魚雷武器服役期間裝載可靠性評(píng)估

謝 勇, 苑秉成

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魚雷武器服役期間裝載可靠性評(píng)估

謝 勇, 苑秉成

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為研究魚雷服役期間裝載可靠性的分析計(jì)算問題, 根據(jù)魚雷歷次艇上裝載數(shù)據(jù), 運(yùn)用故障時(shí)間等分內(nèi)插法, 估計(jì)各故障發(fā)生時(shí)間, 繪制裝載狀態(tài)與故障時(shí)序圖, 統(tǒng)計(jì)魚雷在不同服役年份的裝載故障數(shù)與裝載時(shí)間, 分別運(yùn)用經(jīng)典法與Bayes方法計(jì)算裝載可靠性, 得出魚雷裝載質(zhì)量隨服役時(shí)間的變化情況。實(shí)例計(jì)算表明, 應(yīng)用魚雷服役期間艇上裝載數(shù)據(jù)能夠在工程上滿足服役期間魚雷裝載可靠性的分析計(jì)算需要。

魚雷; 裝載可靠度; 故障時(shí)間等分內(nèi)插法; Bayes

0 引言

魚雷是一種能夠在水下自動(dòng)航行、自動(dòng)控制、自動(dòng)尋找與跟蹤, 命中目標(biāo)時(shí)能自動(dòng)爆炸的攻擊性兵器[1-2], 又稱為水下導(dǎo)彈。由于魚雷在水下航行并攻擊水下目標(biāo)或目標(biāo)的水下部分, 具有很好的隱蔽性與強(qiáng)大的爆炸威力, 在歷次海戰(zhàn)中顯示了強(qiáng)大威力, 發(fā)揮了重大作用。可以說魚雷過去是、現(xiàn)在是、將來(lái)也是最重要的水中兵器, 也是世界各國(guó)重點(diǎn)投資和發(fā)展的一種武器裝備[3]。

目前對(duì)于魚雷裝載可靠性評(píng)估研究主要包括3個(gè)方面: 1) 基于部隊(duì)的專項(xiàng)裝載試驗(yàn), 研究裝載可靠性評(píng)估方法[8-10]; 2) 結(jié)合裝備定型需要, 開展裝載可靠性驗(yàn)證方法研究[11-13]; 3) 裝載可靠性與工作可靠性之間的關(guān)系[6,14-16]。劉海波等分析了為評(píng)定魚雷裝載可靠性的專項(xiàng)裝載試驗(yàn)設(shè)計(jì)[8]。鐘強(qiáng)暉等根據(jù)專項(xiàng)裝載試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用Bayes方法進(jìn)行裝載可靠性評(píng)估研究[9]。周春明運(yùn)用二項(xiàng)分布與指數(shù)分布對(duì)裝載可靠度進(jìn)行評(píng)定與對(duì)比分析[10]。事實(shí)上, 魚雷服役年限不同, 質(zhì)量情況不同, 裝載故障率就不一樣, 如果要掌握每年的裝載可靠度, 就需要每年開展專項(xiàng)的裝載可靠性試驗(yàn), 這在部隊(duì)很難實(shí)施。邢國(guó)強(qiáng)等開展了基于Bayes的定型階段魚雷裝載可靠性驗(yàn)證方法研究[11-12]; 葉豪杰等研究了基于Bayes的裝載可靠性驗(yàn)證時(shí)驗(yàn)前分布的穩(wěn)健性[13], 所用方法都是在同母體的前提下, 而魚雷服役階段因環(huán)境影響與大中修將導(dǎo)致魚雷變母體, 故而定型階段的驗(yàn)證方法不適用于服役階段的裝載可靠度評(píng)估。霍俊龍運(yùn)用灰色理論, 由已知的幾組裝載可靠度與工作可靠度數(shù)據(jù), 建立了兩者之間的關(guān)系[6], 根據(jù)未來(lái)某時(shí)刻的工作可靠度評(píng)估其對(duì)應(yīng)的裝載可靠度。李宗吉與邵成分別運(yùn)用灰色理論[14-15], 田星通過模糊回歸理論[16], 由已知的幾組裝載故障率與工作故障率數(shù)據(jù), 建立了兩者之間的關(guān)系, 根據(jù)未來(lái)某時(shí)刻的工作故障率評(píng)估其對(duì)應(yīng)的裝載故障率。對(duì)于服役期間的魚雷武器, 其工作可靠度與故障率是不易獲得的, 此外建立裝載可靠度與工作可靠度之間關(guān)系所需要的服役期間裝載可靠度數(shù)據(jù)求取本身就是個(gè)需要解決的問題。

