金永明，吳作棟，王鵬飛

(海裝駐上海第一軍事代表室，上海 201913)

艦炮武器系統(tǒng)一般由機(jī)械系統(tǒng)(主要是艦炮發(fā)射單元)和電氣系統(tǒng)(即搜索、跟蹤與控制單元)共同構(gòu)成,是機(jī)、電、液一體的復(fù)雜系統(tǒng)[1],在其研制試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中,如果不考慮可靠性增長(zhǎng)水平,定型試驗(yàn)通過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)便會(huì)增加。因此,需要針對(duì)復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)合適的可靠性增長(zhǎng)模型,以指導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)在科研試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。

目前工程上比較經(jīng)典的方法是通過(guò)產(chǎn)品初樣機(jī)階段的各類(lèi)試驗(yàn)(外場(chǎng)試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)化試驗(yàn)),激發(fā)產(chǎn)品自身的故障,暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造方面的問(wèn)題,之后通過(guò)分析,找出故障機(jī)理,進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)或者改進(jìn)工藝,最后通過(guò)回歸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[2]。但是一般復(fù)雜系統(tǒng)在研制試驗(yàn)過(guò)程中,具有以下兩個(gè)特點(diǎn):

1)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)在不斷變化。由于系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中不斷的改進(jìn)設(shè)計(jì),因此不能使用總體(即母體)不變的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2)樣本量小。一般復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)在研制試驗(yàn)階段的樣機(jī)數(shù)量十分有限,所能進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間也特別少。

艦炮武器系統(tǒng)在研制過(guò)程中,其可靠性水平是不斷變化的,為保證系統(tǒng)在定型時(shí)能達(dá)到指標(biāo)要求,一方面需要通過(guò)可靠性分析手段(如FTA、FMECA等)確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié),改進(jìn)設(shè)計(jì),達(dá)到“定性”改進(jìn)的目的;另一方面需要通過(guò)確定可靠性增長(zhǎng)水平,同時(shí)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出明確的增長(zhǎng)目標(biāo),達(dá)到“定量”改進(jìn)的目的。

綜上所述,現(xiàn)代化艦炮武器系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng),需要在研制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)技術(shù)與管理兩線并重,針對(duì)其組成設(shè)備及試驗(yàn)特點(diǎn),制定適用的可靠性增長(zhǎng)模型,預(yù)測(cè)或評(píng)估其定型時(shí)可靠性水平達(dá)標(biāo)的可能性。

1 艦炮武器系統(tǒng)組成及任務(wù)概述

自20世紀(jì)以來(lái),艦炮武器作為海戰(zhàn)中主要武器之一,其性能在實(shí)戰(zhàn)或訓(xùn)練中得到不斷的完善和提高,并已由艦炮武器發(fā)展成艦炮武器系統(tǒng)。

艦炮武器系統(tǒng)的組成配置原則上是按艦艇的使命任務(wù)要求來(lái)確定的。無(wú)論是簡(jiǎn)單系統(tǒng)還是復(fù)雜系統(tǒng),一般包括三個(gè)分系統(tǒng):一是火力分系統(tǒng),主要包括艦炮和彈藥系統(tǒng);二是火控分系統(tǒng),主要包括跟蹤傳感器(光電和雷達(dá))和火控設(shè)備兩個(gè)子系統(tǒng);三是輔助分系統(tǒng),主要有艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)(平臺(tái)羅經(jīng)、計(jì)程儀、氣象儀、GPS等信息)、捷聯(lián)垂直參考裝置、測(cè)速雷達(dá)、自檢測(cè)試設(shè)備、訓(xùn)練儀、信息適配及接口設(shè)備等[1]。

2 可靠性增長(zhǎng)方法概述

可靠性增長(zhǎng)是一種通過(guò)不斷地暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、進(jìn)行驗(yàn)證從而提高產(chǎn)品可靠性的過(guò)程[3]。通過(guò)可靠性增長(zhǎng)技術(shù),可以有效提高產(chǎn)品的可靠性水平,降低全壽命周期的保障成本,提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。1993年,國(guó)防科工委辦法[1993]計(jì)基字第231號(hào)文“武器裝備可靠性與維修性管理規(guī)定”,也明確規(guī)定:“經(jīng)軍工產(chǎn)品定性機(jī)構(gòu)和使用部門(mén)認(rèn)可,成功的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)可以代替可靠性鑒定試驗(yàn)?！彼^成功的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),一般應(yīng)滿(mǎn)足下列條件[4]:

