李鵬杰，王新蕊，司訪，李小奇，管小榮

（1.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)兵器裝備研究所，北京 102202；2.南京理工大學(xué)，南京 210094）

士兵系統(tǒng)一般包括火力打擊、偵察探測(cè)、指控通聯(lián)、攜行機(jī)動(dòng)、偽裝防護(hù)、構(gòu)工克障等能力，模塊眾多，接口體系復(fù)雜。因此，系統(tǒng)信息處理能力和穩(wěn)定性與元器件可靠性相互依存關(guān)系較大。遍布士兵全身的功能模塊，眾多的物理接口及繁雜的電氣連線、導(dǎo)線沒(méi)有與服裝、頭盔一體化集成，士兵系統(tǒng)普遍存在可靠性差、維修保障困難等問(wèn)題。

可靠性需求是士兵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要需求，在滿足基本功能的前提下，系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)應(yīng)能夠保證安全使用且穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的需求，包括惡劣環(huán)境、使用需求變化以及系統(tǒng)內(nèi)部惡化（如長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱、內(nèi)存溢出等）情況下，能夠安全且穩(wěn)定地正常運(yùn)行。如系統(tǒng)能源不爆炸、不起火需求，信息安全需求，環(huán)境適應(yīng)性、作戰(zhàn)適應(yīng)性、使用壽命需求，軟件響應(yīng)時(shí)間、中斷切換重新進(jìn)入時(shí)間、使用流暢度等。

目前，對(duì)于裝備可靠性方面的研究成為了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。郭亮提出了一種用于電子設(shè)備可靠性檢測(cè)和設(shè)備故障率預(yù)測(cè)的方法，該方法可以幫助理解電子設(shè)備設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中影響可靠性的工藝環(huán)節(jié)。閆俊岑等提出了一種新穎的可靠性評(píng)估方法，該方法可通過(guò)加工性能退化數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)設(shè)備的可靠性水平。該方法引入了最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）來(lái)分析設(shè)備的性能退化過(guò)程，為了提高LS-SVM的回歸性能，提出了一種兩階段參數(shù)優(yōu)化和搜索方法，并建立了基于LS-SVM的可靠性評(píng)估模型。趙新俊分析了螺栓連接各種工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性的來(lái)源、作用形式和程度，并篩選出了敏感參數(shù)，數(shù)值計(jì)算了不確定參數(shù)作用下隨機(jī)臨界橫向載荷的分布，通過(guò)對(duì)概率密度函數(shù)進(jìn)行積分，得到了螺栓連接的可靠性數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于可靠性分析方法的研究較多，但是對(duì)于士兵系統(tǒng)可靠性方面的研究尚處于空白。本文以士兵系統(tǒng)信息裝備為研究對(duì)象，研究其可靠性影響因素和評(píng)估方法，為士兵系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估提供理論支撐。

1 士兵系統(tǒng)可靠性內(nèi)涵

士兵系統(tǒng)可靠性指標(biāo)主要有功能模塊之間的連接可靠性和工作穩(wěn)定性、故障率、壽命、連接支架工作強(qiáng)度、光學(xué)器件耐沖擊強(qiáng)度、可調(diào)節(jié)組件調(diào)節(jié)強(qiáng)度。士兵系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)主要有結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、電氣可靠性設(shè)計(jì)和連接可靠性設(shè)計(jì)。

1）結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要對(duì)于系統(tǒng)中的連接件、受力件、頻繁操作使用的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞性設(shè)計(jì)分析，保證結(jié)構(gòu)的使用強(qiáng)度。系統(tǒng)中殼體采用密封性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高其環(huán)境適應(yīng)性。對(duì)于系統(tǒng)中發(fā)熱模塊，通過(guò)電氣模塊熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合，減小系統(tǒng)工作時(shí)的熱損耗及散熱效果，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）電氣可靠性設(shè)計(jì)。在電氣設(shè)計(jì)方面，合理選擇、使用元器件、操作系統(tǒng)及軟件等，并進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性篩選，消除早期故障。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能地簡(jiǎn)化控制電路，盡量實(shí)現(xiàn)集成電路設(shè)計(jì)，能夠用軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡可能地減少硬件電路。各模塊采用獨(dú)立電路保護(hù)設(shè)計(jì)，確保單獨(dú)模塊出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致其他模塊失效。

3）連接可靠性設(shè)計(jì)。系統(tǒng)連接可靠性方面，選用具有密封性、自鎖功能的連接器和耐強(qiáng)拉力的線纜，保證系統(tǒng)連接可靠。一方面，對(duì)系統(tǒng)線纜采用隱蔽處理，以模塊之間連接線最短為原則，將線纜走線埋入裝備內(nèi)部，穿戴在士兵身上，盡可能避免作戰(zhàn)過(guò)程中線纜被鉤掛，影響系統(tǒng)工作的可靠性。當(dāng)線纜由于不可抗外因受到拉扯時(shí)，應(yīng)具備一定的抗拉能力，保證不會(huì)斷裂。另一方面，連接器應(yīng)具備自鎖功能，避免鉤掛等外力直接將連接器插拔處斷開，同時(shí)通過(guò)不同多鍵槽定位方式實(shí)現(xiàn)接插件防誤插。

4）信息通聯(lián)可靠性。信息通聯(lián)方面，通過(guò)將士兵系統(tǒng)中的電臺(tái)、手機(jī)、耳機(jī)等模塊進(jìn)行高可靠性通聯(lián)設(shè)計(jì)，在其中某一個(gè)模塊損壞時(shí)，能夠保證其他模塊不受影響，繼續(xù)保持通聯(lián)暢通，實(shí)現(xiàn)士兵系統(tǒng)中的信息化設(shè)備可以降級(jí)使用。

