深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠性分配方法

郝恒,曹海斌,張康

(中國船舶科學(xué)研究中心 a.深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214082)

任務(wù)可靠性分配是深海載人平臺(tái)設(shè)計(jì)研制階段一項(xiàng)非常重要的工作,傳統(tǒng)的任務(wù)可靠性分配方法所針對的系統(tǒng)任務(wù)相對單一[1],難以滿足深海載人平臺(tái)任務(wù)多樣的可靠性分配需求。此前的研究多將任務(wù)分成不同階段,或者將任務(wù)由類似的幾個(gè)子任務(wù)組成,實(shí)質(zhì)上還是對單一任務(wù)進(jìn)行的可靠性分配[2-7],與深海載人平臺(tái)任務(wù)多樣、各項(xiàng)任務(wù)之間差別較大存在區(qū)別。有學(xué)者為解決轟炸機(jī)傳統(tǒng)任務(wù)可靠性中模型飛行剖面單一的問題,考慮不同飛行任務(wù)的任務(wù)頻率,建立了綜合飛行剖面[8]。以上任務(wù)可靠性分配使用的理論和方法可以為深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠性分配提供參考。針對深海載人平臺(tái)任務(wù)多樣的特點(diǎn),考慮執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)涉及的系統(tǒng)、系統(tǒng)工作時(shí)間和所攜帶作業(yè)裝備的差異,及各系統(tǒng)復(fù)雜程度、技術(shù)水平、所處工作環(huán)境條件等因素,提出兩種深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠性分配方法,并對比分析兩種方法的優(yōu)劣。

1 問題描述

深海載人平臺(tái)是一種典型的多任務(wù)復(fù)雜系統(tǒng),配有專用水面母船,用于航渡和水面保障,每次下潛執(zhí)行任務(wù)后,可以通過換裝不同的作業(yè)裝置或工具,執(zhí)行深海探測、深海施工、深海取樣等多種不同的探測與作業(yè)任務(wù)。

深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要依靠各系統(tǒng)的高可靠性,需要對平臺(tái)總體任務(wù)可靠度指標(biāo)進(jìn)行分解,將分解后的任務(wù)可靠度指標(biāo)分配給相應(yīng)系統(tǒng),作為各系統(tǒng)的可靠性研制要求。

以往艦船或深海裝備進(jìn)行任務(wù)可靠性分配時(shí),通常選擇一項(xiàng)最重要或最頻繁的任務(wù)進(jìn)行分配,但深海載人平臺(tái)各項(xiàng)任務(wù)的重要性與任務(wù)頻次沒有明顯差別,且不同任務(wù)間的作業(yè)難度及所需裝備的復(fù)雜程度差異較大,導(dǎo)致各項(xiàng)任務(wù)之間的任務(wù)可靠度差異也較大,因此深海載人平臺(tái)不適合選擇其中一項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行可靠性分配。同樣,讓所有的任務(wù)都達(dá)到提出的任務(wù)可靠度指標(biāo),會(huì)使某些任務(wù)難度大、技術(shù)水平低的任務(wù)增大研制難度,消耗研制經(jīng)費(fèi),甚至可能是在研制周期內(nèi)無法達(dá)到的程度。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于每次下潛執(zhí)行任務(wù)的不同,其任務(wù)可靠度也不同。在剛開始服役、執(zhí)行任務(wù)次數(shù)較少時(shí),由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的任務(wù)可靠度波動(dòng)比較大,但隨著長期服役、執(zhí)行任務(wù)總次數(shù)的增加,統(tǒng)計(jì)得出的任務(wù)可靠度會(huì)漸漸趨近于一個(gè)數(shù)值,可以用這個(gè)數(shù)值表示深海載人平臺(tái)的任務(wù)可靠度。同樣類比,研制時(shí)可以定義一個(gè)平均任務(wù)可靠度的概念,即考慮任務(wù)頻次占比的情況下,所有探測與作業(yè)任務(wù)的可靠度的平均值。即

(1)

深海載人平臺(tái)平均任務(wù)可靠度與文獻(xiàn)[8]提出的綜合飛行剖面在理念上類似,都是考慮不同任務(wù)的執(zhí)行頻率來處理多種任務(wù)的情況。

以平均任務(wù)可靠度進(jìn)行分配,可以使難度大的任務(wù)分配到一個(gè)較低的任務(wù)可靠度指標(biāo),難度小的任務(wù)分配到一個(gè)較高的任務(wù)可靠度指標(biāo),頻次占比越高的任務(wù),其分配結(jié)果一般越接近任務(wù)可靠度分配值。這樣的分配結(jié)果不會(huì)給研制帶來太多負(fù)擔(dān),也容易被設(shè)計(jì)師系統(tǒng)和使用方接受。