1)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)所采用的環(huán)境應(yīng)盡量與實(shí)裝場(chǎng)景下的環(huán)境應(yīng)力或者鑒定試驗(yàn)的應(yīng)力貼近;

2)應(yīng)對(duì)可靠性增長(zhǎng)的過(guò)程進(jìn)行真實(shí)、詳盡的記錄;

3)應(yīng)充分利用故障報(bào)告、分析及糾正系統(tǒng)(即FRACAS系統(tǒng));

4)應(yīng)選擇合適的置信水平,以確?？煽啃栽鲩L(zhǎng)的評(píng)估結(jié)果相對(duì)可信[4]。

常用的可靠性增長(zhǎng)包括:

1)一般性可靠性增長(zhǎng)[4];

2)可靠性增長(zhǎng)管理[5];

3)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)[6]。

無(wú)論是以上何種方法,都僅適用于艦炮武器系統(tǒng)的試驗(yàn)階段,無(wú)法利用產(chǎn)品在設(shè)計(jì)早期時(shí)的信息。而艦炮武器系統(tǒng)在研制時(shí),往往希望在設(shè)計(jì)早期盡早地暴露問(wèn)題,從而縮減研制費(fèi)用,提高費(fèi)效比。

3 基于AMSAA模型的復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)方法

對(duì)于可靠性增長(zhǎng)模型方面,目前國(guó)內(nèi)外也有大量的研究,已經(jīng)建立了各類(lèi)較為成熟的可靠性增長(zhǎng)模型。比較經(jīng)典的有Duane模型、AMSAA模型、Gompertz模型和EDRIC模型等[7-8],在軟件可靠性增長(zhǎng)分析方面,比較經(jīng)典的模型有Schneidewind模型[9]和Jelinski-Moranda模型[10]等。

對(duì)于復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng),其研制過(guò)程中的可靠性增長(zhǎng)的思路是:

1)根據(jù)技術(shù)協(xié)議確定系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)的目標(biāo)水平。且應(yīng)選取可靠性成熟期目標(biāo)值或者規(guī)定值作為增長(zhǎng)目標(biāo)。

2)開(kāi)展故障樹(shù)分析(FTA)或故障模式、影響及危害性分析(FMECA),確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。特別需要說(shuō)明的是,對(duì)于艦炮武器系統(tǒng),除了開(kāi)展全系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)外,也可以根據(jù)開(kāi)展FMECA或通過(guò)研制初期所暴露的故障,確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)(設(shè)備級(jí)),重點(diǎn)針對(duì)該設(shè)備開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)項(xiàng)目。

3)針對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié),制定相應(yīng)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)大綱。

4)在研制階段開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、材料等方面的質(zhì)量問(wèn)題,及時(shí)歸零并提出改進(jìn)措施,在試驗(yàn)過(guò)程中驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性。

5)收集試驗(yàn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn),以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性在試驗(yàn)中是否存在變化。

6)選取合適的可靠性增長(zhǎng)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷或預(yù)測(cè),判斷系統(tǒng)在試驗(yàn)截尾時(shí)間處的可靠性水平是否達(dá)到增長(zhǎng)的目標(biāo)。

3.1 拉普拉斯檢驗(yàn)

筆者選用拉普拉斯檢驗(yàn),具體步驟如下:

步驟1建立假設(shè)。接受原假設(shè)H0表示相鄰失效時(shí)間間隔Δi=ti+1-ti,i=1,…,n-1,服從指數(shù)分布,產(chǎn)品的可靠性沒(méi)有變化趨勢(shì)。當(dāng)拒絕原假設(shè)H0時(shí),備擇假設(shè)有兩種選擇:

1)H11:相鄰失效時(shí)間間隔Δi,i=1,…,n-1,隨機(jī)地變長(zhǎng),這意味著產(chǎn)品可靠性在增長(zhǎng)。

2)H12:相鄰失效時(shí)間間隔Δi,i=1,…,n-1,隨機(jī)地變短,這意味著產(chǎn)品可靠性在下降。

步驟2選取檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量μ。

1)在定數(shù)截尾試驗(yàn)情形下:

(1)

式中:M為常數(shù),對(duì)于定數(shù)截尾其值等于n-1;ti為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中的某一時(shí)刻;tn為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的截尾時(shí)刻。

2)在定時(shí)截尾試驗(yàn)情形如下:

(2)

式中:M為常數(shù),對(duì)于定時(shí)截尾其值等于n;ti為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中的某一時(shí)刻;tn為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的截尾時(shí)刻;T為定時(shí)截尾時(shí)間。