基于上述分析, 本文將利用魚雷服役期間每年度艇上戰(zhàn)備值班信息, 運(yùn)用故障時(shí)間等分內(nèi)插法確定各故障發(fā)生時(shí)間, 繪制裝載狀態(tài)與故障時(shí)序圖, 計(jì)算魚雷在不同服役年份的裝載故障率與裝載可靠度。

1 魚雷艇上裝載數(shù)據(jù)

通常魚雷武器裝備部隊(duì)后, 因戰(zhàn)備值班與訓(xùn)練需要, 有一定數(shù)量的魚雷會(huì)不定期地在艇上裝載, 從某一年度來(lái)看, 裝載總條數(shù)與裝載總時(shí)間是可觀的, 可以用來(lái)分析魚雷裝載可靠性。

1.1 魚雷艇上裝載

魚雷裝備部隊(duì)后, 在艇上裝載主要包括2個(gè)方面: 1) 訓(xùn)練裝載; 2) 戰(zhàn)備值班裝載。

訓(xùn)練裝載是指魚雷在部隊(duì)服役期間因訓(xùn)練、試驗(yàn)、演習(xí)與考核需要, 每一年度通常會(huì)有一定數(shù)量的魚雷進(jìn)行實(shí)航, 在實(shí)航前的艇上裝載這一過程。戰(zhàn)備值班裝載是指魚雷武器裝備部隊(duì)以后, 為應(yīng)付可能發(fā)生的戰(zhàn)爭(zhēng)或軍事突發(fā)事件, 需要平時(shí)輪流在艇上裝載一定數(shù)量的魚雷, 以保持警戒與待命狀態(tài)的裝載過程。相對(duì)于艇上戰(zhàn)備值班裝載而言, 魚雷訓(xùn)練裝載時(shí)間較短, 條數(shù)較少, 一般不大于艇上戰(zhàn)備值班裝載時(shí)間的5%, 故本文只考慮魚雷艇上戰(zhàn)備值班裝載。

1.2 裝載數(shù)據(jù)

魚雷裝艇前后都會(huì)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè), 對(duì)于魚雷戰(zhàn)備值班而言, 其檢測(cè)包括: 1) 裝艇前魚檢所進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備, 只有技術(shù)準(zhǔn)備合格的魚雷方能裝艇; 2) 戰(zhàn)備值班結(jié)束, 魚雷卸艇后魚檢所會(huì)對(duì)全雷進(jìn)行檢測(cè)以確定魚雷是否存在故障。

魚雷裝載數(shù)據(jù)包括裝艇時(shí)間、卸艇后檢測(cè)時(shí)間與檢測(cè)結(jié)果, 一般情況下, 在每條魚雷履歷薄上都會(huì)予以記錄。由履歷薄可得裝載數(shù)據(jù)記為絕對(duì)裝載數(shù)據(jù), 其數(shù)據(jù)表達(dá)式為

從而, 可得相對(duì)裝載數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

魚雷裝載期間發(fā)生的故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)與修復(fù), 只有通過檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。相對(duì)裝載數(shù)據(jù)是進(jìn)行魚雷裝載可靠性分析計(jì)算的基礎(chǔ), 但處理此類數(shù)據(jù), 面對(duì)的一個(gè)問題就是無(wú)法肯定故障究竟發(fā)生在檢測(cè)時(shí)刻還是在裝艇中間的某個(gè)時(shí)刻, 為此, 可采用故障時(shí)間等分內(nèi)插法來(lái)估計(jì)故障發(fā)生時(shí)間。

