白 芳，趙亞維，周遠遠

(中國電子科技集團公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

復雜電子信息系統(tǒng)可靠性分析*

白 芳，趙亞維，周遠遠

(中國電子科技集團公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

機載救護設備電子信息系統(tǒng)具有設備種類多、數量多、耦合控制等特點，屬于復雜電子信息系統(tǒng)。本文根據機載救護設備電子信息系統(tǒng)的可靠性要求，分析了系統(tǒng)組成與特點、壽命剖面、任務剖面以及單體設備可靠性指標。在此基礎上進行了子系統(tǒng)和系統(tǒng)級別的可靠性建模與預計分析。計算結果表明，系統(tǒng)的設計及零部件選型可以滿足可靠性要求。

機載醫(yī)療救護；電子信息系統(tǒng)；可靠性建模；可靠性預計

引 言

機載救護系統(tǒng)是指能夠空中運送傷病員并在飛行中進行醫(yī)療護理的裝備系統(tǒng)。早在1968年8月美國空軍的C-9A醫(yī)療救護飛機開始就擔負海外戰(zhàn)區(qū)的航空醫(yī)療任務。目前多國正在積極研發(fā)、使用醫(yī)療飛機進行各種緊急救援，如：法國的EC-225型救護直升機、日本的BK117C-2中型多用途直升機、德軍的A310-MRT和我國的“和平方舟”號國產新型醫(yī)療救護直升機等[1-2]。

然而大型運輸機機載救援裝備在國內暫時空白。如何靈活、機動、簡易地實現(xiàn)眾多醫(yī)療救護設備的集成，同時滿足可靠性、維修性、安全性、電磁環(huán)境適用性等要求，是必須探討的問題。機載救護設備電子信息系統(tǒng)具有設備種類多、數量多、耦合控制等特點，屬于復雜電子信息系統(tǒng)，本文根據機載救護設備電子信息系統(tǒng)可靠性要求，以及復雜系統(tǒng)可靠性分析原理[3-9]，對機載救護設備電子信息系統(tǒng)進行可靠性建模與預計，并給出結論。

1 系統(tǒng)組成與特點

機載救護設備采用飛機平臺機載技術形式，配有藥品、醫(yī)療器械、呼吸器、吸引器、心臟監(jiān)護除顫設備等多種醫(yī)療設備。主要用于地面手術和途中緊急救治，包括中、重癥傷病員空運醫(yī)療后送和著陸后的現(xiàn)場救治能力。

機載救護設備電子信息系統(tǒng)按照功能劃分包括：機上醫(yī)療信息綜合管理子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和機內通信子系統(tǒng)。醫(yī)療信息綜合管理子系統(tǒng)保證傷員從登機空運至目的地期間所發(fā)生的醫(yī)療信息的數字化全過程管理，通過網絡化的方式，實現(xiàn)整個機上期間發(fā)生的所有醫(yī)療過程的管理。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)保證視頻監(jiān)控功能。機內通信子系統(tǒng)保證機內通話、機上與地面通訊、傷員呼叫和對講功能。

2 可靠性要求

電子信息系統(tǒng)包括由電子信息設備類單機組成的系統(tǒng)和醫(yī)療電子設備，可靠性目標要求：電子信息設備類單機組成的系統(tǒng)的MTBF(平均故障間隔時間)≥700 h；醫(yī)療電子設備的MTBF≥350 h。

3 可靠性設計

3.1 壽命剖面

機載醫(yī)療救護設備壽命期事件包括：裝卸、運輸、儲存、檢測、維修部署、任務剖面等，機載醫(yī)療救護設備的壽命剖面如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)壽命剖面示意圖

3.2 任務剖面

圖2為機載救護設備作業(yè)任務剖面的一般描述。

圖2 系統(tǒng)任務剖面示意圖

3.3 單體設備可靠性指標

系統(tǒng)涉及的主要單體設備包括醫(yī)療單體設備、機械機構設備和通訊電子設備等，作為可靠性設計和分析的重要基礎。由于篇幅限制，表1列出部分設備設計和選購的可靠性指標。

表1 主要設備可靠性指標

3.4 可靠性建模

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)由10個攝像頭、多屏計算機和視頻監(jiān)控顯示器組成，可靠性模型如圖3所示。

圖3 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可靠性模型

機內通信子系統(tǒng)包括對地通信和內部通信兩部分，其中對地通信可以通過海事衛(wèi)星電話和短波電臺實現(xiàn)，可以看作是并聯(lián)關系；內部通信子系統(tǒng)分為機組人員通信子系統(tǒng)、醫(yī)護人員對講系統(tǒng)和傷員呼叫系統(tǒng)，為串聯(lián)關系。系統(tǒng)組成關系及可靠性模型如圖4所示。

圖4 機內通信子系統(tǒng)組成關系及可靠性模型

醫(yī)療信息管理子系統(tǒng)包括重癥監(jiān)護床子系統(tǒng)、輔助診療區(qū)醫(yī)療設備組和手術醫(yī)療設備子系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成關系及可靠性模型如圖5所示。

