陳中青,朱宜生,王超,王一飛,劉玉石
(1.中國船舶重工集團(tuán)第七二三研究所,揚(yáng)州 225001;2.中國船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測中心,揚(yáng)州 225001)
可靠性是指在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]。由此可以看出可靠性是裝備質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),是影響未來作戰(zhàn)勝負(fù)的關(guān)鍵因素。
目前,對于艦載電子設(shè)備可靠性的考核主要是按照GJB 899A-2009 《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》[2]和《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗(yàn)實(shí)施方法(2002)》[3]的規(guī)定在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,即在溫度/濕度/振動/電應(yīng)力等多種綜合環(huán)境應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)。對于分系統(tǒng)級或設(shè)備級艦載電子裝備來說,由于其組成和功能相對簡單,國內(nèi)具備按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)考核的條件。但是對于系統(tǒng)級裝備而言,由于其組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、功能性能參數(shù)眾多等,例如某型對抗系統(tǒng)由六個分系統(tǒng)組成,天線和機(jī)柜數(shù)量多達(dá)數(shù)十個,安裝位置既有艙外、又有艙內(nèi)無溫控和艙內(nèi)有溫控,重量近三十噸,國內(nèi)尚無實(shí)驗(yàn)室具備開展對抗裝備系統(tǒng)級試驗(yàn)的能力。一般對大型復(fù)雜的系統(tǒng)級裝備采用評估的方式驗(yàn)證其可靠性水平。
系統(tǒng)級裝備的可靠性評估一般是采用經(jīng)典單元法[4],目前評估數(shù)據(jù)的采集與處理有兩種方式:
一是自下而上的方式,即采信各個分系統(tǒng)級裝備的可靠性鑒定試驗(yàn)結(jié)果,然后代入到系統(tǒng)級裝備的可靠性模型中,評估出系統(tǒng)級裝備的可靠性水平。以某型近區(qū)防衛(wèi)裝備為例,其包含六個分系統(tǒng),每個分系統(tǒng)均采用實(shí)驗(yàn)室綜合環(huán)境條件下的可靠性鑒定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得到各個分系統(tǒng)在80 %置信度下的基本可靠性置信下限分 別 為 278.52 h、1 323.19 h、1 052.91 h、300.325 h、800.3 h和909.51 h,滿足各分系統(tǒng)研制任務(wù)書中可靠性指標(biāo)分別不低于150 h、300 h、480 h、300 h、800 h和480 h的要求,將各分系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果代入到其基本可靠性模型[5]中(如圖1所示),經(jīng)計(jì)算(見公式(1)),在80 %置信度下某型近區(qū)防衛(wèi)裝備的可靠性評估結(jié)果為53.33 h。
式中:
θL—系統(tǒng)級裝備的MTBF評估結(jié)果;
θLi—各個分系統(tǒng)在相同置信度下MTBF的置信下限。
二是通過收集的系統(tǒng)級裝備某個外場階段(系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試、航行試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)等)的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)該階段的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障數(shù),評估系統(tǒng)級裝備的可靠性是否滿足相關(guān)技術(shù)文件中的指標(biāo)規(guī)定。以某型綜合指揮系統(tǒng)為例,通過收集其在某試驗(yàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計(jì)有效試驗(yàn)時間為623 h,試驗(yàn)中共發(fā)生責(zé)任故障數(shù)5個,按照GJB 899A-2009中的公式(見公式(2))計(jì)算得到在80 %置信度下其單側(cè)置信下限為78.8 h(流程如圖2所示)。
式中:
θL—系統(tǒng)級裝備的MTBF評估結(jié)果;
T—系統(tǒng)級裝備總試驗(yàn)時間;
C—置信度;
r—責(zé)任故障數(shù)。
