深海載人平臺總體任務可靠性分配方法

郝恒,曹海斌,張康

(中國船舶科學研究中心 a.深海載人裝備國家重點實驗室;b.深海技術科學太湖實驗室,江蘇 無錫 214082)

任務可靠性分配是深海載人平臺設計研制階段一項非常重要的工作,傳統(tǒng)的任務可靠性分配方法所針對的系統(tǒng)任務相對單一[1],難以滿足深海載人平臺任務多樣的可靠性分配需求。此前的研究多將任務分成不同階段,或者將任務由類似的幾個子任務組成,實質上還是對單一任務進行的可靠性分配[2-7],與深海載人平臺任務多樣、各項任務之間差別較大存在區(qū)別。有學者為解決轟炸機傳統(tǒng)任務可靠性中模型飛行剖面單一的問題,考慮不同飛行任務的任務頻率,建立了綜合飛行剖面[8]。以上任務可靠性分配使用的理論和方法可以為深海載人平臺總體任務可靠性分配提供參考。針對深海載人平臺任務多樣的特點,考慮執(zhí)行不同任務時涉及的系統(tǒng)、系統(tǒng)工作時間和所攜帶作業(yè)裝備的差異,及各系統(tǒng)復雜程度、技術水平、所處工作環(huán)境條件等因素,提出兩種深海載人平臺總體任務可靠性分配方法,并對比分析兩種方法的優(yōu)劣。

1 問題描述

深海載人平臺是一種典型的多任務復雜系統(tǒng),配有專用水面母船,用于航渡和水面保障,每次下潛執(zhí)行任務后,可以通過換裝不同的作業(yè)裝置或工具,執(zhí)行深海探測、深海施工、深海取樣等多種不同的探測與作業(yè)任務。

深海載人平臺總體任務可靠度指標的實現需要依靠各系統(tǒng)的高可靠性,需要對平臺總體任務可靠度指標進行分解,將分解后的任務可靠度指標分配給相應系統(tǒng),作為各系統(tǒng)的可靠性研制要求。

以往艦船或深海裝備進行任務可靠性分配時,通常選擇一項最重要或最頻繁的任務進行分配,但深海載人平臺各項任務的重要性與任務頻次沒有明顯差別,且不同任務間的作業(yè)難度及所需裝備的復雜程度差異較大,導致各項任務之間的任務可靠度差異也較大,因此深海載人平臺不適合選擇其中一項任務進行可靠性分配。同樣,讓所有的任務都達到提出的任務可靠度指標,會使某些任務難度大、技術水平低的任務增大研制難度,消耗研制經費,甚至可能是在研制周期內無法達到的程度。

在實際應用時,由于每次下潛執(zhí)行任務的不同,其任務可靠度也不同。在剛開始服役、執(zhí)行任務次數較少時,由統(tǒng)計數據得出的任務可靠度波動比較大,但隨著長期服役、執(zhí)行任務總次數的增加,統(tǒng)計得出的任務可靠度會漸漸趨近于一個數值,可以用這個數值表示深海載人平臺的任務可靠度。同樣類比,研制時可以定義一個平均任務可靠度的概念,即考慮任務頻次占比的情況下,所有探測與作業(yè)任務的可靠度的平均值。即

(1)

深海載人平臺平均任務可靠度與文獻[8]提出的綜合飛行剖面在理念上類似,都是考慮不同任務的執(zhí)行頻率來處理多種任務的情況。

以平均任務可靠度進行分配,可以使難度大的任務分配到一個較低的任務可靠度指標,難度小的任務分配到一個較高的任務可靠度指標,頻次占比越高的任務,其分配結果一般越接近任務可靠度分配值。這樣的分配結果不會給研制帶來太多負擔,也容易被設計師系統(tǒng)和使用方接受。

進行深海載人平臺任務可靠性分配時有兩種方法:①對各項作業(yè)任務分別打分進行分配,各系統(tǒng)取不同任務下分配的可靠性最高值,然后將計算得到的平均任務可靠度與任務可靠度指標的差值再分配,不斷迭代;②將作業(yè)系統(tǒng)打包成一個整體,先將任務可靠度分配到各平臺系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng),作業(yè)系統(tǒng)再將可靠度分配到各項作業(yè)任務模塊。將以上兩種方法簡稱為迭代法與打包法。

2 可靠性迭代分配法特點

1)深海載人平臺可以執(zhí)行多種不同的探測與作業(yè)任務,但受總能量和攜帶裝備的限制,每次下潛只執(zhí)行其中一種任務,執(zhí)行不同任務時攜帶的作業(yè)裝備不同。

2)深海載人平臺任務可靠性指多次執(zhí)行下潛任務的平均任務可靠性。

3)深海載人平臺每次完成下潛任務后都會進行檢修,可以視為各系統(tǒng)在執(zhí)行每項任務前視為完好,亦即認為各系統(tǒng)壽命服從指數分布。

4)深海載人平臺在執(zhí)行不同任務時的總工作時間、參與工作的系統(tǒng)及工作時間都不相同。

進行深海載人平臺任務可靠性分配時將執(zhí)行每一項任務攜帶的模塊化作業(yè)裝備打包成一個作業(yè)裝備集,視為一個獨立的系統(tǒng),即每一個任務j對應一個作業(yè)分系統(tǒng)j。

