基于现场可维修的舰载电子对抗系统任务可靠度研究∗

2021-06-28张军周

舰船电子工程 2021年6期

王铁李腾张军周

（1.中国人民解放军91977部队北京 100036）（2.中国船舶工业系统工程研究院北京 100094）

1 引言

舰载电子对抗系统是水面舰艇作战系统的重要组成部分，主要承担电子侦察监视、目标识别告警、有源无源干扰、电子情报收集等使命任务。近年来，水面舰艇使用频度不断提高、使用强度不断增大，对舰载电子对抗系统常态化运用提出了越来越高的要求，大工作时长、连续值班、具有较高的任务可靠度，已成为舰载电子对抗系统应具备的一项重要能力［1］。

传统定义的舰载电子对抗系统任务剖面仅有几小时或十几个小时，与实际使用中工作时长通常能够达到数百小时严重不符；另外分析任务可靠度时没有考虑检测维修、备品配件等因素的影响，任务可靠度模型与实际情况存在差异。针对上述问题，本文从任务剖面入手，在传统任务可靠度定义基础上，开展了基于现场可维修的舰载电子对抗系统任务可靠度研究，根据电子对抗侦察干扰功能特点，结合常态化运用条件，分析了系统典型任务剖面，建立了能够反映系统工作、维修特点的任务可靠度模型，并开展了分析计算，对影响任务可靠度的关键因素进行分析研究。

2 舰载电子对抗系统任务剖面分析

舰载电子对抗系统从功能上说，主要包括侦察告警和电子干扰两大部分。从设备组成上说，主要由显示控制、雷达侦察、有源干扰、无源干扰等设备组成，其中显示控制、侦察告警设备属于长期连续使用的可维修产品，有源干扰、无源干扰设备属于间断使用的可维修产品。

水面舰艇海上作战，通常包括备战备航、航渡、待机、作战、撤离等阶段，对舰载电子对抗系统任务可靠度进行研究，其作战使用传统上被局限在作战阶段，航渡、待机、撤离等阶段的作战使用往往被忽略，传统定义的系统典型任务剖面如图1所示。

图1 传统定义的典型任务剖面

在当前日益复杂的海战场作战环境下，舰载电子对抗系统的使命任务不断拓展，高强度、长时间使用要求日益提高，典型任务剖面也发生了巨大变化，主要体现在以下三个方面。

一是工作时长大幅增长。目前舰载电子对抗系统使命任务正在从传统的电子对抗防空反导，向区域警戒监视和远距离情报收集方向拓展，作战使用也不局限于舰艇的作战阶段，而是要贯彻舰艇海上活动的全过程。在近海执行任务时，舰载电子对抗系统的工作时长通常为几天到几十天，在远海执行任务时工作时长甚至可以达到上百天。

二是故障检测维修是系统执行任务中重要的组成部分。传统的任务剖面不考虑设备在执行任务期间的检测维修工作。但随着近年来软、硬件技术的飞速发展，大规模集成电路的广泛应用，以及模块化的设计不断深入，舰载电子对抗系统中的LRU（现场可更换单元）比例越来越高。同时，BIT功能（机内检测）已经成为舰载电子对抗系统必要的组成部分，系统发现故障、修复故障的能力越来越强，为舰员级故障检测和现场维修奠定了坚实基础。

三是侦察告警、电子干扰功能使用方式存在较大差异。系统在海上执行任务期间，显示控制与侦察告警设备基本处于连续工作状态，只有当工作时长大于最大连续工作时间后，才进行短暂的停机休整，工作期间如出现故障，则采用更换备件的方式对故障进行维修；执行电子干扰任务期间，有源干扰与无源干扰设备根据需要开机工作，主要处于间断工作状态，由于电子干扰对于舰艇防卫具有至关重要的作用，所以干扰设备工作期间不允许出现故障，如出现故障则判断任务失败。为及时发现、排除系统存在的故障隐患，在备战备航阶段和停机休整间隙，通常会开展预防性检测、维修。

根据上述分析，新时期舰载电子对抗系统的典型任务剖面如图2所示。

图2 新时期舰载电子对抗装备任务剖面

与传统定义的任务剖面相比，新的任务剖面反映了舰载电子对抗系统在海上执行任务期间的完整工作过程。在舰艇离港后，系统即开始执行侦察告警任务，既包括作战阶段，也包括航渡、等待，撤离战区等时间段，侦察告警任务基本覆盖所有任务时间。考虑到海上作战的复杂性，舰载电子对抗系统需要具备执行多次电子干扰任务的能力，因此新的任务剖面中将电子干扰的使用划分为多个阶段。同时新的任务剖面增加了设备检测维修要素，即在执行任务间隙，适时开展例行检测、预防性维修和故障维修等工作，保证系统处于良好的工作状态，能够满足长时间、高频度使用的要求。

