基于GO法的舰载指挥控制系统软硬件混合可靠性建模研究*

王 睿

（海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室 大连 116000）

1 引言

随着海洋经济的发展及海洋资源战略地位的提升，我国海军将承担更多的社会责任和使命，海军装备建设面临着前所未有的挑战和机遇。舰载作战指挥控制系统是发挥舰艇平台整体作战的核心装备［1］，舰载作战指挥控制系统能够在复杂多变的战场环境下保持高可靠性是该系统能发挥重要作用的前提。舰载作战指挥控制系统本质上是一种具有多状态、多功能和复杂相关性等特性的复杂电子系统，传统的系统可靠性研究如马尔可夫模型［2］、故障树模型［3］以及可靠性框图模型［4］等模型和 FTA［5］、蒙特卡罗模拟法［6］等方法还存在诸多不足［7］：1）传统模型和方法难以全面、高效地获得系统的综合稳定性定性、定量分析结果；2）传统模型和方法设计过程中受设计者主观经验影响较大，难以保证过程的统一和稳定；3）传统模型和方法难以与系统的实际功能、工作原理以及真实结构产生直接关联。因此，研究舰载作战指挥控制系统的可靠性建模，具有重大的理论意义。

舰载作战指挥控制系统非常复杂，亟需可靠性建模技术在系统的设计和实现过程中发现存在的薄弱环节和潜在风险。GO法以成功为导向，有以下较为明显的优点［8］：1）GO法建模逻辑清晰，便于程序化；2）GO图模型能直观体现指控系统的优化改进，更接近系统的真实结构。3）GO法高度统一，定性、定量结果稳定统一。鉴于GO法的上述优点，以GO法的基本理论为基础，本文进行了基于GO法的舰载作战指挥控制系统可靠性建模。

2 舰载作战指挥控制系统中软硬件混合共因失效

舰载作战指挥控制系统的功能主要由软件部分进行控制，由硬件部分进行执行，它们相互作用，相关性非常强。目前，关于硬件可靠性和软件可靠性的研究大部分局限于单独的硬件或软件的研究。随着研究和应用的深入，许多事实表明软件与硬件间的共同作用很大程度上导致了系统的失效［9］。

随着研究的深入，单独软件或硬件的失效概率越来越小，但软件与硬件间相关失效导致的系统安全问题数量逐步上升。事实上，相关失效是舰载作战指挥控制系统失效的普遍特征，如果忽略软硬件共因失效对系统可靠性的影响，往往会导致最终的可靠性定性及定量计算结果有较大的偏差，甚至得出错误结论。因此，在舰载作战指挥控制系统可靠性分析中必须重视软硬件间的共因失效分析，接下来采用GO法对舰载作战指挥控制系统进行含软硬件共因失效可靠性定量分析。

3 GO法基本理论

3.1 基本概念

操作符和信号流是GO法的主要要素，操作符主要表示具体的部件，有时也可表示逻辑关系；操作符间通过连接操作符连通，其主要表示具体的物体流动，有时也可表示逻辑上的进程。通过建立舰载作战指挥控制系统的GO图，并按照相应的运算规则进行GO运算，即可得到系统的定性指标和定量指标，从而进行系统可靠性研究与分析。

3.2 操作符

舰载作战指挥控制系统功能丰富，其结构复杂庞大，在使用GO法进行研究过程中，可以其统称为单元，并使用操作符分别代表其功能和输入信号与输出信号之间的逻辑关系。GO法将通用符分为功能符和逻辑符，并设置了17种标准符，如图1所示，操作符的功能描述如表1所示［10］。

