智能地雷可靠性建模

李翰朋，宣兆龍

(陸軍工程大學， 河北 石家莊 050003)

智能地雷是能主動探測、識別、定位、跟蹤和主動攻擊目標的地雷，具有遠距離感知、通信、遙控、分配攻擊目標、雷場修復及敵我識別等功能。它一般由控制系統、發射系統與子彈藥系統組成，根據用途可分為反坦克智能地雷和反直升機智能地雷。近年來，世界各軍事強國均把智能地雷裝備作為工程兵主戰裝備加以發展，尤其強調在技術上與主戰裝備體系發展相協調，著力提高其智能化和信息化作戰水平。

相對于傳統地雷，智能地雷結構復雜，價值昂貴，在外場服役期間，經歷自然環境較長時間作用后，各部件/子系統能否可靠工作，系統能否實現其戰術目標，是大家非常關注的問題。

1 可靠性建模的意義

1.1 可靠性的內涵

可靠性定義為產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力[1]。定義中的3個“規定”和“能力”一起組成可靠性的4個要素。可靠性是產品固有的設計特性，作為在使用和保障成本、系統效能方面的主要影響因素，在系統費效關系中起到關鍵作用。

1.2 可靠性模型建立的作用和意義

可靠性模型是表示系統與其組成單元之間的可靠性邏輯關系的描述，是進行可靠性分配、預計、分析和方案設計的前提和基礎。可靠性建模是可靠性工作的重要內容之一。可靠性建模的主要目的是利用可靠性模型對系統進行可靠性定量分配和預計，并發現系統中的薄弱部位和設計環節，為改進系統提供依據[2]。

2 智能雷系統組成、功能及作用流程

反坦克智能地雷與反直升機智能地雷作戰流程不同，但工作原理基本相似[3]。以下介紹智能地雷一般系統組成及功能，建立其可靠性模型。智能雷按功能單元劃分一般組成如圖1所示。

圖1 智能雷一般組成

2.1 控制系統

控制系統由微處理機、預警探測單元、指揮控制單元、探測電源等組成。

主要單元功能及作用流程如下：當有目標在智能地雷有效范圍內出現時，預警探測單元就會感受到目標的噪聲和振動、識別目標，并向指揮控制單元發送信號；指揮控制單元是控制系統的中樞，當它收到預警探測單元的信號后，為微處理機供電，微處理機開始定位、跟蹤目標，并計算攻擊參數；探測電源主要為控制系統提供電能。

2.2 發射系統

發射系統由發射控制單元、發射熱電池、發射平臺裝置、伺服機構和發射系統結構件等組成。

主要單元功能及作用流程如下：發射控制單元接收指揮控制單元發出的攻擊信號，激活發射裝置電源，解除伺服機構鎖定，將發射器伺服驅動到攻擊方位；在發射器轉動到位后，發射子彈。發射裝置電源主要給發射裝置提供電能，發射控制單元的作用是控制發射子彈藥。

2.3 子彈藥系統

子彈藥系統主要由感應單元、中央控制單元、減速減旋單元、彈上電源、傘彈分離單元、起爆單元、戰斗部、子彈藥結構件等組成[4]。

主要單元功能如下：感應單元的功能是在復雜的電磁環境中探測和識別裝甲目標，通常包括紅外感應單元、毫米波感應單元或激光測距單元等，為了克服單一感應單元性能的局限性，提高探測性能，一般采用復合感應系統，將兩種或者兩種以上的感應單元結合使用[5]。中央控制單元負責驅動控制、電源管理、數據采集、信號處理和火力決策等一系列工作。戰斗部一般使用EFP戰斗部，其作用是主裝藥起爆后使藥型罩形成高速飛行的彈丸并攻擊目標頂甲，在目標內部產生二次破片，以毀傷目標內乘員、設備等實現其戰術目的。

作用流程如下：子彈藥被發射后，彈傘分離單元起爆，打開降落傘，子彈在減速減旋單元的帶動下，開始對地面進行掃描，掃描方式一般有旋頂、掠頂、掠旋頂等方式；在掃描過程中，感應單元對地面目標進行識別、定位，一旦識別目標就引爆EFP戰斗部，從頂部攻擊目標；若下落到一定高度或掃描一定時間后仍未發現目標，或者彈上熱電池電壓低于一定值后子彈藥自毀。

3 故障判據

產品故障指的是產品不能在規定條件下完成規定任務(或功能)的狀態。利用確定的產品功能、性能和結構參數等要求，列出可能造成產品故障的條件，即擬定產品故障判據[6-7]。