具體任務可靠性分配步驟如下。

步驟1。根據評分分配法,對任務1,任務2,…,任務n單獨進行可靠性分配,得到各系統(tǒng)在任務k可靠性分配過程中得到的評分系數C1,j,C2,j,…,Cn,j。打分時,工作時間盡量根據任務剖面中的各系統(tǒng)預估的工作時間進行等比例打分。

步驟2。計算各系統(tǒng)在不同任務下分配得到的任務可靠度。

(2)

步驟3。由于各系統(tǒng)在執(zhí)行不同探測與作業(yè)任務時的工作時間并不同,同一系統(tǒng)在不同任務下分配得到的任務可靠性指標并不能代表系統(tǒng)的固有可靠性水平高低,可以將其轉化成系統(tǒng)固有的故障率指標。

(3)

λi,j并不是系統(tǒng)真實的故障率,但可以代表不同任務工況下的故障率相對高低。

步驟4。將各系統(tǒng)不同任務下分配得到的故障率,取最小值賦給各系統(tǒng),即

λi=min{λi,1,λi,2,…,λi,n}

(4)

步驟5。建立深海載人平臺各任務工況的可靠性數學模型,并代入λi值,預計各任務的可靠性,即

i≠l表示任j不涉及系統(tǒng)l

(5)

式中:Rm,j為任務j的預計可靠度,Ri,j為任務j下系統(tǒng)i的可靠度。

步驟6。根據式(1)計算深海載人平臺的平均任務可靠度,并計算與任務可靠度指標的偏差。

偏差為

(6)

(7)

步驟8。反復進行步驟5～7,直到差值△接近于0,就可以停止修正,進而可以給出各系統(tǒng)在不同工況下的可靠度分配值Ri。一般修正2～5次就可以滿足精度要求。

盡管一個系統(tǒng)根據不同工況給出了幾個任務可靠度值,但其對應的系統(tǒng)固有可靠性水平是一致的,即系統(tǒng)的平均故障間隔時間(MTBF)或故障率(λ)是相同的。

3 可靠性打包分配法步驟

深海載人平臺總體任務可靠性打包分配法也是基于評分分配法,與迭代法的區(qū)別是,打包法在評分時便考慮加權平均的概念,同時將所有作業(yè)裝備打包成一個整體一起分配,直接將總體任務可靠度分配到各平臺系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng),然后作業(yè)系統(tǒng)再將可靠度分配到各項作業(yè)分系統(tǒng)。

步驟1。在迭代法打分的基礎上,將作業(yè)分系統(tǒng)根據任務占比將各項作業(yè)任務的打分值加權平均,其他平臺系統(tǒng)的工作時間打分值也根據任務占比加權平均,據此得到新的打分表。

步驟2。依據新的打分表直接進行深海載人平臺任務可靠性分配,得到系統(tǒng)的任務可靠性分配值為

(8)

式中:Ci為各系統(tǒng)評分系數。

步驟3。記作業(yè)系統(tǒng)整體打包的可靠性分配值為Ro,各項作業(yè)任務模塊的任務可靠性記為Ro,j。則有

(9)

以各項作業(yè)分系統(tǒng)的打分值單獨匯成一張打分表,Cj為評分系數。則

(10)

將式(10)代入式(9),計算得到第一項作業(yè)分系統(tǒng)的可靠性分配值Ro,1。然后通過式(10)計算得到其他作業(yè)分系統(tǒng)的可靠性分配值。

4 算例分析與對比

4.1 迭代分配法算例

某深海載人平臺由動力系統(tǒng)、綜合電力系統(tǒng)、環(huán)境控制與人員保障系統(tǒng)、推進與操縱系統(tǒng)、導航通信系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和探測與作業(yè)系統(tǒng)等8個一級系統(tǒng)組成,具備執(zhí)行深海探測任務一、深海作業(yè)任務二和深海作業(yè)任務三等3類任務的能力。根據各用戶的使用需求制定典型任務剖面作為設計輸入,其中深海探測任務一、深海作業(yè)任務二、任務三的任務頻次占比分別為20%、50%、30%。任務可靠性指標為0.78。

針對3項探測與作業(yè)任務分別進行打分,打分情況和分配結果見表1。

表1 深海載人平臺任務可靠性迭代分配法評分值與分配結果

計算過程表明,第4次分配即可達到很好的分配精度,此時平臺的平均任務可靠性為0.783,深海探測任務1的任務可靠性為0.737,深海作業(yè)任務2的任務可靠性為0.787,深海作業(yè)任務3的任務可靠性為0.806。各項探測作業(yè)分系統(tǒng)根據裝備本身的復雜程度、技術水平等因素分別分配了不同的任務可靠度,其中裝備復雜程度低、技術水平高的深海探測作業(yè)分系統(tǒng)被分配到了0.988 0這樣一個較高的可靠度,裝備復雜程度高、技術水平低的深海作業(yè)任務2作業(yè)分系統(tǒng)被分配到了0.948 6這樣一個較低的可靠度。

