航空電子系統的可靠性分析

周濤

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.019

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，對軍用飛機的功能要求也越來越高，因此，對飛機航電系統的改裝將越來越多。針對改裝后的航空電子系統的眾多分系統和設備，在保證系統功能的前提下，如何提高系統的可靠性顯得尤為重要。該文對如何提高航電系統可靠性的常用方法做了一定的分析和闡述，并對改裝后某個航電系統的任務可靠性進行了分析論證。

關鍵詞：航空電子系統 可靠性 冗余 MTBF

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0019-05

隨著信息工程、計算機技術、控制技術、電子技術的日益發展，在過去的數十年中，飛機系統設計任務的重點有了重大轉變，從最初飛機機體的設計演變為飛機的電子設計上。因此，為增加飛機的綜合作戰能力，未來針對飛機的航電系統改裝將越來越多，而由于功能的增加，對飛機承載的電子設備的功能要求就不得不急劇地增長，甚至面臨著一種爆炸性的局面。航空電子系統作為一個整體，需要統籌考慮，進行系統集成，使各種系統資源有機地結合起來，協調工作，共同完成系統的使命任務，任何一個分系統或設備的失效將影響整個航空電子系統的功能。在這種情況下，如何提高航空電子系統的可靠性顯得尤為重要。

1 系統的可靠性設計方法

1.1 系統網絡構型的選擇

根據自上而下的系統設計原則，在對航空電子系統進行改裝時，首先需要確定航空電子設備的系統構型，選擇一個合適的系統拓撲結構是建立高性能的航電系統的首要前提。

系統結構可以大致分為6種。按其智能節點和連接節點的鏈路不同形式，其拓撲結構分別為：點對點型、環型、星型、主總線型、共享存儲器型、多級總線型。這6種局部網的拓撲結構如圖1所示。可以從接口的模塊性，可擴展性，故障的容錯特性，復雜性和通訊阻塞瓶頸等6個指標上對上述幾種系統結構做出全面的比較和評價，具體見表1。

由表1可見，總線型的拓撲形式（單總線多級總線）由于其綜合性能優良，特別適于在航空電子綜合化中加以采用。它的復雜性不高，而模塊性良好，很適宜做成標準化的接口模塊，可用大規模集成電路實現；它的容錯性高，可以使航空電子綜合系統獲得很好的可靠性；它的可擴展性使得可以靈活地在總線上增加或刪除智能節點，以適應于飛機或航空電子設備改進或更型的需求。

1.2 容錯與可靠性

航空電子綜合系統作為一個高可靠性的系統，要求一定的時間范圍內不允許系統失效，或者要使失效概率低至忽略不計的程度。提高系統可靠性的冗余度技術大體上可以分成以下幾種。

（1）硬件冗余——通過給系統增添硬件設備來求得系統的容錯能力。

（2）軟件冗余——通過給系統增添用于系統錯誤管理的程序來求得系統的容錯能力。

（3）事件冗余——以犧牲一定的時間代價來求得系統的容錯能力。

（4）信息冗余——在系統內增添一些提高系統可靠性所需要的信息。

硬件冗余又分成靜態冗余和動態冗余兩種。靜態冗余（又稱之為掩蔽冗余）是指采用串并配置以及2N+1模冗余等邏輯重迭技術來有效地掩蔽硬件故障。對于靜態冗余來說，在部件出故障后不必對相應的故障部件進行診斷、隔離、修復就能實現容錯運行，因此，靜態冗余的突出優點是對付瞬時性故障很有效。其缺點是代價較大，體積重量增加很多。硬件冗余技術中的第2種是動態冗余（也稱之為選擇冗余，它包括故障檢出、故障隔離及系統恢復3個基本組成部分。所謂故障檢出是指對故障做出定性、定位的診斷。在航空電子綜合系統之中，一般需要在3個級別上進行故障檢出：即計算機故障；存儲器/定時器故障；指令執行功能故障；子系統之間數字通訊的1553B傳輸故障；動態過程的數據有效性診斷等。所謂故障隔離是與硬件的余度配置密切相關，隔離是使兩個或多個部件之間的互相作用減到最小以至于零，因此，故障的隔離常常是指余度部件的切換，使故障得以屏蔽或弱化。系統恢復是指系統設計師根據系統結構和最低級別上的故障隔離特性所采取的容錯管理策略。它是根據系統的狀態向量和狀態的歷史情況而定、在恢復過程之中必然會有一個擾動出現，但要限制此擾動使飛機任務能夠容忍的程度。動態冗余的優點是硬件利用率較高，但診斷、定位、恢復的過程較慢，且付出了軟件的代價，此種方法如不與其他冗余技術配合使用，較難消除瞬時性故障的影響。

3.6 可靠性分配

根據改裝任務的設計要求，Rs≥0.985，為滿足此要求，需進行可靠性分配，將系統的可靠性要求分配到每個航電設備上，可靠性主要分配方法見表2。

從表2中內容可以看出，可靠性分配方法中，評分法應用較靈活，適用性強，應用較普遍。因此，在此選用評分法進行可靠性分配。分配因素及評分規則如下。

（1）復雜程度：對結構、功能、裝配而言，簡單1～復雜10。

（2）技術水平：對設計方法而言，先進1～最低10。

（3）工作時間：在任務時間內，工作時間最短1～最長10。

（4）環境：對承受的環境條件而言，最好1～嚴酷10。

分配過程及結果見表3所示。

3.7 可靠性計算

根據分配給各個航空電子設備的可靠度，可以根據公式算出每臺設 備的平均無故障時間，與各成品廠實際能夠達到的平均無故障時間進行對比。

從表4中可以看出，各成品廠設計的產品可以達到的平均無故障時間以及成熟期后的平均無故障時間均已達到或超過分配后要求的可靠度。因此，改裝后系統完成某型武器的發射控制任務的可靠度是滿足要求的。

4 結語

對軍工產品尤其是飛機來說，可靠性就更加重要，因為“可靠性是影響軍隊戰斗力的關鍵因素”，裝備的可靠性決定了裝備的戰備完好性，決定了戰斗的成敗，也是裝備自身的生命線。在任何威脅環境下贏得勝利所要求的一個不變的因素是高度可靠和易維修的武器系統，它能夠提供連續的攻擊能力。工業部門和科研院所應當抓住可靠性發展的歷史機遇，不斷地探索，豐富和壯大可靠性工程的技術體系與管理體系，形成了較為完整、配套、成熟的可靠性設計、分析、試驗和評價標準和規范，并向更高層次、更深領域發展。

參考文獻

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