劉 楊 趙建印

（1.北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100073）（2.海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)處理方法研究＊

劉 楊1趙建印2

（1.北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100073）（2.海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

隨著海軍走向深藍(lán)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，艦載導(dǎo)彈海上值班時(shí)間要求越來(lái)越長(zhǎng)，如何評(píng)估艦載導(dǎo)彈值班可靠性，已成為影響艦艇作戰(zhàn)能力的重要因素。論文結(jié)合艦載導(dǎo)彈值班任務(wù)特點(diǎn)，提出了值班可靠性數(shù)據(jù)采集要求和處理流程，研究了基于故障的艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)分析方法。研究結(jié)果可以為艦載導(dǎo)彈最長(zhǎng)值班期限的確定提供方法。

艦載導(dǎo)彈；值班可靠性；數(shù)據(jù)處理

Class NumberE927

1 引言

海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈是海軍的主戰(zhàn)武器，隨著海軍向“近海防御、遠(yuǎn)海防衛(wèi)”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，航母或大型艦艇編隊(duì)從近海走向遠(yuǎn)海，作戰(zhàn)艦艇將逐步由“港口待命”轉(zhuǎn)向“海上待戰(zhàn)”，海軍艦載雷彈武器的運(yùn)用和部署也進(jìn)一步前伸，艦載導(dǎo)彈的作戰(zhàn)需求、任務(wù)模式、使用方式都隨之發(fā)生著重大的變化，要求實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈長(zhǎng)時(shí)間艦上可靠值班貯存，達(dá)到隨時(shí)能戰(zhàn)的戰(zhàn)備水平。

與洞庫(kù)貯存相比，值班過(guò)程中導(dǎo)彈所處的海洋環(huán)境具有“三高一多”的特點(diǎn)，即高溫、高濕、高鹽霧、多霉菌，加之艦艇輪機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、海浪砰擊等因素，導(dǎo)彈同時(shí)長(zhǎng)期處于搖擺、振動(dòng)和沖擊等復(fù)雜的機(jī)械環(huán)境中，各種自然環(huán)境因素及誘發(fā)環(huán)境因素影響著導(dǎo)彈艦上值班可靠性及性能狀態(tài)，文獻(xiàn)［1］對(duì)海洋環(huán)境下艦載導(dǎo)彈可靠性的影響進(jìn)行了分析。新的任務(wù)需求下，值班環(huán)境復(fù)雜、值班任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)已成為艦載導(dǎo)彈艦上使用所面臨的新情況和突出的特點(diǎn)，如何有效確定及驗(yàn)證艦載導(dǎo)彈滿(mǎn)足戰(zhàn)備使用要求的最長(zhǎng)值班時(shí)限，已成為現(xiàn)階段導(dǎo)彈研制及值班使用與保障等工作中亟待解決的問(wèn)題之一，文獻(xiàn)［2～9］研究了在定期檢測(cè)條件下導(dǎo)彈貯存可靠性的計(jì)算方法，文獻(xiàn)［10］則對(duì)可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)的處理分析研究的相關(guān)文獻(xiàn)目前還不多見(jiàn)，本文針對(duì)艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)的處理、分析使用問(wèn)題進(jìn)行研究，提出的方法可為導(dǎo)彈值班分析提供支持。

2 艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)分類(lèi)及采集要求

艦載導(dǎo)彈由貯存狀態(tài)轉(zhuǎn)為值班狀態(tài)前，需經(jīng)歷技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程，該過(guò)程通過(guò)必要的技術(shù)手段使導(dǎo)彈滿(mǎn)足值班發(fā)射技術(shù)條件，并通過(guò)完整的測(cè)試，確定導(dǎo)彈是否正常。如果測(cè)試發(fā)現(xiàn)故障，則轉(zhuǎn)入維修過(guò)程進(jìn)行修復(fù)處理，技術(shù)準(zhǔn)備后測(cè)試正常的導(dǎo)彈則通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)／裝卸等一系列工作，將狀態(tài)完好的導(dǎo)彈裝艦進(jìn)行戰(zhàn)備值班，在值班過(guò)程中，為保證技術(shù)狀態(tài)的完好，需對(duì)導(dǎo)彈定期進(jìn)行維護(hù)、加電等工作，值班完成后的導(dǎo)彈轉(zhuǎn)運(yùn)至技術(shù)陣地，進(jìn)行值班后測(cè)試，確定導(dǎo)彈值班后的技術(shù)狀態(tài)完好性。由于值班過(guò)程中各種海上環(huán)境應(yīng)力的作用，導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)會(huì)隨值班時(shí)間的增加而下降，應(yīng)合理給出導(dǎo)彈值班時(shí)間，以便于在保證導(dǎo)彈完好率的前提下，盡可能發(fā)揮導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能，而導(dǎo)彈值班過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)、維護(hù)等等一系列保障工作則是導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