2 故障時(shí)間等分內(nèi)插法

根據(jù)式(4), 可分4種情況討論, 如圖1所示。

圖1 故障時(shí)間等分內(nèi)插法示意圖

3 魚雷裝載狀態(tài)與故障時(shí)序圖繪制

1) 繪制魚雷裝載狀態(tài)時(shí)序圖

2) 繪制魚雷裝載狀態(tài)與故障時(shí)序圖

繪制裝載狀態(tài)與故障的關(guān)鍵是確定故障發(fā)生時(shí)間, 由于魚雷裝載可靠性可認(rèn)為服從指數(shù)分布[19], 故裝載故障時(shí)間確定可根據(jù)故障時(shí)間等分內(nèi)插法。在裝載狀態(tài)時(shí)序圖基礎(chǔ)上, 根據(jù)故障時(shí)間等分內(nèi)插法確定故障發(fā)生時(shí)間, 在裝載狀態(tài)時(shí)序圖中用黑點(diǎn)表示各故障的發(fā)生時(shí)間, 即得魚雷裝載狀態(tài)與故障時(shí)序圖, 如圖2所示。

4 魚雷裝載可靠性評(píng)估方法

圖2 裝載時(shí)序圖

4.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法

裝載故障率定義為某一服役年限內(nèi)的總裝載故障數(shù)與每一服役年限內(nèi)的總裝載時(shí)間的比值, 則經(jīng)典法計(jì)算裝載故障率點(diǎn)估計(jì)公式為[21-22]

4.2 基于Bayes的魚雷裝載可靠度計(jì)算

1) 先驗(yàn)分布的確定

對(duì)于魚雷武器而言, 在沒有大修之前或2次大修中間時(shí)段, 其裝載可靠度的保序性為

2) 裝載數(shù)據(jù)的似然函數(shù)

由式(13)與式(14), 得

3) 裝載可靠度的計(jì)算

5 實(shí)例計(jì)算

表1 裝載數(shù)據(jù)表

分別運(yùn)用經(jīng)典法與Bayes法計(jì)算裝載可靠性如圖3與圖4所示。

圖3 裝載故障率變化規(guī)律

圖4 裝載可靠度變化規(guī)律

圖3與圖4較好地反映了魚雷裝載故障率與裝載可靠度隨服役時(shí)間的變化規(guī)律, 隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng), 裝載故障率增大, 裝載可靠度下降。其中經(jīng)典法分析結(jié)果為第1年裝載故障率比第2年大, 第1年裝載可靠度比第2年小, 說明經(jīng)典法評(píng)估結(jié)果受到裝載數(shù)據(jù)的影響較大, 小樣本情況下計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相違背, 不能很好地反映裝載可靠性變化規(guī)律。基于Bayes方法, 通過合理選取和運(yùn)用先驗(yàn)信息, 可以使評(píng)估結(jié)果更好地反映客觀事實(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)已服役魚雷裝載可靠性評(píng)估問題, 通過查閱履歷薄, 收集各魚雷的歷次裝載信息, 運(yùn)用故障時(shí)間等分內(nèi)插法估計(jì)故障發(fā)生時(shí)間, 繪制魚雷裝載狀態(tài)與故障時(shí)序圖, 從而統(tǒng)計(jì)計(jì)算魚雷裝載可靠性。實(shí)例計(jì)算表明, 本文介紹的方法有效實(shí)用, 能夠滿足魚雷武器的工程實(shí)際需要, 具有較好的推廣價(jià)值。

[1] 宋保維. 魚雷系統(tǒng)工程原理與方法[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2010: 15-16.

[2] 石秀華, 王曉娟. 水中兵器概率(魚雷分冊(cè))[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2005: 1-2.

[3] 張宇文. 魚雷總體設(shè)計(jì)原理與方法[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998: 1-2.

[4] 金紀(jì)坤, 楊保生, 馬維義, 等. GJB531A-96. 魚雷通用規(guī)范[S]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1996:4-7.

[5] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011: 300-361.

[6] 霍俊龍, 戴軍. 灰色理論在魚雷裝載可靠度評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 艦船電子工程, 2007, 27(4): 189-190.Huo Jun-long, Dai Jun. Research on Torpedo Loaded Reliability Based on Grey System Theory[J]. Ship Electronic Engineering, 2007, 27(4): 189-190.

[7] 魏勇. 基于魚雷武器儲(chǔ)存期間檢測(cè)周期方法的研究[J]. 艦船電子工程, 2006, 26(4): 177-180.Wei Yong. Research of Period Way During Storage Based on Torpedo Weapon[J]. Ship Electronic Engineering, 2006, 26(4): 177-180.

[8] 劉海波, 鐘強(qiáng)暉. 魚雷裝載可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(12): 97-99.Liu Hai-bo, Zhong Qiang-hui. Torpedo Loaded Reliability Test Design[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33 (12): 97-99.

