水下航行器航行任務可靠度綜合評定法

羅曉強, 王 浩, 侯發林

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水下航行器航行任務可靠度綜合評定法

羅曉強1, 王 浩2, 侯發林1

(1. 中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524022; 2. 中國人民解放軍92819部隊, 遼寧 大連, 116041)

水下航行器航行任務可靠度的傳統考核方法是將非全航程的條次當作全航程條次統計, 不符合指標剖面要求。針對傳統考核方法存在的不足, 提出將航行過程看成是壽命服從指數分布型的綜合評定方法, 該方法統計各條次的實航時間, 結合其他分系統的試驗數據, 利用L-M法綜合折算總的試驗任務條次數及失效數, 以基于二項分布的置信下限法計算任務可靠度最低可接受值, 并以此判斷任務可靠度是否滿足指標要求。研究表明, 該方法解決了傳統考核方法的不足, 實施容易、操作簡單、結論可靠, 提高了試驗效率。

水下航行器; 任務可靠度; L-M法; 二項分布; 置信下限; 實航試驗

0 引言

考核水下航行器的航行任務可靠度時, 由于全系統試驗的樣本量比較少, 往往采用金字塔式系統可靠性綜合評定方法進行評定, 即將分系統試驗數據折合成全系統試驗數據后再進行評定。在以往水下航行器航行任務可靠度鑒定試驗中, 常采用的方法是將各分系統單元的試驗結果看作服從成敗型, 這樣可直接采用經典L-M(Levenberg- Marquardt)法[1-2]進行系統可靠性綜合評定, 此方法計算簡便, 但是存在將非全航程的眾多條次試驗當作一次全航程統計, 不符合指標要求, 不能真實反映航行任務可靠性水平。

針對類似情況, 文獻[3]和[4]提出了將航行過程當作指數型考核魚雷實航工作可靠度的方法, 而水雷等其他水下航行器, 目前未見相關文獻。

參考文獻[3], 文中提出了基于航行時間累計的成敗型分系統和指數型分系統串聯的L-M可靠性綜合評定方法, 用于評定水下航行器任務可靠性, 主要適用于自航水雷及剖面相似的其他航行器。

1 航行任務剖面

水下航行器航行任務剖面一般包括: 航行器布放準備, 航行, 至航行結束后完成相應要求的功能, 以及所經歷的全部事件和環境的時序描述。主要事件包括: 布放(含布放準備)、航行、動作等。因此, 水下航行器進行航行試驗時, 既可以看作是全系統的試驗, 也可以看作是布放(含布放前準備)、航行、結束航行時的動作分別由3個相應的分系統串聯完成的3個試驗[5]。當航程為全航程、試驗剖面內功能動作完整時, 可看作是全系統的1次試驗, 否則只統計相應的分系統試驗數。

2 試驗數據類型分析

一般情況下, 在任務可靠性指標鑒定試驗工程應用中, 為了方便計算, 主要采用基于成敗型進行評定, 如魚雷實航工作可靠度[6]等。部分采用指數型[7-8], 如平均故障間隔時間(mean time between failure, MTBF)等。根據文獻[9], 凡在一段時間內不積累損傷, 也不積累疲勞, 僅由于外界超強度沖擊力的隨機到來或內部潛伏的隱患偶然爆發所造成的故障, 都是隨機的偶然故障, 基本服從指數分布, 電子產品和復雜機械產品的壽命絕大多數是服從指數分布的, 且經過長時間調試后的整機或系統的壽命基本上服從指數分布。因此, 在研究水下航行器可靠性問題時, 也完全可以按指數分布來分析處理。

綜上, 根據水下航行器航行試驗的特點, 航行任務可靠度試驗數據類型可按如下處理:

1) 全航程的實航試驗, 按成敗型數據統計, 即記1次全系統的試驗數;

2) 布放試驗(含布放前準備), 按成敗型數據統計, 即記1次布放試驗數;

3) 結束航行時的動作試驗, 按成敗型數據統計, 即記1次結束航行時的動作試驗數;

4) 航行試驗, 按指數型數據統計, 統計航行時間, 以及期間發生的責任故障數。

3 綜合評定方法

3.1 評定思路

綜合可靠度評定方法是基于實際試驗數據, 利用其他分系統的試驗數據和收集到的相關產品數據等, 進行金字塔式評定可靠度的方法, 將下一級單元系統向上一級單元系統折合, 并采用單側置信下限法進行評定。此方法用較少的全系統試驗數據和大量的分系統試驗數據, 即可完成任務可靠度評定。水下航行器任務可靠度綜合評定方法評定思路及步驟如下。

1) 統計全系統實航試驗數據

整理、分析全系統的實航試驗數據, 并將數據折合為同一環境條件下的數據, 如實驗室實驗數據、實航試驗數據以及其他不同階段的不同地點試驗數據等。折合時, 環境因子由試驗方和研制方按照相關確定方法共同確定。統計時, 數據類型為成敗型, 并記試驗數為, 試驗失敗數為。