步驟3根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算μ的實(shí)現(xiàn)值。

步驟4根據(jù)規(guī)定的檢驗(yàn)顯著水平α,確定拒絕領(lǐng)域。

步驟5查趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量μ的臨界值表,將μ與μ1-α/2、μα/2比較,作出判斷:

1)當(dāng)μα/2<μ<μ1-α/2,接受H0,此時(shí)Δi=ti+1-ti沒(méi)有明顯的趨勢(shì),也就是以顯著性水平α表明產(chǎn)品可靠性沒(méi)有顯著增長(zhǎng)或下降的趨勢(shì)。

2)當(dāng)μ≤μα/2時(shí),拒絕H0,接受H11,此時(shí)Δi=ti+1-ti呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),也就是在顯著性水平α?xí)r,產(chǎn)品可靠性呈現(xiàn)增長(zhǎng)。

3)當(dāng)μ≥μ1-α/2時(shí),拒絕H0,接受H12,Δi=ti+1-ti呈現(xiàn)下降趨勢(shì),也就是以顯著性水平α?xí)r,產(chǎn)品可靠性呈現(xiàn)下降。

3.2 AMSAA模型

在可靠性增長(zhǎng)理論中,按照經(jīng)濟(jì)上的合理性,把產(chǎn)品全部故障分為A類(lèi)故障和B類(lèi)故障兩類(lèi)。A類(lèi)故障是指不能經(jīng)濟(jì)地降低其故障率的那些故障,既包含系統(tǒng)性故障也包含全部殘余性故障。B類(lèi)故障是指能經(jīng)濟(jì)地降低其故障率的那些系統(tǒng)性故障。

對(duì)于復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng),在可靠性增長(zhǎng)過(guò)程中一般出現(xiàn)A類(lèi)失效和殘余性失效時(shí),僅進(jìn)行簡(jiǎn)單修復(fù),不進(jìn)行設(shè)計(jì)糾正;如果出現(xiàn)B類(lèi)失效,則必須進(jìn)行設(shè)計(jì)糾正。

考慮采用AMSAA模型進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)評(píng)估。AMSAA模型不僅適用于可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的跟蹤,也適用于可靠性增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)[11]。具體步驟如下:

步驟1進(jìn)行拉普拉斯趨勢(shì)檢驗(yàn)。

步驟2參數(shù)估計(jì)。對(duì)于定時(shí)截尾情形,若系統(tǒng)的失效時(shí)間依次為:0=t0

(3)

在實(shí)際中,一般使用無(wú)偏估計(jì),即

(4)

而b的置信度為1-α的置信上限,為

(5)

步驟3進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。采用Cramer-Von Mises檢驗(yàn)法,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為

(6)

步驟4進(jìn)行MTBF點(diǎn)估計(jì)。針對(duì)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行系統(tǒng)可靠性水平MTBF點(diǎn)估計(jì)。當(dāng)t>T,系統(tǒng)不再改進(jìn),其MTBF的估計(jì)為

(7)

若需對(duì)可靠性增長(zhǎng)后的系統(tǒng)可靠性水平MTBF進(jìn)行分析,則分為兩種情形。

情形一:產(chǎn)品出現(xiàn)故障后不采取延緩糾正,步驟如下:

步驟1求解b的置信區(qū)間。對(duì)置信水平γ,形狀參數(shù)b的置信區(qū)間[bL,bU]為:

(8)

(9)

步驟2求解MTBF的置信區(qū)間。對(duì)置信水平γ,可查“AMSAA模型失效截尾區(qū)間估計(jì)系數(shù)[ρ1,ρ2]表”,得到ρ1與ρ2的值,從而計(jì)算MTBF的置信區(qū)間:

(10)

(11)

情形二:產(chǎn)品出現(xiàn)故障后采取延緩糾正,步驟如下:

步驟1采用可靠性增長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行可靠性評(píng)估。該模型在一般系統(tǒng)的研制當(dāng)中被高度重視和采用,并已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61164采用。

若在產(chǎn)品研制階段(0,T]內(nèi),共計(jì)觀測(cè)到n次失效,其中A類(lèi)失效nA次,第j種B類(lèi)失效的次數(shù)為nj(j=1,2,…,m),顯然有:

(12)

記Bj為第j種B類(lèi)故障失效模式,xj為其首次發(fā)生的時(shí)間,由AMSAA模型得:

(13)

(14)

(15)

步驟2在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的失效率估計(jì)為

(16)

