杜廣濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230000）

0 引言

航管雷達(dá)在空中交通管制系統(tǒng)中占有重要的地位，它對(duì)航行、起飛、著落的安全性承擔(dān)重大的使命[1]，同時(shí)，雷達(dá)要全天24小時(shí)不間斷地工作，對(duì)雷達(dá)任務(wù)可靠性 （MTBCF）提出了非常高的要求，在雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)除了要采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和人機(jī)工程設(shè)計(jì)等常規(guī)的可靠性設(shè)計(jì)方法外，還可以采用電磁兼容設(shè)計(jì)、故障弱化設(shè)計(jì)等方法，但為了保證雷達(dá)的高可靠性，冗余設(shè)計(jì)是必不可少的可靠性設(shè)計(jì)方法。由于航管雷達(dá)要不間斷地工作，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)必須保證能在線維修，故停機(jī)檢修的可靠性設(shè)計(jì)模型將不能滿足要求，而必須采用聯(lián)機(jī)檢修可靠性設(shè)計(jì)方法。

聯(lián)機(jī)檢修是指系統(tǒng)在工作過程中，對(duì)發(fā)生失效的冗余單元進(jìn)行即時(shí)的檢修[2]。冗余結(jié)構(gòu)模型是提高系統(tǒng)可靠度的重要手段，但是，如果沒有維修性手段，冗余單元的潛力將不能充分地發(fā)揮。對(duì)于聯(lián)機(jī)檢修的設(shè)備，系統(tǒng)的可靠度會(huì)大幅度地提高。

1 聯(lián)機(jī)檢修結(jié)構(gòu)的可靠性模型

1.1 聯(lián)機(jī)檢修與停機(jī)檢修理論模型

對(duì)于由兩個(gè)相同單元組成的聯(lián)機(jī)檢修并聯(lián)系統(tǒng)，其聯(lián)機(jī)檢修的兩重并聯(lián)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示[2-3]。

圖1 聯(lián)機(jī)檢修兩重并聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖1中，S0表示兩個(gè)單元均正常工作； S1表示1個(gè)單元處于正常工作狀態(tài)，另一個(gè)單元發(fā)生失效而處于檢修狀態(tài)；S2表示兩個(gè)單元均失效。由狀態(tài)說明可知，系統(tǒng)可靠度Rs如公式 （1）所示[3]。

λ——單個(gè)單元的失效率；

μ=1/MTTR為修復(fù)率；

MTTR為單元平均修復(fù)時(shí)間。

系統(tǒng)的平均致命故障間隔時(shí)間如公式 （2）所示[2]。

對(duì)于聯(lián)機(jī)檢修 （n-1/n）表決可修模型，允許1個(gè)單元發(fā)生故障，并在繼續(xù)工作進(jìn)程中可以對(duì)失效單元進(jìn)行檢修，故障修復(fù)后繼續(xù)一起工作，直到任務(wù)結(jié)束后停機(jī)。系統(tǒng)的平均致命故障間隔時(shí)間如公式 （3） 所示[3]。

以上是對(duì)聯(lián)機(jī)檢修的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的相應(yīng)論述。而對(duì)于停機(jī)檢修的并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，其系統(tǒng)可靠度和致命故障間隔時(shí)間如公式 （4）、 （5）所示。

1.2 聯(lián)機(jī)檢修與停機(jī)檢修模型比較

例如，某并聯(lián)冗余系統(tǒng)，單個(gè)單元失效率為0.02，修復(fù)率為0.5，任務(wù)持續(xù)工作時(shí)間為8 h，其停機(jī)檢修的可靠度和 MTBCF由公式 （4）、 （5）可知： Rs（t） =2R0-=2exp （-0.02*8） -exp（-2*0.02*8） =0.978。 MTBCF=1.5/λ=75 h； 聯(lián)機(jī)檢修的任務(wù)可靠度和MTBCF由公式 （1）、 （2）計(jì)算出結(jié)果為 0.991 和 MTBCF=3λ+μ/2λ2=700 h， 通過比較可知，聯(lián)機(jī)檢修模型將會(huì)使系統(tǒng)的可靠度大幅度地提高。

2 聯(lián)機(jī)檢修模型的應(yīng)用實(shí)例

某軍航雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱X雷達(dá)）主要用于航路監(jiān)視，兼顧警戒引導(dǎo)，提供目標(biāo)的距離、方位、速度和航向等信息，以及航路上濃積云和積雨云的輪廓信息，為空中交通管制和日常防空提供情報(bào)保障。主要探測(cè)對(duì)象包括：民用航空器如民航客機(jī)、通航飛機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等，軍用作戰(zhàn)飛機(jī)如戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)、轟炸機(jī)和直升機(jī)等。X雷達(dá)可靠性指標(biāo)要求如下：

a）平均故障間隔時(shí)間 （MTBF）：大于1000 h；

b）平均致命故障間隔時(shí)間 （MTBCF）：大于30000 h；

c）致命故障判據(jù)：造成雷達(dá)不能完成規(guī)定任務(wù)或探測(cè)威力下降5%的故障。

X雷達(dá)的MTBCF要求大于30000 h，遠(yuǎn)大于我所以前研制的航管雷達(dá)XX-XX要求的20000 h的目標(biāo)[4-5]。為了實(shí)現(xiàn)高M(jìn)TBCF，設(shè)計(jì)之初，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)MTBF和MTBFC進(jìn)行了分配， 分配結(jié)果如表1所示。

