基于数据融合技术的系统级装备可靠性评估方法的研究

2020-11-18陈中青朱宜生王超王一飞刘玉石

环境技术 2020年5期

陈中青，朱宜生，王超，王一飞，刘玉石

（1.中国船舶重工集团第七二三研究所，扬州 225001；2.中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心，扬州 225001）

引言

可靠性是指在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的能力[1]。由此可以看出可靠性是装备质量的一项重要指标，是影响未来作战胜负的关键因素。

目前，对于舰载电子设备可靠性的考核主要是按照GJB 899A-2009 《可靠性鉴定和验收试验》[2]和《海军电子装备可靠性鉴定试验实施方法（2002）》[3]的规定在实验室环境条件下进行试验验证，即在温度/湿度/振动/电应力等多种综合环境应力下进行试验。对于分系统级或设备级舰载电子装备来说，由于其组成和功能相对简单，国内具备按照标准进行试验考核的条件。但是对于系统级装备而言，由于其组成复杂、结构庞大、功能性能参数众多等，例如某型对抗系统由六个分系统组成，天线和机柜数量多达数十个，安装位置既有舱外、又有舱内无温控和舱内有温控，重量近三十吨，国内尚无实验室具备开展对抗装备系统级试验的能力。一般对大型复杂的系统级装备采用评估的方式验证其可靠性水平。

1 系统级装备可靠性评估现状

系统级装备的可靠性评估一般是采用经典单元法[4]，目前评估数据的采集与处理有两种方式：

一是自下而上的方式，即采信各个分系统级装备的可靠性鉴定试验结果，然后代入到系统级装备的可靠性模型中，评估出系统级装备的可靠性水平。以某型近区防卫装备为例，其包含六个分系统，每个分系统均采用实验室综合环境条件下的可靠性鉴定试验进行验证，得到各个分系统在80 %置信度下的基本可靠性置信下限分别为 278.52 h、1 323.19 h、1 052.91 h、300.325 h、800.3 h和909.51 h，满足各分系统研制任务书中可靠性指标分别不低于150 h、300 h、480 h、300 h、800 h和480 h的要求，将各分系统的试验结果代入到其基本可靠性模型[5]中（如图1所示），经计算（见公式（1）），在80 %置信度下某型近区防卫装备的可靠性评估结果为53.33 h。

式中：

θL—系统级装备的MTBF评估结果；

θLi—各个分系统在相同置信度下MTBF的置信下限。

二是通过收集的系统级装备某个外场阶段（系统联调联试、航行试验、系泊试验等）的数据，统计该阶段的有效试验数据和故障数，评估系统级装备的可靠性是否满足相关技术文件中的指标规定。以某型综合指挥系统为例，通过收集其在某试验场联调联试的试验数据，经统计有效试验时间为623 h，试验中共发生责任故障数5个，按照GJB 899A-2009中的公式（见公式（2））计算得到在80 %置信度下其单侧置信下限为78.8 h（流程如图2所示）。

式中：

θL—系统级装备的MTBF评估结果；

T—系统级装备总试验时间；

C—置信度；

r—责任故障数。

2 现有可靠性评估方式的不足

上述两种评估方式均有一定的优缺点。采用第一种方式的优点主要有：

①评估方法简单，评估数据易于收集，评估成本较低。

②分系统是在实验室综合环境应力条件下进行的试验，试验应力可控，其可靠性水平和故障数是在实验室极限应力下得到的，而外场试验的试验应力不可控，在短时间内很难遇到各种极限应力。

但是，也存在如下的局限性和不足：

①评估数据来源单一，对各分系统装备组成系统后的可靠性水平未进行实际验证，仅是参考各分系统的可靠性结果采用理论分析的方式评估系统级装备的可靠性水平，因而造成评估结果与后续实际使用的可靠性水平有一定的差距。

②采用该方式进行评估，要求各个分系统的MTBF置信下限必须是在相同置信度下得出的。如果各个分系统的置信下限是在不同的置信度下得到的，则需要转化为相同的置信度或采用最低的置信度结果进行评估。

图1 某型近区防卫装备基本可靠性模型

图2 某综合指挥系统基本可靠性评估流程图

③要求各个分系统考核的指标要一致，均为MTBF或均为MTBCF，否则不能直接采用分系统的试验结果，需要转化为相同的指标后再进行评估。

第二种评估方式的优点有：

①评估方法简单，一般采用经典的服从指数分布的单元设备法。

②评估数据为组成系统后的数据，相对第一种方式的数据更能反映出当前装备组成系统后的可靠性水平。

该评估方式的其局限性和不足主要有：

①数据采集区间相对较短，不能很好的反映出系统级装备的实际可靠性水平，因此其评估结果与实际使用的可靠性水平也有一定的偏差。

②系统级装备在该阶段经受的环境应力相对比较温和，不会遇到各种极限应力，分系统在实验室极限条件下发生的故障未得到有效利用。

3 基于数据融合技术的可靠性综合评估方法

针对上述两种评估方式的不足，基于数据融合技术，本文提出基于内外场数据融合技术的可靠性综合评估方法。该方法充分利用各分系统在实验室极限条件下的试验数据（内场试验数据）和组成系统后装备联调联试、系泊航行试验等各个阶段的试验数据（外场试验数据），对内外场试验数据进行统计分析，提取出有效试验数据和故障信息，并对有效数据按照不同的环境因子进行折合，获得经数据融合后的综合评估数据。综合评估数据的融合过程如图3所示。

评估数据信息的提取和数据处理，需要注意以下几点：

1）评估数据中，由于硬件原因引起的系统或设备/分系统功能不能实现或性能下降，均应统计为故障；

2）对于联调阶段及联调前，由于软件接口问题引起的功能不能实现或性能指标超出范围，可不统计为故障；

3）由于系统级装备所使用的电子元器件种类和数据较多，在进行环境因子的折算时，按照所使用的电子元器件中环境系数[6]最小值进行折合。环境系数参考GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》中各类电子元器件在不同使用环境下的推荐值。

对最终获得评估数据按照公式（2）评估系统级装备的可靠性水平。

4 案例

本文以某型电子信息系统为研究对象，该型系统由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ等六个分系统组成，其MTBF最低可接受值为不小于20 h，各个分系统的MTBF最低可接受值分别要求不小于130 h、110 h、65 h、180 h、120 h和200 h。

各个分系统均在实验室综合环境应力（温度/湿度/振动）下进行了可靠性试验，统计方案选取GJB899A-2009中的20-2号方案，试验时间为θ1（将MTBF最低可接受值设为θ1）的2.99倍。经统计，Ⅲ和Ⅵ分系统在试验中分别发生一次责任故障，其他分系统在试验中无故障发生。经计算六个分系统在80 %置信度下的MTBF单侧置信下限分别为241.5 h、204.35 h、65.8 h（1个责任故障）、222.9 h、和204.7 h（1个责任故障），试验结果表明各个分系统的可靠性水平均能满足其研制总要求的规定。

所有的分系统组成系统后按照项目进度先后进行了联调试验和航行试验。经统计，联调试验有效试验时间为345 h，期间共发生16个故障，其中由于硬件引起的责任故障5个，软件接口引起的故障11个；航行试验有效时间为641 h，期间共发生12个故障，其中由于硬件引起的责任故障7个，其他均为非关联故障。按照图3的流程对评估数据进行融合，结果如表1所示。