舰艇作战系统可靠性分析

于卫东，韩卫国

(中国人民解放军91404部队91分队， 河北 秦皇岛 066001)

随着国际形势的日趋紧张，我国水面舰艇任务逐渐发生变化，加速发展的舰艇军事技术装备大大提高了舰艇作战系统可靠性分析的难度，传统的可靠性分析方法已越来越难以满足需求，因此，研究简单有效的系统可靠性分析方法意义重大[1-2]。目前，常用的可靠性分析方法有可靠性框图分析法[3-4]、故障模式影响和危害性分析法(Failure Mode,Effects and Criticism Analysis，FMECA)[5]、故障树分析法(Fault Tree Analysis， FTA)[6]等。以上方法主要是基于系统结构建立逻辑关系，各装备的可靠性通常通过实验室试验和仿真分析相结合获得，方法简单，但实验室试验不能完整模拟复杂的战场环境，得到的分析结果可能误差较大。

本文根据当前水面舰艇任务，以某型舰的近程反导舰炮武器系统(下文均简称近程反导系统)作为研究对象，给出舰艇近程对空作战的典型任务剖面，建立任务可靠性模型，并收集相关质量数据。模型中各子单元寿命服从指数分布，采用Bayes方法计算各子单元的任务可靠度，然后按照层层逻辑关系得到系统可靠度。

1 任务剖面及质量数据收集

1.1 任务剖面描述

任务剖面[7-8]是指产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述，通常用于界定装备的主要任务、所处环境和任务时间等。在整个近程对空作战里可将舰艇任务剖面划分为备战备航、航渡、待机、任务执行、撤离和返航几个阶段，每个阶段有相应的工作时间长度。本文给出舰艇组织近程对空作战的典型任务剖面，如图1所示。

以该任务剖面为基础，需明确执行任务的各相关系统/设备的起始和终止工作时间，各系统/设备按照要求在不同阶段的不同时段开机。

1.2 质量数据收集

收集相关系统/设备的前期实验室数据和同型各舰服役以来的试验、维修、保障数据[9]，包括开关机时间、设备运行情况、对目标的发现及跟踪情况、系统通道组织运行情况、故障现象、故障发生时刻、故障排除时间及影响程度等，统计各系统/设备的有效失效故障数、累积工作时间和每次任务执行时间，便于进行各系统/设备的任务可靠度计算。

进行质量数据收集过程中需要注意以下几点：

1) 应保证信息完整，在记录设备运行时间和故障情况的同时记录好设备的名称、型号和所属系统的产品标志信息，以便进行信息的分析处理；

2) 应保证信息客观，不能任意取舍、推断数据；

3) 应保证信息及时，试验的同时及时记录信息，以免补记时遗漏重要数据。

2 任务可靠性模型

根据相关资料，某型近程反导系统通常主要由1套火控设备、1部跟踪雷达、1部跟踪仪、1座舰炮综合体、1套捷联参考基准组成。完成该型武器系统的对空作战任务需要本舰作战指挥系统、导航系统、通信系统、敌我识别器、对空搜索雷达协同配合，根据实际执行任务情况，做如下假设：

1) 由于安装失误导致的系统故障不予考虑；

2) 各系统/设备之间连接线路的故障发生率很小，近似为0，不予考虑；

3) 辅助设备对任务可能产生的影响作为被忽略事件不予考虑。

基于该武器系统组成和相关假设，建立舰艇组织近程对空作战的任务可靠性模型，如图2所示，模型中各单元的名称和代号如表1所示，虚线框中部分属于近程反导系统的任务可靠性模型。

单元代号单元名称X1本舰作战指挥系统X2导航系统X3通信系统X4敌我识别器X5对空搜索雷达X6近程反导舰炮武器系统X61火控设备X62跟踪雷达X63跟踪仪X64舰炮综合体X65捷联参考基准

通过研究图2模型，在逻辑功能上，模型的X1～X6采用串联结构，各单元中又包含多个子单元，以虚线框X6为例，该系统的任务可靠性模型由多个子单元混联而成。计算系统任务可靠度需要先掌握各单元的任务可靠度，然后按逻辑关系得到系统可靠度，其中单元任务可靠度的准确程度至关重要。

3 任务可靠度计算

3.1 单元任务可靠度计算

利用现场工程试验来评估系统可靠性水平需要积累一定的数据量，同时需要确定合适的置信水平。置信水平的选取需根据收集的可靠性数据量、产品成熟程度等因素综合而定，以X6为例，该系统由多个设备混联而成，各设备数据量相对较少，置信水平应该取小一些。

本文考虑使用Bayes法计算各子单元任务可靠度，既利用了现场试验数据，又视情况结合了前期实验室数据，可有效弥补现场试验数据不足的问题。根据质量数据收集情况，具体考虑两种情况下可靠度RL的Bayes估计：一种是可靠度RL无验前信息可以利用，只能根据在总时间内失效次数Z来进行当前试验结果的评定；一种是考虑由历史信息确定的评定方法。

1) 可靠度RL无信息可以利用的情况。在当前寿命试验下，假设设备工作总时间为T，失效次数为Z，给定置信度为γ，任务时间为t。

① 当失效次数Z≠0时，可靠度RL为：

(1)

② 当失效次数Z=0 时，可靠度RL为：

RL=(1-γ)t/T

(2)

2) 可靠度RL有信息可以利用的情况。假定在历次的寿命试验中，设备累积工作时间为T0，失效次数为Z0，在当前寿命试验下，设备工作总时间为T′，失效次数为Z′，给定置信度为γ，任务时间为t，则可靠度RL的计算方法也分Z=0和Z≠0两种情况，方法同上，其中T=T0+T′，Z=Z0+Z′。

3.2 系统可靠度计算

按上文给出的单元任务可靠度计算方法，可以计算出模型中各子单元的任务可靠度，然后按逻辑关系和相应方法求出X1～X6的可靠度，最后得到系统任务可靠度R。

以X6为例，其任务可靠度为

RX6L=RX61L(tX61)·(1-((1-RX62L(tX62))· (1-RX63L(tX63))))·RX64L(tX64)·RX65L(tX65)

(3)

则整个系统的任务可靠度为

R=RX1L·RX2L·RX3L·RX4L·RX5L·RX6L

(4)

由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可以看出，在相同工作时间内，设备失效次数越少，即平均无故障工作时间越长，则设备任务可靠度越高。必须基于各子设备提高其平均无故障工作时间，才能满足海军更高需求。

4 结论

本文通过研究某近程反导系统，给出了舰艇近程对空作战的典型任务剖面，基于任务建立系统的任务可靠性模型，并采用Bayes法评估模型中子单元的任务可靠度，最后根据模型的串并联结构求得系统可靠性。该方法既反映了系统的复杂性，也充分利用了前期收集的质量数据，弥补了作战系统现场数据量不足。基于任务和Bayes法评估系统可靠性的方法简单有效，为整个作战系统的可靠性分析提供了一种思路。

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