王 鐵 李 騰 張軍周

（1.中國人民解放軍91977部隊 北京 100036）（2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京 100094）

1 引言

艦載電子對抗系統(tǒng)是水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，主要承擔電子偵察監(jiān)視、目標識別告警、有源無源干擾、電子情報收集等使命任務。近年來，水面艦艇使用頻度不斷提高、使用強度不斷增大，對艦載電子對抗系統(tǒng)常態(tài)化運用提出了越來越高的要求，大工作時長、連續(xù)值班、具有較高的任務可靠度，已成為艦載電子對抗系統(tǒng)應具備的一項重要能力［1］。

傳統(tǒng)定義的艦載電子對抗系統(tǒng)任務剖面僅有幾小時或十幾個小時，與實際使用中工作時長通常能夠達到數(shù)百小時嚴重不符；另外分析任務可靠度時沒有考慮檢測維修、備品配件等因素的影響，任務可靠度模型與實際情況存在差異。針對上述問題，本文從任務剖面入手，在傳統(tǒng)任務可靠度定義基礎上，開展了基于現(xiàn)場可維修的艦載電子對抗系統(tǒng)任務可靠度研究，根據(jù)電子對抗偵察干擾功能特點，結(jié)合常態(tài)化運用條件，分析了系統(tǒng)典型任務剖面，建立了能夠反映系統(tǒng)工作、維修特點的任務可靠度模型，并開展了分析計算，對影響任務可靠度的關(guān)鍵因素進行分析研究。

2 艦載電子對抗系統(tǒng)任務剖面分析

艦載電子對抗系統(tǒng)從功能上說，主要包括偵察告警和電子干擾兩大部分。從設備組成上說，主要由顯示控制、雷達偵察、有源干擾、無源干擾等設備組成，其中顯示控制、偵察告警設備屬于長期連續(xù)使用的可維修產(chǎn)品，有源干擾、無源干擾設備屬于間斷使用的可維修產(chǎn)品。

水面艦艇海上作戰(zhàn)，通常包括備戰(zhàn)備航、航渡、待機、作戰(zhàn)、撤離等階段，對艦載電子對抗系統(tǒng)任務可靠度進行研究，其作戰(zhàn)使用傳統(tǒng)上被局限在作戰(zhàn)階段，航渡、待機、撤離等階段的作戰(zhàn)使用往往被忽略，傳統(tǒng)定義的系統(tǒng)典型任務剖面如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)定義的典型任務剖面

在當前日益復雜的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境下，艦載電子對抗系統(tǒng)的使命任務不斷拓展，高強度、長時間使用要求日益提高，典型任務剖面也發(fā)生了巨大變化，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

一是工作時長大幅增長。目前艦載電子對抗系統(tǒng)使命任務正在從傳統(tǒng)的電子對抗防空反導，向區(qū)域警戒監(jiān)視和遠距離情報收集方向拓展，作戰(zhàn)使用也不局限于艦艇的作戰(zhàn)階段，而是要貫徹艦艇海上活動的全過程。在近海執(zhí)行任務時，艦載電子對抗系統(tǒng)的工作時長通常為幾天到幾十天，在遠海執(zhí)行任務時工作時長甚至可以達到上百天。

二是故障檢測維修是系統(tǒng)執(zhí)行任務中重要的組成部分。傳統(tǒng)的任務剖面不考慮設備在執(zhí)行任務期間的檢測維修工作。但隨著近年來軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路的廣泛應用，以及模塊化的設計不斷深入，艦載電子對抗系統(tǒng)中的LRU（現(xiàn)場可更換單元）比例越來越高。同時，BIT功能（機內(nèi)檢測）已經(jīng)成為艦載電子對抗系統(tǒng)必要的組成部分，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障、修復故障的能力越來越強，為艦員級故障檢測和現(xiàn)場維修奠定了堅實基礎。