上述兩種評估方式均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。采用第一種方式的優(yōu)點(diǎn)主要有:
①評估方法簡單,評估數(shù)據(jù)易于收集,評估成本較低。
②分系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室綜合環(huán)境應(yīng)力條件下進(jìn)行的試驗(yàn),試驗(yàn)應(yīng)力可控,其可靠性水平和故障數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室極限應(yīng)力下得到的,而外場試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力不可控,在短時間內(nèi)很難遇到各種極限應(yīng)力。
但是,也存在如下的局限性和不足:
①評估數(shù)據(jù)來源單一,對各分系統(tǒng)裝備組成系統(tǒng)后的可靠性水平未進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證,僅是參考各分系統(tǒng)的可靠性結(jié)果采用理論分析的方式評估系統(tǒng)級裝備的可靠性水平,因而造成評估結(jié)果與后續(xù)實(shí)際使用的可靠性水平有一定的差距。
②采用該方式進(jìn)行評估,要求各個分系統(tǒng)的MTBF置信下限必須是在相同置信度下得出的。如果各個分系統(tǒng)的置信下限是在不同的置信度下得到的,則需要轉(zhuǎn)化為相同的置信度或采用最低的置信度結(jié)果進(jìn)行評估。
圖1 某型近區(qū)防衛(wèi)裝備基本可靠性模型
圖2 某綜合指揮系統(tǒng)基本可靠性評估流程圖
③要求各個分系統(tǒng)考核的指標(biāo)要一致,均為MTBF或均為MTBCF,否則不能直接采用分系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果,需要轉(zhuǎn)化為相同的指標(biāo)后再進(jìn)行評估。
第二種評估方式的優(yōu)點(diǎn)有:
①評估方法簡單,一般采用經(jīng)典的服從指數(shù)分布的單元設(shè)備法。
②評估數(shù)據(jù)為組成系統(tǒng)后的數(shù)據(jù),相對第一種方式的數(shù)據(jù)更能反映出當(dāng)前裝備組成系統(tǒng)后的可靠性水平。
該評估方式的其局限性和不足主要有:
①數(shù)據(jù)采集區(qū)間相對較短,不能很好的反映出系統(tǒng)級裝備的實(shí)際可靠性水平,因此其評估結(jié)果與實(shí)際使用的可靠性水平也有一定的偏差。
②系統(tǒng)級裝備在該階段經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力相對比較溫和,不會遇到各種極限應(yīng)力,分系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室極限條件下發(fā)生的故障未得到有效利用。
針對上述兩種評估方式的不足,基于數(shù)據(jù)融合技術(shù),本文提出基于內(nèi)外場數(shù)據(jù)融合技術(shù)的可靠性綜合評估方法。該方法充分利用各分系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室極限條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(內(nèi)場試驗(yàn)數(shù)據(jù))和組成系統(tǒng)后裝備聯(lián)調(diào)聯(lián)試、系泊航行試驗(yàn)等各個階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)),對內(nèi)外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,提取出有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障信息,并對有效數(shù)據(jù)按照不同的環(huán)境因子進(jìn)行折合,獲得經(jīng)數(shù)據(jù)融合后的綜合評估數(shù)據(jù)。綜合評估數(shù)據(jù)的融合過程如圖3所示。
評估數(shù)據(jù)信息的提取和數(shù)據(jù)處理,需要注意以下幾點(diǎn):
1)評估數(shù)據(jù)中,由于硬件原因引起的系統(tǒng)或設(shè)備/分系統(tǒng)功能不能實(shí)現(xiàn)或性能下降,均應(yīng)統(tǒng)計(jì)為故障;
2)對于聯(lián)調(diào)階段及聯(lián)調(diào)前,由于軟件接口問題引起的功能不能實(shí)現(xiàn)或性能指標(biāo)超出范圍,可不統(tǒng)計(jì)為故障;
3)由于系統(tǒng)級裝備所使用的電子元器件種類和數(shù)據(jù)較多,在進(jìn)行環(huán)境因子的折算時,按照所使用的電子元器件中環(huán)境系數(shù)[6]最小值進(jìn)行折合。環(huán)境系數(shù)參考GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》中各類電子元器件在不同使用環(huán)境下的推薦值。
