基于模型的某巡邏艇可靠性設(shè)計(jì)研究

摘" " 要：隨著各型艦船裝備飛速發(fā)展，新技術(shù)逐步應(yīng)用，任務(wù)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，可靠性要求提升。當(dāng)前艦船可靠性分析、設(shè)計(jì)手段與裝備研制需求不相匹配，其應(yīng)用實(shí)施與工程設(shè)計(jì)未能有效融合。本文以某巡邏艇為例，采用軟件建立可靠性模型，開展可靠性預(yù)計(jì)及后續(xù)工作，將可靠性軟件有效的融入艦船設(shè)計(jì)流程，提高分析因素關(guān)聯(lián)性，避免數(shù)據(jù)不一致，有效提升裝備可靠性，降低其工作實(shí)施和推廣難度。

關(guān)鍵詞：巡邏艇；可靠性；模型

中圖分類號(hào)：U662.9" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Reliability Design of a Patrol

Boat Based on Model

MAO Binfeng，" CHEN Yahao，" ZHANG Gong

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guangzhou 510250 ）

Abstract： With the rapid development of various types of boat equipment， the application of new technology， the mission system is becoming more and more complex， and the problem of reliability becomes more and more obvious. The means and methods of ship reliability analysis and design have not been generally formed， and there are some problems in application and engineering design. Taking a certain type of a patrol boat as an example， this paper uses software to establish the reliability model， carries out the reliability prediction and follow-up work， and integrates the reliability software effectively into the ship design process， it can enhance the relevancy of analysis process， avoid data inconsistency， improve the reliability of equipment effectively， and reduce the difficulty of implementing and popularizing the reliability of warship.

Key words： patrol boat;" reliability ;" model

1" " "引言

目前艦船裝備往往具備多任務(wù)、多功能特點(diǎn)，其技術(shù)含量不斷提高，系統(tǒng)高度綜合，功能日益強(qiáng)大和完善，不僅對(duì)裝備自身的功能特性有了更高的要求，其可靠性設(shè)計(jì)難度增加，需在研制壽命各階段逐步落實(shí)。

對(duì)于艦船裝備的可靠性要求無法直接在艦船總體層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要將總體層面的可靠性要求和指標(biāo)進(jìn)行層層分解，將其分配到艦船裝備的系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)。在系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)層面對(duì)艦船總體要求和指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和轉(zhuǎn)換，作為研制項(xiàng)目合同要求，并成為承制方設(shè)計(jì)的依據(jù)和驗(yàn)收考核的依據(jù)[1]。與航空、航天、通信、汽車等領(lǐng)域相比，艦船裝備由于其復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多樣的功能特點(diǎn)，其可靠性的研究工作起步較晚，近年來隨著對(duì)艦船裝備可靠性研究的重視，從事艦船裝備的可靠性研究工作逐漸增多，各項(xiàng)工作流程和方法逐漸完善，許多艦船裝備的可靠性設(shè)計(jì)分析問題得到良好的解決[2]。但艦船裝備涉及多個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域，可靠性工作開展難度大，可靠性相關(guān)工作主要依托質(zhì)量特性人員分解給各專業(yè)，通常存在系統(tǒng)建模不符合實(shí)際、數(shù)據(jù)前后不一致等，可靠性工作與專業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合度不高的問題。

本文采用可靠性軟件建立模型，對(duì)某巡邏艇可靠性開展設(shè)計(jì)研究，對(duì)可靠性建模、可靠性預(yù)計(jì)工作進(jìn)行分析探討。

2" " "基于模型的可靠性設(shè)計(jì)方法

2.1" "指標(biāo)要求及設(shè)計(jì)流程

某巡邏艇主要負(fù)責(zé)反恐維穩(wěn)、護(hù)漁護(hù)航、搶險(xiǎn)救災(zāi)、維護(hù)海上秩序等任務(wù)。

任務(wù)規(guī)定可靠性要求，任務(wù)可靠度目標(biāo)值為0.80，最低可接受值為0.75；

基于模型的可靠性設(shè)計(jì)流程，主要工作包括可靠性工作計(jì)劃、可靠性建模、可靠性分配和可靠性預(yù)計(jì)?？煽啃怨ぷ饔?jì)劃是按計(jì)劃分階段對(duì)產(chǎn)品開展可靠性管理、評(píng)估和改進(jìn)工作。其中建模、預(yù)計(jì)、分配是可靠性工作的重點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)。

2.2" "可靠性建模

巡邏艇研制初期階段應(yīng)開展的可靠性建模，模型是開展可靠性分析的基礎(chǔ)。

根據(jù)不同研究目的和對(duì)象分為基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型。

基本可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定條件下無故障的持續(xù)使用時(shí)間或概率。應(yīng)統(tǒng)計(jì)全壽命周期內(nèi)所有故障，用于評(píng)估產(chǎn)品故障而引起的維護(hù)保養(yǎng)需求。因此基本可靠性模型由所有組成單元串聯(lián)而成，屬于全串聯(lián)模型。

