石 闖 陳永冰 胥望春

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430032）（2.91411部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

船舶操舵控制系統(tǒng)是以自動(dòng)操舵儀（Autopilot）為控制核心，包括指令接收與發(fā)送箱，伺服機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)等，是一個(gè)用來保持船舶在給定航向或航線下航行穩(wěn)定性和操縱性的控制系統(tǒng)［1］。操舵控制系統(tǒng)的性能直接影響到航行任務(wù)的完成。并且海上環(huán)境復(fù)雜，一旦操舵系統(tǒng)發(fā)生故障，將直接威脅到船員和物資的安全，因此在改進(jìn)系統(tǒng)操舵控制方式和控制精度之外，研究和提高操舵控制系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。

可靠性分為基本可靠性和任務(wù)可靠性，基本可靠性是“產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下，無故障工作的能力”，它反映產(chǎn)品對維修資源的需求；任務(wù)可靠性是“產(chǎn)品在規(guī)定任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”，它反映了產(chǎn)品對任務(wù)成功性的要求［2］?？煽啃灶A(yù)計(jì)是在產(chǎn)品尚無自身實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，根據(jù)類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或組成該單元的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品在給定工作或非工作條件下的可靠性參數(shù)進(jìn)行估算，得到設(shè)備的可靠性指標(biāo)，它是一種由定性轉(zhuǎn)為定量評(píng)估設(shè)備可靠性的有效方法［3］，預(yù)測結(jié)果可以評(píng)估維修預(yù)算和改進(jìn)設(shè)計(jì)［4］。

對于船舶操舵控制系統(tǒng)，大部分模塊的電子器件可以參照GJB∕Z 299C手冊中的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)計(jì)，但是顯控模塊的LCD顯示屏無法使用手冊預(yù)計(jì)，本文提出基于IEC TR 62380標(biāo)準(zhǔn)和相似產(chǎn)品法結(jié)合對無法進(jìn)行手冊預(yù)計(jì)的顯示屏LCD進(jìn)行預(yù)計(jì)。并以某新型操舵控制為例，對其進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，并針對預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 可靠性預(yù)計(jì)方法對比分析

系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法多種多樣，目前常用的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法有相似產(chǎn)品法、元器件計(jì)數(shù)法（基于手冊）、應(yīng)力分析法（基于手冊）、專家評(píng)分法和失效物理法［5］。基于手冊的元件計(jì)數(shù)法和應(yīng)力分析法在商業(yè)產(chǎn)品預(yù)計(jì)十分常用，失效物理法模型復(fù)雜，實(shí)用性較差［6］。

相似產(chǎn)品法適用于具有繼承性的產(chǎn)品，在擁有相似產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析改進(jìn)的結(jié)構(gòu)、工藝、材料等對可靠性差異的影響，利用比值分析法確定新產(chǎn)品的可靠性，該方法計(jì)算簡單。其缺點(diǎn)是預(yù)計(jì)較為粗略。

基于手冊的方法分別有MIL-HDBK-217、GJB∕Z-2009C、Telcordia SR-332等 ，其 中 MIL-HDBK-217是美國國防部與空軍合作研究的可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［7］，GJB∕Z-2009C是中國根據(jù)自身工業(yè)實(shí)際結(jié)合MIL-HDBK-217進(jìn)行擴(kuò)展得到，Telcordia SR-332源自美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，由于模型簡單，預(yù)計(jì)方便，多用于商業(yè)產(chǎn)品。手冊的方法預(yù)計(jì)結(jié)果較為精確，其缺點(diǎn)是預(yù)計(jì)要求嚴(yán)格，工作量大［8］。

專家評(píng)分法是對不同單元的可靠情況對比，主要評(píng)分依據(jù)有單元復(fù)雜度、重要度、技術(shù)水平、工作環(huán)境和工作時(shí)間等，根據(jù)評(píng)分系數(shù)確定可靠性數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是，預(yù)計(jì)有一定主觀成分［9］。

