無人機(jī)系統(tǒng)可靠性分配方法研究

姜海勛 張易豪 李晨曦

一般而言，產(chǎn)品的可靠性分配首先要確定指標(biāo)及要分配到的產(chǎn)品單元，為了更準(zhǔn)確地分配指標(biāo)，針對(duì)不同的產(chǎn)品單元的特點(diǎn)，應(yīng)先進(jìn)行產(chǎn)品單元的分類，將其分為確定和不確定兩類，并在此基礎(chǔ)上研究形成每類產(chǎn)品單元的可靠性分配方法，進(jìn)行可靠性分配，進(jìn)而將指標(biāo)有效分配到產(chǎn)品單元并在后續(xù)的工程設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造中予以實(shí)現(xiàn)以保證整機(jī)可靠性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)上述需求以無人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象開展了基于可靠性信息量與技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)的單元分類方法研究，將構(gòu)成系統(tǒng)的產(chǎn)品單元分為確定子系統(tǒng)及不確定子系統(tǒng)兩類，并針對(duì)兩類系統(tǒng)分別采用重要因子和復(fù)雜因子分配方法、評(píng)分分配法（FOO）形成無人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的分配方法，用于針對(duì)無人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)在研制及使用時(shí)間相對(duì)較短、可靠性累計(jì)數(shù)據(jù)較少的情況進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，用以支持無人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的有效性，用于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用可靠性水平。同時(shí)并給出了案例應(yīng)用，驗(yàn)證了本方法的工程有效性。

引言

無人機(jī)整機(jī)可靠性要求高、工作環(huán)境復(fù)雜，且由于無人在世界范圍內(nèi)研制和使用的時(shí)間較短，可靠性數(shù)據(jù)積累、成熟的系統(tǒng)部件較少，因此對(duì)其進(jìn)行可靠性分配有一定的困難。

國內(nèi)現(xiàn)有的工程中常用的可靠性分配方法有基于免疫遺傳優(yōu)化等算法的可靠性分配方法[2]、基于故障分析的可靠性分配方法[3]、基于故障樹的系統(tǒng)可靠性分配方法[4]等但這些方法有些需要一定的約束條件，有些基于大量的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，有些在算法上過于復(fù)雜。而對(duì)于近年來興起的無人機(jī)研發(fā)過程中的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)組成單元的可靠性信息量及歷史數(shù)據(jù)較少，技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)等級(jí)低，各系統(tǒng)之間關(guān)系密切、結(jié)構(gòu)緊湊、無余度、存在關(guān)聯(lián)失效等問題，因此目前常用的系統(tǒng)可靠性分配方法應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)的可操作性不強(qiáng)，缺少一種能針對(duì)上述特點(diǎn)解決無人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)過程中工程適用及有效的可靠性分配方法。

基于上述需求，本文以無人機(jī)整機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象，開展了基于可靠性信息量與技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)的單元分類方法研究，建立了一種針對(duì)無人機(jī)整機(jī)的可靠性分配方法，用以進(jìn)行系統(tǒng)研制中可靠性指標(biāo)的分配及相關(guān)設(shè)計(jì)分析工作，支持無人機(jī)系統(tǒng)可靠性要求實(shí)現(xiàn)。

可靠性分配的程序

建立的可靠性分配的流程框圖如圖 1所示，首先對(duì)無人機(jī)整機(jī)的產(chǎn)品單元類別進(jìn)行分類，得到確定單元和不確定單元兩種類型，基于此對(duì)形成的確定子系統(tǒng)和不確定子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性指標(biāo)確定，采取考慮相似產(chǎn)品故障率和復(fù)雜性的分配方法對(duì)確定子系統(tǒng)內(nèi)的確定系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配，采取評(píng)分分配法（FOO）對(duì)不確定子系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行可靠性分配，最終得到各系統(tǒng)的可靠度。

單元的劃分與確定

根據(jù)可靠性分配方法的技術(shù)路線，首先考慮技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)和可靠性信息量對(duì)需要進(jìn)行可靠性分配的各產(chǎn)品單元進(jìn)行分類判別。現(xiàn)有研究以技術(shù)成熟度來度量產(chǎn)品掌握的技術(shù)水平，根據(jù)GJB 7688—2012對(duì)技術(shù)成熟度等級(jí)進(jìn)行定義[5]，如圖 2所示。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分配所需要的是產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)化階段的典型使用環(huán)境中產(chǎn)生的實(shí)際數(shù)據(jù)，所以選擇等級(jí)7為技術(shù)成熟度判別的分界點(diǎn)用來判定產(chǎn)品單元的確定與不確定。本文建立了產(chǎn)品單元類別的判斷邏輯決斷圖，如圖 3所示。