3 基于现场可维修的任务可靠度模型

舰载电子对抗系统的可靠性指标主要分为基本可靠性和任务可靠性两类。舰载电子对抗系统传统上使用平均故障间隔时间（MTBF）表征系统的基本可靠性，该指标是指引起装备进行非计划维修的两次故障之间的平均间隔时间，主要反映装备无故障工作能力和对维修资源的要求。确定基本可靠性时，应统计系统的所有寿命单位和所有的关联故障，而不局限于发生在任务期间的故障，也不局限于危及任务成功率的故障。由于舰载电子对抗系统设备规模较大，构成系统的分系统较多，因此基本可靠性很难直接反映出系统的真实作战能力。系统任务可靠度是在一定条件下，系统完成规定任务能力的度量［2］。

传统的任务可靠度函数为［3］

式中λ为故障率，t为工作时间。该模型不考虑故障维修因素。

根据GJB1909A《装备可靠性维修性保障性要求论证》中A.2.1.2可知，装备的任务成功度模型为

式中：RM为传统的任务可靠度，即装备不发生故障的概率；MM为任务维修度，即发生故障能够被及时修复的概率。该模型考虑了故障维修因素，是反应系统任务可靠度的综合性指标，但该模型中(1 − RM)MM为任务执行期间仅发生一次故障且被修复的任务可靠度增量，对于任务执行期间发生多次故障的情况，该模型则无法适用。为了能够对舰载电子对抗系统执行任务期间，可能发生多次故障的情况进行准确表征，需要对模型进行改进优化。

首先是建立任务执行期间故障发生的概率模型。考虑到修复后的系统仍可能再次发生故障，若发生的故障均立即进行修复或替换，则在全任务时间t内发生故障的次数i服从参数为λt的泊松分布：

上式中λ为系统任务故障率，t为任务时间。

考虑到发生故障的次数可能趋向无穷大，则式（2）中的(1−RM)可表示为

在航渡、待机、撤离、返航过程中，电子对抗系统需要长时间执行侦察告警任务，此时间段如果出现设备故障，在具备可维修的条件下可采用更换备件的方式进行现场舰员级维修。此时间段电子对抗系统可视为反复使用的可修产品，故障修复后，系统任务可靠度不受影响。此过程中，系统的任务可靠度模型为

式中P修复为发生故障能够被及时修复的概率，即为式（2）中的任务维修度MM；λ1为侦察设备的任务故障率，等于致命故障间隔时间（MTBCF）的倒数；t1为侦察设备航渡、进入和撤离战区的累积时间。

在作战阶段，由于持续时间较短，且对抗激烈、影响重大，电子对抗系统需要电子干扰任务，此时系统应被视为反复使用的不可修产品。在此期间，如出现影响任务完成的故障，则判定任务失败。此过程中，系统的任务可靠度函数为

式中λ2为电子干扰设备的任务故障率，等于对应MTBCF的倒数；t2为作战时间。由于系统执行电子干扰任务期间，告警设备必须同时进行工作，所以此时的任务故障率λ2为侦察告警和电子干扰同时工作时的故障率。

根据式（1）～（6）的推导可知，新的舰载电子对抗系统任务可靠度计算公式为

其中，任务维修度P修复与平均修复性维修时间 MCT、故障检测率RFD、故障隔离率 RFI、虚警率 RFA、备件满足率RSF等多种因素相关。

考虑到舰载电子对抗系统在执行某些短周期任务时，也存在不允许进行维修的情况，则在此种情况下的任务可靠度计算公式可由式（7）进行简化，如下所示：

上式与传统定义上的任务可靠度计算公式保持一致［4］。

4 任务可靠度计算

计算系统任务可靠度，首先需要确定系统故障率。在任务执行的过程中，发生不同的故障模式会对任务产生不同程度的影响，通过故障模式、影响及危害性分析（FMECA），将系统的故障模式按照严酷程度分为四类，如表1所示。