失效物理是在研究電子元器件失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，引入化學(xué)與物理的分析方法，說明產(chǎn)品的失效機(jī)理［10］，并根據(jù)應(yīng)力-時(shí)間、應(yīng)力-強(qiáng)度、電遷移等模型，得到元器件可靠性數(shù)據(jù)。失效物理方法預(yù)計(jì)針對性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是實(shí)用性不高。對于船舶操舵控制系統(tǒng)來說，元器件數(shù)量大、失效機(jī)理多樣，計(jì)算模型過于復(fù)雜。

通過以上預(yù)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析，結(jié)合船舶操舵控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，并根據(jù)工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對常規(guī)電子元器件，以GJB∕Z 299C手冊中的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)元器件應(yīng)力分析法和元器件計(jì)數(shù)法進(jìn)行預(yù)計(jì)；對標(biāo)準(zhǔn)中未給出預(yù)計(jì)方法的智能元器件，如顯示控制器等，提出基于IEC TR 62380標(biāo)準(zhǔn)和相似產(chǎn)品法相結(jié)合的失效率預(yù)計(jì)方法。

3 常規(guī)元器件失效率預(yù)計(jì)模型

3.1 預(yù)計(jì)參數(shù)設(shè)置

研究分析新型操舵控制系統(tǒng)的不同模塊和不同元器件，需要確定不同模塊和元器件的電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力和其他元件參數(shù)［11］。

1）環(huán)境應(yīng)力πE：國軍標(biāo)中將環(huán)境分為19個(gè)類別，其中針對船舶操舵控制系統(tǒng)，有以下兩類環(huán)境“艦船良好艙內(nèi)Ns1”和“艦船普通艙內(nèi)Ns2”。操舵控制系統(tǒng)中自動(dòng)操舵儀部分安裝在駕駛室，其余模塊和單元安裝在舵機(jī)艙。即隨動(dòng)手輪模塊、顯控模塊和綜合控制模塊環(huán)境應(yīng)力為Ns1，指令收發(fā)模塊和舵角反饋模塊環(huán)境應(yīng)力為Ns2。

2）電應(yīng)力πv：根據(jù)某一單元具體的電路原理圖，通過計(jì)算、電路仿真或者實(shí)際測試獲得元器件在工作時(shí)的電壓、電流和功率。

3）溫度應(yīng)力πT：溫度應(yīng)力的設(shè)置根據(jù)船艙內(nèi)實(shí)際情況，在駕駛室內(nèi)為空調(diào)房間，保持室溫25度左右，但考慮到工作時(shí)元器件會(huì)有溫升，取溫度應(yīng)力參數(shù)35℃；在舵機(jī)艙內(nèi)未安裝空調(diào)，取溫度應(yīng)力參數(shù)為40℃。

4）質(zhì)量等級(jí)與質(zhì)量系數(shù)πQ：考慮到某新型操舵控制系統(tǒng)為軍艦的操舵控制系統(tǒng)，元器件都是按軍用標(biāo)準(zhǔn)篩選要求進(jìn)行制造的B2質(zhì)量等級(jí)產(chǎn)品，根據(jù)手冊可知質(zhì)量系數(shù)為0.5。

5）電路復(fù)雜度失效率C1、C2和封裝復(fù)雜度失效率C3：操舵控制系統(tǒng)在不同模塊中都包含很多的微處理器或者集成芯片以完成某種特定功能，其中芯片的電路復(fù)雜度可參考芯片的引腳數(shù)與門電路數(shù)量來確定。

6）其他元件參數(shù)：除了質(zhì)量系數(shù)、環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力和溫度應(yīng)力之外，一些電阻、電容、連接器、繼電器各有自身特點(diǎn)的參數(shù)，可根據(jù)具體元器件參數(shù)進(jìn)行建模計(jì)算。

3.2 失效率預(yù)計(jì)模型

元器件在應(yīng)用環(huán)境下的失效率，除個(gè)別元器件外，工作失效率都包含基本失效率和溫度、電應(yīng)力之外的元器件質(zhì)量控制等級(jí)、環(huán)境應(yīng)力、應(yīng)用狀態(tài)、性能額定值、種類、結(jié)構(gòu)等失效率影響因素。即通常由基本失效率λb乘以上述各因素的調(diào)整系數(shù)來表示。對船舶操舵控制系統(tǒng)，元器件的應(yīng)力分析法的可靠性預(yù)計(jì)模型如下所示［12］。

