指挥控制系统可靠性设计与评估方法研究*

贾爱梅 蒋贤志

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

1 引言

在现代和未来的高新技术战争中,战场环境异常复杂,存在很多不确定的因素,指挥控制系统的可靠性和生存能力受到严重威胁。特别是指挥领域对抗激烈、执行任务时间长、全天候、全天时的工作环境等特点,对指挥控制系统的可靠性提出了更高、更苛刻的要求。科学合理地进行指挥控制系统的可靠性设计与评估,目的在于通过分析影响指挥控制系统可靠性的因素,探寻提高其可靠性的途径,使系统能够胜任作战指挥任务的要求,确保指挥信息在系统内顺畅流通,为作战部队各级指挥人员提供高效、稳定、保密、不间断的战斗指挥保障。

2 指挥控制系统的可靠性

指挥控制系统的可靠性是系统在规定条件下和规定时间内,组成系统的分系统、单元无故障地完成规定功能的能力。可靠性的概率度量称为可靠度,用R(t)表示,它是分系统或单元在一定环境条件下,在规定时间内完成应有技术指标或功能的概率[1]。可靠度通常用可靠度函数来描述,可靠度函数有多种分布类型,因指挥控制系统多由电子设备组成,电子产品失效率服从指数分布的,使用指数分布型可靠度函数,比较符合指挥控制系统的组成结构。其可靠度函数表达式为:

式中:λ为系统故障率,t为系统执行任务时间。

3 指挥控制系统的可靠性模型及可靠度评估

3.1 可靠性模型

系统的可靠性模型是指系统的可靠性结构模型(也称为可靠性方框图)及其数学模型。它是从可靠性角度表示系统各单元之间的逻辑关系的,并将该逻辑关系用框图来表示的一种概念模型,对它的数学描述就是可靠性的数学模型[2]。

3.1.1 串联系统

串联系统可靠性模型是由构成系统的n个单元组成的串联结构,如图1所示。

图1 串联系统可靠性模型

所有单元全部正常工作时,系统正常工作,任一单元发生故障都会导致整个系统失效。如单元的可靠度为Ri(t),系统的可靠度Rs(t)为:

由于各单元的可靠性都小于1,整个系统的可靠性会小于单元的可靠性,且串联的单元越多,系统的可靠性越小。

3.1.2 并联系统

并联系统的可靠性模型是由构成系统的平行工作的单元组成,如图2所示。

系统的任一单元正常工作,系统即正常工作,所有单元全部失效,系统才失效。如单元的可靠度为Ri(t),单元的故障率为1-Ri(t),系统的故障率为各单元同时发生故障的概率,即各单元故障率的乘积。则系统的可靠度Rs(t)为:

图2 并联系统可靠性模型

由此可见,并联系统的可靠性大于系统任一单元的可靠性。

当2个单元组成并联系统时,系统的可靠性可提高50%;3个单元组成并联系统时,第3个单元对提高系统可靠性的比重只有33.3%,4个单元组成并联系统时,第4个单元对提高系统可靠性的比重只有25%;随着并联单元的增多,各单元对提高系统可靠性的贡献程度将逐步下降,综合考虑系统制造成本及系统可靠性,一般采用2个或3个单元并联来保证系统的可靠性。

3.1.3 混联系统

混联系统的可靠性模型是由串联子系统和并联子系统混合组成,如图3所示。可分别求出串联子系统、并联子系统的可靠度,再求出总系统的可靠度。

图3 混联系统可靠性模型

3.1.4 表决系统

表决系统n个单元中只要有r个单元正常工作系统就能正常工作,其可靠性模型如图4所示。

如单元可靠度为R(t),系统可靠度Rs(t)为:

图4 表决系统可靠性模型

其中:i为正常工作单元数,i=r,r+1,…,n时系统都可正常工作。

3.1.5 冗余系统

系统中某工作单元失效时,处于备用的另一单元即能替换,该系统称为冗余系统。与并联系统不同的是,冗余系统为待机工作,并联系统为同机工作。

对于有n个单元组成的系统,1个单元工作,其余n-1个单元为备用,且在备用期内不失效。假设单元可靠度Ri(t)均一致,且单元故障的发生是随机的,则系统可靠度为[3]:

对于有L个单元同时工作,另有n个单元备用,当一个工作单元失效后由n个中的一个替换,则系统的可靠度为:

3.2 评估实例

设某指挥控制系统由车载电源、指挥终端、网络交换机、无线网桥、通信控制器、短波电台、高速数字用户环线、综合语言控制设备组成。其可靠性模型如图5所示。

图5 某指挥控制系统任务可靠性模型

系统的可靠度取就于组成设备的可靠度及可靠性模型,假设各组成设备的可靠度如表1所示。

表1 某指挥控制系统组成设备可靠度

如短波电台有冗余,按1:1进行库备,即L=1,n=1,此时短波电台的可靠度为:

由此可见,通过对可靠度较低的设备进行库备,可以大大提高整个系统的可靠度。

4 提高指挥控制系统可靠性设计方法

系统的可靠性是评价系统最基本的价值目标之一,它不仅是一个系统的重要质量指标,而且关系到整个系统研制的成败。系统的可靠性与其性能、成本、进度等基本价值目标有着密切的关系。在进行系统可靠性设计时,应从方案的选择、结构系数的确定等方面来考虑,达到低成本、低能耗、高可靠性的设计目的[4]。

4.1 故障预防设计法

合理实施继承性设计,尽量采用成熟技术,对前瞻性技术进行充分的研究、试验,按规定进行评审,确保风险最小。设计系统时放宽输入、输出信号临界值的要求,使其具有承受一定过载、过热、电压的突变能力,降低系统故障发生的概率。

4.2 冗余设计法

冗余设计法就是在系统完成任务起关键作用的部分、可靠度相对较低的环节,增加一套以上完成相同功能的通道、单元或元件。当该部分出现故障时,系统仍能正常工作,提高系统可靠性。特别是对于复杂的、有高可靠性和长寿命要求的大、中型系统,冗余设计法是广泛用来提高系统可靠性的方法之一。

4.3 降额设计法

降额设计是使元器件或设备工作时所承受的电应力、温度应力适当低于元器件或设备规定的额定值,从而达到降低基本故障率,提高使用可靠性的目的。不同类别的元器件,降额应力参数不同,同样的元器件应用在不同的设备和环境条件下,其降额幅度也不一样。对于各类元器件,都有其最佳降额范围,如在使用时超出其最佳降额幅度,反而对设备的正常工作不利,降低了设备的使用可靠性。设计时按国家军用标准GJB/Z35《元器件降额准则》执行[2]。

4.4 智能BIT故障诊断法

智能BIT(Built-in Test,机内测试)系统故障诊断是以人工智能、信息论、系统论、控制论等为基础,将专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等在内的智能理论应用到BIT的设计、检测、诊断、决策等方面,使被测系统具有更高的故障诊断能力,有效消除虚警问题,测试和隔离间歇性故障,对系统的关键部件及重要器件具有状态预测能力,提高BIT综合效能[5]。

5 结语

指挥控制系统的可靠性主要依赖于组成系统的分系统、单元的可靠性,根据指挥控制系统的组成,合理建立系统的可靠性模型,进行系统的可靠性设计与评估,对提高系统的可靠性和作战效能具有十分重要的意义。最终达到设计的系统不易发生故障、发生故障后对系统影响较小、发生故障后系统仍可正常运行、故障定位及排除迅速的目的。

[1]曾声奎,赵廷弟,张建国,等.系统可靠性设计分析教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001:10～45

[2]陈明,张京妹.控制系统可靠性设计[M].西安:西北工业大学出版社,2006:38～130

[3]李源,杨建军.防空武器系统的可靠性评估方法研究[J].航空计算技术,2007(11):42～44

[4]郭波,武小悦,张秀斌,等.系统可靠性分析[M].长沙:国防科技大学出版社,2002:18～69

[5]贾爱梅,梅孝顺.基于BP神经网络的智能 BIT故障诊断系统研究[J].计算机与数字工程,2009,37(12):54～46