進(jìn)行深海載人平臺(tái)任務(wù)可靠性分配時(shí)有兩種方法:①對各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)分別打分進(jìn)行分配,各系統(tǒng)取不同任務(wù)下分配的可靠性最高值,然后將計(jì)算得到的平均任務(wù)可靠度與任務(wù)可靠度指標(biāo)的差值再分配,不斷迭代;②將作業(yè)系統(tǒng)打包成一個(gè)整體,先將任務(wù)可靠度分配到各平臺(tái)系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng),作業(yè)系統(tǒng)再將可靠度分配到各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)模塊。將以上兩種方法簡稱為迭代法與打包法。

2 可靠性迭代分配法特點(diǎn)

1)深海載人平臺(tái)可以執(zhí)行多種不同的探測與作業(yè)任務(wù),但受總能量和攜帶裝備的限制,每次下潛只執(zhí)行其中一種任務(wù),執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)攜帶的作業(yè)裝備不同。

2)深海載人平臺(tái)任務(wù)可靠性指多次執(zhí)行下潛任務(wù)的平均任務(wù)可靠性。

3)深海載人平臺(tái)每次完成下潛任務(wù)后都會(huì)進(jìn)行檢修,可以視為各系統(tǒng)在執(zhí)行每項(xiàng)任務(wù)前視為完好,亦即認(rèn)為各系統(tǒng)壽命服從指數(shù)分布。

4)深海載人平臺(tái)在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)的總工作時(shí)間、參與工作的系統(tǒng)及工作時(shí)間都不相同。

進(jìn)行深海載人平臺(tái)任務(wù)可靠性分配時(shí)將執(zhí)行每一項(xiàng)任務(wù)攜帶的模塊化作業(yè)裝備打包成一個(gè)作業(yè)裝備集,視為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),即每一個(gè)任務(wù)j對應(yīng)一個(gè)作業(yè)分系統(tǒng)j。

具體任務(wù)可靠性分配步驟如下。

步驟1。根據(jù)評分分配法,對任務(wù)1,任務(wù)2,…,任務(wù)n單獨(dú)進(jìn)行可靠性分配,得到各系統(tǒng)在任務(wù)k可靠性分配過程中得到的評分系數(shù)C1,j,C2,j,…,Cn,j。打分時(shí),工作時(shí)間盡量根據(jù)任務(wù)剖面中的各系統(tǒng)預(yù)估的工作時(shí)間進(jìn)行等比例打分。

步驟2。計(jì)算各系統(tǒng)在不同任務(wù)下分配得到的任務(wù)可靠度。

(2)

步驟3。由于各系統(tǒng)在執(zhí)行不同探測與作業(yè)任務(wù)時(shí)的工作時(shí)間并不同,同一系統(tǒng)在不同任務(wù)下分配得到的任務(wù)可靠性指標(biāo)并不能代表系統(tǒng)的固有可靠性水平高低,可以將其轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)固有的故障率指標(biāo)。

(3)

λi,j并不是系統(tǒng)真實(shí)的故障率,但可以代表不同任務(wù)工況下的故障率相對高低。

步驟4。將各系統(tǒng)不同任務(wù)下分配得到的故障率,取最小值賦給各系統(tǒng),即

λi=min{λi,1,λi,2,…,λi,n}

(4)

步驟5。建立深海載人平臺(tái)各任務(wù)工況的可靠性數(shù)學(xué)模型,并代入λi值,預(yù)計(jì)各任務(wù)的可靠性,即

i≠l表示任j不涉及系統(tǒng)l

(5)

式中:Rm,j為任務(wù)j的預(yù)計(jì)可靠度,Ri,j為任務(wù)j下系統(tǒng)i的可靠度。

步驟6。根據(jù)式(1)計(jì)算深海載人平臺(tái)的平均任務(wù)可靠度,并計(jì)算與任務(wù)可靠度指標(biāo)的偏差。

偏差為

(6)

(7)

步驟8。反復(fù)進(jìn)行步驟5～7,直到差值△接近于0,就可以停止修正,進(jìn)而可以給出各系統(tǒng)在不同工況下的可靠度分配值Ri。一般修正2～5次就可以滿足精度要求。

盡管一個(gè)系統(tǒng)根據(jù)不同工況給出了幾個(gè)任務(wù)可靠度值,但其對應(yīng)的系統(tǒng)固有可靠性水平是一致的,即系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)或故障率(λ)是相同的。