三是偵察告警、電子干擾功能使用方式存在較大差異。系統(tǒng)在海上執(zhí)行任務期間，顯示控制與偵察告警設備基本處于連續(xù)工作狀態(tài)，只有當工作時長大于最大連續(xù)工作時間后，才進行短暫的停機休整，工作期間如出現(xiàn)故障，則采用更換備件的方式對故障進行維修；執(zhí)行電子干擾任務期間，有源干擾與無源干擾設備根據(jù)需要開機工作，主要處于間斷工作狀態(tài)，由于電子干擾對于艦艇防衛(wèi)具有至關(guān)重要的作用，所以干擾設備工作期間不允許出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)故障則判斷任務失敗。為及時發(fā)現(xiàn)、排除系統(tǒng)存在的故障隱患，在備戰(zhàn)備航階段和停機休整間隙，通常會開展預防性檢測、維修。

根據(jù)上述分析，新時期艦載電子對抗系統(tǒng)的典型任務剖面如圖2所示。

圖2 新時期艦載電子對抗裝備任務剖面

與傳統(tǒng)定義的任務剖面相比，新的任務剖面反映了艦載電子對抗系統(tǒng)在海上執(zhí)行任務期間的完整工作過程。在艦艇離港后，系統(tǒng)即開始執(zhí)行偵察告警任務，既包括作戰(zhàn)階段，也包括航渡、等待，撤離戰(zhàn)區(qū)等時間段，偵察告警任務基本覆蓋所有任務時間?？紤]到海上作戰(zhàn)的復雜性，艦載電子對抗系統(tǒng)需要具備執(zhí)行多次電子干擾任務的能力，因此新的任務剖面中將電子干擾的使用劃分為多個階段。同時新的任務剖面增加了設備檢測維修要素，即在執(zhí)行任務間隙，適時開展例行檢測、預防性維修和故障維修等工作，保證系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，能夠滿足長時間、高頻度使用的要求。

3 基于現(xiàn)場可維修的任務可靠度模型

艦載電子對抗系統(tǒng)的可靠性指標主要分為基本可靠性和任務可靠性兩類。艦載電子對抗系統(tǒng)傳統(tǒng)上使用平均故障間隔時間（MTBF）表征系統(tǒng)的基本可靠性，該指標是指引起裝備進行非計劃維修的兩次故障之間的平均間隔時間，主要反映裝備無故障工作能力和對維修資源的要求。確定基本可靠性時，應統(tǒng)計系統(tǒng)的所有壽命單位和所有的關(guān)聯(lián)故障，而不局限于發(fā)生在任務期間的故障，也不局限于危及任務成功率的故障。由于艦載電子對抗系統(tǒng)設備規(guī)模較大，構(gòu)成系統(tǒng)的分系統(tǒng)較多，因此基本可靠性很難直接反映出系統(tǒng)的真實作戰(zhàn)能力。系統(tǒng)任務可靠度是在一定條件下，系統(tǒng)完成規(guī)定任務能力的度量［2］。

傳統(tǒng)的任務可靠度函數(shù)為［3］

式中λ為故障率，t為工作時間。該模型不考慮故障維修因素。

根據(jù)GJB1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中A.2.1.2可知，裝備的任務成功度模型為

式中：RM為傳統(tǒng)的任務可靠度，即裝備不發(fā)生故障的概率；MM為任務維修度，即發(fā)生故障能夠被及時修復的概率。該模型考慮了故障維修因素，是反應系統(tǒng)任務可靠度的綜合性指標，但該模型中(1 ? RM)MM為任務執(zhí)行期間僅發(fā)生一次故障且被修復的任務可靠度增量，對于任務執(zhí)行期間發(fā)生多次故障的情況，該模型則無法適用。為了能夠?qū)ε炤d電子對抗系統(tǒng)執(zhí)行任務期間，可能發(fā)生多次故障的情況進行準確表征，需要對模型進行改進優(yōu)化。

首先是建立任務執(zhí)行期間故障發(fā)生的概率模型?？紤]到修復后的系統(tǒng)仍可能再次發(fā)生故障，若發(fā)生的故障均立即進行修復或替換，則在全任務時間t內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)i服從參數(shù)為λt的泊松分布：

上式中λ為系統(tǒng)任務故障率，t為任務時間。

考慮到發(fā)生故障的次數(shù)可能趨向無窮大，則式（2）中的(1?RM)可表示為

在航渡、待機、撤離、返航過程中，電子對抗系統(tǒng)需要長時間執(zhí)行偵察告警任務，此時間段如果出現(xiàn)設備故障，在具備可維修的條件下可采用更換備件的方式進行現(xiàn)場艦員級維修。此時間段電子對抗系統(tǒng)可視為反復使用的可修產(chǎn)品，故障修復后，系統(tǒng)任務可靠度不受影響。此過程中，系統(tǒng)的任務可靠度模型為

