【后勤保障與裝備管理】

基于可修復(fù)條件下無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可用度研究

趙孔金1，丁海龍1，趙溫波1，孟令達(dá)2，陳萬(wàn)玉2

(1.解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥230031； 2.沈陽(yáng)炮兵學(xué)院，沈陽(yáng)110867)

摘要：可用度是戰(zhàn)備完好率的重要指標(biāo)，可用度受可靠度和維修度綜合影響，用狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法分析了裝備可用度，并在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可修復(fù)條件下，針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)故障問(wèn)題，對(duì)其可靠度、維修度進(jìn)行權(quán)衡，以確保系統(tǒng)戰(zhàn)備完好率。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；可用度；可靠度；維修度

收稿日期：2014-10-09

作者簡(jiǎn)介：趙孔金(1964.09—),男,軍事學(xué)碩士,副教授,主要從事無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.020

中圖分類號(hào)：V279

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0072-03

本文引用格式：趙孔金，丁海龍，趙溫波，等.基于可修復(fù)條件下無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可用度研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):72-74.

Citationformat:ZHAOKong-jin,DINGHai-long,ZHAOWen-bo,etal.StudyonAvailabilityofUAVSystemBasedonRepairableCondition[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):72-74.

StudyonAvailabilityofUAVSystem

BasedonRepairableCondition

ZHAOKong-jin1, DING Hai-long1, ZHAO Wen-bo1,

MENGLing-da2, CHEN Wan-yu2

(1.ArmyOfficerAcademyofPLA,Hefei230031,China;

2.ShenyangArtilleryAcademyofPLA,Shenyang110867,China)

Abstract:Availability is an important indicator of operational readiness. Reliability and maintainability subject the combined effects to availability. We analyzed the equipment availability with method of state transition, and balanced the reliability and maintainability of UAV system to solve the fault problem in the condition that the UAV system was repairable, and its reliability and maintenance were weighed to ensure that the system to be the operational combat readiness.

Keywords:UAVsystem;availability;reliability;maintainability

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是由多個(gè)分系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，存在兩種狀態(tài)：正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。對(duì)于可修復(fù)性無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)處在故障狀態(tài)后通過(guò)維修恢復(fù)到正常狀態(tài)。兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移過(guò)程可看成是隨機(jī)過(guò)程，用可用度來(lái)描述。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在使用過(guò)程中故障較多，影響了戰(zhàn)備完好率，可用度是戰(zhàn)備完好率的重要指標(biāo)，可用度受可靠度和維修度的綜合影響，本文通過(guò)可用度的分析，對(duì)可靠度和維修度進(jìn)行權(quán)衡，以提高可用度，確保戰(zhàn)備完好率[1]。

1系統(tǒng)可用度分析

系統(tǒng)可用度是指在規(guī)定條件下使用時(shí)，在某t時(shí)刻具有(或維持)其功能的概率。本文通過(guò)概率轉(zhuǎn)移的方法來(lái)分析系統(tǒng)可用度[2,3]。系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移是隨時(shí)間隨機(jī)連續(xù)變化的，符合連續(xù)型馬爾柯夫過(guò)程。系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)定為正常狀態(tài)e1，已知系統(tǒng)故障率λ和修復(fù)率μ，則可寫出其在t時(shí)刻經(jīng)過(guò)極小時(shí)間Δt后馬爾柯夫鏈的一微系數(shù)矩陣(轉(zhuǎn)移矩陣)

(1)

令e1=1表示系統(tǒng)處于第1狀態(tài)(正常狀態(tài))，e2=0表示系統(tǒng)處于第2狀態(tài)(故障狀態(tài))，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可寫成

(2)

由全概率公式可得

(3)

無(wú)效度是可用度的反事件，P1(t)是系統(tǒng)的瞬時(shí)可用度，P2(t)瞬時(shí)無(wú)效度，式(3)中包含Δt的未知函數(shù)，要求t時(shí)刻系統(tǒng)瞬時(shí)可用度，需要把式(3)變?yōu)橹话粗縯的函數(shù)，因此可兩邊對(duì)Δt求導(dǎo)并進(jìn)行微分可得

