基于數據融合技術的系統級裝備可靠性評估方法的研究

陳中青，朱宜生，王超，王一飛，劉玉石

（1.中國船舶重工集團第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

可靠性是指在規定條件下和規定的時間內完成規定功能的能力[1]。由此可以看出可靠性是裝備質量的一項重要指標，是影響未來作戰勝負的關鍵因素。

目前，對于艦載電子設備可靠性的考核主要是按照GJB 899A-2009 《可靠性鑒定和驗收試驗》[2]和《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》[3]的規定在實驗室環境條件下進行試驗驗證，即在溫度/濕度/振動/電應力等多種綜合環境應力下進行試驗。對于分系統級或設備級艦載電子裝備來說，由于其組成和功能相對簡單，國內具備按照標準進行試驗考核的條件。但是對于系統級裝備而言，由于其組成復雜、結構龐大、功能性能參數眾多等，例如某型對抗系統由六個分系統組成，天線和機柜數量多達數十個，安裝位置既有艙外、又有艙內無溫控和艙內有溫控，重量近三十噸，國內尚無實驗室具備開展對抗裝備系統級試驗的能力。一般對大型復雜的系統級裝備采用評估的方式驗證其可靠性水平。

1 系統級裝備可靠性評估現狀

系統級裝備的可靠性評估一般是采用經典單元法[4]，目前評估數據的采集與處理有兩種方式：

一是自下而上的方式，即采信各個分系統級裝備的可靠性鑒定試驗結果，然后代入到系統級裝備的可靠性模型中，評估出系統級裝備的可靠性水平。以某型近區防衛裝備為例，其包含六個分系統，每個分系統均采用實驗室綜合環境條件下的可靠性鑒定試驗進行驗證，得到各個分系統在80 %置信度下的基本可靠性置信下限分 別 為 278.52 h、1 323.19 h、1 052.91 h、300.325 h、800.3 h和909.51 h，滿足各分系統研制任務書中可靠性指標分別不低于150 h、300 h、480 h、300 h、800 h和480 h的要求，將各分系統的試驗結果代入到其基本可靠性模型[5]中（如圖1所示），經計算（見公式（1）），在80 %置信度下某型近區防衛裝備的可靠性評估結果為53.33 h。

式中：

θL—系統級裝備的MTBF評估結果；

θLi—各個分系統在相同置信度下MTBF的置信下限。

二是通過收集的系統級裝備某個外場階段（系統聯調聯試、航行試驗、系泊試驗等）的數據，統計該階段的有效試驗數據和故障數，評估系統級裝備的可靠性是否滿足相關技術文件中的指標規定。以某型綜合指揮系統為例，通過收集其在某試驗場聯調聯試的試驗數據，經統計有效試驗時間為623 h，試驗中共發生責任故障數5個，按照GJB 899A-2009中的公式（見公式（2））計算得到在80 %置信度下其單側置信下限為78.8 h（流程如圖2所示）。

式中：

θL—系統級裝備的MTBF評估結果；

T—系統級裝備總試驗時間；

C—置信度；

r—責任故障數。

2 現有可靠性評估方式的不足

上述兩種評估方式均有一定的優缺點。采用第一種方式的優點主要有：

①評估方法簡單，評估數據易于收集，評估成本較低。

②分系統是在實驗室綜合環境應力條件下進行的試驗，試驗應力可控，其可靠性水平和故障數是在實驗室極限應力下得到的，而外場試驗的試驗應力不可控，在短時間內很難遇到各種極限應力。

但是，也存在如下的局限性和不足：

①評估數據來源單一，對各分系統裝備組成系統后的可靠性水平未進行實際驗證，僅是參考各分系統的可靠性結果采用理論分析的方式評估系統級裝備的可靠性水平，因而造成評估結果與后續實際使用的可靠性水平有一定的差距。

②采用該方式進行評估，要求各個分系統的MTBF置信下限必須是在相同置信度下得出的。如果各個分系統的置信下限是在不同的置信度下得到的，則需要轉化為相同的置信度或采用最低的置信度結果進行評估。