2 士兵系統(tǒng)信息可靠性評(píng)估方法

2.1 基本可靠性數(shù)學(xué)模型

以士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)裝備為例，介紹士兵系統(tǒng)裝備可靠性評(píng)估方法。假定士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)有8個(gè)信息化模塊，分別為模塊1、模塊2、模塊3、模塊4、模塊5、模塊6、模塊7、模塊8，則士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)可靠度：

式中：R（=1, 2,…, 8）為各模塊的可靠度。

2.2 可靠性指標(biāo)分配

各模塊按照研制要求分別進(jìn)行可靠性分析。首先做概略預(yù)計(jì)，采取相似產(chǎn)品與評(píng)分法結(jié)合的方式進(jìn)行預(yù)計(jì)。通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員或?qū)＜覍?duì)影響可靠性的因素進(jìn)行評(píng)分，綜合分析評(píng)分，進(jìn)而獲得各組成單元之間的可靠性相對(duì)比值，再以某一模塊的可靠性數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，預(yù)計(jì)產(chǎn)品中其他單元的可靠性。

圖1 評(píng)分預(yù)計(jì)法流程 Fig.1 Flow chart of scoring prediction method

1）可靠性分配。已知某k單元的故障率為，則其他單元的故障率為λ：

式中：為單元數(shù)，=1, 2,…,；C為第個(gè)單元的故障率系數(shù)。

式中：ω為第個(gè)單元評(píng)分?jǐn)?shù)；為所有工作單元的評(píng)分總數(shù)。

式中：r為第個(gè)單元、第個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù)。

2）考慮因素和評(píng)分原則。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，最終確定以下影響系統(tǒng)的5種因素：對(duì)任務(wù)完成的重要度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、技術(shù)水平成熟度、工作頻率和環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響程度。各種因素的評(píng)分范圍為1~10。

對(duì)任務(wù)完成的重要度——考慮該系統(tǒng)故障對(duì)完成任務(wù)造成影響的程度，影響程度越高，其重要程度越高，最高的評(píng)10分，最低評(píng)1分。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度——根據(jù)組成單元的元器件數(shù)量以及它們組裝的難易程度來(lái)評(píng)定，系統(tǒng)復(fù)雜程度越高，越容易引發(fā)故障，越有可能影響任務(wù)的完成。因此，最復(fù)雜結(jié)構(gòu)的評(píng)10分，最簡(jiǎn)單的評(píng)1分。

技術(shù)成熟度——根據(jù)組成單元目前技術(shù)水平的 成熟程度來(lái)評(píng)定。沿用已有的相似系統(tǒng)的技術(shù)，技術(shù)越成熟，技術(shù)水平越高，相對(duì)應(yīng)的可以對(duì)其要求更高的可靠性，更低的故障率。因此，技術(shù)成熟度最高的評(píng)1分，技術(shù)成熟度最低的評(píng)10分。

工作頻率——根據(jù)組成單元的工作時(shí)間來(lái)評(píng)定。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于固定的故障率，系統(tǒng)工作時(shí)間越長(zhǎng)，其可靠性越低。因此，系統(tǒng)工作時(shí)，單元一直工作的評(píng)10分，工作時(shí)間最短的評(píng)1分。

環(huán)境條件——根據(jù)組成單元對(duì)所處的環(huán)境的敏感程度來(lái)評(píng)定，對(duì)環(huán)境要求較高的單元，工作過(guò)程中經(jīng)受極其惡劣和嚴(yán)酷的環(huán)境條件的，越容易發(fā)生故障。因此，對(duì)環(huán)境敏感度最大的單元評(píng)10分，而對(duì)環(huán)境敏感度最小的單元評(píng)1分。

3 士兵信息系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)分值和評(píng)分系數(shù)獲取

本文以士兵信息系統(tǒng)為例，采用相似產(chǎn)品法，以某核心模塊的可靠性數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，令信息系統(tǒng)的評(píng)分系數(shù)為1，請(qǐng)了解系統(tǒng)特點(diǎn)的5位專家，分別對(duì)士兵信息系統(tǒng)的其他模塊的重要度、復(fù)雜程度、技術(shù)水平、工作時(shí)間、工作環(huán)境等因素進(jìn)行評(píng)分。與模塊進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到當(dāng)前系統(tǒng)的其他各模塊的可靠性分配指標(biāo)，見表1。

表1 各模塊可靠性指標(biāo)評(píng)分 Tab.1 Reliability index score table of each module

3.2 平均故障間隔時(shí)間計(jì)算

通過(guò)測(cè)量士兵信息系統(tǒng)各模塊的故障率，計(jì)算模塊及系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間，具體數(shù)值見表2。

表2 各模塊可靠性指標(biāo)評(píng)分 Tab.2 Reliability index score table of each module

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代電子裝備的復(fù)雜程度和集成度日益提高，士兵系統(tǒng)通常工作在惡劣的自然環(huán)境和電磁環(huán)境中，對(duì)于系統(tǒng)可靠性要求較高。本文以士兵信息系統(tǒng)為例，通過(guò)分析信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、電氣、連接、通聯(lián)等方面的可靠性，提出了一種針對(duì)士兵信息系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法，并結(jié)合典型士兵系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，研究結(jié)果可為士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)提供理論支撐。