(4)

進(jìn)行拉普拉斯變換

(5)

經(jīng)整理得

(6)

再將式(6)進(jìn)行逆變換，可得P(t)

(7)

到此即可求出系統(tǒng)瞬時(shí)可用度P1(t)和瞬時(shí)無(wú)效度P2(t)

(8)

(9)

式(8)、式(9)即是系統(tǒng)的瞬時(shí)可用度與瞬時(shí)無(wú)效度，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，由式(8)、式(9)可得：

當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)系統(tǒng)可用度和可工作時(shí)間比相等，無(wú)效度和不可工作時(shí)間比相等，也正好驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。

由上可知，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)可用度與可工作時(shí)間比相等，可用度達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，這稱為穩(wěn)態(tài)可用度A。因此，有

(10)

從式(10)可以看出，故障率λ越小，穩(wěn)態(tài)可用度越大，修復(fù)率μ越大，穩(wěn)態(tài)可用度越大。一般用平均修理時(shí)間描述(meantimetorepair,MTTR)描述修復(fù)率μ，用平均無(wú)故障時(shí)間(meantimebetweenfailures,MTBF)描述故障率λ。

2確定可用度要求下無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可靠度、維修度權(quán)衡

要保持較高的戰(zhàn)備完好率，必需要有較高的可用度。在系統(tǒng)可修復(fù)條件下，對(duì)于可靠度較低的裝備，可通過(guò)較高的維修度來(lái)保證可用度，當(dāng)維修能力較強(qiáng)時(shí)，可降低對(duì)可靠度的要求。通常，通過(guò)可靠度、維修度的權(quán)衡實(shí)現(xiàn)確定的可用度[4,5]。

2.1一定可靠度條件下維修度估計(jì)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛行器系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)等。假設(shè)某無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行器系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)MTBF上限分別為200h(50架次)、150h、150h和100h，可用度都必須大于0.99。結(jié)合式(19)，有平均無(wú)故障時(shí)間MTBF、平均修理時(shí)間MTTR和可用度A之間的關(guān)系

(20)

通過(guò)計(jì)算可得無(wú)人機(jī)系統(tǒng)各分系統(tǒng)的MTTR必須滿足的條件如表1所示。

表1　平均修理時(shí)間(MTTR)參數(shù)表

2.2確定可靠度區(qū)間下的可靠度、維修度權(quán)衡

基于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)際的技術(shù)水平，MTBF不可能無(wú)限大，存在上限值TμH，同時(shí)，考慮作戰(zhàn)任務(wù)需要，MTBF需要有下限TμL。故障發(fā)生以后，修復(fù)時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則會(huì)影響任務(wù)的完成，MTTR需要有上限TλH，同時(shí)MTTR不可能很小，存在下限值TλL。假定某無(wú)人機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度必須大于0.99，要滿足任務(wù)要求，其整體MTBF必須大于100h，基于技術(shù)和費(fèi)用限制，MTBF上限值為200h，根據(jù)式(20)，可知MTTR的取值要滿足以下方程

由此可計(jì)算維修度指標(biāo)應(yīng)滿足的要求為：1.01≤MTTR≤2.02，權(quán)衡圖如圖1所示(陰影部分為可權(quán)衡區(qū)域)。

圖1　無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可靠度與維修度權(quán)衡示意圖

3結(jié)論

分析了當(dāng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為可修復(fù)時(shí)，可靠度和維修度對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可用度的影響，得出了可靠度和維修度權(quán)衡圖。由于可靠度受條件限制，很難提高，而維修度較之更可控，因此在一定范圍內(nèi)，可通過(guò)調(diào)節(jié)維修度來(lái)確?？捎枚?。分析表明，通過(guò)可靠度、維修度權(quán)衡可以實(shí)現(xiàn)裝備具有較高戰(zhàn)備完好率。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯周江川)