一種船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性分析?

管 昊 陳永冰 周 崗 李文魁

（海軍工程大學 武漢 430032）

1 引言

船舶操舵控制系統(tǒng)正朝著復雜化、自動化、智能化的方向發(fā)展［1-5］，在進行船舶操舵控制系統(tǒng)方案設(shè)計和綜合評價時，船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性是一項非常重要的性能指標，但目前針對船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性定量分析研究比較少。并且隨著系統(tǒng)復雜化程度提高，其基本可靠性必然降低，而系統(tǒng)的任務(wù)可靠性可通過合理的可靠性分析與設(shè)計來提高。由于系統(tǒng)內(nèi)包含的元器件眾多，元器件的失效率計算工作量很大，主要有兩種方法：一是元器件計數(shù)法，該方法直接選取元器件的通用失效率，然后對其計數(shù)相加，未考慮特定環(huán)境下各種因素的影響，計算快捷，但不夠精確。筆者采用另一種元器件應(yīng)力分析法，此方法考慮不同元器件應(yīng)力、環(huán)境、質(zhì)量、封裝等多種因素，計算結(jié)果貼近實際，計算工作量較大。

為探討船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性分析問題，以一種船舶操舵控制系統(tǒng)為例，建立基本可靠性與任務(wù)可靠性數(shù)學模型，選取船舶航行工況，采用元器件應(yīng)力分析法計算系統(tǒng)內(nèi)元器件的失效率，在此基礎(chǔ)上計算得出兩種模型下可靠度與平均故障間隔時間指標值，分析其差異性。

2 船舶操舵控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與運行方式

如圖1所示的一種船舶操舵控制系統(tǒng)，由操縱臺、供電系統(tǒng)、接線系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)幾部分組成。該系統(tǒng)具有簡操、隨動和自動操縱三種操縱方式，操作模式選擇由船舶航行環(huán)境、距離決定。如船舶離、靠碼頭及在復雜海域航行時，采用簡單操縱模式或隨動操縱模式來工作；船舶航行在開闊水域或需要長時間保持航向時，采用自動操縱模式來工作。簡操與另外兩種操縱方式存在結(jié)構(gòu)上的隔離，因此在隨動或自動操舵模式出現(xiàn)故障的情況下，可選擇切換簡操模式來保證船舶的正常航行。整個系統(tǒng)采用雙通道設(shè)計，一般采用單通道運行，另一通道作為備用通道，處于冷備旁待運行方式。這保證了船舶在航行時當其中一個通道出現(xiàn)故障時，另一通道仍可以繼續(xù)保持操縱有效性，確保船舶繼續(xù)正常航行。這種冗余設(shè)計對于船舶操舵控制系統(tǒng)來說是非常必要的，提高了船舶航行的可靠性與安全性。

圖1 某型操舵控制系統(tǒng)儀器組成圖

3 可靠性邏輯框圖的建立

船舶操舵控制系統(tǒng)包含大量電路、元器件，影響船舶操舵控制系統(tǒng)可靠性的因素主要包括兩個方面：一是每個元器件的可靠性；二是各部件之間的不同組合方式。在對船舶操舵控制系統(tǒng)進行可靠性分析時，主要進行這兩方面的研究，由于操舵控制系統(tǒng)元器件眾多，結(jié)構(gòu)繁雜，因此在建模時進行了適當?shù)暮喕?/p>

對圖1所示的系統(tǒng)，決定基本可靠性的是系統(tǒng)在整個壽命期內(nèi)發(fā)生的所有需要維修或更換的故障［5］，不限于僅危及船舶正常航行的故障，系統(tǒng)基本可靠性預計使用串聯(lián)模型來建立可靠性框圖，即使系統(tǒng)內(nèi)包含儲備或冗余單元，均按串聯(lián)處理，基本可靠邏輯框圖如圖2。該型船舶操舵控制系統(tǒng)具備簡操、隨動、自動三種操作模式，在建立系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖時，由于隨動、自動兩種操縱模式所包含的零部件大部分重合，而自動操縱涉及的環(huán)節(jié)更為全面，因此主要考慮簡單操縱與自動操縱之間的冗余結(jié)構(gòu)。圖3為該型操舵控制系統(tǒng)的工作原理圖，圖4構(gòu)建了系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖。

圖2 某型操舵控制系統(tǒng)基本可靠性框圖

圖3 某型操舵控制系統(tǒng)控制原理圖

圖4 某型操舵控制系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

4 基本公式

大量的統(tǒng)計資料證明，各元器件的可靠度一般服從指數(shù)分布，對船舶操舵控制系統(tǒng)來講，在建立其可靠性模型時，不考慮預防維修時間、后勤延遲時間及行政時間［6～10］，可得模型如下：

