指揮控制系統可靠性設計與評估方法研究*

賈愛梅 蔣賢志

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

1 引言

在現代和未來的高新技術戰爭中,戰場環境異常復雜,存在很多不確定的因素,指揮控制系統的可靠性和生存能力受到嚴重威脅。特別是指揮領域對抗激烈、執行任務時間長、全天候、全天時的工作環境等特點,對指揮控制系統的可靠性提出了更高、更苛刻的要求。科學合理地進行指揮控制系統的可靠性設計與評估,目的在于通過分析影響指揮控制系統可靠性的因素,探尋提高其可靠性的途徑,使系統能夠勝任作戰指揮任務的要求,確保指揮信息在系統內順暢流通,為作戰部隊各級指揮人員提供高效、穩定、保密、不間斷的戰斗指揮保障。

2 指揮控制系統的可靠性

指揮控制系統的可靠性是系統在規定條件下和規定時間內,組成系統的分系統、單元無故障地完成規定功能的能力。可靠性的概率度量稱為可靠度,用R(t)表示,它是分系統或單元在一定環境條件下,在規定時間內完成應有技術指標或功能的概率[1]。可靠度通常用可靠度函數來描述,可靠度函數有多種分布類型,因指揮控制系統多由電子設備組成,電子產品失效率服從指數分布的,使用指數分布型可靠度函數,比較符合指揮控制系統的組成結構。其可靠度函數表達式為:

式中:λ為系統故障率,t為系統執行任務時間。

3 指揮控制系統的可靠性模型及可靠度評估

3.1 可靠性模型

系統的可靠性模型是指系統的可靠性結構模型(也稱為可靠性方框圖)及其數學模型。它是從可靠性角度表示系統各單元之間的邏輯關系的,并將該邏輯關系用框圖來表示的一種概念模型,對它的數學描述就是可靠性的數學模型[2]。

3.1.1 串聯系統

串聯系統可靠性模型是由構成系統的n個單元組成的串聯結構,如圖1所示。

圖1 串聯系統可靠性模型

所有單元全部正常工作時,系統正常工作,任一單元發生故障都會導致整個系統失效。如單元的可靠度為Ri(t),系統的可靠度Rs(t)為:

由于各單元的可靠性都小于1,整個系統的可靠性會小于單元的可靠性,且串聯的單元越多,系統的可靠性越小。

3.1.2 并聯系統

并聯系統的可靠性模型是由構成系統的平行工作的單元組成,如圖2所示。

系統的任一單元正常工作,系統即正常工作,所有單元全部失效,系統才失效。如單元的可靠度為Ri(t),單元的故障率為1-Ri(t),系統的故障率為各單元同時發生故障的概率,即各單元故障率的乘積。則系統的可靠度Rs(t)為:

圖2 并聯系統可靠性模型

由此可見,并聯系統的可靠性大于系統任一單元的可靠性。

當2個單元組成并聯系統時,系統的可靠性可提高50%;3個單元組成并聯系統時,第3個單元對提高系統可靠性的比重只有33.3%,4個單元組成并聯系統時,第4個單元對提高系統可靠性的比重只有25%;隨著并聯單元的增多,各單元對提高系統可靠性的貢獻程度將逐步下降,綜合考慮系統制造成本及系統可靠性,一般采用2個或3個單元并聯來保證系統的可靠性。

3.1.3 混聯系統

混聯系統的可靠性模型是由串聯子系統和并聯子系統混合組成,如圖3所示。可分別求出串聯子系統、并聯子系統的可靠度,再求出總系統的可靠度。

圖3 混聯系統可靠性模型

3.1.4 表決系統

表決系統n個單元中只要有r個單元正常工作系統就能正常工作,其可靠性模型如圖4所示。

如單元可靠度為R(t),系統可靠度Rs(t)為:

圖4 表決系統可靠性模型

其中:i為正常工作單元數,i=r,r+1,…,n時系統都可正常工作。

3.1.5 冗余系統

系統中某工作單元失效時,處于備用的另一單元即能替換,該系統稱為冗余系統。與并聯系統不同的是,冗余系統為待機工作,并聯系統為同機工作。

對于有n個單元組成的系統,1個單元工作,其余n-1個單元為備用,且在備用期內不失效。假設單元可靠度Ri(t)均一致,且單元故障的發生是隨機的,則系統可靠度為[3]:

對于有L個單元同時工作,另有n個單元備用,當一個工作單元失效后由n個中的一個替換,則系統的可靠度為:

3.2 評估實例

設某指揮控制系統由車載電源、指揮終端、網絡交換機、無線網橋、通信控制器、短波電臺、高速數字用戶環線、綜合語言控制設備組成。其可靠性模型如圖5所示。

圖5 某指揮控制系統任務可靠性模型

系統的可靠度取就于組成設備的可靠度及可靠性模型,假設各組成設備的可靠度如表1所示。

表1 某指揮控制系統組成設備可靠度

如短波電臺有冗余,按1:1進行庫備,即L=1,n=1,此時短波電臺的可靠度為:

由此可見,通過對可靠度較低的設備進行庫備,可以大大提高整個系統的可靠度。

4 提高指揮控制系統可靠性設計方法

系統的可靠性是評價系統最基本的價值目標之一,它不僅是一個系統的重要質量指標,而且關系到整個系統研制的成敗。系統的可靠性與其性能、成本、進度等基本價值目標有著密切的關系。在進行系統可靠性設計時,應從方案的選擇、結構系數的確定等方面來考慮,達到低成本、低能耗、高可靠性的設計目的[4]。

4.1 故障預防設計法

合理實施繼承性設計,盡量采用成熟技術,對前瞻性技術進行充分的研究、試驗,按規定進行評審,確保風險最小。設計系統時放寬輸入、輸出信號臨界值的要求,使其具有承受一定過載、過熱、電壓的突變能力,降低系統故障發生的概率。

4.2 冗余設計法

冗余設計法就是在系統完成任務起關鍵作用的部分、可靠度相對較低的環節,增加一套以上完成相同功能的通道、單元或元件。當該部分出現故障時,系統仍能正常工作,提高系統可靠性。特別是對于復雜的、有高可靠性和長壽命要求的大、中型系統,冗余設計法是廣泛用來提高系統可靠性的方法之一。

4.3 降額設計法

降額設計是使元器件或設備工作時所承受的電應力、溫度應力適當低于元器件或設備規定的額定值,從而達到降低基本故障率,提高使用可靠性的目的。不同類別的元器件,降額應力參數不同,同樣的元器件應用在不同的設備和環境條件下,其降額幅度也不一樣。對于各類元器件,都有其最佳降額范圍,如在使用時超出其最佳降額幅度,反而對設備的正常工作不利,降低了設備的使用可靠性。設計時按國家軍用標準GJB/Z35《元器件降額準則》執行[2]。

4.4 智能BIT故障診斷法

智能BIT(Built-in Test,機內測試)系統故障診斷是以人工智能、信息論、系統論、控制論等為基礎,將專家系統、神經網絡、模糊理論、信息融合等在內的智能理論應用到BIT的設計、檢測、診斷、決策等方面,使被測系統具有更高的故障診斷能力,有效消除虛警問題,測試和隔離間歇性故障,對系統的關鍵部件及重要器件具有狀態預測能力,提高BIT綜合效能[5]。

5 結語

指揮控制系統的可靠性主要依賴于組成系統的分系統、單元的可靠性,根據指揮控制系統的組成,合理建立系統的可靠性模型,進行系統的可靠性設計與評估,對提高系統的可靠性和作戰效能具有十分重要的意義。最終達到設計的系統不易發生故障、發生故障后對系統影響較小、發生故障后系統仍可正常運行、故障定位及排除迅速的目的。

[1]曾聲奎,趙廷弟,張建國,等.系統可靠性設計分析教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001:10～45

[2]陳明,張京妹.控制系統可靠性設計[M].西安:西北工業大學出版社,2006:38～130

[3]李源,楊建軍.防空武器系統的可靠性評估方法研究[J].航空計算技術,2007(11):42～44

[4]郭波,武小悅,張秀斌,等.系統可靠性分析[M].長沙:國防科技大學出版社,2002:18～69

[5]賈愛梅,梅孝順.基于BP神經網絡的智能 BIT故障診斷系統研究[J].計算機與數字工程,2009,37(12):54～46