艦空導彈艦面設備可靠性評定方法研究?

顏世剛 王 悅

（解放軍92941部隊41分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

對于艦空導彈武器系統，可靠性是其一項重要的考核指標，是武備后續作戰穩定可靠的重要保證。艦空導彈武器系統結構復雜、使用環境惡劣、可靠性要求非常高。艦空導彈武器系統基本包含艦面設備和導彈兩大主要部分，艦面設備通常包含照射制導設備、武控系統、發射系統等［1］。艦面設備作為戰術導彈武器系統主要組成部分和控制核心，其可靠性好壞，關系著將來作戰使用效率、作戰能力和維修成本。由于艦空導彈艦面設備組成子系統、設備數量眾多、結構復雜，在新型武備鑒定試驗時，使用標準的完整系統進行整體的可靠性考核是不現實的，通常使用簡配系統進行可靠性的試驗鑒定，通過科學合理的算法模型進行評估。對于艦面設備的可靠性試驗，建立科學的可靠性考核模型，給出合理的可靠性折算指標，選定最佳的可靠性試驗、評估方法至關重要［2］。

2 可靠性建模概念及數學模型

2.1 基本概念［3～4］

對于艦面設備可靠性指標通常有任務可靠度、任務可靠性、基本可靠性等指標。

可靠性是指系統在規定的條件和規定的時間內完成其規定功能的能力。

壽命剖面：對武器裝備從出廠交付到完成其任務使命這段時間內所經歷的全部事件和環境的時序描述，對武器系統來說，它應該包括后期和使用兩個階段。

任務剖面：武器裝備在規定的任務時間段內經歷的事件和環境的時序描述。

任務可靠性：是指在系統規定的任務剖面中完成規定任務的能力，任務可靠性只考慮在任務期間影響完成任務的致命故障。

基本可靠性：是指系統在規定的條件下無故障的持續時間或概率。基本可靠性應該統計產品所有壽命單位和所有故障，其可靠性模型是一個全串聯模型。

可靠性特征量：能對系統綜合可靠性作出數學表述的各個量，稱為可靠性特征量，表示導彈系統的可靠性特征量有，可靠度（不可靠度）、失效率、平均壽命、失效密度函數等。

2.2 可靠度與失效率

可靠度：用概率定量系統的描述系統可靠性就是可靠度，定義為系統功能在規定的條件下，在規定的時間內完成規定功能的概率。具體在導彈武器系統中就是表示導彈武器系統在規定的條件下，在（0，t）時間內正常工作的概率，它是時間t的函數記作R（t）。失效率：指系統工作一定時刻后，單位時間內發生失效的概率，通常記為λ。

2.3 可靠性模型

系統可靠性結構的形式通常有串聯形式、并聯形式、旁連形式、組合形式和復雜形式等，系統模型的建立通常是分析出系統可靠性框圖，然后利用概率論和數理統計等原理建立可靠性參數和指標的數學模型［5］。

2.3.1 串聯系統可靠性數學模型

只有系統全部單元都正常，才能使系統正常，或者系統中只要有一個單元故障就會導致整個系統故障，此系統稱為可靠性串聯系統。設系統由n個分系統串聯而成，各分系統可靠度為Ri(i=1，2，…，n)，則系統可靠度R為式（1）所示，式中R(t)為串聯系統可靠度；Ri(t)為第i個單元的可靠度。

