水下爆炸測量設備可靠性設計

王明貴 賈志飛

摘 要:水下爆炸測量設備較高的使用頻率和惡劣復雜的使用環境,使系統可靠性設計技術的研究顯得十分重要。本文主要論述了系統可靠性設計的主要方法,探討了水下爆炸測量設備可靠性設計技術,同時也對水下爆炸測量設備可靠性設計應用前景進行展望。

關鍵詞:水下爆炸測量設備可靠性設計

中圖分類號:O383+.1 文獻標識碼:Ａ 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0019-02

隨著艦船抗沖擊試驗[1]在海軍靶場的深入開展,靶場水下爆炸測量設備日益增多,而面對海上氣候條件變化復雜和戰雷爆炸作用距離逐步逼近而形成的強烈沖擊和振動這樣十分復雜的惡劣環境,測量設備管用、好使是各項水下爆炸試驗圓滿完成的基本保證。水下爆炸測量設備的可靠性問題將再一次引起各級管理層和技術工作人員的高度重視。為此,系統可靠性設計技術[2]研究對現役或即將列入專項規劃的預研設備將具有重要的指導作用。

1 系統可靠性設計技術綜述

系統可靠性是指在規定的條件下和規定的時間間隔內系統能正常運行的概率。“規定的條件”包括環境、使用、維修等條件和操作技術。“規定的時間”是指可靠性是對一定的時間間隔而言,人們常常要求能在規定的時間內具有一定的可靠性。“正確運行”是指系統能完成規定的各項技術性能。

提高系統可靠性一般有兩類技術方法,即避錯法和容錯法。

1.1 避錯法

避錯技術的作用是減少失效的可能性,主要有:

(1)對元器件進行老化篩選;

(2)使用可靠的連接組裝技術,嚴格工藝生產過程中的質量控制;

(3)在設計時對元器件的額定參數留有足夠余量,即電應力、熱應力的實際使用值明顯地低于額定值,通常只有額定值的幾分之一;

(4)由于元器件參數的離散性和負載變化產生的參數漂移,要基本節拍內邏輯鏈級數延時的設計留有足夠余地;

(5)降低系統內部的電磁干擾。如印制電路板中,限制平等走線、重疊走線、分叉走線的長度和數量;限制接插件上同時同相動作信號線的數量;采取地線和地平面、電源線和電源平面等隔離技術以及電源的高、低頻濾波等;

(6)高速信號線采用傳輸線及匹配技術;

(7)屏蔽外界電磁干擾;

(8)做好熱設計,必要時采取冷卻措施(風冷、水冷)降低機柜的溫度;

(9)采取防震、防沖擊、防鹽霧、防潮等機械結構措施。

通過上述避錯技術可使系統能承受一定的工作條件變化,如電源拉偏、頻率拉偏、溫度變化、電磁干擾、機械震動等。

1.2 容錯法

容錯法主要采用冗余技術對故障進行屏蔽,使系統出現故障時仍能保持正常工作。冗余技術主要包括硬件冗余、軟件冗余、信息冗余和時間冗余等技術。

硬件冗余技術包含故障診斷、故障屏蔽和動態冗余技術。故障診斷是檢測系統故障的發生及其確切位置,它是實現故障屏蔽和動態冗余的先決條件。故障屏蔽是一種靜態硬件冗余技術,它通過冗余資源來隔離或校正故障的影響,如雙工冗余、模塊表決冗余、海明碼糾單錯等。屏蔽技術只是容忍一定程度的故障,當冗余資源耗盡后,再發生故障系統就會產生錯誤的結果。

動態冗余是綜合性的容錯技術,已廣泛用于容錯計算機系統中,其基本思想是:在發生故障時,通過系統內部的自動重組來切除故障部件,并以備用部件替換故障部件。實現動態冗余,要求系統具有模塊化結構和故障檢測、定位功能。用檢測到的故障信號激活故障處理程序,自動將故障部件處理的任務轉移到完好的部件或備用部件,并啟動系統運行或性能降級運行。故障部件可以聯機維修或脫機維修(使用活線拔插技術),修復后再加入系統,不中斷系統運行。

時間冗余又稱“復執”,通過重復執行發生故障的操作,使由于某種不明原因而引起的瞬時偶發性故障不再出現。復執有硬件復執和軟件復執兩種。硬件復執由增設的控制電路在出現故障后,延遲若干時間,重復執行發生故障的操作,如此時偶發性故障業已消失,則復執結果可獲成功。延遲的時間長短和一次故障需要復執的次數可根據經驗設定。軟件復執可在單條指令、一段程序或整個作業等三個層次上進行。復執方案根據瞬時偶發性故障的多少、程序的檢查點設置、復執所付出的代價以及復執的成功率等來決定。

除了采用上述的避錯和容錯技術方法外,還應對系統進行可靠性分配和可靠性預測[3]。

可靠性分配是根據用戶對系統可靠性指標的要求,對各分系統設備等各部分提出相應的可靠性指標,并逐級分配到集成電路元器件、接插件、印刷電路板、生產工藝質量等項目上。在實際設計中,一般要提出多個方案進行比較調整以求得合理的結果。