2) 折合分系統等效試驗數據

第1步: 將布放試驗數據、航行試驗數據和航行結束后的動作試驗數據, 按照環境因子分別折合成同一環境條件下的數據。

第2步: 按照L-M法, 對成敗型的布放試驗數據(1,1)、航行結束后動作試驗數據(2,2)進行綜合, 得到等效試驗數(4,4)。

第3步: 將指數型的航行試驗數據, 根據任務時間折合得到航行等效試驗數據(3,3), 并轉換為成敗型等效試驗數據(5,5)。其中, 所有航行試驗的航行時間均納入統計。

3) 綜合評定

根據L-M法, 利用(4,4)、(5,5)和(,), 綜合得到航行全系統總試驗數據(,), 并通過查詢文獻[10]或計算, 得到航行任務可靠度的下限值。

評定思路見圖1所示。需要注意的是, 在使用數據前即進行數據折合前, 要根據相關分布檢驗方法進行數據分布類型的檢驗。實際工程應用中, 因缺少足夠的樣本數和故障數等信息, 可能檢驗的結果不夠準確, 此時要進行工程分析, 如產品技術狀態是否一致、試驗條件差異性等, 確保數據類型是一致的。

3.2 成敗型數據折合方法

用L-M法對成敗型的布放試驗數據(1,1)、航行結束后動作試驗數據(2,2)進行綜合, 得到成敗型等效試驗數(4,4)。方法如下

3.3 數據分布類型轉換方法

數據分布類型的轉換, 采用文獻[1]提供的方法將指數型航行等效試驗數轉換為成敗型數據。

當3≠0時, 有

當3=0時, 有

3.4 任務可靠度綜合評定方法

在眾多評定方法中, L-M方法相對較保守, 因此主要采用文獻[1]提供的L-M方法任務可靠度綜合評定。記全系統總等效試驗數為(,), 則由全系統的實航試驗數(,), 以及(4,4)和 (5,5), 可計算出系統綜合試驗數。計算方法如下

式中,≠。當=時,R為0。

上述用式(5)求解時, 文獻[10]還有更詳細的求解過程。在實際應用過程中, 可根據試驗數、失敗數與置信度, 查詢文獻[10], 得到置信下限值。當和不是整數時, 用線性插值進行計算。

4 方法應用要求

水下航行器使用上述方法進行航行任務可靠度試驗與評定時, 應滿足以下幾個要求: 1) 規定全系統試驗最少數; 2) 規定全系統試驗數允許失敗數; 3) 使用分系統試驗數據時, 要保證被試航行器的技術狀態一致, 或者改進的技術狀態不影響試驗結果, 保證數據類型一致; 4) 故障統計與處理, 要嚴格按照相關國軍標進行; 5) 使用不同環境與條件下獲得的數據時, 根據相關要求, 明確環境因子。

5 實例分析

假設某水下航行器航行任務可靠度指標要求為任務時間2 h, 可靠度0.8(=0.8)。根據指標要求, 至少需要航行時間超過2 h的8次試驗且無故障, 指標才能判定合格。

一般情況下, 為了考核某些無法在全航程中結合考核的功能性能指標, 往往會有一些短航程或非全航程的試驗條次, 如適應高海況試驗等。假設該水下航行器在海上試驗中, 在同樣的使用條件和要求下分別進行了18次試驗, 均成功或在第1次試驗航行階段發生故障, 見表1。每次試驗動作流程都是完整的, 即都包含了布放、航行、航行結束時動作等。

表1 試驗數據表

表1中, 全航程的試驗只有5次, 若直接用成敗型算法, 要么再進行3次航行時間超過2h的試驗或者將短航程的試驗當作全航程的試驗, 不然樣本量不足以評定任務可靠度。若根據文中的算法, 上述18次試驗結果已可以做出判斷。計算結果如下。

1) 當所有試驗均成功時

表1中, 全系統試驗數=5, 失敗數=0; 布放試驗數(1,1)=(13, 0); 航行結束時動作試驗數(2,2)=(13, 0); 航行試驗航行累計時間6.04 h, 失敗0次, 即等效試驗數(3,3)=(3, 0)。

根據式(1), 將(1,1)、(2,2)進行綜合, 得到等效試驗數(4,4)=(13, 0);

根據式(3), 將指數型數據(3,3)轉換為成敗型數據(5,5)=(3, 0);

根據式(4), 將(,)、(4,4)和(5,5)進行綜合, 得到總試驗數=8, 失敗數=0。經查詢文獻[10], 得到任務可靠度置信下限值0.82 (=0.8), 此時任務可靠度滿足指標要求。

