艦艇作戰系統可靠性分析

于衛東，韓衛國

(中國人民解放軍91404部隊91分隊， 河北 秦皇島 066001)

隨著國際形勢的日趨緊張，我國水面艦艇任務逐漸發生變化，加速發展的艦艇軍事技術裝備大大提高了艦艇作戰系統可靠性分析的難度，傳統的可靠性分析方法已越來越難以滿足需求，因此，研究簡單有效的系統可靠性分析方法意義重大[1-2]。目前，常用的可靠性分析方法有可靠性框圖分析法[3-4]、故障模式影響和危害性分析法(Failure Mode,Effects and Criticism Analysis，FMECA)[5]、故障樹分析法(Fault Tree Analysis， FTA)[6]等。以上方法主要是基于系統結構建立邏輯關系，各裝備的可靠性通常通過實驗室試驗和仿真分析相結合獲得，方法簡單，但實驗室試驗不能完整模擬復雜的戰場環境，得到的分析結果可能誤差較大。

本文根據當前水面艦艇任務，以某型艦的近程反導艦炮武器系統(下文均簡稱近程反導系統)作為研究對象，給出艦艇近程對空作戰的典型任務剖面，建立任務可靠性模型，并收集相關質量數據。模型中各子單元壽命服從指數分布，采用Bayes方法計算各子單元的任務可靠度，然后按照層層邏輯關系得到系統可靠度。

1 任務剖面及質量數據收集

1.1 任務剖面描述

任務剖面[7-8]是指產品在完成規定任務這段時間內所經歷的事件和環境的時序描述，通常用于界定裝備的主要任務、所處環境和任務時間等。在整個近程對空作戰里可將艦艇任務剖面劃分為備戰備航、航渡、待機、任務執行、撤離和返航幾個階段，每個階段有相應的工作時間長度。本文給出艦艇組織近程對空作戰的典型任務剖面，如圖1所示。

以該任務剖面為基礎，需明確執行任務的各相關系統/設備的起始和終止工作時間，各系統/設備按照要求在不同階段的不同時段開機。

1.2 質量數據收集

收集相關系統/設備的前期實驗室數據和同型各艦服役以來的試驗、維修、保障數據[9]，包括開關機時間、設備運行情況、對目標的發現及跟蹤情況、系統通道組織運行情況、故障現象、故障發生時刻、故障排除時間及影響程度等，統計各系統/設備的有效失效故障數、累積工作時間和每次任務執行時間，便于進行各系統/設備的任務可靠度計算。

進行質量數據收集過程中需要注意以下幾點：

1) 應保證信息完整，在記錄設備運行時間和故障情況的同時記錄好設備的名稱、型號和所屬系統的產品標志信息，以便進行信息的分析處理；

2) 應保證信息客觀，不能任意取舍、推斷數據；

3) 應保證信息及時，試驗的同時及時記錄信息，以免補記時遺漏重要數據。

2 任務可靠性模型

根據相關資料，某型近程反導系統通常主要由1套火控設備、1部跟蹤雷達、1部跟蹤儀、1座艦炮綜合體、1套捷聯參考基準組成。完成該型武器系統的對空作戰任務需要本艦作戰指揮系統、導航系統、通信系統、敵我識別器、對空搜索雷達協同配合，根據實際執行任務情況，做如下假設：

1) 由于安裝失誤導致的系統故障不予考慮；

2) 各系統/設備之間連接線路的故障發生率很小，近似為0，不予考慮；

3) 輔助設備對任務可能產生的影響作為被忽略事件不予考慮。

基于該武器系統組成和相關假設，建立艦艇組織近程對空作戰的任務可靠性模型，如圖2所示，模型中各單元的名稱和代號如表1所示，虛線框中部分屬于近程反導系統的任務可靠性模型。

單元代號單元名稱X1本艦作戰指揮系統X2導航系統X3通信系統X4敵我識別器X5對空搜索雷達X6近程反導艦炮武器系統X61火控設備X62跟蹤雷達X63跟蹤儀X64艦炮綜合體X65捷聯參考基準

通過研究圖2模型，在邏輯功能上，模型的X1～X6采用串聯結構，各單元中又包含多個子單元，以虛線框X6為例，該系統的任務可靠性模型由多個子單元混聯而成。計算系統任務可靠度需要先掌握各單元的任務可靠度，然后按邏輯關系得到系統可靠度，其中單元任務可靠度的準確程度至關重要。

3 任務可靠度計算

3.1 單元任務可靠度計算

利用現場工程試驗來評估系統可靠性水平需要積累一定的數據量，同時需要確定合適的置信水平。置信水平的選取需根據收集的可靠性數據量、產品成熟程度等因素綜合而定，以X6為例，該系統由多個設備混聯而成，各設備數據量相對較少，置信水平應該取小一些。

本文考慮使用Bayes法計算各子單元任務可靠度，既利用了現場試驗數據，又視情況結合了前期實驗室數據，可有效彌補現場試驗數據不足的問題。根據質量數據收集情況，具體考慮兩種情況下可靠度RL的Bayes估計：一種是可靠度RL無驗前信息可以利用，只能根據在總時間內失效次數Z來進行當前試驗結果的評定；一種是考慮由歷史信息確定的評定方法。

1) 可靠度RL無信息可以利用的情況。在當前壽命試驗下，假設設備工作總時間為T，失效次數為Z，給定置信度為γ，任務時間為t。

① 當失效次數Z≠0時，可靠度RL為：

(1)

② 當失效次數Z=0 時，可靠度RL為：

RL=(1-γ)t/T

(2)

2) 可靠度RL有信息可以利用的情況。假定在歷次的壽命試驗中，設備累積工作時間為T0，失效次數為Z0，在當前壽命試驗下，設備工作總時間為T′，失效次數為Z′，給定置信度為γ，任務時間為t，則可靠度RL的計算方法也分Z=0和Z≠0兩種情況，方法同上，其中T=T0+T′，Z=Z0+Z′。

3.2 系統可靠度計算

按上文給出的單元任務可靠度計算方法，可以計算出模型中各子單元的任務可靠度，然后按邏輯關系和相應方法求出X1～X6的可靠度，最后得到系統任務可靠度R。

以X6為例，其任務可靠度為

RX6L=RX61L(tX61)·(1-((1-RX62L(tX62))· (1-RX63L(tX63))))·RX64L(tX64)·RX65L(tX65)

(3)

則整個系統的任務可靠度為

R=RX1L·RX2L·RX3L·RX4L·RX5L·RX6L

(4)

由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可以看出，在相同工作時間內，設備失效次數越少，即平均無故障工作時間越長，則設備任務可靠度越高。必須基于各子設備提高其平均無故障工作時間，才能滿足海軍更高需求。

4 結論

本文通過研究某近程反導系統，給出了艦艇近程對空作戰的典型任務剖面，基于任務建立系統的任務可靠性模型，并采用Bayes法評估模型中子單元的任務可靠度，最后根據模型的串并聯結構求得系統可靠性。該方法既反映了系統的復雜性，也充分利用了前期收集的質量數據，彌補了作戰系統現場數據量不足。基于任務和Bayes法評估系統可靠性的方法簡單有效，為整個作戰系統的可靠性分析提供了一種思路。

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