大型雷達裝備使用可靠性評估?

王晗中,常春賀,鄧 剛

(1.空軍預警學院訓練部,湖北武漢430019;2.95980部隊,湖北襄陽441021)

0 引言

可靠性是指裝備在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力[1],是構成裝備質量特性的重要組成部分;而使用可靠性則反映了裝備在實際環境中使用時所呈現出來的可靠性。雷達裝備使用可靠性的高低不僅直接影響其作戰任務的完成,而且對提高雷達作戰效能、減少維修保障資源以及降低全壽命周期費用至關重要[2-4]。雷達使用可靠性不僅與設計可靠性有關,還受裝備使用、維修等因素的影響[5]。

目前,大型雷達裝備的可靠性評估方法還不完善,嚴重制約了大型雷達裝備可靠性水平的提高,因此尋找科學合理的可靠性評估方法變得尤為迫切。平均故障間隔時間(MTBF)是可靠性評估中常用的重要指標之一,而數學均值法、一次分布法等傳統的可靠性評估方法只計故障數量[6-8],不考慮故障件所屬系統(以下統稱部件系統)的重要性,難以體現可靠性指標對裝備的安全性和任務成功性與戰備完好性的影響。本文針對大型雷達裝備在部隊使用過程中出現的大量故障統計數據,結合大型雷達裝備的特點,提出一種基于重要性的大型雷達裝備使用可靠性評估方法。通過使用可靠性評估,為大型雷達裝備科學維修、設計改進以及新裝備研制提供重要的參考依據。

1 大型雷達裝備特點分析

現代大型雷達裝備具有技術復雜、分系統多、系統設備量大等顯著特點,對裝備的戰備完好性和任務成功性要求越來越高,這也給大型雷達裝備的可靠性提出了諸多挑戰。與常規雷達相比,大型雷達裝備具有以下特點:

(1)系統復雜、規模龐大

現代大型雷達裝備系統復雜、規模龐大,通常采用了先進的設計理念,集成了全固態、全相參、相控陣等多種現代雷達高新技術。為滿足特定的戰技術性能,大型雷達要么體型龐大(如天線陣面寬、高度達幾十米),要么雷達部署地域分散,系統設備通常分布于多個不同站點,各站之間交聯多,系統正常工作和作戰性能的高效發揮依賴于各站裝備的正常運行,若裝備自身可靠性不高,就會嚴重地影響雷達的預警探測性能。因此,大型雷達裝備必須具有較高的可靠性,才能確保其作戰效能得以順利地發揮。

(2)分系統多、設備量大

大型雷達通常由頻率源、發射、接收、信號處理、數據處理、顯示與控制、光纖傳輸、計算機網絡、電站等十多種系統組成,系統之間關聯性強,其可靠性在很大程度上決定了雷達整機系統的可靠性,進而影響到系統作戰效能的發揮。同時,為獲得高的探測能量、寬的探測范圍,大型雷達設備量通常是一部普通雷達裝備的幾倍甚至幾十倍之多,如某大型雷達接收系統中的接收機多達數百個,發射系統中的全固態發射機就有幾十部,而這些發射機的功放模塊多達上千個,且僅僅單個功放模塊造價就高達數萬元。因此,良好的可靠性設計,不僅可提高大型雷達裝備安全性和戰備完好性,而且對于減少裝備維修保障費用也有著極其重要的現實意義。

(3)裝備層次性結構明顯

大型雷達裝備雖然系統復雜、規模龐大,但其具有明顯的層次性結構特點,即具有系統、分系統、LRU和SRU的層次順序。圖1為某大型雷達裝備的層次結構圖,第1層為雷達整機系統;第2層為雷達各個系統,如頻率源系統、定時系統、發射系統、接收系統、信號處理系統、顯控系統等;第3層為雷達各系統之下的分系統,如發射系統中的激勵源分系統、發射控制分系統、發射機分系統、傳輸饋線分系統、發射天線分系統等;第4層為現場可更換單元LRU,如發射機分系統中的主控制器、前置放大器、推動放大器、功放模塊、合并器等;第5層為車間可更換單元SRU,如功放模塊中的分路器、功放管、檢測板、阻容件、二極管等。第1～3層屬于雷達裝備的功能分類層次,第4～5層屬于故障定位的可更換單元。分層次結構特點使大型雷達裝備可靠性設計與故障分析清晰容易,更加利于對大型雷達裝備進行分層、分單元進行可靠性評估。

圖1 某大型雷達裝備的層次結構圖

由以上分析可見,大型雷達具有規模龐大、分系統多、設備量大和層次性結構明顯等特點,如果能充分利用大型雷達裝備的這些特點,對大型雷達裝備進行分層處理,可大大降低其可靠性設計與分析的復雜性,提高可靠性評估的效率。