各平臺系統(tǒng)針對不同的探測作業(yè)任務被分配了不同的可靠度值,但將其轉化成故障率或MTBF應該是一致的。如動力系統(tǒng)在3類探測與作業(yè)任務中的實際工作時間分別為277、208、187 h,與之對應的任務可靠度分別為0.899 7、0.923 5和0.930 9,轉化成MTBF后分別為2 624、2 624和2 612 h,偏差很小。給平臺系統(tǒng)下發(fā)指標時可以直接下發(fā)MTBF指標,也可以選擇相對最重要的一個任務工況下發(fā)可靠度指標。

4.2 打包分配法算例

采用打包分配法進行深海載人平臺任務可靠性分配,其過程與結果見表2。

表2 深海載人平臺總體任務可靠性打包分配法評分值與分配結果

各平臺系統(tǒng)通過一次分配便給出了相應的可靠度分配值。作業(yè)系統(tǒng)整體被分配的任務可靠性值為0.969 3,再將此要求分配給各作業(yè)分系統(tǒng)。

各作業(yè)分系統(tǒng)的評分值與分配結果見表3。

表3 各作業(yè)分系統(tǒng)的評分值與分配結果

從表3可以看出,各項探測與作業(yè)分系統(tǒng)根據任務難度被分配了不同的任務可靠度,其中深海探測作業(yè)分系統(tǒng)可靠度最高,為0.989 6,深海作業(yè)任務2作業(yè)分系統(tǒng)可靠度最低,為0.957 9。

4.3 兩種分配方法對比

通過算例可以看出,兩種方法都能兼顧多種作業(yè)任務,根據任務難度的差異對不同的作業(yè)分系統(tǒng)給出不同的可靠度分配值,都能解決對作業(yè)系統(tǒng)只分配一個可靠度值導致的“同一個可靠度要求對有些作業(yè)裝備來說要求太高,對另一些作業(yè)裝備來說要求又太低”的問題。

同時又能看出,兩種方法在分配結果上存在一些差別。迭代法是嚴格按照平均任務可靠性的概念來進行可靠度分配的,是在深海載人平臺總體的層面按任務占比進行的“平均”,分配過程需要多次迭代,相對比較復雜;而打包法是將“平均”的概念植入到各系統(tǒng)中,在系統(tǒng)的層面將各系統(tǒng)進行“平均”,分配過程不需要迭代,相對比較簡單。從兩種方法的分配思路來看,顯然通過迭代法分配的總體任務可靠度更貼近長期服役時統(tǒng)計得到的任務可靠度,因此迭代法的分配結果應該是更合理的。

對比迭代法與打包法的分配結果,打包法分配的作業(yè)分系統(tǒng)和平臺系統(tǒng)任務可靠度均略高于迭代法。打包法和迭代法分配的3項作業(yè)模塊的任務可靠度分別為0.989 6、0.957 9、0.974 6和0.983 8、0.948 6和0.963 4,分別高出了0.59%、1.54%和1.16%;平臺系統(tǒng)按照MTBF對比,以動力系統(tǒng)為例,打包法和迭代法分配結果分別為2 921 h和2 620 h,高出11.5%。

打包法的分配結果雖然與迭代法有偏差,但差距在可接受范圍內,且對于設計來說是偏保守的,由于其分配過程比較簡單,可以應用于研制初期的初步分配或者缺乏各作業(yè)工況詳細任務剖面時的可靠性分配。

5 結論

1)針對深海載人平臺任務多樣、各項任務之間差別較大的情況,給出考慮任務頻次占比的平均任務可靠度的概念,提出相應的深海載人平臺總體任務可靠性迭代分配法和打包分配法,用于深海載人平臺的總體任務可靠性指標向一級系統(tǒng)分配。兩種方法都能兼顧多項作業(yè)任務,根據各項任務的難易程度與作業(yè)裝備自身的可靠度差異,對各項作業(yè)分系統(tǒng)分配不同的任務可靠度指標。任務越困難、裝備自身可靠度水平越低,相應的作業(yè)分系統(tǒng)分配的任務可靠度指標越低。

2)通過2種方法得到的分配結果有偏差,迭代分配法是嚴格按照所提出的平均任務可靠性的概念來進行可靠度分配的,因此迭代法的分配結果比打包法更合理。

3)打包分配法對系統(tǒng)的可靠性要求更高,與迭代分配法的偏差屬于可接受范圍內,由于其分配過程比較簡單,可以應用于研制初期的可靠性分配或者缺乏各作業(yè)工況詳細任務剖面時的可靠性分配。