當智能地雷開始工作后出現下列現象即可判為故障：

1) 探測電源無電壓輸出或輸出功率不足；

2) 預警探測單元不能識別目標；

3) 微處理機跟蹤目標失敗；

4) 指揮控制單元電子器件失效；

5) 發射裝置電源激活失敗；

6) 發射控制單元不能正常作用；

7) 伺服機構未到位；

8) 發射平臺不能發射子彈藥；

9) 彈上電源激活失敗；

10) 中央控制單元決策失效；

11) 傘彈分離單元開傘失敗；

12) 減速減旋單元損壞；

13) 感應單元功能喪失；

14) 起爆單元未成功起爆戰斗部；

15) EFP未命中目標有效部位；

16) EFP未擊穿目標；

17) 自毀率未達標。

4 可靠性框圖

4.1 基本可靠性框圖

基本可靠性是系統在規定條件下和無故障的持續時間或概率。根據圖1給出的智能地雷結構組成圖及其工作原理，可以將智能地雷分為控制系統、發射系統和子彈藥系統3個分系統，各分系統又可詳細分解。分析可知智能地雷基本可靠性框圖如圖2所示。

圖2 智能地雷基本可靠性框圖

4.2 任務可靠性框圖

任務可靠性為產品在規定的任務剖面內完成規定能力的能力。任務可靠性與規定的任務剖面有關，即與任務的成功或失敗的判別準則、任務時間及產品在任務期按時序所經歷的應力條件、環境條件有關。

智能地雷按其任務時間內所經歷的環境條件可分為兩種任務剖面。智能地雷在任務期間發現目標，并擊毀目標，簡稱此任務剖面為正常擊毀；智能地雷在任務期間，控制系統發現目標，發射裝置發射子彈，但在這期間目標駛出子彈掃描范圍，導致子彈未發現目標自毀。簡稱此任務剖面為子彈自毀。

系統設備或功能單元可靠度如表1所示。

表1 系統設備或功能單元可靠度

1) 正常擊毀任務可靠性框圖。分析智能地雷系統的功能原理、部件組成和作用流程可知所有功能單元都要參與任務，則得其任務可靠性框圖如圖3。

圖3 正常擊毀任務可靠性框圖

2) 子彈自毀任務可靠性框圖。分析智能地雷系統的功能原理、部件組成和作用流程可知，在沒發現目標時，子彈會自毀，只考慮子彈自毀的可靠性，則得其任務可靠性框圖如圖4。

圖4 發射系統可靠性框圖

5 可靠性數學模型

5.1 基本可靠性數學模型

結合智能地雷基本可靠性框圖與基本可靠性數學模型概念可得智能地雷的基本可靠性數學模型為

R0=RK1…RK4RF1…RF4RM1…RM9RQ

(1)

式(1)中：R0為智能地雷系統基本可靠度。

5.2 任務可靠性數學模型

分析任務可靠性框圖，結合可靠性數學模型建立方法，可得到不同任務可靠性的數學模型。

1) 正常擊毀任務可靠性數學模型。在正常擊毀目標任務時，紅外與毫米波兩種感應單元都能探測到目標的方位，假設兩者互相不影響且都能單獨探測到目標，得到其任務可靠性數學模型：

R1=RK1…RK4RF1…RF4RM1…

RM4(RM5+RM6-RM5·RM6)RM7…RM9RQ

(2)

式(2)中：R1為正常擊毀任務可靠度。

2) 子彈自毀任務可靠性數學模型。在子彈自毀時，結合子彈自毀任務可靠性框圖，則得到其任務可靠性數學模型：

R2=RK1…RK4RF1…RF4…

RM1…RM3·RM8·RM9·RQ

(3)

式(3)中：R2為子彈自毀任務可靠度。

6 結論

利用可靠性建模技術，建立了智能地雷可靠性模型。智能地雷可靠性建模是一個逐步完善的過程，隨著對系統認識的不斷加深，可靠性模型也應逐步細化改進。可靠性模型的建立為進一步的智能地雷可靠性設計、分析建立了基礎。

[1] 張相炎.兵器系統可靠性與維修性[M].北京:國防工業出版社,2016.

[2] 郝玉生,梁寶生,武云鵬,等.裝甲火控可靠性建模[J].火力與指揮控制,2016,41(9):177-181.

[3] 苗昊春,楊栓虎.智能化彈藥[M].北京:國防工業出版社,2014.

[4] 楊紹卿.靈巧彈藥工程[M].北京:國防工業出版社,2010.

[5] 孫傳杰,錢立新,胡艷輝,等.靈巧彈藥發展概述[J].含能材料,2012,20(6):661-668.

[6] 潘勇,黃進永,胡 寧.可靠性概論[M].北京:電子工業出版社,2015.