式中P修復為發(fā)生故障能夠被及時修復的概率，即為式（2）中的任務維修度MM；λ1為偵察設備的任務故障率，等于致命故障間隔時間（MTBCF）的倒數(shù)；t1為偵察設備航渡、進入和撤離戰(zhàn)區(qū)的累積時間。

在作戰(zhàn)階段，由于持續(xù)時間較短，且對抗激烈、影響重大，電子對抗系統(tǒng)需要電子干擾任務，此時系統(tǒng)應被視為反復使用的不可修產(chǎn)品。在此期間，如出現(xiàn)影響任務完成的故障，則判定任務失敗。此過程中，系統(tǒng)的任務可靠度函數(shù)為

式中λ2為電子干擾設備的任務故障率，等于對應MTBCF的倒數(shù)；t2為作戰(zhàn)時間。由于系統(tǒng)執(zhí)行電子干擾任務期間，告警設備必須同時進行工作，所以此時的任務故障率λ2為偵察告警和電子干擾同時工作時的故障率。

根據(jù)式（1）～（6）的推導可知，新的艦載電子對抗系統(tǒng)任務可靠度計算公式為

其中，任務維修度P修復與平均修復性維修時間 MCT、故障檢測率RFD、故障隔離率 RFI、虛警率 RFA、備件滿足率RSF等多種因素相關(guān)。

考慮到艦載電子對抗系統(tǒng)在執(zhí)行某些短周期任務時，也存在不允許進行維修的情況，則在此種情況下的任務可靠度計算公式可由式（7）進行簡化，如下所示：

上式與傳統(tǒng)定義上的任務可靠度計算公式保持一致［4］。

4 任務可靠度計算

計算系統(tǒng)任務可靠度，首先需要確定系統(tǒng)故障率。在任務執(zhí)行的過程中，發(fā)生不同的故障模式會對任務產(chǎn)生不同程度的影響，通過故障模式、影響及危害性分析（FMECA），將系統(tǒng)的故障模式按照嚴酷程度分為四類，如表1所示。

表1 故障模式嚴酷度類別定義

從是否影響任務完成的角度出發(fā)，可以認為上表中Ⅰ、Ⅱ類故障模式會造成任務失敗，即只有Ⅰ、Ⅱ類故障模式才對任務可靠度的計算造成影響。

執(zhí)行偵察告警任務時，系統(tǒng)僅ESM功能開啟，系統(tǒng)故障率λ1主要由顯示控制、雷達偵察設備的MTBCF決定；執(zhí)行電子干擾任務時，ESM和ECM功能均開啟，系統(tǒng)故障率λ2主要由顯示控制、雷達偵察、有源干擾、無源干擾設備的MTBCF決定。

為了便于分析，給定系統(tǒng)故障率取值如表2所示。

表2 故障率取值

執(zhí)行長周期任務時，艦載電子對抗系統(tǒng)既需要開展長時間的偵察告警，又需要開展短時間的對抗干擾。假定一次出航任務周期為200天，其中ESM系統(tǒng)單獨工作的時間累計約3600h（對應150天），ESM與ECM系統(tǒng)同時工作時間累計約24h。

在不考慮維修的情況下，任務可靠度計算結(jié)果為

這個計算結(jié)果與實際任務執(zhí)行情況嚴重不符。所以，對于執(zhí)行長時間周期的任務剖面時，必須考慮維修度的影響。在艦載電子對抗系統(tǒng)攜帶備品備件，具備任務中進行維修及備品備件更換等現(xiàn)場艦員級維修的條件時，計算任務可靠度時需考慮故障能被及時修復的可能性，采用式（7）進行任務可靠度計算。