通過邏輯決斷圖可以得到無人機(jī)各產(chǎn)品單元的類別，將其分為確定單元和不確定單元兩類。

不同類別單元的可靠性分配方法

確定子系統(tǒng)及不確定子系統(tǒng)的劃分

不確定子系統(tǒng)的可靠性分配

在對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和故障情況不清楚的情況下，其具體步驟如下所示。

步驟一：不確定子系統(tǒng)的可靠性分配的層次模型建立

本研究中不確定子系統(tǒng)的可靠性分配層次模型如圖 5所示。

步驟二：準(zhǔn)則層權(quán)重模糊判斷矩陣的構(gòu)造

采用專家評(píng)分法對(duì)準(zhǔn)則層的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得到各專家優(yōu)先級(jí)判斷矩陣。

將評(píng)分按照公式進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算出占比權(quán)重Pij，得到各位專家的權(quán)重值ai，最終推導(dǎo)出各單元評(píng)分結(jié)果，并根據(jù)不確定子系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行分配，得到是S2、S3、S4、S5分配的可靠度，其計(jì)算結(jié)果如表 2所示。

而在面臨缺乏可靠性數(shù)據(jù)且技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)等級(jí)較低的問題時(shí)，工程上經(jīng)常采用的等分配法，其分配結(jié)果見表3。等分配法將可靠度均勻的分配到系統(tǒng)的每一個(gè)單元上，存在未考慮不同單元之間的機(jī)構(gòu)、材料、功能等方面的不同的問題。而本文提出的可靠性分配方案結(jié)合了單元分類法與基于熵權(quán)法及模糊判斷矩陣的不確定子系統(tǒng)可靠性分配等方法，結(jié)合了研發(fā)單位、相關(guān)專家基于復(fù)雜程度、技術(shù)水平等一系列準(zhǔn)則對(duì)無人機(jī)單元進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，最終得出的可靠性分配方法，則較好的解決了上述問題，更加符合工程實(shí)際應(yīng)用。

綜上所述，通過工程中的具體應(yīng)用案例及與現(xiàn)有常用的等分配法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法在無人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)過程中，面臨系統(tǒng)的部分單元缺乏可靠性數(shù)據(jù)、技術(shù)成熟評(píng)價(jià)等級(jí)較低等常見問題時(shí)的工程有效性。

結(jié)束語

本文針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)，開展了基于技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)和可靠性信息量的單元分類方法與基于熵權(quán)法及模糊判斷矩陣的不確定子系統(tǒng)可靠性分配等關(guān)鍵技術(shù)研究，并在此研究基礎(chǔ)上形成了無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配方法。該方法能有效支持在工程實(shí)踐中解決無人機(jī)系統(tǒng)缺乏可靠性數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性分配問題，并且能夠在一定程度上消除傳統(tǒng)的可靠性分配中使用比例分配法和評(píng)分分配法片面性，得到更為合理并且符合工程實(shí)際的無人機(jī)整機(jī)的可靠性分配方案，支持后續(xù)可靠性設(shè)計(jì)分析工作開展，進(jìn)而保證無人機(jī)系統(tǒng)可靠性要求實(shí)現(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]宋太亮，朱美嫻，祝耀昌，等.GJB450A-2004，裝備可靠性工作通用要求[S].北京：中國人民解放軍總裝備部，2004.

[2]程力旻，徐巍，張文俊.基于免疫遺傳優(yōu)化的可靠性分配方法[J].艦船電子工程，2022，42（02）：152-156.

[3]柳旭濤，楊慶東.基于故障分析的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中心可靠性分配[J].機(jī)械工程師，2017（09）：1-4.

[4]柳夢(mèng)雪，劉健，胡忠前，等.基于故障樹的水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分配[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2022，51（01）：37-44.

[5]GJB 7688-2012.裝備技術(shù)成熟度等級(jí)劃分及定義[S]. 北京：中國人民解放軍總裝備部，2012.

[6]曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與方法研究[M]： 北京：國防工業(yè)出版社，2015.