1）串聯(lián)系統(tǒng)：由n個部件串聯(lián)構(gòu)成，系統(tǒng)內(nèi)任意一個部件失效，導致系統(tǒng)失效。則：

平均故障間隔時間：

2）并聯(lián)系統(tǒng)（冗余系統(tǒng)）：由n個部件并聯(lián)構(gòu)成，只要其中有部件工作正常，系統(tǒng)不會發(fā)生失效，只有全部部件均失效才會導致系統(tǒng)失效。則：

平均故障間隔時間：

3）冷儲備系統(tǒng)（2個同型部件）：由兩個同型部件以及一個轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，初始部件開始處于工作狀態(tài)，另一個部件處于儲備狀態(tài)。初始部件無法正常工作，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)儲備替換。開關(guān)失效時系統(tǒng)不會馬上失效，只有當需要轉(zhuǎn)換開關(guān)將儲備部件替換已失效的初始部件時，開關(guān)失效才會導致系統(tǒng)失效［11］。

可靠度：

式中：λ與λk分別代表同型儲備部件及轉(zhuǎn)換開關(guān)的失效率。

采用元器件應(yīng)力分析法預計一種船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性指標，這種方法需要預計出組成系統(tǒng)的所有元器件的失效率，所需的信息主要是：1）所有元器件的種類與數(shù)量；2）各類元器件失效率計算模型；3）元器件工作環(huán)境與溫度；4）元器件的質(zhì)量等級；5）元器件的電應(yīng)力比等詳細信息。以系統(tǒng)中某個元件六反相器CD4049的工作失效率λp計算為例，由電路原理知CD4049是六反相器，屬CMOS型數(shù)字電路，由GJB∕Z299C中半導體集成電路工作失效率模型得知［12］：

式中：λP為工作失效率；πQ為質(zhì)量系數(shù)；πL為成熟系數(shù)；πT為溫度應(yīng)力系數(shù)；πV為電壓應(yīng)力系數(shù)；πE為環(huán)境系數(shù)；C1及C2為電路復雜度失效率；C3為封裝復雜度失效率。

表1 某型操舵控制系統(tǒng)各單元失效率預計結(jié)果

例如綜合放大板單元包含模擬電路、數(shù)字電路、硅功率放大管、硅開關(guān)二極管、PIN管、金屬膜電阻、有機實芯電位器、各種不同類型電容和印制板等173個元器件，以及無線接烙鐵焊點488個，將次173個元器件的失效率以及488個焊點的失效率相加，即計算出綜合放大板失效率為13.1668×10-6/h，各單元的失效率計算結(jié)果見表1。

5 計算模型

基于上述基本模型，建立一種船舶操舵控制系統(tǒng)的基本可靠性與任務(wù)可靠性計算模型如下：

式中：λI=λ1+λ6+λ9+λ10+λ11

上面各式中的上標1、2分別表示控制系統(tǒng)在基本可靠型模型和任務(wù)可靠性模型下的可靠性指標。

6 計算結(jié)果與分析

用上述計算模型，得到一種船舶操舵控制系統(tǒng)的基本可靠度指標和任務(wù)可靠度指標曲線，圖5所示，兩個平均故障間隔時間分別為

圖5 操舵系統(tǒng)基本可靠度與任務(wù)可靠度曲線對比

由圖5曲線看出，船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠度隨工作時間的增長而逐漸降低，系統(tǒng)的平均故障間隔時間為3945h，該型操舵控制系統(tǒng)的可靠性指標要求系統(tǒng)的平均無故障時間不小于3000h，達到了系統(tǒng)的可靠性指標要求。這里的故障指系統(tǒng)內(nèi)所有部件可能出現(xiàn)的故障，故障不一定會危及系統(tǒng)的控制功能。

由于系統(tǒng)采用了雙通道冷儲備設(shè)計以及三種不同的操作模式冗余設(shè)計，其任務(wù)可靠性比較高，平均任務(wù)故障間隔時間為20937h，任務(wù)故障指的是危及系統(tǒng)控制功能的故障，任務(wù)故障一旦產(chǎn)生，會使系統(tǒng)的控制能力失效或下降。

表2 基本可靠度與任務(wù)可靠度對比

7 結(jié)語

船舶操舵控制系統(tǒng)基本可靠性低于任務(wù)可靠性，基本可靠性隨著系統(tǒng)的復雜度增加而降低，由于其結(jié)構(gòu)上的冗余設(shè)計，系統(tǒng)的任務(wù)可靠性遠高于基本可靠性，并且可通過結(jié)構(gòu)上的改進設(shè)計來彌補由于復雜程度提高帶來的可靠性隱患。

對船舶操舵控制系統(tǒng)進行可靠性數(shù)學建模，并采用元器件應(yīng)力分析計算系統(tǒng)內(nèi)元器件失效率，這種方法貼近實際情況，計算結(jié)果對系統(tǒng)可靠性評估具有一定的參考價值，此方法也為同類控制系統(tǒng)的可靠性分析提供了新思路。