一種基于模糊理論的雷達可靠性評估方法

陳 飛，周俊宇，陳 偉

（南京電子技術研究所，江蘇 南京210039）

1 研究背景

隨著信息化技術的不斷發展，雷達系統在現代電子戰中起到越來越重要的作用。雷達系統功能復雜、工作環境惡劣，影響其可靠性的因素較多[1-2]。現階段主要依靠定期維修的策略提升雷達系統的可靠性，然而很多故障在產生之前沒有任何征兆，只有等到故障出現以后才能得到維修，嚴重影響了雷達系統的正常使用。不僅如此，由于雷達系統的復雜性，對其進行單次維修的成本較高，若維修間隔的周期較短，則會造成“維修過剩”；若維修間隔的周期較長，則不能將故障及時檢出，會造成“維修不足”。因此，只有對雷達系統的使用狀態進行實時、有效的預測并制定合理的維修策略，才能更好地發揮其作戰效能。

文獻[3]提出了一種利用人工神經網絡對雷達進行故障預測的方法，通過采集磁控管的高壓監測數據，可對設備的故障狀態進行預測；文獻[4]提出了一種基于改進UGM（1，1）模型的方法進行雷達故障預測，該模型引入了新陳代謝的思想，不斷對雷達系統的信息進行更新，實現了對雷達磁控管故障的有效預測；文獻[5]提出了一種利用支持向量機進行雷達故障診斷的方法，以選定電路板中測試點波形的頻率和幅度為特征進行分類，實現了對雷達頻綜器的故障信息進行有效預測；文獻[6]提出了一種改進序化關系模型的雷達系統可靠性評估方法，可通過融合聯試數據和驗證試驗數據對雷達的可靠性水平進行評估。然而，雷達系統故障的多樣性較高，并且很多故障具有模糊性的特征，即在故障發生前沒有具體的參數可測，極大限制了以上多類基于可測指標參數進行故障特征識別方法的適用性。近年來，模糊理論[7]作為一種能夠有效處理模糊關系的工程應用方法，在船舶設備[8-9]、導彈武器裝備[10-12]等領域的可靠性及維修性研究成果不斷。文獻[13]針對雷達系統維修方案的選擇問題，通過引入Vague 集處理維修方案的模糊信息，為不同的雷達維修方案選取制定了策略。然而，利用雷達系統的故障經驗數據對整機進行可靠性評價的研究并不多。

針對雷達系統故障信息模糊、特征參數獲取不完整的特點，對某型艦載雷達系統的故障經驗數據進行了長期積累和歸納，采用模糊理論建立了一種雷達可靠性評估模型，可對雷達系統的可靠性進行實時預測，為制定合理的雷達系統維修策略提供技術支持。

2 雷達故障特征

2.1 雷達組成

一般而言，雷達系統根據功能可以分為射頻系統、控制與顯示、信號與數據處理、電源系統、環控系統以及其他單元等，如圖1 所示。

圖1 典型的雷達系統組成單元

2.2 單元故障統計

雷達系統通常處在惡劣的使用環境中，各單元不可避免地會產生故障，且難以準確、完整地獲取與系統故障相關的特征參數，具有模糊性的特征。本文積累了某型艦載雷達系統在正常使用期內的故障經驗數據，并對近1 000 h 內的故障頻次進行了統計，結果如表1 所示。從表1 中可以看出，在該型雷達系統中，不同單元的故障情況不盡相同。同時，由于不同單元的故障對雷達系統正常使用產生的影響程度各異，如電源系統的故障頻次較高，但電源系統的部分故障不影響雷達系統的正常工作；信號與數據處理的故障頻次較低，但故障一旦產生，雷達系統將無法工作，產生的影響程度較高。根據專家經驗，將不同單元故障的嚴酷程度定義為1—5 級。嚴酷等級越高表示該單元產生故障時對雷達系統正常使用的影響程度越大，其中5 級表示嚴酷程度最高，雷達功能和性能均無法滿足使用要求，而1 級表示短期內對雷達系統的使用無影響。

表1 某型雷達組成單元的故障數據統計

3 可靠性評估模型

3.1 評估流程

由于雷達系統的復雜性，難以通過某一單元的使用狀態對雷達系統的可靠性水平進行全面評估。為了將雷達系統的可靠性水平量化以便制定合理的維修策略，本文基于某型艦載雷達的歷史故障經驗數據，采用模糊理論建立了一種雷達系統可靠性的評估模型，該評估模型的基本流程如圖2 所示。

圖2 雷達系統可靠性模型評估流程圖

圖2 中，可靠性評價指標fi選取為雷達單元在近1 000 h 內的故障頻次。通過引入隸屬度函數D（f）將各個組成單元故障頻次對雷達系統可靠性的影響程度定量化，得到雷達系統的單元可靠度值Di。不失一般性，本文中構建的評估指標隸屬度函數選用降半拋物型分布，其表達式如下：

式（1）中：a為評估指標下限值，根據專家經驗，其取值為1；b為評估指標上限值，根據專家經驗，其取值為15。

由于每個單元的可靠性對雷達系統可靠性的影響程度不一，根據式（1）計算得出的單元可靠度值Di仍然無法準確反映雷達系統可靠性的高低，因此，令每個雷達單元故障時的嚴酷程度C為指標權重，則雷達系統當前狀態下的綜合可靠度值可通過式（2）計算得出：

3.2 可靠性等級

根據上述評估模型計算得出的雷達系統綜合可靠度值，其數值范圍介于0～18 之間，本文將雷達系統的可靠性分為4 個等級，制定了如表2 所示的雷達系統可靠性等級評估表。表中的可靠性等級可以有效表征雷達系統當前的可靠性狀態，當該可靠性等級為四級或三級時，表示雷達系統當前的可靠性較高；當可靠性等級處于二級或一級時，表示雷達系統當前的可靠性較低，提示應進行及時的巡檢與維修。

表2 雷達系統可靠性等級評估表

4 應用驗證

4.1 驗證實例

基于本文提出的雷達可靠性評估模型，對3 臺某型號艦載雷達的故障經驗數據進行了驗證，該3 臺雷達在近1 000 h 內的故障頻次分別如表3 所示。其中，1 號雷達距前次的維修時間為1 100 h，2 號雷達距前次的維修時間為2 300 h，3 號雷達距前次的維修時間為4 200 h。

表3 近1 000 h 故障概率頻次f

4.2 驗證效果

根據表3 中的故障經驗數據，通過本文提出的可靠性評估模型，計算得出該3 臺不同雷達的可靠度值及相應的可靠性等級，如表4 所示。從表4 中可以看出，1 號雷達系統的可靠度值最大，提示系統當前的可靠性水平較高；3 號雷達系統的可靠度值最小，提示系統當前的可靠性水平較低，應及時進行巡檢與維修。通過對比可以看出，本模型得出的雷達系統可靠性預測結果與實際情況較為吻合。

表4 不同雷達安全度的評估結果

5 總結

本文通過對某型艦載雷達系統的故障經驗數據進行統計、分析，基于模糊理論建立了一種雷達系統可靠性評估模型，可對雷達系統當前的可靠性程度進行有效預測。對不同的雷達系統進行了對比實例驗證，表明該模型在實際應用中取得了良好的效果，可為多類別雷達的維護、巡檢提供指導，具有重要的推廣意義。