[9] 鐘強(qiáng)暉, 張志華, 董理. 魚雷裝載可靠度的評(píng)估方法[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2010, 37(6): 73-74. Zhong Qiang-hui, Zhang Zhi-hua, Dong Li. The Evaluation Method of Torpedo Loaded Reliability[J]. Ship Science and Technology, 2010, 37(6): 73-74.

[10] 周春明. 裝載可靠性試驗(yàn)與分析[J]. 魚雷靶場(chǎng), 2010(3): 5-8.

[11] 邢國(guó)強(qiáng), 曲兆宇. 考慮可信度的平均壽命驗(yàn)后分布Bayes融合評(píng)估方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(9): 2183- 2184. Xing Guo-qiang, Qu Zhao-yu. Bayesian Fusion and Evaluation Method of Posterior Distribution for Mean Life Considering Credibility[J]. Science Technology and Engineering, 2012, 12(9): 2183-2184.

[12] 邢國(guó)強(qiáng), 曲兆宇. 指數(shù)分布下魚雷裝載可靠度平均壽命Bayes概率比假設(shè)檢驗(yàn)方法[J]. 海上靶場(chǎng)學(xué)術(shù), 2012(7): 9-10.

[13] 葉豪杰, 李春風(fēng). 基于驗(yàn)前分布穩(wěn)健性分析的魚雷裝載可靠度Bayes評(píng)估[J]. 海上靶場(chǎng)學(xué)術(shù), 2012(12): 4-6.

[14] 李宗吉, 任德奎. 基于灰色理論的魚雷裝載可靠性分析[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 20(4): 8-12. Li Zong-ji, Ren De-kui. Research on Torpedo Loaded Reliability Based on Grey System Theory[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2008, 20(4): 8-12.

[15] 邵成, 宋保維. 小子樣魚雷裝載失效率與工作失效率關(guān)系[J]. 火力指揮與控制, 2007, 32(6): 94-97． Shao Cheng, Song Bao-wei. Relationship Between Storage Failure Rate and Working Rate Based on Small Sample Sys- tem[J]. Fire Control and Command Control, 2007, 32(6): 94-98.

[16] 田星, 宋保維, 梁慶衛(wèi), 等. 魚雷裝載可靠度與工作可靠度的關(guān)系研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006, 18(4): 883-886. Tian Xing, Song Bao-wei, Liang Qing-wei, et al. Research on Relationship of Equipping Reliability and Working Reliability of Torpedo [J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(4): 883-886.

[17] 黃瑞松.飛航導(dǎo)彈貯存可靠性分析[M]. 北京: 中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院, 2002: 33-36.

[18] 侯希久. X-X導(dǎo)彈貯存可靠性分析方法[R]. 北京: 北京機(jī)密機(jī)械總體設(shè)計(jì)部, 2000.

[19] 明志茂. 動(dòng)態(tài)分布參數(shù)的貝葉斯可靠性分析[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011: 169-171.

[20] 孟慶玉. 魚雷可靠性工程基礎(chǔ)[M]. 武漢: 海軍工程學(xué)院出版社, 1989: 293-295.

[21] 張志華. 可靠性理論及工程應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012: 140-145.

[22] 曹治民, 盧昆祥, 江登恕. GB5080.4-85. 設(shè)備可靠性試驗(yàn)可靠性測(cè)定試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)方法(指數(shù)分布)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1985:375-377.

Evaluation of Torpedo Loading Reliability in Commission

XIE Yong, YUAN Bing-cheng

(Department of Weapon Engineering, Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)

To evaluate loading reliability of a torpedo in commission, according to historical loading information of a torpedo, fault occurring time is predicted by usinginterpolation method of aliquot fault time. Subsequently, torpedo loading sequence diagram and loading fault sequence diagram are drawn, loading fault number and loading time in every service year are counted, and loading reliability is calculated with classical approach and Bayes method, respectively. And the variation of torpedo loading mass with service time is obtained. An example indicates that loading information of a torpedo in service duration can meet the requirement of evaluation of torpedo loading reliability for engineering application.

torpedo; loading reliability; interpolation method of aliquot fault time; Bayes

TJ630; TB114.3

A

1673-1948(2013)02-0086-06

2012-11-13;

2012-12-05.

謝 勇(1985-), 男, 在讀博士, 研究方向?yàn)轸~雷定型與可靠性評(píng)估.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)