3 可靠性打包分配法步驟

深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠性打包分配法也是基于評分分配法,與迭代法的區(qū)別是,打包法在評分時(shí)便考慮加權(quán)平均的概念,同時(shí)將所有作業(yè)裝備打包成一個(gè)整體一起分配,直接將總體任務(wù)可靠度分配到各平臺(tái)系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng),然后作業(yè)系統(tǒng)再將可靠度分配到各項(xiàng)作業(yè)分系統(tǒng)。

步驟1。在迭代法打分的基礎(chǔ)上,將作業(yè)分系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)占比將各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)的打分值加權(quán)平均,其他平臺(tái)系統(tǒng)的工作時(shí)間打分值也根據(jù)任務(wù)占比加權(quán)平均,據(jù)此得到新的打分表。

步驟2。依據(jù)新的打分表直接進(jìn)行深海載人平臺(tái)任務(wù)可靠性分配,得到系統(tǒng)的任務(wù)可靠性分配值為

(8)

式中:Ci為各系統(tǒng)評分系數(shù)。

步驟3。記作業(yè)系統(tǒng)整體打包的可靠性分配值為Ro,各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)模塊的任務(wù)可靠性記為Ro,j。則有

(9)

以各項(xiàng)作業(yè)分系統(tǒng)的打分值單獨(dú)匯成一張打分表,Cj為評分系數(shù)。則

(10)

將式(10)代入式(9),計(jì)算得到第一項(xiàng)作業(yè)分系統(tǒng)的可靠性分配值Ro,1。然后通過式(10)計(jì)算得到其他作業(yè)分系統(tǒng)的可靠性分配值。

4 算例分析與對比

4.1 迭代分配法算例

某深海載人平臺(tái)由動(dòng)力系統(tǒng)、綜合電力系統(tǒng)、環(huán)境控制與人員保障系統(tǒng)、推進(jìn)與操縱系統(tǒng)、導(dǎo)航通信系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和探測與作業(yè)系統(tǒng)等8個(gè)一級系統(tǒng)組成,具備執(zhí)行深海探測任務(wù)一、深海作業(yè)任務(wù)二和深海作業(yè)任務(wù)三等3類任務(wù)的能力。根據(jù)各用戶的使用需求制定典型任務(wù)剖面作為設(shè)計(jì)輸入,其中深海探測任務(wù)一、深海作業(yè)任務(wù)二、任務(wù)三的任務(wù)頻次占比分別為20%、50%、30%。任務(wù)可靠性指標(biāo)為0.78。

針對3項(xiàng)探測與作業(yè)任務(wù)分別進(jìn)行打分,打分情況和分配結(jié)果見表1。

表1 深海載人平臺(tái)任務(wù)可靠性迭代分配法評分值與分配結(jié)果

計(jì)算過程表明,第4次分配即可達(dá)到很好的分配精度,此時(shí)平臺(tái)的平均任務(wù)可靠性為0.783,深海探測任務(wù)1的任務(wù)可靠性為0.737,深海作業(yè)任務(wù)2的任務(wù)可靠性為0.787,深海作業(yè)任務(wù)3的任務(wù)可靠性為0.806。各項(xiàng)探測作業(yè)分系統(tǒng)根據(jù)裝備本身的復(fù)雜程度、技術(shù)水平等因素分別分配了不同的任務(wù)可靠度,其中裝備復(fù)雜程度低、技術(shù)水平高的深海探測作業(yè)分系統(tǒng)被分配到了0.988 0這樣一個(gè)較高的可靠度,裝備復(fù)雜程度高、技術(shù)水平低的深海作業(yè)任務(wù)2作業(yè)分系統(tǒng)被分配到了0.948 6這樣一個(gè)較低的可靠度。

各平臺(tái)系統(tǒng)針對不同的探測作業(yè)任務(wù)被分配了不同的可靠度值,但將其轉(zhuǎn)化成故障率或MTBF應(yīng)該是一致的。如動(dòng)力系統(tǒng)在3類探測與作業(yè)任務(wù)中的實(shí)際工作時(shí)間分別為277、208、187 h,與之對應(yīng)的任務(wù)可靠度分別為0.899 7、0.923 5和0.930 9,轉(zhuǎn)化成MTBF后分別為2 624、2 624和2 612 h,偏差很小。給平臺(tái)系統(tǒng)下發(fā)指標(biāo)時(shí)可以直接下發(fā)MTBF指標(biāo),也可以選擇相對最重要的一個(gè)任務(wù)工況下發(fā)可靠度指標(biāo)。