2) 當在航行階段出現一次失敗時

在13次非全航程的航行試驗中, 出現1次失敗, 那么根據式(2), 航行試驗等效試驗數(5,5)=(3.6, 1.0); (4,4)仍為(13, 0)。由式(4), 得到總試驗數8.6, 失敗數1.0。根據線性插值計算, 得到任務可靠度置信下限0.69(=0.8), 此時任務可靠度不滿足指標要求。

其他試驗數和故障數的情況, 計算方法類似。

評估結果及準確性分析如下: 1) 試驗是在相同的試驗條件、試驗環境(海上實航試驗)、技術狀態下進行的, 不同條次的試驗數據類型一致, 不用進行環境因子轉換; 2) 不管短航程還是長航程, 航行時間、故障數均納入了試驗的統計, 數據覆蓋全面、真實和有效; 3) 采用較保守的L-M算法, 控制了考核風險; 4) 該方法既不用增加全系統的試驗次數, 也避免了短航程無法納入全系統試驗次數統計的問題。

6 結束語

通過開展對水下航行器航行任務可靠度綜合評定法的相關研究, 結果表明: 該方法計算簡單、結果可靠、可操性強, 解決了傳統考核方法將非全航程當作全航程條次納入統計的不足, 并減小了對全系統試驗數據的依賴程度, 提高了試驗效率。

[1] 中國人民解放軍第二炮兵第四研究所. GJB3105-1997 戰略導彈武器系統性能評定方法[S]. 北京: 國防科學技術工業委員會, 1997.

[2] 駐航天總公司七七一所軍事代表室. HJB54-1993 武器系統及設備可靠性評定要求和方法[S]. 北京: 中國人民解放軍海軍裝備技術部, 1993.

[3] 賀成剛, 葉豪杰, 張迪. 一種改進的魚雷實航工作可靠度評定方法[J]. 魚雷技術, 2011, 19(6): 411-414.He Cheng-gang, Ye Hao-jie, Zhang Di. An Improved Method for Evaluating Torpedo’s Working Reliability in Sea Trial[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(6): 411-414.

[4] 朱文振, 王松林, 王昊. 一種電動力魚雷實航工作可靠度評估方法[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(3): 293-296.Zhu Wen-zhen, Wang Song-lin, Wang Hao. A Working Reliability Assessment Method for Electric Power Torpedo in Sea Trial[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(3): 293-296.

[5] 中國人民解放軍總參謀部工程兵工程裝備論證試驗所. GJB3675-1999 陸軍沉底、上浮水雷設計定型試驗規程[S].北京: 中國人民解放軍總裝備部, 1999.

[6] 武器裝備綜合論證研究所. GJBz20391-1997魚雷可靠性鑒定與驗收試驗方法[S]. 北京: 中國人民解放軍總參謀部, 1997.

[7] 武小悅. 裝備試驗與評價[M]. 北京: 國防工業出版社, 2008.

[8] 中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部標準化研究中心. GJB899A-2009 可靠性鑒定與驗收試驗[S]. 北京: 中國人民解放軍總裝備部, 2009.

[9] 孟慶玉. 艦艇武器裝備可靠性工程基礎[M]. 武漢: 海軍工程大學, 2006.

[10] 東北師范大學, 北京師范大學, 中國標準化研究院. GB/T4087-2009 數據的統計處理和解釋二項分布可靠度單側置信下限[S]. 北京: 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會, 2009.

(責任編輯: 許 妍)

Comprehensive Assessment Method for Navigation Mission Reliability of Undersea Vehicle

LUO Xiao-qiang1, WANG Hao2, HOU Fa-lin1

(1. 91388thUnit, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China; 2. 92819thUnit, The People’s Liberation Army of China, Dalian 116041, China)

Conventional reliability assessment method of undersea vehicle navigation mission regards incomplete course statistics as whole course statistics, which does not meet the requirements of the specification profile. In view of the shortcomings of conventional assessment methods, a comprehensive assessment method is proposed, which the navigation process is considered to be an exponential distribution of life, and the time of actual navigation is counted and converted into a mission equivalent number according to the time of the whole course. Combining with other subsystems’ trial data, the L-M method is used to calculate the number of times and the number of failures of the total sea trial task. The smallest acceptable value of mission reliability is calculated with the lower confidence limit method based on the binomial distribution for determining whether the reliability of the task meets the requirement. It is concluded that the proposed method solves the shortcomings of theconventional assessment method, and is easy in implement, simple in operation, and reliable in assessment, and this method can greatly reduce the number of trial times and improve the efficiency of trial.

undersea vehicle; mission reliability; L-M method; binomial distribution; lower confidence limit; sea trial

A

2096-3920(2018)04-0348-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.012

TJ630.6; TB114.37

羅曉強, 王浩, 侯發林. 水下航行器航行任務可靠度綜合評定法[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(4): 348-351.

2017-12-12;

2018-04-08.

羅曉強(1985-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水中兵器試驗技術.