表1 17个标准操作符类型及功能描述［11］

图1 17个标准操作符的图示［11］

4 基于GO法的指挥控制系统可靠性建模

4.1 舰载指控系统分析

系统分析是基于GO法的系统可靠性建模的前提，对舰载指控系统GO法稳定性分析与计算产生重要影响［12］。系统分析的主要工作内容有：

1）分析指控系统运行机理，理清其结构与功能，确定输入输出边界条件，明确各接口关系；

2）确定舰载作战指挥控制系统的特性；

3）根据系统分析及工程需求制定相对应的系统成功准则。

4.2 舰载指控系统的GO图模型建立

建立GO图模型的主要工作如下：

1）选择舰载指控系统中各单元的功能、逻辑操作符以及辅助操作符；

2）建立舰载指控系统中的GO图模型。

4.3 舰载指控系统的单元及结构的数据处理

数据处理的主要工作如下：

1）计算各单元在各故障模式下的可靠性参数及可靠性时的参数，包括故障率、维修率以及可用度；

2）计算软硬件间的共因失效参数。首先，确定选取共因失效模型；然后，估算建立的共因失效模型中各参数；最后，计算共因失效率、非共因失效率、共因失效概率等共因失效参数；

3）计算有相关性等效结构的可靠性参数。首先，计算系统的等效可靠性参数；然后，根据有相关性等效结构所对应的第一级GO图计算得到可靠性参数；

4）计算并设置舰载作战指挥控制系统在闭环反馈环节上的可靠性参数。首先，根据GO运算公式推导多输入闭环反馈操作符的计算规则，并推导出计算公式；然后，根据反馈路径对应的第一级GO图模型以及闭环反馈环节输出路径，通过GO法运算得到系统反馈路径的等效维修率和故障率；

5）根据舰船实际作业情况，设置系统中各子功能、子系统的使用频率。

4.4 基于GO法的舰载作战指挥控制系统定量分析

根据GO法进行定量分析，其主要的工作内容如下：

1）设置基于GO法搭建的舰载作战指挥控制系统模型中的共有信号；

2）根据舰船实际功能及作战特点，选取合适的GO算法模型；

3）对基于GO法的舰载作战指挥控制系统模型进行定量运算与分析。当系统出现了共因失效，在已选取的GO算法上增加应对策略，并重新进行运算与分析。

5 舰载作战指挥控制系统子系统可靠性建模实例分析

5.1 子系统分析

子系统由信号接收器、信号控制器、存储器、存储软件、信息交换器、情报分析台、信息综合处理设备、机柜、大屏显示器、显示软件、综合台和记录重演设备等组成，其原理图如图2所示［13］。

图2 综合信息指挥控制系统原理图

1）工作原理分析

信号接收器从外界接受信号，将信号传输给信号控制器。信号控制器在收到控制命令后，分发给存储器1和存储器2，再分别经过存储软件1和存储软件2后，汇集到信息交换器。此后，信息依次经过情报分析台和信息综合处理设备，由信息综合处理设备输出的部分信息会反馈回信息交换器，另一部分会传输给机柜。机柜的输出信息分发给大屏显示器1和大屏显示器2，分别经显示软件1和显示软件2后汇集至综合台，在综合台接收到外部指令后，信息最后到达记录重演设备。

2）系统接口关系与输入输出边界条件分析

子系统是一个集成化系统，其输入为信号接收器、信号控制器和综合台收到的外部指令等，系统的输出为记录重演设备的输出信号。

3）系统特性确定

根据系统分析和工程实际，子系统是一个软硬件混合系统，存在闭环反馈环节、并联冗余共因失效结构和共有信号的可修系统，其特性如下：

（1）闭环反馈环节：信息依次经过信息交换器、情报分析台，到达信息综合处理设备后，部分处理后的信息仍然返回信息交换器，构成了闭环反馈系统。

（2）并联冗余共因失效结构：为了保证信息的安全存储与展示，系统中两个存储器与对应的存储软件构成了并联冗余结构，且存储器1和存储器2受到共因影响，记为共因部件组1（CCF1）；类似地，系统中两个大屏显示器与对应的显示软件同样构成并联冗余结构，且大屏显示器1和大屏显示器2受到共因影响，记为共因部件组2（CCF2）。

（3）共有信号：由信号控制器输出的信号分别流向存储器1和存储器2，通过存储软件1和存储软件2后流向信息交换器，构成了共有信号；类似地，由机柜输出的信号分别流向大屏显示器1和大屏显示器2，进而在经过显示软件1和显示软件2后一起流向综合台，同样构成了共有信号。