表1 故障模式严酷度类别定义

从是否影响任务完成的角度出发，可以认为上表中Ⅰ、Ⅱ类故障模式会造成任务失败，即只有Ⅰ、Ⅱ类故障模式才对任务可靠度的计算造成影响。

执行侦察告警任务时，系统仅ESM功能开启，系统故障率λ1主要由显示控制、雷达侦察设备的MTBCF决定；执行电子干扰任务时，ESM和ECM功能均开启，系统故障率λ2主要由显示控制、雷达侦察、有源干扰、无源干扰设备的MTBCF决定。

为了便于分析，给定系统故障率取值如表2所示。

表2 故障率取值

执行长周期任务时，舰载电子对抗系统既需要开展长时间的侦察告警，又需要开展短时间的对抗干扰。假定一次出航任务周期为200天，其中ESM系统单独工作的时间累计约3600h（对应150天），ESM与ECM系统同时工作时间累计约24h。

在不考虑维修的情况下，任务可靠度计算结果为

这个计算结果与实际任务执行情况严重不符。所以，对于执行长时间周期的任务剖面时，必须考虑维修度的影响。在舰载电子对抗系统携带备品备件，具备任务中进行维修及备品备件更换等现场舰员级维修的条件时，计算任务可靠度时需考虑故障能被及时修复的可能性，采用式（7）进行任务可靠度计算。

其中，假定任务维修度P修复取值0.80，根据式（7）任务可靠度计算结果为

计算当前任务剖面下的任务可靠度为0.762，与实际情况有一定的吻合度，基本可以满足任务要求。

对于任务可靠性要求较高的任务，在执行任务期间不允许发生设备故障，典型任务剖面如图3所示。

图3 短时间任务周期任务剖面

图3任务剖面下ESM系统单独工作的时间t1=160h、ESM与ECM系统同时工作时间t2=8h。

在此任务剖面下，任务可靠度计算结果为

5 影响任务可靠度的关键因素分析

根据上述分析，影响舰载电子对抗系统任务可靠度的因素主要包括任务时间、故障率和任务维修度等方面。其中任务时间由任务剖面决定，主要包括侦察告警累积时间、电子干扰累积时间两部分；故障率是指影响任务成败的致命故障发生的概率，需采用故障模式、影响及危害性分析（FMECA）等方法，区分致命故障和一般故障进行分析统计，使得到的故障率能够准确反应故障对任务的影响程度；任务维修度P修复则是一个相对复杂的参数，不仅与系统本身的平均修复性维修时间MCT、故障检测率RFD、故障隔离率RFI、虚警率RFA、备件满足率RSF等因素相关，还与维修策略、故障分析预测能力、人员能力素质、器材供应保障等因素有关，是量化分析研究的一个难点［5～6］。

随着作战使用周期的不断增长，实现较高的任务可靠度对舰载电子电抗系统提出了越来越高的要求，一方面需要采用数字化、固态化技术和大规模集成电路等进一步降低设备的故障率；另一方面应该提升现场检测维修能力。从发展趋势上看，提升现场检测维修能力应是提高舰载电子对抗系统任务可靠度的重要方向。

近年来，随着BIT技术的应用推广，舰载电子对抗系统具有一定的在线故障检测和故障定位能力，但是整体来说故障检测率、故障隔离率和故障定位准确度还不高，部分故障还需要人工参与排查、勘验。故障分析定位困难带来诸多不必要的拆卸及安装工作，给系统产生额外的磨合损耗，还可能导致新的故障，无形中降低了系统的可靠性水平［7］。

另一方面，舰载电子对抗系统目前还无法对装备状态进行准确评估，对关键件寿命、故障情况进行准确预测，部队开展预防性维修缺乏依据，装备在演习及执行任务期间常常出现突发的异常故障，严重影响了作战训练任务的完成。

大型电子装备增加健康管理系统［7］是当前国内外提升装备可靠性、测试性、维修性、保障性、安全性等方面能力的一项重要措施。通过增加舰载电子对抗装备健康管理系统可实现对电子对抗系统各电子设备的工作状态、工作参数进行实时监控，并且通过对自检数据、功能性能测试数据、测试标校数据、历史监测数据以及故障维修数据的分析和处理，结合故障诊断模型、故障预测模型，对电子对抗系统进行故障诊断和预测，达到对电子对抗系统的健康状态进行全寿命周期内的有效管理。针对不同的作战任务类型、任务周期以及任务强度，可对电子对抗系统的战备完好性进行有效预估，为作战指挥人员提供决策依据，确保任务的成功率。同时，给出相应的综合保障建议，针对性地提出备品备件要求，为维修保障人员提供维修保障信息。