對最終獲得評估數(shù)據(jù)按照公式(2)評估系統(tǒng)級裝備的可靠性水平。
本文以某型電子信息系統(tǒng)為研究對象,該型系統(tǒng)由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ等六個分系統(tǒng)組成,其MTBF最低可接受值為不小于20 h,各個分系統(tǒng)的MTBF最低可接受值分別要求不小于130 h、110 h、65 h、180 h、120 h和200 h。
各個分系統(tǒng)均在實(shí)驗(yàn)室綜合環(huán)境應(yīng)力(溫度/濕度/振動)下進(jìn)行了可靠性試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)方案選取GJB899A-2009中的20-2號方案,試驗(yàn)時間為θ1(將MTBF最低可接受值設(shè)為θ1)的2.99倍。經(jīng)統(tǒng)計(jì),Ⅲ和Ⅵ分系統(tǒng)在試驗(yàn)中分別發(fā)生一次責(zé)任故障,其他分系統(tǒng)在試驗(yàn)中無故障發(fā)生。經(jīng)計(jì)算六個分系統(tǒng)在80 %置信度下的MTBF單側(cè)置信下限分別為241.5 h、204.35 h、65.8 h(1個責(zé)任故障)、222.9 h、和204.7 h(1個責(zé)任故障),試驗(yàn)結(jié)果表明各個分系統(tǒng)的可靠性水平均能滿足其研制總要求的規(guī)定。
所有的分系統(tǒng)組成系統(tǒng)后按照項(xiàng)目進(jìn)度先后進(jìn)行了聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和航行試驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),聯(lián)調(diào)試驗(yàn)有效試驗(yàn)時間為345 h,期間共發(fā)生16個故障,其中由于硬件引起的責(zé)任故障5個,軟件接口引起的故障11個;航行試驗(yàn)有效時間為641 h,期間共發(fā)生12個故障,其中由于硬件引起的責(zé)任故障7個,其他均為非關(guān)聯(lián)故障。按照圖3的流程對評估數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,結(jié)果如表1所示。
圖3 采用內(nèi)外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)級裝備評估流程圖
由于航行試驗(yàn)為裝備實(shí)際使用環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室可靠性試驗(yàn)條件為極限應(yīng)力環(huán)境,環(huán)境因子為1.0;聯(lián)調(diào)試驗(yàn)階段在某試驗(yàn)場進(jìn)行,環(huán)境條件主要為標(biāo)稱電應(yīng)力,溫濕度應(yīng)力為當(dāng)?shù)販貪穸葢?yīng)力,為地面良好使用環(huán)境,因此環(huán)境系數(shù)取0.5。
將融合后的綜合評估數(shù)據(jù)代入到公式(2)中,經(jīng)計(jì)算,該型電子信息系統(tǒng)在80 %置信度下的單邊置信下限θL=48.19 h,滿足該型系統(tǒng)MTBF最低可接受值為不小于20 h的要求。
表1 綜合評估數(shù)據(jù)
采用分系統(tǒng)級可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評估,按照公式(1)得出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為29.75 h;采用聯(lián)調(diào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對系統(tǒng)可靠性水平分別進(jìn)行評估,按照公式(2)得出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分別為21.81 h和62.64 h。
由本案例可以看出,該型電子信息系統(tǒng)在各個階段的評估結(jié)果均不相同。由于綜合評估方法所采用的評估數(shù)據(jù)范圍更寬,涵蓋了分系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和系統(tǒng)航行試驗(yàn)等數(shù)據(jù),評估結(jié)果更具合理性和可信性。
本文所提出的綜合評估方法是應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)的一種評估方法,是對原有評估方法的補(bǔ)充,適用于系統(tǒng)級大型復(fù)雜電子信息裝備。通過本文的闡述,希望能為系統(tǒng)級裝備可靠性指標(biāo)的評估提供一定的幫助。