4）系统成功准则确定

子系统成功准则为：信息经一系列处理后能从记录重演设备中输出。

5.2 子系统GO图模型

根据系统分析，确定子系统的单元和逻辑关系对应的操作符。假定各子系统中所有单元仅有正常与故障两个状态。系统中的信号接收器，信号控制器和综合台的外部指令作为指控系统的输入信号，用类型5操作符代替；系统中的信号控制器和综合台是有信号而导通的单元，用类型6操作符代替；系统中各类存储软件、存储器、情报分析台、信息综合处理设备、大屏显示器、显示软件和记录重演设备等均用类型1两状态单元表示。信息交换器接受存储单元和信息综合处理设备的信息，用类型9功能操作符表示。两组存储器和存储软件构成并联关系，两组大屏显示器和显示软件也构成并联关系，均采取“或”门连接；“或”门用类型2操作符代表逻辑关系。各单元和逻辑关系所对应的操作符见表2，按照一定顺序对各信号流和操作符进行编号，即可得到系统GO图（图3）。

图3 子系统GO图

表2 系统中各单元和逻辑关系的操作符列表

5.3 子系统单元可靠性参数

根据工程统计和系统分析，子系统单元可靠性参数如表3。

表3 子系统单元可靠性参数

假设指数分布适用于子系统中的所有单位，且这些单元的失效率和修复率均为常数。设其失效率为lj，修复率为mj，则不考虑其他影响因素时，单元在各时间点t处的故障概率计算公式为

5.4 子系统GO法定量分析

1）考虑共有信号的影响

假定信号3、13分别是信号4、6和信号13、15的共有信号，在计算操作符8、18的输出信号时，应当考虑共有信号。记操作符i的成功概率为Pci，信号流i的成功概率为Psi。

首先，计算含有共因信号3的信号流8的成功概率。

式中，Ps5s7为信号流5和7均成功的概率。由于信号流5和7完全包含共有信号3，故修正后可得到其精确成功概率公式：

2）考虑共因失效的影响

系统中，存储单元与大屏显示单元均采用冗余设计，易受到共因失效影响。共因失效采用b因子模型，设CCF1和CCF2初始时刻共因失效率b0=0.05，系统运行时共因失效率b1=0.1。假设存储器的启动故障率等于大屏显示器的启动故障率，假定为g=0.00236，由于共因失效率为c=lib1，初始共因失效概率为gb0，计算得到两个共因失效组在不同时刻的共因失效概率C1（t）和C2（t）。

考虑由操作符4、5、6、7、8构成的子系统1，其包含共因失效组CCF1。计算子系统中存储器分别取0和1时的成功概率，并带入式（6～7）中即可得到含有CCF1的子系统1在不同时刻的成功概率，即考虑共因失效后，信号8的成功概率为

类似地，考虑有操作符13、14、15、16、17构成的子系统2，其包含共因失效组2，同样由式（6～7）可得到含有CCF2的子系统2的成功概率，即考虑共因失效后，信号18的成功概率为

3）考虑闭环反馈的影响

考虑由操作符9、10、11构成子系统3，将操作符9、10、11等效为1个单元，计算等效单元的等效失效率λE和等效维修率μE：

信号流12的成功概率：

根据上述分析，对于给定的综合信息指挥控制系统，采用GO法定量计算系统成功概率，可采用步骤：（1）计算出信号流3的可靠性参数；（2）结合共有信号和共因失效的影响，以信号流3为输入，计算出信号流8的可靠性参数；（3）结合闭环反馈的影响，以信号流8为输入，计算出信号流12的可靠性参数；（4）结合共有信号和共因失效的影响，以信号流13为输入，计算出信号流18的可靠性参数；（5）以信号流18为输入，计算出信号流21的可靠性参数。

以2h为间隔，最终得到，子系统在各时间点处的成功概率见表4。

表4 子系统的成功概率

6 结语

本文针对有相互性、闭环反馈性以及软硬件混合失效等复杂特性的舰载作战指挥控制系统进行了可靠性分析，提出了基于GO法的舰载作战指挥控制系统可靠性研究方法，确定了系统的可靠性分析流程，总结了系统在GO法下的软硬件混合定量分析方法，为解决软硬件混合复杂电子系统提供了一种新的可靠性建模与分析方法。