2 基于重要性的使用可靠性評估模型及算法

現代大型雷達裝備結構復雜,設備量大,故障模式多樣。不同部件系統的故障各具特點,且對雷達工作的影響程度即重要性不同,有的部件故障可能導致雷達無法正常工作,有的部件故障只引起分系統(或子系統)性能降低,對雷達整機系統影響較小。所以,不同部件系統的故障對雷達整機系統可靠性的影響程度也不同。為準確評估大型雷達裝備使用可靠性,本文在綜合考慮裝備故障的性質、規律及部件系統重要性的基礎上,建立了一種基于重要性的大型雷達裝備使用可靠性評估模型。

2.1 評估模型總體思路

由前面分析可知,大型雷達裝備分系統多,且具有明顯的層次結構特點,因此可以根據大型雷達部件所屬系統(即部件系統)重要性的不同特點,將故障按照大型雷達的部件系統層次結構進行分類,每一部件系統故障綜合考慮故障現象、故障位置進行分類。大型雷達可靠性指標分為故障類型級(即指標層)、部件系統級(即準則層)和總體級(即目標層)指標三個層次。其評估的層次結構如圖2所示。

圖2 三層評估體系結構

根據指標層包含的各故障類型概率分布模型對指標層的可靠性指標進行評估;在指標層可靠性指標的基礎上,采用樣本量加權平均的數據融合方法得到部件系統級指標;而總體級可靠性指標則根據部件系統級指標,采用重要性綜合權系數加權平均的數據融合方法計算。

2.2 指標層可靠性指標的計算

根據統計學理論,指標層同一類型故障壽命分布符合某種典型的統計分布規律,即指數分布、正態分布或韋布爾分布等。大型雷達裝備的故障模式多種多樣,用何種分布來描述某一具體的故障模式需要通過典型分布的擬合優度檢驗來確定,如W檢驗(正態檢驗)、χ2檢驗(指數檢驗)、M檢驗(韋布爾檢驗)等。確定其分布規律后,根據相應分布的數學模型確定該分布的可靠性指標MTBF。式(1)、(2)和(3)分別表示指數分布、正態分布和韋布爾分布的M TBF點估計公式。

式中,為指數分布參數θ的點估計;T為累積工作時間;r為累積失效(或故障)數。

式中,為正態分布均值的點估計。

式中,為韋布爾分布參數η的點估計;Γ(1+1/m)為(1+1/m)的伽馬函數值;exp(),其中為韋布爾分布對應的I型極值分布參數的點估計。

2.3 準則層可靠性指標的計算

準則層即部件系統級的可靠性指標由指標層(故障類型級)指標向上融合得到,采用樣本量加權平均的融合方法。

指標的權重系數表示某一層次的子指標相對于上一層次的父指標的重要程度。由于同一系統下不同故障類型故障可以定量地通過樣本量進行比較,所以指標層(故障類型級)相對于準則層(部件系統級)的權重系數根據樣本量確定。

引入w ij(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n i)表示指標層相對于準則層的權重系數,同一部件系統指標層權重系數構成的權矢量為W i=(w i1,w i2,…,w in),w ij≥0。

2.4 目標層可靠性指標的計算

目標層即總體級的可靠性指標由準則層(即部件系統級)可靠性指標向上融合得到,采用樣本量和重要性綜合加權平均的融合方法。

1)樣本量權矢量W n

準則層指標對樣本量準則的權矢量用W n=(w n1,w n2,…,w nm)表示,這里w ni(i=1,2,…,m)為第i個系統的樣本量權系數,

其中,m為系統總數,n為樣本量確定的權系數。w ni由下式確定:

式中,N i為第i個系統的樣本量;N為總樣本量。

2)重要性權矢量W s

大型雷達部件的重要性按照各系統與部件所處工作的位置、重要程度劃分為4個等級。

(1)極重要:對整機有致命影響。

(2)很重要:對整機有很大影響。

(3)重要:對整機有輕度影響。

(4)一般:對整機無大影響。

基于重要性的大型雷達可靠性評估中,部件系統級指標相對于總體指標的重要性權系數,根據AHP法對各個部件系統的重要性判斷矩陣,進行求和平均及歸一化處理確定,其實現步驟具體如下。

Step 1:構造比較判斷矩陣

根據各個部件系統的重要性,使用成對比較和專家咨詢法來構造判斷矩陣A=[a ij](表示同一層各指標相對重要性的標度值,判斷標準采用層次分析法常用的1～9標度法)。