其中，假定任務維修度P修復取值0.80，根據(jù)式（7）任務可靠度計算結(jié)果為

計算當前任務剖面下的任務可靠度為0.762，與實際情況有一定的吻合度，基本可以滿足任務要求。

對于任務可靠性要求較高的任務，在執(zhí)行任務期間不允許發(fā)生設備故障，典型任務剖面如圖3所示。

圖3 短時間任務周期任務剖面

圖3任務剖面下ESM系統(tǒng)單獨工作的時間t1=160h、ESM與ECM系統(tǒng)同時工作時間t2=8h。

在此任務剖面下，任務可靠度計算結(jié)果為

5 影響任務可靠度的關(guān)鍵因素分析

根據(jù)上述分析，影響艦載電子對抗系統(tǒng)任務可靠度的因素主要包括任務時間、故障率和任務維修度等方面。其中任務時間由任務剖面決定，主要包括偵察告警累積時間、電子干擾累積時間兩部分；故障率是指影響任務成敗的致命故障發(fā)生的概率，需采用故障模式、影響及危害性分析（FMECA）等方法，區(qū)分致命故障和一般故障進行分析統(tǒng)計，使得到的故障率能夠準確反應故障對任務的影響程度；任務維修度P修復則是一個相對復雜的參數(shù)，不僅與系統(tǒng)本身的平均修復性維修時間MCT、故障檢測率RFD、故障隔離率RFI、虛警率RFA、備件滿足率RSF等因素相關(guān)，還與維修策略、故障分析預測能力、人員能力素質(zhì)、器材供應保障等因素有關(guān)，是量化分析研究的一個難點［5～6］。

隨著作戰(zhàn)使用周期的不斷增長，實現(xiàn)較高的任務可靠度對艦載電子電抗系統(tǒng)提出了越來越高的要求，一方面需要采用數(shù)字化、固態(tài)化技術(shù)和大規(guī)模集成電路等進一步降低設備的故障率；另一方面應該提升現(xiàn)場檢測維修能力。從發(fā)展趨勢上看，提升現(xiàn)場檢測維修能力應是提高艦載電子對抗系統(tǒng)任務可靠度的重要方向。

近年來，隨著BIT技術(shù)的應用推廣，艦載電子對抗系統(tǒng)具有一定的在線故障檢測和故障定位能力，但是整體來說故障檢測率、故障隔離率和故障定位準確度還不高，部分故障還需要人工參與排查、勘驗。故障分析定位困難帶來諸多不必要的拆卸及安裝工作，給系統(tǒng)產(chǎn)生額外的磨合損耗，還可能導致新的故障，無形中降低了系統(tǒng)的可靠性水平［7］。

另一方面，艦載電子對抗系統(tǒng)目前還無法對裝備狀態(tài)進行準確評估，對關(guān)鍵件壽命、故障情況進行準確預測，部隊開展預防性維修缺乏依據(jù)，裝備在演習及執(zhí)行任務期間常常出現(xiàn)突發(fā)的異常故障，嚴重影響了作戰(zhàn)訓練任務的完成。

大型電子裝備增加健康管理系統(tǒng)［7］是當前國內(nèi)外提升裝備可靠性、測試性、維修性、保障性、安全性等方面能力的一項重要措施。通過增加艦載電子對抗裝備健康管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對電子對抗系統(tǒng)各電子設備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)進行實時監(jiān)控，并且通過對自檢數(shù)據(jù)、功能性能測試數(shù)據(jù)、測試標校數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以及故障維修數(shù)據(jù)的分析和處理，結(jié)合故障診斷模型、故障預測模型，對電子對抗系統(tǒng)進行故障診斷和預測，達到對電子對抗系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行全壽命周期內(nèi)的有效管理。針對不同的作戰(zhàn)任務類型、任務周期以及任務強度，可對電子對抗系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性進行有效預估，為作戰(zhàn)指揮人員提供決策依據(jù)，確保任務的成功率。同時，給出相應的綜合保障建議，針對性地提出備品備件要求，為維修保障人員提供維修保障信息。

6 結(jié)語

本文從艦載電子對抗裝備當前實際使用情況出發(fā)，重新設計了艦載電子對抗裝備的任務剖面，并在裝備任務成功度定義基礎上推導出基于可維修的艦載電子對抗裝備任務可靠度計算模型。同時，通過對影響裝備可靠性能力提升的分析研究，對艦載電子對抗裝備的維護保養(yǎng)、故障檢測和預測、備品備件保障資源等方面提出了新的的要求。