微處理器及其它芯片：

半導(dǎo)體器件：

電容器：

電阻器：

上式中：λPi為元器件i的失效率，λbi為元器件 i的基本失效率；πQi、πEi、πVi、πTi、πCi分別為元器件i的質(zhì)量系數(shù)、工作環(huán)境系數(shù)、工作電應(yīng)力系數(shù)、工作熱應(yīng)力系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)；πcvi、πc?i、πki、πRi分別為電容器i的電容量系數(shù)、電容器i表面貼裝系數(shù)、電容器i種類系數(shù)、電阻器i阻值系數(shù)；C1i、C2i、C3i分別為電路復(fù)雜度和封裝復(fù)雜度。

元器件計(jì)數(shù)法相比應(yīng)力分析法模型較為簡單，只需要知道元器件的種類和數(shù)量、質(zhì)量等級(jí)和工作環(huán)境，具體模型為

式中：λGS為設(shè)備總失效率，10-6/? ；λGi為第 i種元器件通用失效率，10-6/?；πQi為第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；Ni為第i種元器件數(shù)量；n為設(shè)備所用元器件種類數(shù)量。

4 智能元器件失效率預(yù)計(jì)模型

操舵控制系統(tǒng)的顯控單元的顯示器為特殊元件，一般用特定的工廠生產(chǎn)，這些元件沒有對應(yīng)的預(yù)計(jì)模型，因此，可以參照IEC TR 62380預(yù)計(jì)手冊中提供的方法對顯示器進(jìn)行應(yīng)力分析，之后根據(jù)相似產(chǎn)品法得出操舵控制系統(tǒng)顯示器的失效率。建立相應(yīng)的可靠性預(yù)計(jì)模型如下［13］：

式中：λOL為顯示器的基本失效率；j為任務(wù)階段數(shù)；πn為波動(dòng)幅值下的循環(huán)周期數(shù)；ΔTi為溫度波動(dòng)大?。?πn)i為失效影響因子，若ni為每年的溫度波動(dòng)周期數(shù)，當(dāng)

5 某新型操舵控制系統(tǒng)可靠性實(shí)例預(yù)計(jì)

5.1 系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖與可靠性數(shù)學(xué)模型

首先，對船舶操舵控制系統(tǒng)的失效狀態(tài)進(jìn)行定義。將完成船舶操縱性的功能的狀態(tài)定義為有效狀態(tài)，則不能完成船舶操縱性功能的狀態(tài)定義為失效狀態(tài)。簡單地，將操舵控制系統(tǒng)的模式分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，兩種模式只要一種模式工作正常，系統(tǒng)便為有效狀態(tài)。

某新型操舵控制系統(tǒng)根據(jù)功能可劃分為隨動(dòng)手輪模塊、顯控模塊、綜合控制模塊、指令收發(fā)模塊和舵角反饋模塊。其中，手動(dòng)模式涉及的模塊有隨動(dòng)手輪模塊、綜合控制模塊、指令收發(fā)模塊、舵角反饋模塊；自動(dòng)模式涉及的模塊有顯控模塊、綜合控制模塊、指令收發(fā)模塊、舵角反饋模塊。根據(jù)任務(wù)可靠性的定義和船舶操舵控制系統(tǒng)的工作模式，建立系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖如圖1所示。

圖1 某新型操舵控制系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

根據(jù)可靠性框圖可知系統(tǒng)為混聯(lián)系統(tǒng)，隨動(dòng)手輪模塊和顯控模塊為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其余三個(gè)模塊為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型為

系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間和失效率分別為

式中 λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分別為隨動(dòng)手輪模塊、顯控模塊、綜合控制模塊、指令收發(fā)模塊和舵角反饋模塊的失效率。

5.2 可靠性預(yù)計(jì)

