基于AMSAA模型的復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)可靠性增長方法

金永明，吳作棟，王鵬飛

(海裝駐上海第一軍事代表室，上海 201913)

艦炮武器系統(tǒng)一般由機(jī)械系統(tǒng)(主要是艦炮發(fā)射單元)和電氣系統(tǒng)(即搜索、跟蹤與控制單元)共同構(gòu)成,是機(jī)、電、液一體的復(fù)雜系統(tǒng)[1],在其研制試驗實施過程中,如果不考慮可靠性增長水平,定型試驗通過的風(fēng)險便會增加。因此,需要針對復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)設(shè)計合適的可靠性增長模型,以指導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)在科研試驗過程中實現(xiàn)可靠性增長。

目前工程上比較經(jīng)典的方法是通過產(chǎn)品初樣機(jī)階段的各類試驗(外場試驗及實驗室強(qiáng)化試驗),激發(fā)產(chǎn)品自身的故障,暴露產(chǎn)品在設(shè)計、制造方面的問題,之后通過分析,找出故障機(jī)理,進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計或者改進(jìn)工藝,最后通過回歸試驗進(jìn)行驗證[2]。但是一般復(fù)雜系統(tǒng)在研制試驗過程中,具有以下兩個特點(diǎn):

1)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)在不斷變化。由于系統(tǒng)在試驗過程中不斷的改進(jìn)設(shè)計,因此不能使用總體(即母體)不變的方法進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。

2)樣本量小。一般復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)在研制試驗階段的樣機(jī)數(shù)量十分有限,所能進(jìn)行的試驗次數(shù)和試驗時間也特別少。

艦炮武器系統(tǒng)在研制過程中,其可靠性水平是不斷變化的,為保證系統(tǒng)在定型時能達(dá)到指標(biāo)要求,一方面需要通過可靠性分析手段(如FTA、FMECA等)確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié),改進(jìn)設(shè)計,達(dá)到“定性”改進(jìn)的目的;另一方面需要通過確定可靠性增長水平,同時對薄弱環(huán)節(jié)提出明確的增長目標(biāo),達(dá)到“定量”改進(jìn)的目的。

綜上所述,現(xiàn)代化艦炮武器系統(tǒng)的可靠性增長,需要在研制過程中實現(xiàn)技術(shù)與管理兩線并重,針對其組成設(shè)備及試驗特點(diǎn),制定適用的可靠性增長模型,預(yù)測或評估其定型時可靠性水平達(dá)標(biāo)的可能性。

1 艦炮武器系統(tǒng)組成及任務(wù)概述

自20世紀(jì)以來,艦炮武器作為海戰(zhàn)中主要武器之一,其性能在實戰(zhàn)或訓(xùn)練中得到不斷的完善和提高,并已由艦炮武器發(fā)展成艦炮武器系統(tǒng)。

艦炮武器系統(tǒng)的組成配置原則上是按艦艇的使命任務(wù)要求來確定的。無論是簡單系統(tǒng)還是復(fù)雜系統(tǒng),一般包括三個分系統(tǒng):一是火力分系統(tǒng),主要包括艦炮和彈藥系統(tǒng);二是火控分系統(tǒng),主要包括跟蹤傳感器(光電和雷達(dá))和火控設(shè)備兩個子系統(tǒng);三是輔助分系統(tǒng),主要有艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)(平臺羅經(jīng)、計程儀、氣象儀、GPS等信息)、捷聯(lián)垂直參考裝置、測速雷達(dá)、自檢測試設(shè)備、訓(xùn)練儀、信息適配及接口設(shè)備等[1]。

2 可靠性增長方法概述

可靠性增長是一種通過不斷地暴露產(chǎn)品設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)、改進(jìn)設(shè)計、進(jìn)行驗證從而提高產(chǎn)品可靠性的過程[3]。通過可靠性增長技術(shù),可以有效提高產(chǎn)品的可靠性水平,降低全壽命周期的保障成本,提升企業(yè)的競爭力。1993年,國防科工委辦法[1993]計基字第231號文“武器裝備可靠性與維修性管理規(guī)定”,也明確規(guī)定:“經(jīng)軍工產(chǎn)品定性機(jī)構(gòu)和使用部門認(rèn)可,成功的可靠性增長試驗可以代替可靠性鑒定試驗?！彼^成功的可靠性增長試驗,一般應(yīng)滿足下列條件[4]:

1)可靠性增長試驗所采用的環(huán)境應(yīng)盡量與實裝場景下的環(huán)境應(yīng)力或者鑒定試驗的應(yīng)力貼近;

2)應(yīng)對可靠性增長的過程進(jìn)行真實、詳盡的記錄;

3)應(yīng)充分利用故障報告、分析及糾正系統(tǒng)(即FRACAS系統(tǒng));

4)應(yīng)選擇合適的置信水平,以確?？煽啃栽鲩L的評估結(jié)果相對可信[4]。

常用的可靠性增長包括:

1)一般性可靠性增長[4];

2)可靠性增長管理[5];

3)可靠性增長試驗[6]。

無論是以上何種方法,都僅適用于艦炮武器系統(tǒng)的試驗階段,無法利用產(chǎn)品在設(shè)計早期時的信息。而艦炮武器系統(tǒng)在研制時,往往希望在設(shè)計早期盡早地暴露問題,從而縮減研制費(fèi)用,提高費(fèi)效比。

3 基于AMSAA模型的復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)可靠性增長方法

對于可靠性增長模型方面,目前國內(nèi)外也有大量的研究,已經(jīng)建立了各類較為成熟的可靠性增長模型。比較經(jīng)典的有Duane模型、AMSAA模型、Gompertz模型和EDRIC模型等[7-8],在軟件可靠性增長分析方面,比較經(jīng)典的模型有Schneidewind模型[9]和Jelinski-Moranda模型[10]等。

對于復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng),其研制過程中的可靠性增長的思路是:

1)根據(jù)技術(shù)協(xié)議確定系統(tǒng)的可靠性增長的目標(biāo)水平。且應(yīng)選取可靠性成熟期目標(biāo)值或者規(guī)定值作為增長目標(biāo)。

2)開展故障樹分析(FTA)或故障模式、影響及危害性分析(FMECA),確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。特別需要說明的是,對于艦炮武器系統(tǒng),除了開展全系統(tǒng)的可靠性增長試驗外,也可以根據(jù)開展FMECA或通過研制初期所暴露的故障,確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)(設(shè)備級),重點(diǎn)針對該設(shè)備開展可靠性增長項目。

3)針對系統(tǒng)或設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié),制定相應(yīng)的可靠性增長試驗大綱。

4)在研制階段開展可靠性增長試驗,發(fā)現(xiàn)設(shè)計、工藝、材料等方面的質(zhì)量問題,及時歸零并提出改進(jìn)措施,在試驗過程中驗證改進(jìn)措施的有效性。

5)收集試驗數(shù)據(jù),并進(jìn)行趨勢檢驗,以檢驗產(chǎn)品的可靠性在試驗中是否存在變化。

6)選取合適的可靠性增長模型進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)推斷或預(yù)測,判斷系統(tǒng)在試驗截尾時間處的可靠性水平是否達(dá)到增長的目標(biāo)。

3.1 拉普拉斯檢驗

筆者選用拉普拉斯檢驗,具體步驟如下:

步驟1建立假設(shè)。接受原假設(shè)H0表示相鄰失效時間間隔Δi=ti+1-ti,i=1,…,n-1,服從指數(shù)分布,產(chǎn)品的可靠性沒有變化趨勢。當(dāng)拒絕原假設(shè)H0時,備擇假設(shè)有兩種選擇:

1)H11:相鄰失效時間間隔Δi,i=1,…,n-1,隨機(jī)地變長,這意味著產(chǎn)品可靠性在增長。

2)H12:相鄰失效時間間隔Δi,i=1,…,n-1,隨機(jī)地變短,這意味著產(chǎn)品可靠性在下降。

步驟2選取檢驗統(tǒng)計量μ。

1)在定數(shù)截尾試驗情形下:

(1)

式中:M為常數(shù),對于定數(shù)截尾其值等于n-1;ti為可靠性增長試驗中的某一時刻;tn為可靠性增長試驗的截尾時刻。

2)在定時截尾試驗情形如下:

(2)