Step 2:計算指標權重

指標權重的計算可歸納為求解判斷矩陣A最大特征值λmax對應的特征向量,即AW=λmaxW的特征向量W=(w1,w2,…,w n)T。在AHP方法中,計算特征向量常用的近似方法有求和法、平方根法等,本文采用判斷矩陣首行求和并歸一化來求解特征向量,從而得到各指標的權重。

Step 3:一致性檢驗

由于大型雷達裝備使用可靠性評估過程中影響因素的復雜性和決策者對這些因素主觀判斷具有不穩定性,以及不同決策者偏好也不同,因此難以將同一準則下的因素差異度量的十分準確,通過兩兩比較的判斷矩陣不一定滿足一致性條件。因而實際操作時,引入變量一致性比例CR=CI/RI來檢驗一致性,當CR＜0.1時,判斷矩陣具有一致性,否則就不滿足一致性[9]。其中CI=(λmax-n)/(n-1)為一致性指標,RI為平均隨機一致性指標,根據矩陣階數而取值,表1給出了1～9階矩陣的平均隨機一致性指標[10]。

表1 RI與n的對照關系表

3)總體指標的重要性權矢量W c

根據可靠性評估中樣本量比重要性重要的原則,來構造樣本量和重要性相對于總體指標的判斷矩陣見表2。

表2 總體指標與樣本量、重要性的權重矩陣

利用前面介紹的層次分析法對判斷矩陣進行計算求解,可以得到大型雷達裝備樣本量準則和重要性準則對總體指標的權矢量為W c=(0.834,0.166)。

4)綜合權矢量

準則層對目標層的綜合權矢量:

5)目標層可靠性指標

根據準則層可靠性指標矢量R和綜合權矢量W可以計算得到目標層可靠性指標T。

3 大型雷達裝備使用可靠性評估

現代大型雷達裝備雖然采用了固態化、微電子化、模塊化、標準化、系列化、冗余等設計,使裝備整體可靠性得到了極大的提高,但從雷達裝備的外場使用情況來看,仍不可避免地發生了眾多的各類故障。因此,有必要對大型雷達實際使用過程中的故障數據進行統計分析,以準確評估其使用可靠性,進而對大型雷達作戰使用、設計改進以及新裝備研制提供借鑒和參考依據。

3.1 大型雷達裝備故障統計

由前面分析可知,大型雷達系統極其復雜、設備量巨大,同時根據部隊實際使用過程中統計發現,發射系統故障率最高,所以發射系統仍然是故障多發部位,其可靠性直接影響大型雷達裝備的MTBF。因此,為了驗證本文模型的有效性,這里僅以某大型雷達發射系統為例進行分析與驗證。經過對該雷達發射系統外場故障數據的收集和整理,保留303例外場故障數據。根據基于重要性的大型雷達裝備使用可靠性評估方法的思路,將故障按故障件或故障部位的所屬系統進行劃分,其分布情況見表3。各部件系統包含不良觸點、短路、斷路、擊穿、漂移等不同類型故障。

表3 發射系統故障樣本按部位的分布

3.2 大型雷達裝備可靠性評估

根據故障的分析處理,利用本文評估模型對某大型雷達發射系統的使用可靠性進行評估,其評估流程如圖3所示。

圖3 可靠性評估指標算法流程

1)部件系統的可靠性及其分析

利用本文模型對某大型雷達發射系統的可靠性指標進行評估,其中利用AHP法計算得到的雷達裝備各部件系統(分系統)的權矢量參見表4,各部件系統及發射整機系統的可靠性指標如表5所示。

從表5中可知:

(1)發射整機系統的MTBF達到了800 h以上,但低于系統設計的最低可接受指標值900 h。

(2)故障數目較多的發射機分系統、發射控制分系統和傳輸饋線分系統MTBF指標值低于發射整機系統的MTBF指標值,而激勵源分系統和其他配套分系統的MTBF指標值高于發射整機系統的MTBF值。

表4 準則層相對目標層的判斷矩陣及權矢量

表5 某大型雷達發射各分系統MTBF值

(3)發射天線分系統沒有有效故障數據,這里將發射系統的設計門限值作為其MTBF指標值,由于其樣本量為0,計算發射整機系統可靠性指標時,只考慮其重要性的影響,對整機可靠性指標影響不大。

(4)發射機分系統的故障樣本較多,計算得到的可靠性指標較低,所以,其可靠性的高低對雷達發射整機系統的可靠性影響較大。發射機分系統的故障類型及可靠性情況見表6。由表6可見,該雷達裝備發射機分系統的功放模塊故障樣本量最大,且其MTBF＜700 h,一方面由于發射機的功放模塊較多,另一方面也說明了功放模塊本身可靠性質量問題;另外,開關電源、輔助電源、電源框架、濾波器和繼電器故障樣本量相對較大,這些部件的MTBF指標值均在500 h左右,這在一定程度上說明了發射機出廠時的缺陷,尋找這幾類故障原因,并采取一定措施消除設計缺陷,可以提高發射機分系統的可靠性指標,從而提高該雷達裝備的使用可靠性。

