù)期間的故障，也不局限于危及任務(wù)成功率的故障。由于艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模較大，構(gòu)成系統(tǒng)的分系統(tǒng)較多，因此基本可靠性很難直接反映出系統(tǒng)的真實(shí)作戰(zhàn)能力。系統(tǒng)任務(wù)可靠度是在一定條件下，系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)能力的度量［2］。

傳統(tǒng)的任務(wù)可靠度函數(shù)為［3］

式中λ為故障率，t為工作時(shí)間。該模型不考慮故障維修因素。

根據(jù)GJB1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中A.2.1.2可知，裝備的任務(wù)成功度模型為

式中：RM為傳統(tǒng)的任務(wù)可靠度，即裝備不發(fā)生故障的概率；MM為任務(wù)維修度，即發(fā)生故障能夠被及時(shí)修復(fù)的概率。該模型考慮了故障維修因素，是反應(yīng)系統(tǒng)任務(wù)可靠度的綜合性指標(biāo)，但該模型中(1 ? RM)MM為任務(wù)執(zhí)行期間僅發(fā)生一次故障且被修復(fù)的任務(wù)可靠度增量，對(duì)于任務(wù)執(zhí)行期間發(fā)生多次故障的情況，該模型則無法適用。為了能夠?qū)ε炤d電子對(duì)抗系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)期間，可能發(fā)生多次故障的情況進(jìn)行準(zhǔn)確表征，需要對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

首先是建立任務(wù)執(zhí)行期間故障發(fā)生的概率模型?？紤]到修復(fù)后的系統(tǒng)仍可能再次發(fā)生故障，若發(fā)生的故障均立即進(jìn)行修復(fù)或替換，則在全任務(wù)時(shí)間t內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)i服從參數(shù)為λt的泊松分布：

上式中λ為系統(tǒng)任務(wù)故障率，t為任務(wù)時(shí)間。

考慮到發(fā)生故障的次數(shù)可能趨向無窮大，則式（2）中的(1?RM)可表示為

在航渡、待機(jī)、撤離、返航過程中，電子對(duì)抗系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行偵察告警任務(wù)，此時(shí)間段如果出現(xiàn)設(shè)備故障，在具備可維修的條件下可采用更換備件的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)艦員級(jí)維修。此時(shí)間段電子對(duì)抗系統(tǒng)可視為反復(fù)使用的可修產(chǎn)品，故障修復(fù)后，系統(tǒng)任務(wù)可靠度不受影響。此過程中，系統(tǒng)的任務(wù)可靠度模型為

式中P修復(fù)為發(fā)生故障能夠被及時(shí)修復(fù)的概率，即為式（2）中的任務(wù)維修度MM；λ1為偵察設(shè)備的任務(wù)故障率，等于致命故障間隔時(shí)間（MTBCF）的倒數(shù)；t1為偵察設(shè)備航渡、進(jìn)入和撤離戰(zhàn)區(qū)的累積時(shí)間。

在作戰(zhàn)階段，由于持續(xù)時(shí)間較短，且對(duì)抗激烈、影響重大，電子對(duì)抗系統(tǒng)需要電子干擾任務(wù)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)被視為反復(fù)使用的不可修產(chǎn)品。在此期間，如出現(xiàn)影響任務(wù)完成的故障，則判定任務(wù)失敗。此過程中，系統(tǒng)的任務(wù)可靠度函數(shù)為

式中λ2為電子干擾設(shè)備的任務(wù)故障率，等于對(duì)應(yīng)MTBCF的倒數(shù)；t2為作戰(zhàn)時(shí)間。由于系統(tǒng)執(zhí)行電子干擾任務(wù)期間，告警設(shè)備必須同時(shí)進(jìn)行工作，所以此時(shí)的任務(wù)故障率λ2為偵察告警和電子干擾同時(shí)工作時(shí)的故障率。

根據(jù)式（1）～（6）的推導(dǎo)可知，新的艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)可靠度計(jì)算公式為