式中:M為常數(shù),對于定時截尾其值等于n;ti為可靠性增長試驗中的某一時刻;tn為可靠性增長試驗的截尾時刻;T為定時截尾時間。

步驟3根據(jù)試驗結(jié)果計算μ的實現(xiàn)值。

步驟4根據(jù)規(guī)定的檢驗顯著水平α,確定拒絕領(lǐng)域。

步驟5查趨勢檢驗統(tǒng)計量μ的臨界值表,將μ與μ1-α/2、μα/2比較,作出判斷:

1)當(dāng)μα/2<μ<μ1-α/2,接受H0,此時Δi=ti+1-ti沒有明顯的趨勢,也就是以顯著性水平α表明產(chǎn)品可靠性沒有顯著增長或下降的趨勢。

2)當(dāng)μ≤μα/2時,拒絕H0,接受H11,此時Δi=ti+1-ti呈現(xiàn)增長趨勢,也就是在顯著性水平α?xí)r,產(chǎn)品可靠性呈現(xiàn)增長。

3)當(dāng)μ≥μ1-α/2時,拒絕H0,接受H12,Δi=ti+1-ti呈現(xiàn)下降趨勢,也就是以顯著性水平α?xí)r,產(chǎn)品可靠性呈現(xiàn)下降。

3.2 AMSAA模型

在可靠性增長理論中,按照經(jīng)濟(jì)上的合理性,把產(chǎn)品全部故障分為A類故障和B類故障兩類。A類故障是指不能經(jīng)濟(jì)地降低其故障率的那些故障,既包含系統(tǒng)性故障也包含全部殘余性故障。B類故障是指能經(jīng)濟(jì)地降低其故障率的那些系統(tǒng)性故障。

對于復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng),在可靠性增長過程中一般出現(xiàn)A類失效和殘余性失效時,僅進(jìn)行簡單修復(fù),不進(jìn)行設(shè)計糾正;如果出現(xiàn)B類失效,則必須進(jìn)行設(shè)計糾正。

考慮采用AMSAA模型進(jìn)行可靠性增長評估。AMSAA模型不僅適用于可靠性增長試驗數(shù)據(jù)的跟蹤,也適用于可靠性增長的預(yù)測[11]。具體步驟如下:

步驟1進(jìn)行拉普拉斯趨勢檢驗。

步驟2參數(shù)估計。對于定時截尾情形,若系統(tǒng)的失效時間依次為:0=t0

(3)

在實際中,一般使用無偏估計,即

(4)

而b的置信度為1-α的置信上限,為

(5)

步驟3進(jìn)行擬合度檢驗。采用Cramer-Von Mises檢驗法,檢驗統(tǒng)計量為

(6)

步驟4進(jìn)行MTBF點(diǎn)估計。針對可靠性增長試驗數(shù)據(jù),進(jìn)行系統(tǒng)可靠性水平MTBF點(diǎn)估計。當(dāng)t>T,系統(tǒng)不再改進(jìn),其MTBF的估計為

(7)

若需對可靠性增長后的系統(tǒng)可靠性水平MTBF進(jìn)行分析,則分為兩種情形。

情形一:產(chǎn)品出現(xiàn)故障后不采取延緩糾正,步驟如下:

步驟1求解b的置信區(qū)間。對置信水平γ,形狀參數(shù)b的置信區(qū)間[bL,bU]為:

(8)

(9)

步驟2求解MTBF的置信區(qū)間。對置信水平γ,可查“AMSAA模型失效截尾區(qū)間估計系數(shù)[ρ1,ρ2]表”,得到ρ1與ρ2的值,從而計算MTBF的置信區(qū)間:

(10)

(11)

情形二:產(chǎn)品出現(xiàn)故障后采取延緩糾正,步驟如下:

步驟1采用可靠性增長預(yù)測模型進(jìn)行可靠性評估。該模型在一般系統(tǒng)的研制當(dāng)中被高度重視和采用,并已被國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61164采用。

若在產(chǎn)品研制階段(0,T]內(nèi),共計觀測到n次失效,其中A類失效nA次,第j種B類失效的次數(shù)為nj(j=1,2,…,m),顯然有:

(12)

記Bj為第j種B類故障失效模式,xj為其首次發(fā)生的時間,由AMSAA模型得:

(13)

(14)

(15)

步驟2在試驗結(jié)束時的失效率估計為

(16)