然后可用該模型對(duì)可靠性增長(zhǎng)的潛力進(jìn)行估計(jì),當(dāng)所有B類(lèi)失效都被觀測(cè)到并得到有效更改時(shí),將會(huì)獲得最高的可靠性水平。因此,可靠性增長(zhǎng)潛力可由下述方程表示:

(17)

產(chǎn)品的可靠性水平最高可以達(dá)到:

(18)

4 分析計(jì)算

某型裝備在適應(yīng)性改進(jìn)過(guò)程中未及時(shí)開(kāi)展大量相關(guān)試驗(yàn),導(dǎo)致該型裝備在研制過(guò)程中暴露出很多故障,整體可靠性水平較低。為在研制過(guò)程中提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn),制定措施,采用可靠性增長(zhǎng)方法,通過(guò)收集分析故障數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)歸零,提高裝備的可靠性。

該裝備的可靠性指標(biāo)MTBF規(guī)定值為55 h,而通過(guò)研制階段初步分析,目前其可靠性水平約為25 h。在試驗(yàn)開(kāi)展之前,開(kāi)展故障樹(shù)分析(FTA)或故障模式、影響及危害性分析(FMECA),確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。依據(jù)相關(guān)規(guī)定,制定該裝備的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)大綱。在研制階段開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、材料等方面的質(zhì)量問(wèn)題,及時(shí)組織故障分析并提出改進(jìn)措施,在試驗(yàn)過(guò)程中驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性,完成故障歸零。收集試驗(yàn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn),以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性在試驗(yàn)中是否存在變化。

按照該系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)大綱要求,考慮工程上可靠性試驗(yàn)時(shí)間一般不低于10倍MTBF指標(biāo)的原則,確定為920 h試驗(yàn)時(shí)間的定時(shí)截尾方案,試驗(yàn)過(guò)程中共發(fā)生20次故障。針對(duì)所有出現(xiàn)的故障,質(zhì)量管理相關(guān)部門(mén)組織分析故障現(xiàn)象和原因,采取改進(jìn)設(shè)計(jì)等措施完成故障歸零。

試驗(yàn)過(guò)程中,出現(xiàn)問(wèn)題均采用即時(shí)糾正的措施加以改進(jìn),即采用本文AMSSA模型進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)預(yù)測(cè),某次試驗(yàn)收集到的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某型產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

針對(duì)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),選用拉普拉斯檢驗(yàn),可判斷系統(tǒng)的可靠性水平是否發(fā)生變化,從而驗(yàn)證改進(jìn)措施是否有效。使用式(2)計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量μ,得到:

取α=0.2,查表得到μα/2=-1.282,此時(shí)μ<μα/2,拒絕H0,接受H11,表明產(chǎn)品可靠性有顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

采用Cramer-Von Mises檢驗(yàn)法進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。根據(jù)式(6)得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為

針對(duì)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行該裝備可靠性水平MTBF點(diǎn)估計(jì)。其值為

可見(jiàn),該裝備MTBF點(diǎn)估計(jì)值高于研制合同中規(guī)定值55 h,裝備可靠性水平具備轉(zhuǎn)入鑒定階段的條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)具有機(jī)、電、液高度耦合的工作方式,以及其系統(tǒng)失效時(shí)間分布復(fù)雜、難以用單一分布描述的特點(diǎn),在完成系統(tǒng)故障模式、影響分析(FMEA)和故障樹(shù)分析(FTA)的基礎(chǔ)上,定義系統(tǒng)的兩類(lèi)故障(A類(lèi)故障及B類(lèi)故障),提出了基于AMSAA模型的復(fù)雜艦炮武器系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)方法。通過(guò)趨勢(shì)檢驗(yàn)、參數(shù)估計(jì)、擬合度檢驗(yàn)的過(guò)程,將有限的試驗(yàn)信息納入AMSAA的可靠性增長(zhǎng)和預(yù)測(cè)模型,并在系統(tǒng)完成定型時(shí)給出其可靠性增長(zhǎng)水平,用于判斷其可靠性指標(biāo)是否滿(mǎn)足用戶(hù)提出的研制要求。

通過(guò)基于AMSAA模型的復(fù)雜裝備可靠性增長(zhǎng)方法,可有效節(jié)約裝備的研制周期,特別是在樣機(jī)已完成研制的情況下,可有效綜合利用試驗(yàn)數(shù)據(jù),在正樣機(jī)研制完成時(shí),實(shí)現(xiàn)可靠性的增長(zhǎng),有效節(jié)約研制成本,為裝備轉(zhuǎn)入鑒定階段打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。