任務(wù)可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，因此只需要考慮任務(wù)期間發(fā)生且足以影響任務(wù)完成的相關(guān)故障。用于評(píng)估執(zhí)行特定任務(wù)期間中完成規(guī)定功能的概率。任務(wù)可靠性模型根據(jù)不同的任務(wù)剖面及邏輯關(guān)系建立。系統(tǒng)的組成單元的冗余程度越高，則其任務(wù)可靠性就越高。

2.3" "典型的可靠性模型及場(chǎng)景分析

串聯(lián)模型：將系統(tǒng)組成的所有單元可靠度相乘，任意一個(gè)單元有故障都可以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，系統(tǒng)構(gòu)成所需單元越多，則該系統(tǒng)可靠度越低。

以下三個(gè)方面設(shè)計(jì)可以提高串聯(lián)系統(tǒng)可靠性：1）簡(jiǎn)化串聯(lián)系統(tǒng)的構(gòu)成，即減少串聯(lián)單元的數(shù)量；2）選用可靠性更好的單元作為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；3）減少各個(gè)單元的工作時(shí)間t。

串聯(lián)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖1。

并聯(lián)模型：系統(tǒng)的所有組成單元發(fā)生故障，則整個(gè)系統(tǒng)失效。對(duì)于產(chǎn)品系統(tǒng)中可靠性較差的組成單元，可以增加多個(gè)功能和作用相同的單元進(jìn)行并聯(lián)來提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，但組成單元的數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的基本可靠性降低，增加維修和保養(yǎng)的困難，因此，需要綜合考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成形式。并聯(lián)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖2。

表決模型：在構(gòu)成系統(tǒng)的n個(gè)單元中，有效工作的單元數(shù)不小于r（1≤r≤n），則系統(tǒng)就可以有效工作，否則整個(gè)系統(tǒng)失效。此也稱為r/n（G）表決模型。表決系統(tǒng)屬于一種有條件的冗余方式，在滿足系統(tǒng)正常工作的前提下提升可靠性。表決系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖3。

非工作儲(chǔ)備模型： 該模型包含一個(gè)工作單元和一個(gè)或以上的非工作儲(chǔ)備單元。在工作單元發(fā)生故障時(shí)，將該單元的非工作儲(chǔ)備單元轉(zhuǎn)接到系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)的正常工作。

非工作儲(chǔ)備系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)備狀態(tài)下單元的失效率可分為熱貯備、冷貯備和溫貯備單元。熱貯備單元貯備狀態(tài)下的失效率和工作狀態(tài)的一致；冷貯備單元貯備狀態(tài)下不發(fā)生故障；溫貯備單元貯備狀態(tài)下的失效率介于上述兩者之間。非工作儲(chǔ)備模型系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖4。

非工作儲(chǔ)備模型可以選擇性地調(diào)整儲(chǔ)備單元在儲(chǔ)備狀態(tài)下的可靠度，從而提升了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。但實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能的故障監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)換裝置增加了整個(gè)系統(tǒng)組成單元的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的可靠性。

2.4" "巡邏艇可靠性模型組成與應(yīng)用

某巡邏艇由船舶舾裝、動(dòng)力系統(tǒng)、船舶輔助系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和巡邏警戒輔助系統(tǒng)組成。基本可靠性模型則是將構(gòu)成該艇的所有系統(tǒng)及單元建立串聯(lián)模型，其中包括冗余和儲(chǔ)備系統(tǒng)單元。

艦船任務(wù)可靠性模型亦為串聯(lián)模型。其中船舶裝置、主推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通導(dǎo)系統(tǒng)、巡邏警戒輔助系統(tǒng)為重要系統(tǒng)，任務(wù)可靠性框圖見圖5。各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作保證該艦完成各種使命任務(wù)。

各個(gè)系統(tǒng)及子系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖見圖6～圖12。

錨泊系統(tǒng)采用雙錨機(jī)雙錨鏈設(shè)計(jì)，執(zhí)行任務(wù)時(shí)通常是只拋單錨，另外一套錨泊不啟用，分析此模式為冷貯備方案。

舵系統(tǒng)采用2套舵機(jī)泵組，互為備用，其中1套即可滿足航行需求，但出現(xiàn)故障時(shí)隨時(shí)可以隨時(shí)切換至另1套泵組。同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)舵過快，不能采用熱貯備方案；臨時(shí)啟動(dòng)又來不及，也不能采用冷貯備方案，因此采用溫貯備方案。