然后可用該模型對可靠性增長的潛力進(jìn)行估計,當(dāng)所有B類失效都被觀測到并得到有效更改時,將會獲得最高的可靠性水平。因此,可靠性增長潛力可由下述方程表示:

(17)

產(chǎn)品的可靠性水平最高可以達(dá)到:

(18)

4 分析計算

某型裝備在適應(yīng)性改進(jìn)過程中未及時開展大量相關(guān)試驗,導(dǎo)致該型裝備在研制過程中暴露出很多故障,整體可靠性水平較低。為在研制過程中提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險,制定措施,采用可靠性增長方法,通過收集分析故障數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)問題并及時歸零,提高裝備的可靠性。

該裝備的可靠性指標(biāo)MTBF規(guī)定值為55 h,而通過研制階段初步分析,目前其可靠性水平約為25 h。在試驗開展之前,開展故障樹分析(FTA)或故障模式、影響及危害性分析(FMECA),確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。依據(jù)相關(guān)規(guī)定,制定該裝備的可靠性增長試驗大綱。在研制階段開展可靠性增長試驗,發(fā)現(xiàn)設(shè)計、工藝、材料等方面的質(zhì)量問題,及時組織故障分析并提出改進(jìn)措施,在試驗過程中驗證改進(jìn)措施的有效性,完成故障歸零。收集試驗數(shù)據(jù),并進(jìn)行趨勢檢驗,以檢驗產(chǎn)品的可靠性在試驗中是否存在變化。

按照該系統(tǒng)可靠性增長試驗大綱要求,考慮工程上可靠性試驗時間一般不低于10倍MTBF指標(biāo)的原則,確定為920 h試驗時間的定時截尾方案,試驗過程中共發(fā)生20次故障。針對所有出現(xiàn)的故障,質(zhì)量管理相關(guān)部門組織分析故障現(xiàn)象和原因,采取改進(jìn)設(shè)計等措施完成故障歸零。

試驗過程中,出現(xiàn)問題均采用即時糾正的措施加以改進(jìn),即采用本文AMSSA模型進(jìn)行可靠性增長預(yù)測,某次試驗收集到的可靠性增長試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某型產(chǎn)品的可靠性增長試驗數(shù)據(jù)

針對可靠性增長試驗數(shù)據(jù),選用拉普拉斯檢驗,可判斷系統(tǒng)的可靠性水平是否發(fā)生變化,從而驗證改進(jìn)措施是否有效。使用式(2)計算檢驗統(tǒng)計量μ,得到:

取α=0.2,查表得到μα/2=-1.282,此時μ<μα/2,拒絕H0,接受H11,表明產(chǎn)品可靠性有顯著增長的趨勢。

采用Cramer-Von Mises檢驗法進(jìn)行擬合度檢驗。根據(jù)式(6)得到檢驗統(tǒng)計量為

針對可靠性增長試驗數(shù)據(jù),進(jìn)行該裝備可靠性水平MTBF點(diǎn)估計。其值為

可見,該裝備MTBF點(diǎn)估計值高于研制合同中規(guī)定值55 h,裝備可靠性水平具備轉(zhuǎn)入鑒定階段的條件。

5 結(jié)束語

針對復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)具有機(jī)、電、液高度耦合的工作方式,以及其系統(tǒng)失效時間分布復(fù)雜、難以用單一分布描述的特點(diǎn),在完成系統(tǒng)故障模式、影響分析(FMEA)和故障樹分析(FTA)的基礎(chǔ)上,定義系統(tǒng)的兩類故障(A類故障及B類故障),提出了基于AMSAA模型的復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)可靠性增長方法。通過趨勢檢驗、參數(shù)估計、擬合度檢驗的過程,將有限的試驗信息納入AMSAA的可靠性增長和預(yù)測模型,并在系統(tǒng)完成定型時給出其可靠性增長水平,用于判斷其可靠性指標(biāo)是否滿足用戶提出的研制要求。

通過基于AMSAA模型的復(fù)雜裝備可靠性增長方法,可有效節(jié)約裝備的研制周期,特別是在樣機(jī)已完成研制的情況下,可有效綜合利用試驗數(shù)據(jù),在正樣機(jī)研制完成時,實現(xiàn)可靠性的增長,有效節(jié)約研制成本,為裝備轉(zhuǎn)入鑒定階段打下了堅實的基礎(chǔ)。