圖1 某型近區防衛裝備基本可靠性模型

圖2 某綜合指揮系統基本可靠性評估流程圖

③要求各個分系統考核的指標要一致，均為MTBF或均為MTBCF，否則不能直接采用分系統的試驗結果，需要轉化為相同的指標后再進行評估。

第二種評估方式的優點有：

①評估方法簡單，一般采用經典的服從指數分布的單元設備法。

②評估數據為組成系統后的數據，相對第一種方式的數據更能反映出當前裝備組成系統后的可靠性水平。

該評估方式的其局限性和不足主要有：

①數據采集區間相對較短，不能很好的反映出系統級裝備的實際可靠性水平，因此其評估結果與實際使用的可靠性水平也有一定的偏差。

②系統級裝備在該階段經受的環境應力相對比較溫和，不會遇到各種極限應力，分系統在實驗室極限條件下發生的故障未得到有效利用。

3 基于數據融合技術的可靠性綜合評估方法

針對上述兩種評估方式的不足，基于數據融合技術，本文提出基于內外場數據融合技術的可靠性綜合評估方法。該方法充分利用各分系統在實驗室極限條件下的試驗數據（內場試驗數據）和組成系統后裝備聯調聯試、系泊航行試驗等各個階段的試驗數據（外場試驗數據），對內外場試驗數據進行統計分析，提取出有效試驗數據和故障信息，并對有效數據按照不同的環境因子進行折合，獲得經數據融合后的綜合評估數據。綜合評估數據的融合過程如圖3所示。

評估數據信息的提取和數據處理，需要注意以下幾點：

1）評估數據中，由于硬件原因引起的系統或設備/分系統功能不能實現或性能下降，均應統計為故障；

2）對于聯調階段及聯調前，由于軟件接口問題引起的功能不能實現或性能指標超出范圍，可不統計為故障；

3）由于系統級裝備所使用的電子元器件種類和數據較多，在進行環境因子的折算時，按照所使用的電子元器件中環境系數[6]最小值進行折合。環境系數參考GJB/Z 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》中各類電子元器件在不同使用環境下的推薦值。

對最終獲得評估數據按照公式（2）評估系統級裝備的可靠性水平。

4 案例

本文以某型電子信息系統為研究對象，該型系統由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ等六個分系統組成，其MTBF最低可接受值為不小于20 h，各個分系統的MTBF最低可接受值分別要求不小于130 h、110 h、65 h、180 h、120 h和200 h。

各個分系統均在實驗室綜合環境應力（溫度/濕度/振動）下進行了可靠性試驗，統計方案選取GJB899A-2009中的20-2號方案，試驗時間為θ1（將MTBF最低可接受值設為θ1）的2.99倍。經統計，Ⅲ和Ⅵ分系統在試驗中分別發生一次責任故障，其他分系統在試驗中無故障發生。經計算六個分系統在80 %置信度下的MTBF單側置信下限分別為241.5 h、204.35 h、65.8 h（1個責任故障）、222.9 h、和204.7 h（1個責任故障），試驗結果表明各個分系統的可靠性水平均能滿足其研制總要求的規定。

所有的分系統組成系統后按照項目進度先后進行了聯調試驗和航行試驗。經統計，聯調試驗有效試驗時間為345 h，期間共發生16個故障，其中由于硬件引起的責任故障5個，軟件接口引起的故障11個；航行試驗有效時間為641 h，期間共發生12個故障，其中由于硬件引起的責任故障7個，其他均為非關聯故障。按照圖3的流程對評估數據進行融合，結果如表1所示。

圖3 采用內外場試驗數據的系統級裝備評估流程圖

由于航行試驗為裝備實際使用環境，實驗室可靠性試驗條件為極限應力環境，環境因子為1.0；聯調試驗階段在某試驗場進行，環境條件主要為標稱電應力，溫濕度應力為當地溫濕度應力，為地面良好使用環境，因此環境系數取0.5。

將融合后的綜合評估數據代入到公式（2）中，經計算，該型電子信息系統在80 %置信度下的單邊置信下限θL=48.19 h，滿足該型系統MTBF最低可接受值為不小于20 h的要求。

表1 綜合評估數據

采用分系統級可靠性試驗數據進行評估，按照公式（1）得出系統的可靠性指標為29.75 h；采用聯調試驗數據和航行試驗數據對系統可靠性水平分別進行評估，按照公式（2）得出系統的可靠性指標分別為21.81 h和62.64 h。

由本案例可以看出，該型電子信息系統在各個階段的評估結果均不相同。由于綜合評估方法所采用的評估數據范圍更寬，涵蓋了分系統的可靠性試驗、系統聯調試驗和系統航行試驗等數據，評估結果更具合理性和可信性。

5 結論

本文所提出的綜合評估方法是應用數據融合技術的一種評估方法，是對原有評估方法的補充，適用于系統級大型復雜電子信息裝備。通過本文的闡述，希望能為系統級裝備可靠性指標的評估提供一定的幫助。