2 水下爆炸測量設備可靠性設計

回顧水下爆炸測量設備多年來的研制、使用、維修等情況,避錯技術側重于設備的具體制作、維修、改造等過程。容錯技術側重于設備預研方案制定。對預研設備、堪用設備、在修設備的可靠性設計不盡相同。

2.1 預研設備的可靠性設計

預研設備通常分外研和自研。對外研設備,首先要針對待研設備所承擔的使命任務制定戰技指標,其次根據使用環境和操作技術等條件制定系統設計預案,其中系統可靠性設計預案重點應放在容錯技術研究上。如水下爆炸工程技術實驗的多項測量設備,將光纖傳輸技術、遙控遙測技術、自動控制技術、模塊化設計技術等融入其中,滿足系統的冗余技術設計,實現設備的可視化智能化功能。對自研設備除制定設計預案外,還要在實現預案的過程中,采用避錯技術對具體的系統從機體加工設計,到線路布線、單塊線路板插件乃至單個元器件的篩選均要進行屏蔽性設計。

2.2 在用設備的可靠性設計

設備一經交付使用,設備本身可靠性設計已經固定。當實際使用時因條件和環境的特殊要求[4],系統可靠性不能滿足要求時,設備的可靠性必須進行再設計。對自研設備,因系統設計過程熟悉、清楚,設備可靠性再設計比較容易。對外研設備,進行設備可靠性再設計將十分困難,對研制設計過程不是太熟悉,最終會形成對設備進行返廠維修或改造,致使設備不能及時排隊故障,延誤試驗進程,甚至中止試驗。而最積極而有效途徑是當在役測量設備或配置的儀器儀表等輔助性設備使用環境和條件發生變更時,要及時對在役設備所屬系統可靠性進行充分的研究和分析,尋求弱點,通過可靠性再設計彌補不足,使在用設備適應新的環境使用要求。如爆炸威力測量設備在進行某船爆炸試驗中,應對惡劣的沖擊環境采用“軟連接技術”,將測量設備固定于船板上,解決了強沖擊可能造成的測量裝置偏移或拋出而導致測量設備工作失靈等問題。因此,設備操管人員除對測量設備的工作性能和設計技術非常熟悉外,還必須具有較好業務能力和豐富的實踐經驗。這一點對于在用設備的可靠性再設計也是十分重要的。

2.3 在修設備的可靠性設計

設備故障的發生通常有多種原因造成,錯綜復雜。根據故障產生的原因制定相應的維修方案,采用不同的系統可靠性設計方法。

首先,對常年不用或平時很少通電維護而造成的設備故障則必須進行詳細的檢查,如環境條件、象溫度變化、天氣潮濕等影響因素的分析,應采用避錯技術進行分析,如果有多臺同種設備則通過更換機板插件等方法排隊故障,必要時也可進行長時間通電維護,判斷是否元器件參數隨溫度變化而發生漂移,必要時也可返制造商修復。

其次,對使用過頻的測量設備故障,通常是內部單個部件參數發生變化,則必須進行器件或部件更換。同時對器件進行嚴格篩選,貫穿可靠性設計思想,使系統易現故障屏蔽于萌芽狀態。

第三,對實驗室或實驗平臺專用或配套設備以及各種校準設備包括儀器儀表等出現故障后,原則上應返廠維修,因為除排除故障外,還有一個校準精度問題,但要針對故障原因建立設備檔案,制定系統可靠性設計措施,避免故障再現。

以上是水中兵器靶場多年來對測量設備的研制、使用、維修、改造的一些經驗和總結,實踐證明可行有效。然而,我們對系統的可靠性分配和可靠性預測方面有待于進一步加強。

3 結語

系統可靠性設計技術的研究對海軍靶場武器裝備[5]建設與發展有著重要的現實意義和深遠的戰略意義。首先,高可靠性測量設備能為靶場水下爆炸試驗提供基本保證,保持海軍靶場的綜合測試能力,維護靶場的職能作用和重要地位。其次,我國海防為應對現代海上戰爭的挑戰,必須加速海軍武器裝備發展,大量的接近實戰的海上爆炸試驗將要進行。水下爆炸測量技術研究顯得非常重要,而高可靠性設計技術的研究與應用是水下爆炸測量技術研究的重要內容之一,隨著科學技術與可靠性設計技術的深入研究與應用,海軍靶場水下爆炸測量設備工作性能和技術指標將會迅速提高,以適應于未來海上戰爭的需要。

參考文獻

[1] 汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術 [M].國防工業出版社,2006,3.

[2] 李海泉 李剛.系統可靠性分析與設計[M].科學出版社,2003,12.

[3] 宋保維.系統可靠性設計分析教[M].西北工業大學,2000,8.

[4] 艦船電子設備環境試驗總則,1983,10.

[5] 王漢功.裝備全面質量管理[M].北京國防工業出版社,2003.