表6 發射機分系統的MTBF指標值

(5)由表5和表6可以看出,發射控制分系統、發射機分系統、光纖傳輸分系統、傳輸饋線分系統以及電源分系統MTBF均低于發射系統的設計指標值。在實際使用過程中,當發射控制分系統工作達到400 h左右時,加強對其設備和軟件系統進行檢查維護,可以減少發射控制分系統故障的發生,提高系統可靠性;同樣,在使用過程中,當發射機、光纖傳輸、傳輸饋線以及電源等分系統工作達到800 h左右時,應加強對這些分系統進行檢查維護,可以減少這些分系統故障的發生概率,從而提高系統可靠性,減少系統故障對該型雷達預警探測性能的影響。

2)整機系統的可靠性及其分析

利用本文模型對該大型雷達發射系統的使用可靠性進行評估,并將評估結果與數學均值法和整體分布法進行對比。不同評估方法得到的發射系統MTBF指標值見表7。

表7 發射整機系統的MTBF指標值

從表7中可知:對發射系統進行可靠性評估時,采用整體分布法與數學平均值法計算得到的結果相差不大,與利用層次分析法考慮不同類型故障的分布類型、樣本量及重要性差別時所獲得結果相比偏小。這是由于數學均值法與整體分布法只考慮了故障部件分布類型且將不同部件系統同等對待,沒有考慮不同部件系統之間的重要程度,導致評估結果過于保守,風險較大;基于樣本量的可靠性評估模型雖然考慮故障分布類型和樣本量大小,但沒有考慮不同部件系統重要性差別,很容易對可靠性評估的結果產生較大的影響,評估結果的可信度不高;而利用本文提出的基于重要性的可靠性評估方法,既綜合考慮了不同類型故障分布類型、樣本量大小,又考慮到了不同部件系統重要性差異對該雷達可靠性評估的影響,更符合雷達裝備實際,所以本文方法評估風險小,評估結果更為合理、精確。

4 結束語

本文在分析大型雷達裝備特點的基礎上,建立了一種基于重要性的大型雷達裝備使用可靠性評估模型。首先利用層次分析法將系統可靠性指標劃分為故障類型級、部件系統級、總體級三級評估指標,然后分別通過壽命分布、樣本量以及加權融合等方法計算其MTBF,最后以某大型雷達發射系統為例進行了驗證研究。實例應用表明,本文方法得到的評估結果更加準確、合理。通過評估,為大型雷達裝備科學維修、設計改進以及新裝備研制提供了一定的依據和參考。

[1]中國人民解放軍總裝備部技術基礎管理中心.GJB 451A-2005可靠性維修性保障性術語[S].北京:中國標準出版社,2005.

[2]薛長生,李執力,許屹暉.雷達可靠性與維修性對系統效能的影響[J].現代雷達,2006,28(5):23-26.

[3]盧雷,楊江平,劉根.RMS對雷達系統效能的影響分析[J].雷達科學與技術,2011,9(4):300-303.LU Lei,YANG Jiang-ping,LIU Gen.Influence Analysis of RMS on Radar System Effectiveness[J].Radar Science and Technology,2011,9(4):300-303.(in Chinese)

[4]康銳.可靠性維修性保障性工程基礎[M].北京:國防工業出版社,2012.

[5]王自力.可靠性維修性保障性要求論證[M].北京:國防工業出版社,2011.

[6]樂戰英.雷達的可靠性指標研究[J].雷達與對抗,2006(4):65-68.

[7]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部標準化中心.GJB899A-2009可靠性鑒定和驗收試驗[S].北京:中國標準出版社,2009.

[8](挪)勞沙德.系統可靠性理論:模型、統計方法及應用(第2版)[M].郭強,王秋芳,劉樹林,譯.北京:國防工業出版社,2010.

[9]常春賀,楊江平.基于層次模糊決策的雷達裝備測試性綜合評估[J].雷達科學與技術,2011,9(4):293-299.CHANG Chun-he,YANG Jiang-ping.A Testability Synthetic Evaluation Method of Radar Equipment Based on Analytic Hierarchy Process and Fuzzy Mathematic Theory[J].Radar Science and Technology,2011,9(4):293-299.(in Chinese)

[10]葉義成,柯利華,黃德育.系統綜合評價技術及其應用[M].北京:冶金工業出版社,2006.