4.2 打包分配法算例

采用打包分配法進(jìn)行深海載人平臺(tái)任務(wù)可靠性分配,其過程與結(jié)果見表2。

表2 深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠性打包分配法評分值與分配結(jié)果

各平臺(tái)系統(tǒng)通過一次分配便給出了相應(yīng)的可靠度分配值。作業(yè)系統(tǒng)整體被分配的任務(wù)可靠性值為0.969 3,再將此要求分配給各作業(yè)分系統(tǒng)。

各作業(yè)分系統(tǒng)的評分值與分配結(jié)果見表3。

表3 各作業(yè)分系統(tǒng)的評分值與分配結(jié)果

從表3可以看出,各項(xiàng)探測與作業(yè)分系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)難度被分配了不同的任務(wù)可靠度,其中深海探測作業(yè)分系統(tǒng)可靠度最高,為0.989 6,深海作業(yè)任務(wù)2作業(yè)分系統(tǒng)可靠度最低,為0.957 9。

4.3 兩種分配方法對比

通過算例可以看出,兩種方法都能兼顧多種作業(yè)任務(wù),根據(jù)任務(wù)難度的差異對不同的作業(yè)分系統(tǒng)給出不同的可靠度分配值,都能解決對作業(yè)系統(tǒng)只分配一個(gè)可靠度值導(dǎo)致的“同一個(gè)可靠度要求對有些作業(yè)裝備來說要求太高,對另一些作業(yè)裝備來說要求又太低”的問題。

同時(shí)又能看出,兩種方法在分配結(jié)果上存在一些差別。迭代法是嚴(yán)格按照平均任務(wù)可靠性的概念來進(jìn)行可靠度分配的,是在深海載人平臺(tái)總體的層面按任務(wù)占比進(jìn)行的“平均”,分配過程需要多次迭代,相對比較復(fù)雜;而打包法是將“平均”的概念植入到各系統(tǒng)中,在系統(tǒng)的層面將各系統(tǒng)進(jìn)行“平均”,分配過程不需要迭代,相對比較簡單。從兩種方法的分配思路來看,顯然通過迭代法分配的總體任務(wù)可靠度更貼近長期服役時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的任務(wù)可靠度,因此迭代法的分配結(jié)果應(yīng)該是更合理的。

對比迭代法與打包法的分配結(jié)果,打包法分配的作業(yè)分系統(tǒng)和平臺(tái)系統(tǒng)任務(wù)可靠度均略高于迭代法。打包法和迭代法分配的3項(xiàng)作業(yè)模塊的任務(wù)可靠度分別為0.989 6、0.957 9、0.974 6和0.983 8、0.948 6和0.963 4,分別高出了0.59%、1.54%和1.16%;平臺(tái)系統(tǒng)按照MTBF對比,以動(dòng)力系統(tǒng)為例,打包法和迭代法分配結(jié)果分別為2 921 h和2 620 h,高出11.5%。

打包法的分配結(jié)果雖然與迭代法有偏差,但差距在可接受范圍內(nèi),且對于設(shè)計(jì)來說是偏保守的,由于其分配過程比較簡單,可以應(yīng)用于研制初期的初步分配或者缺乏各作業(yè)工況詳細(xì)任務(wù)剖面時(shí)的可靠性分配。

5 結(jié)論

1)針對深海載人平臺(tái)任務(wù)多樣、各項(xiàng)任務(wù)之間差別較大的情況,給出考慮任務(wù)頻次占比的平均任務(wù)可靠度的概念,提出相應(yīng)的深海載人平臺(tái)總體任務(wù)可靠性迭代分配法和打包分配法,用于深海載人平臺(tái)的總體任務(wù)可靠性指標(biāo)向一級系統(tǒng)分配。兩種方法都能兼顧多項(xiàng)作業(yè)任務(wù),根據(jù)各項(xiàng)任務(wù)的難易程度與作業(yè)裝備自身的可靠度差異,對各項(xiàng)作業(yè)分系統(tǒng)分配不同的任務(wù)可靠度指標(biāo)。任務(wù)越困難、裝備自身可靠度水平越低,相應(yīng)的作業(yè)分系統(tǒng)分配的任務(wù)可靠度指標(biāo)越低。

2)通過2種方法得到的分配結(jié)果有偏差,迭代分配法是嚴(yán)格按照所提出的平均任務(wù)可靠性的概念來進(jìn)行可靠度分配的,因此迭代法的分配結(jié)果比打包法更合理。

3)打包分配法對系統(tǒng)的可靠性要求更高,與迭代分配法的偏差屬于可接受范圍內(nèi),由于其分配過程比較簡單,可以應(yīng)用于研制初期的可靠性分配或者缺乏各作業(yè)工況詳細(xì)任務(wù)剖面時(shí)的可靠性分配。