2.3.2 并聯系統可靠性數學模型

設系統由n個分系統并聯而成，分系統可靠度為 Ri(i=1，2，…，n)，則系統可靠度R為式（2）。

2.4 指數型分布的可靠性數學模型

2.4.1 指數型可靠性計算模型

如果系統可靠性服從指數型分布，R為可靠度，λ為失效率，則有：

2.4.2 串聯系統計算模型

如果系統為串聯系統，各子系統的失效率分別用 λ1、λ2、λ3…λn來表示，且都服從指數分布，則系統的失效率 λs為式（5）。

2.4.3 并聯系統計算模型

如果系統的并聯的各個子系統相同且都服從指數分布，失效率分別都為λ，Rs為系統可靠度，λs為系統失效率。

3 艦空導彈艦面設備可靠性考核的要求及特點

艦空彈艦面設備可靠性考核的重點是任務可靠性和基本可靠性考核兩個方面，任務可靠性和基本可靠性考核、評估的要求和建模方法有區別，基本可靠性模型建模特點、要求是各設備之間的關系全部認為是串聯，而任務可靠性模型建模更復雜，不同型號的系統模型多變，任務可靠性模型建模可能包含串聯、并聯和組合模型等多種模型結構，具體模型要根據實際系統的結構、組成而定［6］。為便于研究分析，艦面設備可簡化為照射制導系統、武控系統、發射系統三部分來分析。主要評定方法有定時結尾可靠性評定、序貫可靠性統計等，下面主要討論定時結尾和貝葉斯概率比的可靠性建模及評定方法。

4 艦空導彈艦面設備可靠性建模

艦面設備各單元及系統的可靠性參數，總體上服從指數分布，因此所有數學建模基于指數分布來研究，且設備多個相同單元設備認為可靠度及失效率相同，建模研究的重點是任務可靠性建模，對于基本可靠性建模相對簡單，如果任務可靠性模型為串聯模式，則基本可靠性模型與之相同。

為了簡化建模，便于一般性研究，艦面設備的可靠性建模以雙火力通道為基本模型進行建模研究，多火力通道有相同建模方法。

4.1 艦面設備任務可靠性建模及計算

4.1.1 艦面設備任務可靠性建模［7～8］

艦空導彈艦面設備的組成一般可劃分為武器控制系統、發射系統、照射制導設備三部分，根據系統的運用原理特點，其靠性模型為串聯模型，可靠性模型框圖如圖1所示。

圖1 艦面設備任務可靠性模型

其可靠性的數學模型如下：

其中MTBCFi為各分系統組成的任務可靠性，MTBCFJM為艦面設備任務可靠性。

4.1.2 艦面設備任務可靠性計算

艦面設備任務可靠性是基于指數分布的，其MTBCF規定值按如下方法計算：

式中R為任務可靠度，t為等效任務時間，MTBCF是任務可靠性。

4.2 武器控制系統任務可靠性模型

武控系統主要組成可簡化為武器控制控臺、綜合功能機柜、控制機箱和視頻分配器，不同的系統組成有的差異。武控臺的可靠性認為相同。下面以雙火力通道艦面設備為原型建模，多火力通道相同。武控系統任務可靠性框圖如圖2所示。

圖2 武控系統任務可靠性框圖

其任務可靠性模型如下：

式中MTBCFWS為武控系統可靠性，MTBCFWF為武控臺任務可靠性，MTBCFi為系統其它組成單元的任務可靠性。

4.3 照射制導設備任務可靠性建模

照射制導設備內部結構復雜，體制多樣，這里選取設備常用的一種體制結構作為可靠性建模研究的目標。在雙火力通道下，照射制導設備可靠性模型簡化為照射天線1、照射天線2、控制與頻綜組合、照射接口機箱、電源機柜。可靠性框圖如圖3所示。