其中，任務(wù)維修度P修復(fù)與平均修復(fù)性維修時(shí)間 MCT、故障檢測(cè)率RFD、故障隔離率 RFI、虛警率 RFA、備件滿足率RSF等多種因素相關(guān)。

考慮到艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)在執(zhí)行某些短周期任務(wù)時(shí)，也存在不允許進(jìn)行維修的情況，則在此種情況下的任務(wù)可靠度計(jì)算公式可由式（7）進(jìn)行簡(jiǎn)化，如下所示：

上式與傳統(tǒng)定義上的任務(wù)可靠度計(jì)算公式保持一致［4］。

4 任務(wù)可靠度計(jì)算

計(jì)算系統(tǒng)任務(wù)可靠度，首先需要確定系統(tǒng)故障率。在任務(wù)執(zhí)行的過程中，發(fā)生不同的故障模式會(huì)對(duì)任務(wù)產(chǎn)生不同程度的影響，通過故障模式、影響及危害性分析（FMECA），將系統(tǒng)的故障模式按照嚴(yán)酷程度分為四類，如表1所示。

表1 故障模式嚴(yán)酷度類別定義

從是否影響任務(wù)完成的角度出發(fā)，可以認(rèn)為上表中Ⅰ、Ⅱ類故障模式會(huì)造成任務(wù)失敗，即只有Ⅰ、Ⅱ類故障模式才對(duì)任務(wù)可靠度的計(jì)算造成影響。

執(zhí)行偵察告警任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)僅ESM功能開啟，系統(tǒng)故障率λ1主要由顯示控制、雷達(dá)偵察設(shè)備的MTBCF決定；執(zhí)行電子干擾任務(wù)時(shí)，ESM和ECM功能均開啟，系統(tǒng)故障率λ2主要由顯示控制、雷達(dá)偵察、有源干擾、無源干擾設(shè)備的MTBCF決定。

為了便于分析，給定系統(tǒng)故障率取值如表2所示。

表2 故障率取值

執(zhí)行長(zhǎng)周期任務(wù)時(shí)，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)既需要開展長(zhǎng)時(shí)間的偵察告警，又需要開展短時(shí)間的對(duì)抗干擾。假定一次出航任務(wù)周期為200天，其中ESM系統(tǒng)單獨(dú)工作的時(shí)間累計(jì)約3600h（對(duì)應(yīng)150天），ESM與ECM系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)間累計(jì)約24h。

在不考慮維修的情況下，任務(wù)可靠度計(jì)算結(jié)果為

這個(gè)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際任務(wù)執(zhí)行情況嚴(yán)重不符。所以，對(duì)于執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間周期的任務(wù)剖面時(shí)，必須考慮維修度的影響。在艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)攜帶備品備件，具備任務(wù)中進(jìn)行維修及備品備件更換等現(xiàn)場(chǎng)艦員級(jí)維修的條件時(shí)，計(jì)算任務(wù)可靠度時(shí)需考慮故障能被及時(shí)修復(fù)的可能性，采用式（7）進(jìn)行任務(wù)可靠度計(jì)算。

其中，假定任務(wù)維修度P修復(fù)取值0.80，根據(jù)式（7）任務(wù)可靠度計(jì)算結(jié)果為

計(jì)算當(dāng)前任務(wù)剖面下的任務(wù)可靠度為0.762，與實(shí)際情況有一定的吻合度，基本可以滿足任務(wù)要求。

對(duì)于任務(wù)可靠性要求較高的任務(wù)，在執(zhí)行任務(wù)期間不允許發(fā)生設(shè)備故障，典型任務(wù)剖面如圖3所示。

圖3 短時(shí)間任務(wù)周期任務(wù)剖面

圖3任務(wù)剖面下ESM系統(tǒng)單獨(dú)工作的時(shí)間t1=160h、ESM與ECM系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)間t2=8h。