航行狀態(tài)和進(jìn)出港狀態(tài)下2臺(tái)發(fā)電機(jī)并車運(yùn)行，另1臺(tái)發(fā)電機(jī)備用，因此在航行狀態(tài)下采用表決模型，可使用發(fā)電機(jī)組數(shù)不小于2，即可正常工作。在停泊狀態(tài)下由1臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，可使用發(fā)電機(jī)組數(shù)不小于1，即可正常工作。增加一組柴油發(fā)電機(jī)組（其中1臺(tái)停泊發(fā)動(dòng)機(jī)組），3套按表決模型方案建立。

柴油機(jī)和齒輪箱、推進(jìn)器構(gòu)成1整套動(dòng)力系統(tǒng)，全船3套動(dòng)力系統(tǒng)相互獨(dú)立、備用，因此采用并聯(lián)模型方案。

為提高通信、導(dǎo)航的可靠性，慣性導(dǎo)航設(shè)備采用冷貯備，只有當(dāng)出現(xiàn)其中1套慣導(dǎo)設(shè)備故障時(shí)才啟用另1套。4套通信設(shè)備為并聯(lián)備份關(guān)系，但根據(jù)備份關(guān)系及使用時(shí)間、頻次分配對(duì)應(yīng)使用率。

3" " "可靠性預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì)在設(shè)計(jì)階段需要反復(fù)進(jìn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定量估算。由于設(shè)計(jì)階段初期產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案沒有確定，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí)常常根據(jù)產(chǎn)品可靠性的歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)品的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品工作環(huán)境等因素來對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行估算，分析是否滿足裝備的可靠性要求，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

3.1" "任務(wù)剖面

通過艦船的使用研究和功能分析，確定艦船的任務(wù)剖面和相關(guān)的約束條件，為確定艦船裝備可靠性維修性指標(biāo)提供支持。艦船是多任務(wù)的大型裝備，不同任務(wù)對(duì)應(yīng)不同任務(wù)剖面，通常有航渡任務(wù)剖面、錨泊警戒任務(wù)剖面、返航巡邏警戒任務(wù)剖面等，圖13給出了任務(wù)剖面。

任務(wù)剖面圖，一個(gè)任務(wù)周期的時(shí)間是20天，即營(yíng)地到錨地24小時(shí)，錨泊警戒18天，錨地返回營(yíng)地24小時(shí)。

3.2" "可靠性預(yù)計(jì)方法

在方案設(shè)計(jì)階段，參照《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》（GJB 813-1990），確定每種通用元件數(shù)量。后續(xù)研制過程中，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度不會(huì)有明顯的變化，且假設(shè)通用的元件壽命服從指數(shù)分布，由此可以采用相似產(chǎn)品法做可靠性預(yù)計(jì)。并依照基本可靠性模型或任務(wù)可靠性模型，計(jì)算上一級(jí)的子系統(tǒng)或系統(tǒng)失效率。

基于不同系統(tǒng)的工作原理、工作方式，分別建立串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、表決模型和非工作儲(chǔ)備模型四種模型。

3.3" "各系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源及可靠性預(yù)計(jì)

在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)來源于與設(shè)備廠溝通后所確定的可靠性指標(biāo)，其中成熟設(shè)備的可靠性指標(biāo)沿用以往同類設(shè)備的指標(biāo)，新研設(shè)備采用預(yù)計(jì)值。根據(jù)設(shè)備及系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)，完成船舶裝置、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、巡邏警戒輔助系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)及任務(wù)可靠度預(yù)計(jì)。

根據(jù)任務(wù)剖面可知各設(shè)備任務(wù)時(shí)間t，各設(shè)備正常工作時(shí)，壽命分布近似服從指數(shù)分布，故每個(gè)單元的可靠度可由公式算出。

根據(jù)各系統(tǒng)任務(wù)可靠度，計(jì)算可得整船任務(wù)可靠度，見表1。

通過計(jì)算得到，任務(wù)可靠度預(yù)計(jì)值0.825 9大于任務(wù)可靠度指標(biāo)目標(biāo)值0.80，滿足要求。

4" " 結(jié)語

本文圍繞可靠性設(shè)計(jì)分析工作，以基于模型的工程思想與方法為指導(dǎo)，采用POSVIM軟件構(gòu)建了可靠性可視化模型，由各專業(yè)設(shè)計(jì)師將串聯(lián)、并聯(lián)、表決、非工作儲(chǔ)備模型合理的應(yīng)用于某巡邏艇各個(gè)分系統(tǒng)，再根據(jù)任務(wù)剖面及系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)值滿足任務(wù)要求。將一體化的可靠性模型及系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效的融入艦船可靠性設(shè)計(jì)流程，提高了可視化程度，實(shí)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計(jì)師與可靠性工程師有機(jī)結(jié)合，利于項(xiàng)目可靠性工作開展。

參考文獻(xiàn)

[1] 林武強(qiáng)，康悅.艦船總體RMS指標(biāo)分解技術(shù)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，

2005 （ 4 ） ：" 12-17.

[2] 張磊，王保青，李軍.艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)分析研究[J].船舶，

2019， 30 （ 5 ） ：" 96-104.