圖3 照射制導設備可靠性框圖

其任務可靠性的數學模型如下：

其中MTBCFi為設備各組成單元的任務可靠性，MTBCFIE為照射制導設備的任務可靠性。

4.4 發射系統任務可靠性模型建模

發射系統可靠性模型基于雙火力通道研究，其可靠性模型簡化為發控單元、導彈供電機箱、艙口蓋控制組合、架體、配電機柜、電纜網、管理機柜幾部分，可靠性框圖如圖4所示。

圖4 發射系統可靠性框圖

其任務可靠性的數學模型如下：

其中MTBCFpo為導彈供電機箱任務可靠性，MTBCFi為系統其它組成單元的任務可靠性，MTBCFLS為發射系統的任務可靠性。

5 艦空導彈艦面設備可靠性評定［9～12］

θ0和θ1分別代表指數壽命型產品的MTBF的規定值和最低可接受值，利用Bayes概率比假設檢驗法對指數壽命型產品的可靠性進行檢驗，假設如下：

5.1 考慮驗前信息的可靠性檢驗方法

運用概率比假設檢驗的過程中，采用定時截尾方案，可靠性考核試驗時間為T時，其故障數Z，當考慮驗前信息時，貝葉斯假設檢驗的判決不等式為

其中FB為假設檢驗的臨界，π0驗前接收H0的概率；π1驗前拒絕 H0的概率；d=θ0θ1。

利用本次鑒定試驗之前，在其他試驗中得到的總的試驗時間T0和出現故障的次數Z0，驗前概率如（9）所示。

5.2 無驗前信息的可靠性檢驗方法

運用概率比假設檢驗的過程中，采用定時截尾方案，于是在鑒定試驗時間為T時，其故障數Z，不考慮驗前信息時，貝葉斯假設檢驗的判決不等式為

FB為假設檢驗的臨界，d=θ0θ1。

6 應用實例

6.1 可靠性指標計算

某型艦空導彈武器系統艦面設備任務可靠度0.89，標準配置為4個火力通道，參與鑒定試驗任務為1個火力通道。導彈武器系統艦面設備任務剖面為從艦面設備開機開始到全部導彈與目標遭遇或自毀結束，等效任務時間約為20h。艦空導彈艦面設備標準配置（4火力通道）的MTBF規定值59h，武控系統MTBF規定值為173h，照射制導系統MTBF規定值為203h，發射系統MTBF規定值為166h。各單機設備可靠性指標如表1，在試驗中，艦面設備簡配系統的可靠性指標折算確定。

6.1.1 任務考度指標計算

由于給定任務可靠度指標是標準配置的指標，參與可靠性鑒定試驗的是簡配2個火通道的配置，艦面設備2火力通道的任務可靠度R2為

參加鑒定試驗艦面設備簡配系統折算任務可靠度為0.87。

表1 各單機設備可靠性指標

6.1.2 基本可靠性計算

已經知道艦面設備基本可靠性是標準系統的基本可靠性，系統的基本可靠性模型為串聯模型，則艦面設備2火力通道的基本可靠性MTBFJM2計算如下：

參加鑒定試驗艦面設備簡配系統實際折算基本可靠性為98h。

6.2 可靠性檢驗評估計算

某型導彈的艦面設備進行鑒定試驗，其參加試驗系統的基本可靠性的規定值θ0=98，最低可接受值θ1=49 h；在參加系統鑒定試驗之前，全系統綜合工作時間為t0=700 h，出現故障N0=8次，定型試驗過程中，全系統工作時間為t=150 h，出現故障數為N=2次，判定該武器系統是否合格，能否通過鑒定。

系統可靠性評估，根據實際的試驗需求，可以考慮使用驗前信息或者不使用，如果當前的樣本量和試驗的時間足夠，可以不使用驗前信息，如果試驗的時間不足，可以考慮使用參與評估，但是在使用驗前信息時，一定要對驗前信息數據進行權威的認證，保證數據科學、真實、可信。

6.2.1 考慮使用驗前信息

根據4.1節公式，使用驗前信息計算，

根據式（8）判定：N=2≤[FB]=4。

故可以判定系統是合格的。

6.2.2 不考慮使用驗前信息時

根據4.2節公式，不使用驗前信息計算，

根據式（8）判定：N=2≤[ ]FB=2。

故可以判定系統是合格的。

7 結語

艦空導彈武器系統艦面設備可靠性考核是屬于大型、復雜系統的可靠性試驗，試驗成本高昂、花費周期長。受到許多客觀條件的限制，要求全系統所有設備參與可靠性試驗考核往往不現實。如何通過簡配系統，分析和評估標準被試系統的可靠性，是試驗中需要重點研究的問題；利用簡配參試系統、組成設備的可靠性試驗，借助科學的、先進的統計方法，評估出標準系統的可靠性，是需要我們重點研究的課題。本文首先闡述了涉及艦面設備可靠性考核的基本概念，重點分析了艦面設備串、并聯建模、指標折算和可靠性評估，并給出了具體應用的實例。在艦面設備可靠考核、評估方法中，除了本文討論到的一些方法模型外，還有指標折算成試驗時間的方法、不可替代型的評估方法、序貫檢驗的方法等，都需要在今后的試驗中不斷研究分析、應用對比，從而尋找一種最佳的考核、評估方法。