圖5 醫(yī)療信息管理子系統(tǒng)組成關系及可靠性模型

電子信息系統(tǒng)由視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、機內通信子系統(tǒng)、醫(yī)療信息管理子系統(tǒng)組成。根據子系統(tǒng)的串聯(lián)模式，可以建立電子信息系統(tǒng)可靠性模型，考慮研制方對電子信息設備類單機組成的系統(tǒng)和醫(yī)療電子設備的可靠性有單獨要求，因此，為了方便計算和校核，系統(tǒng)可靠性模型簡化為圖6所示。

圖6 電子信息系統(tǒng)可靠性簡化模型

3.5 可靠性預計

由可靠性理論可知，對于由相同設備構成的系統(tǒng)，串聯(lián)模型可以看作是一個N/N的表決器模型，并聯(lián)模型可以看作是一個1/N的表決器模型。

K/N表決器模型MTBF的計算公式為：

(1)

由不同設備構成的串聯(lián)模型的MTBF的計算公式為：

(2)

對于由n個不同設備構成的并聯(lián)模型的MTBF的計算公式為：

(3)

因此，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可靠性參數及相關計算如表2所示。

表2 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可靠性計算

機內通信子系統(tǒng)可靠性參數及相關計算如表3～表5所示。

表3 內部通信子系統(tǒng)可靠性計算

表4 對地通信子系統(tǒng)可靠性計算

表5 機內通信子系統(tǒng)可靠性計算

醫(yī)療電子設備組的任務可靠性公式：D=R+(1-R)M，其中R為固有可靠性，M為修復概率，取95%，醫(yī)療電子設備組的可靠性參數推導公式為λD=λ-LN(D/R)。因此，醫(yī)療信息管理子系統(tǒng)可靠性參數及相關計算如表6所示。

表6 醫(yī)療信息管理子系統(tǒng)可靠性計算

綜合上述計算，電子信息系統(tǒng)可靠性為視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、機內通信子系統(tǒng)和醫(yī)療信息管理子系統(tǒng)串聯(lián)模型，系統(tǒng)可靠性為MTBF=1 498 h。

4 結束語

1)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的MTBF為3 704 h，滿足可靠性指標“電子信息設備類單機組成的系統(tǒng)的MTBF≥700 h”。

2)機內通信子系統(tǒng)的MTBF為7 343 h，滿足可靠性指標“電子信息設備類單機組成的系統(tǒng)的MTBF≥700 h”。

3)系統(tǒng)級的MTBF為1 498 h，滿足可靠性指標“電子信息設備類單機組成的系統(tǒng)的MTBF≥700 h”。

由此可知，系統(tǒng)設計及零部件選型合理，可以滿足可靠性要求。

[1] NAGATUMA H. Development of an emergency medical video multiplexing transport system(EMTS): aiming at the nation-wide prehospital care in ambulance[J]. Journal of Medical System, 2003,27(3): 225-232.

[2] 李麗娟, 刁天喜, 王松俊. 美軍非戰(zhàn)爭軍事行動醫(yī)療后送[J]. 解放軍醫(yī)院管理雜志, 2010, 17(4): 381-382.

[3] 宋保維. 系統(tǒng)可靠性設計與分析[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2008.

[4] 盧明銀, 徐人平. 系統(tǒng)可靠性[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.

[5] SANDBORN P A, PECHT M G. Introduction to special section on electronic systems prognostics and health management[J]. Microelectronics Reliability, 2007, 47(12):1847-1848.

[6] SANDBORN P A, WILKINSON C. A maintenance planning and business case development model for the application of prognostics and health management(PHM) to electronic systems[J]. Microelectronics Reliability, 2007, 47(12): 1889-1901.

[7] SCARF P A. On the application of mathematical models in maintenance[J]. European Journal of Operational Research, 1997, 99(3): 493-506.

[8] ?？〗? 葉舒. 基于冗余技術的車載網絡系統(tǒng)可靠性設計[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術, 2012, 3(2): 49-53.

[9] 巴海濤, 湯扣林, 許銳鋒. 計維修指揮信息系統(tǒng)可靠性設計[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術, 2010, 1(4): 32-37.

白 芳(1979-)，女，博士，工程師，主要研究方向為系統(tǒng)集成設計及健康管理研究。

趙亞維(1962-)，男，研究員高工，主要研究方向為軍、民用機動式指控系統(tǒng)電子設備系統(tǒng)集成。

周遠遠(1977-)，男，高級工程師，主要研究方向為系統(tǒng)集成設計。

Reliability Analysis of Complicated Electronic Information System

BAI Fang，ZHAO Ya-wei，ZHOU Yuan-yuan

(The28thResearchInstituteofCETC,Nanjing210007,China)

Featured with many equipment types, large equipment quantity and coupling control, the electronic information system of aero-hospital medical rescue equipment belongs to complicated system. According to the reliability demands of the system, system constitution and characteristics, life section, mission section, reliability parameters of independent equipment are analyzed. Based on the analysis, the subsystem level and system level reliability modeling and prediction are built. Results show that the system design and the selection of parts and equipments can satisfy the reliability requirements.

aero medical rescue; electronic information system; reliability modeling; reliability prediction

2012-09-23

國家自然科學基金資助項目(61179058)

V37

A

1008-5300(2013)02-0037-03