在設(shè)計(jì)過程中，天饋系統(tǒng)由于主要是結(jié)構(gòu)件，天線骨架、轉(zhuǎn)臺(tái)等均無法采用冗余設(shè)計(jì)，只是采用了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等措施。發(fā)射分系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型如圖2所示，前級(jí)組件和末級(jí)電源、監(jiān)控及電源采用聯(lián)機(jī)檢修并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型；發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射組件和電源采用故障弱化功能，允許一個(gè)發(fā)射組件損壞而不影響雷達(dá)的任務(wù)，并可以迅速地在線更換[4]，其可靠性模型為 （m，n）并聯(lián)表決結(jié)構(gòu)，m表示冗余單元數(shù)，n表示系統(tǒng)正常工作時(shí)所必須工作冗余單元數(shù)，由公式 （3）計(jì)算可知發(fā)射模塊的MTBCF很高，對(duì)整機(jī)的影響很小。由于發(fā)射風(fēng)機(jī)和合成器是獨(dú)立單元，故發(fā)射系統(tǒng)的MTBCF不會(huì)很高。從以上分析可知，天饋系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)是雷達(dá)可靠性設(shè)計(jì)的瓶頸。

表1 X雷達(dá)可靠性分配表

圖2 X雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

考慮成本原因，除天饋和發(fā)射系統(tǒng)外，X雷達(dá)其他分系統(tǒng)均采用了聯(lián)機(jī)檢修并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。以終端系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用雙套冗余設(shè)計(jì)，終端功能相同，任一套工作正常，雷達(dá)均可正常工作。單套系統(tǒng)的可靠性參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)總失效率為 53×10-6/h， MTTR=0.12 h。

終端系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖如圖3所示，由于單套設(shè)備的總失效率為 53×10-6/h，MTTR=0.12 h，故在線檢修并聯(lián)雙套系統(tǒng)的MTBCF由公式 （2） 計(jì)算結(jié)果為1.4×109h，系統(tǒng)的等效失效率近似為0。除天饋和發(fā)射外，其它分系統(tǒng)的MTBCF通過計(jì)算其等效失效率均近似為0。通過計(jì)算及分析可見，聯(lián)機(jī)檢修的MTBCF關(guān)鍵取決于μ/λ，而停機(jī)維修只與λ有關(guān)，因此X雷達(dá)的任務(wù)可靠性需靠維修性保證[5]。

X雷達(dá)各分系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由上述預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出，可靠性設(shè)計(jì)方案中MTBF、MTBCF預(yù)計(jì)結(jié)果符合規(guī)定的指標(biāo)要求。以上理論分析是假設(shè)電子設(shè)備可靠性服從指數(shù)分布且壽命為無窮大的情況下得出的，如終端系統(tǒng)的MTBCF為1.4×109h，但實(shí)際情況不可能連續(xù)工作這么長(zhǎng)時(shí)間，主要是電子設(shè)備在壽命后期會(huì)快速地失效，從而理論與實(shí)際結(jié)果存在很大的偏差，但應(yīng)該很容易地實(shí)現(xiàn)分配值5000000 h的目標(biāo)[5]。

表2 終端系統(tǒng)的可靠性參數(shù)

圖3 X雷達(dá)終端系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖

表3 X雷達(dá)的可靠性預(yù)計(jì)表

聯(lián)機(jī)檢修并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性模型是實(shí)現(xiàn)X雷達(dá)高可靠性的唯一方法，但也為雷達(dá)設(shè)備帶來不可避免的問題，如增加重量，提高復(fù)雜度，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)、制造、裝配和試驗(yàn)的時(shí)間，還會(huì)增加費(fèi)用[6]，在實(shí)際情況下應(yīng)綜合各方面的因素，以達(dá)到最佳配置。

3 結(jié)束語

雷達(dá)可靠性的好壞，關(guān)系到雷達(dá)的質(zhì)量，關(guān)系到企業(yè)的聲譽(yù)，是雷達(dá)裝備的靈魂。雷達(dá)的高可靠性只有設(shè)計(jì)才能保證。聯(lián)機(jī)檢修并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性模型是提高電子設(shè)備高可靠性水平的一種有效方法，可大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性。本文通過某軍航雷達(dá)的設(shè)計(jì)實(shí)例，論證了該模型在航管雷達(dá)設(shè)計(jì)中的作用。由于采用聯(lián)機(jī)檢修模型會(huì)增加設(shè)備成本，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)綜合地考慮，沒必要為一味提高可靠性而過量冗余。

[1] 孫薇薇.航管一次雷達(dá)的可靠性分析 [J].質(zhì)量與可靠性， 2009 （1）： 1-3.

[2] 丁定浩，陸軍.裝備壽命周期使用保障的理論模型和設(shè)計(jì)技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：171.

[3] 丁定浩.可靠性與維修性工程 [M].北京：電子工業(yè)出版社，1986：116-117.

[4] 陳忠先，王景嗣.JY-21全固態(tài)航管一次監(jiān)視雷達(dá) [J].現(xiàn)代電子，2002，80（3）：10-16.

[5] 張輝.航管一次監(jiān)視雷達(dá)-JY-21[J].現(xiàn)代電子，2000， 72 （3）： 14-19.

[6] 孫薇薇，周虹.有效的冗余設(shè)計(jì) [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2008，26（3）： 47-50.