系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)的步驟可按照圖2進(jìn)行。

圖2 系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)步驟

假定舵輪為完全可靠，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，采用應(yīng)力分析法模型對隨動(dòng)手輪模塊、舵角反饋模塊和綜合控制模塊的可靠度進(jìn)行預(yù)計(jì)，根據(jù)公式（1）-（4）的預(yù)計(jì)模型進(jìn)行預(yù)計(jì)。指令收發(fā)模塊核心器件較少，相對來說重要度較低但元器件多，復(fù)雜度較高，故采用元器件計(jì)數(shù)法模型進(jìn)行預(yù)計(jì)，根據(jù)式（5）的預(yù)計(jì)模型進(jìn)行預(yù)計(jì)。根據(jù)相應(yīng)的模型參數(shù)對該船舶操舵控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，可以得到各個(gè)單元和板件的失效率，進(jìn)而計(jì)算得出各個(gè)模塊的失效率。

顯控模塊包含顯示器、按鍵板和顯示驅(qū)動(dòng)板，其中顯示器根據(jù)IEC TR 62380和相似產(chǎn)品法進(jìn)行預(yù)計(jì)，按鍵板和顯示驅(qū)動(dòng)板采用元器件計(jì)數(shù)法模型預(yù)計(jì)。一年為365天，假定每天的溫度變化條件一致為5℃，則j=1。每天溫度波動(dòng)一次為一個(gè)周期，一年波動(dòng)周期數(shù)為365，則ni=365。顯示器尺寸小于10英寸（0.25m），根據(jù)IEC TR 62380標(biāo)準(zhǔn)，其基本失效率λOL=50Fit。根據(jù)以上參數(shù)按式（10）的可靠性模型計(jì)算可得顯示器的失效率為

上述結(jié)果為國外同類產(chǎn)品的失效率，根據(jù)相似產(chǎn)品法和工程經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)產(chǎn)品的失效率可取國外同等產(chǎn)品的四倍，則λL1=λL×4=1.524×10-6/h。

綜上所述，采用應(yīng)力分析法、元器件計(jì)數(shù)法和相似產(chǎn)品法相結(jié)合的技術(shù)手段對某新型操舵控制系統(tǒng)的任務(wù)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，首先得到每個(gè)模塊元器件的失效率，其中主要元器件失效率預(yù)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 主要元器件失效率數(shù)據(jù)

計(jì)算得到每個(gè)模塊的失效率如表2所示。

表2 模塊失效率數(shù)據(jù)

根據(jù)式（8）、（9），系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間和失效率分別為

5.3 預(yù)計(jì)結(jié)果分析

5.3.1 元器件的影響分析

根據(jù)數(shù)據(jù)可以得到各個(gè)模塊中影響度前三的元件分布情況，如圖3所示。

圖3 各個(gè)模塊中元件失效率前三位的元器件

根據(jù)圖3和失效率預(yù)計(jì)結(jié)果可以得到影響某新型船舶操舵控制系統(tǒng)的主要元器件為微處理器、普通貼片電容、繼電器、液晶顯示器和一些接口芯片。而單個(gè)元器件的失效率中，微處理器的失效率最高。

5.3.2 不同模塊的影響分析

根據(jù)不同模塊的失效率數(shù)據(jù)可得出失效率占比圖如圖4所示?？梢钥闯?，某新型船舶操舵控制系統(tǒng)的綜合控制模塊失效對系統(tǒng)失效的影響最大，其次是指令收發(fā)模塊和反饋模塊，它們是決定操舵控制系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間的關(guān)鍵模塊。顯控模塊的失效率主要由顯示器和單片機(jī)決定，不過它們?yōu)橥獠吭O(shè)備，為單獨(dú)模塊，更換方便。在使用和設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該重點(diǎn)改進(jìn)和優(yōu)化綜合控制模塊。

圖4 各個(gè)模塊失效率占比

6 結(jié)語

船舶航行的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和安全性依賴于操舵控制系統(tǒng)的可靠性，因此對船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)和分析十分重要。本文通過對目前存在的可靠性預(yù)計(jì)方法、預(yù)計(jì)手冊進(jìn)行對比分析，根據(jù)船舶操舵控制系統(tǒng)的實(shí)際情況提出對應(yīng)的預(yù)計(jì)方法。以失效率為預(yù)計(jì)對象，建立預(yù)計(jì)模型，最后對某新型操舵控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例預(yù)計(jì)和分析，驗(yàn)證所提出預(yù)計(jì)方法的可科學(xué)性，并對系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)提出改進(jìn)建議。