在此任務(wù)剖面下，任務(wù)可靠度計(jì)算結(jié)果為

5 影響任務(wù)可靠度的關(guān)鍵因素分析

根據(jù)上述分析，影響艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)可靠度的因素主要包括任務(wù)時(shí)間、故障率和任務(wù)維修度等方面。其中任務(wù)時(shí)間由任務(wù)剖面決定，主要包括偵察告警累積時(shí)間、電子干擾累積時(shí)間兩部分；故障率是指影響任務(wù)成敗的致命故障發(fā)生的概率，需采用故障模式、影響及危害性分析（FMECA）等方法，區(qū)分致命故障和一般故障進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，使得到的故障率能夠準(zhǔn)確反應(yīng)故障對(duì)任務(wù)的影響程度；任務(wù)維修度P修復(fù)則是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的參數(shù)，不僅與系統(tǒng)本身的平均修復(fù)性維修時(shí)間MCT、故障檢測(cè)率RFD、故障隔離率RFI、虛警率RFA、備件滿足率RSF等因素相關(guān)，還與維修策略、故障分析預(yù)測(cè)能力、人員能力素質(zhì)、器材供應(yīng)保障等因素有關(guān)，是量化分析研究的一個(gè)難點(diǎn)［5～6］。

隨著作戰(zhàn)使用周期的不斷增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)較高的任務(wù)可靠度對(duì)艦載電子電抗系統(tǒng)提出了越來越高的要求，一方面需要采用數(shù)字化、固態(tài)化技術(shù)和大規(guī)模集成電路等進(jìn)一步降低設(shè)備的故障率；另一方面應(yīng)該提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)維修能力。從發(fā)展趨勢(shì)上看，提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)維修能力應(yīng)是提高艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)任務(wù)可靠度的重要方向。

近年來，隨著BIT技術(shù)的應(yīng)用推廣，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)具有一定的在線故障檢測(cè)和故障定位能力，但是整體來說故障檢測(cè)率、故障隔離率和故障定位準(zhǔn)確度還不高，部分故障還需要人工參與排查、勘驗(yàn)。故障分析定位困難帶來諸多不必要的拆卸及安裝工作，給系統(tǒng)產(chǎn)生額外的磨合損耗，還可能導(dǎo)致新的故障，無形中降低了系統(tǒng)的可靠性水平［7］。

另一方面，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)目前還無法對(duì)裝備狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，對(duì)關(guān)鍵件壽命、故障情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，部隊(duì)開展預(yù)防性維修缺乏依據(jù)，裝備在演習(xí)及執(zhí)行任務(wù)期間常常出現(xiàn)突發(fā)的異常故障，嚴(yán)重影響了作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的完成。

大型電子裝備增加健康管理系統(tǒng)［7］是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外提升裝備可靠性、測(cè)試性、維修性、保障性、安全性等方面能力的一項(xiàng)重要措施。通過增加艦載電子對(duì)抗裝備健康管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)各電子設(shè)備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且通過對(duì)自檢數(shù)據(jù)、功能性能測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試標(biāo)校數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及故障維修數(shù)據(jù)的分析和處理，結(jié)合故障診斷模型、故障預(yù)測(cè)模型，對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)，達(dá)到對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行全壽命周期內(nèi)的有效管理。針對(duì)不同的作戰(zhàn)任務(wù)類型、任務(wù)周期以及任務(wù)強(qiáng)度，可對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性進(jìn)行有效預(yù)估，為作戰(zhàn)指揮人員提供決策依據(jù)，確保任務(wù)的成功率。同時(shí)，給出相應(yīng)的綜合保障建議，針對(duì)性地提出備品備件要求，為維修保障人員提供維修保障信息。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從艦載電子對(duì)抗裝備當(dāng)前實(shí)際使用情況出發(fā)，重新設(shè)計(jì)了艦載電子對(duì)抗裝備的任務(wù)剖面，并在裝備任務(wù)成功度定義基礎(chǔ)上推導(dǎo)出基于可維修的艦載電子對(duì)抗裝備任務(wù)可靠度計(jì)算模型。同時(shí)，通過對(duì)影響裝備可靠性能力提升的分析研究，對(duì)艦載電子對(duì)抗裝備的維護(hù)保養(yǎng)、故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)、備品備件保障資源等方面提出了新的的要求。