通過(guò)有計(jì)劃、有目的地收集導(dǎo)彈值班過(guò)程中的故障信息，將得到可靠性數(shù)據(jù)，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相應(yīng)數(shù)學(xué)方法，定量計(jì)算可獲得艦載導(dǎo)彈值班可靠性指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)彈值班可靠性水平進(jìn)行合理評(píng)估。

導(dǎo)彈在接受值班或訓(xùn)練任務(wù)隨艦出海，由于作戰(zhàn)任務(wù)的隨機(jī)性，不同批次導(dǎo)彈值班結(jié)束時(shí)間不同，故導(dǎo)彈值班故障時(shí)間等數(shù)據(jù)多具有隨機(jī)截尾的特性，這樣的數(shù)據(jù)屬于不規(guī)則數(shù)據(jù)，這種類(lèi)型的故障數(shù)據(jù)可用圖1表示。

圖1 隨機(jī)截尾型可靠性數(shù)據(jù)特征

圖中×表示導(dǎo)彈故障時(shí)刻；○表示導(dǎo)彈結(jié)束值班任務(wù)時(shí)刻；t1，t2，…，tr表示導(dǎo)彈故障時(shí)間；t0表示定時(shí)檢測(cè)時(shí)間；s1，s2，…，sn－r表示導(dǎo)彈的撤離時(shí)間。導(dǎo)彈結(jié)束值班任務(wù)的時(shí)間受任務(wù)需要的影響，沒(méi)有具體數(shù)學(xué)規(guī)律可循，具有隨機(jī)截尾的特性。

根據(jù)前面的分析，導(dǎo)彈值班的技術(shù)狀態(tài)的確定，主要由值班前后的測(cè)試工作所確定，因此，主要需收集導(dǎo)彈值班工作中的各種測(cè)試結(jié)果。實(shí)際中，導(dǎo)彈數(shù)量眾多，可根據(jù)可靠性評(píng)估需求制定專(zhuān)門(mén)的內(nèi)容統(tǒng)一、規(guī)范化數(shù)據(jù)收集表格進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集。實(shí)際使用中所采集的導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)是其他分析工作的基礎(chǔ)，是整個(gè)導(dǎo)彈可靠性分析過(guò)程中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)開(kāi)展可靠性評(píng)估、預(yù)測(cè)等工作的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)按照以下要求采集數(shù)據(jù)：

1）有明確的數(shù)據(jù)收集目的和合理科學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法。不同的分析方法需要收集的數(shù)據(jù)通常不同。

2）數(shù)據(jù)應(yīng)保證連續(xù)完整，在導(dǎo)彈服役期內(nèi)應(yīng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，保證數(shù)據(jù)的可追溯性和完整性，確保能真實(shí)反映導(dǎo)彈可靠性趨勢(shì)，有利于對(duì)導(dǎo)彈的可靠性進(jìn)行全面分析。

3）數(shù)據(jù)收集要及時(shí)、可靠，嚴(yán)禁弄虛作假。所記錄的數(shù)據(jù)必須如實(shí)代表導(dǎo)彈狀況，對(duì)發(fā)生故障的時(shí)機(jī)、原因、故障現(xiàn)象及造成的影響均應(yīng)有明確的記錄。只有對(duì)導(dǎo)彈的狀況如實(shí)記錄與描述，才能保證分析處理數(shù)據(jù)后結(jié)論的準(zhǔn)確性。

4）應(yīng)做到完善全面的記錄，實(shí)際收集過(guò)程中應(yīng)當(dāng)記錄所收集數(shù)據(jù)的各種條件，如時(shí)間、地點(diǎn)、使用的測(cè)量工具、工藝條件、測(cè)量記錄數(shù)據(jù)的人員等。

5）對(duì)數(shù)據(jù)要進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的整理，否則大量雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)將沒(méi)有用處。數(shù)據(jù)的整理應(yīng)盡量便于計(jì)算機(jī)處理和儲(chǔ)存。

6）對(duì)收集到的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行合理性分析，剔除明顯不合理的數(shù)據(jù)（野點(diǎn)），以保證后續(xù)分析結(jié)論的正確性。

3 艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)處理流程

從可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析中找出艦載導(dǎo)彈值班故障分布的規(guī)律，是分析艦載導(dǎo)彈可靠性和故障發(fā)生規(guī)律、預(yù)測(cè)故障發(fā)展、研究艦上導(dǎo)彈故障機(jī)理的重要手段。根據(jù)所收集的導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)理處理方法，可判斷可靠性或故障規(guī)律函數(shù)的合理性，并可進(jìn)一步計(jì)算導(dǎo)彈平均值班時(shí)限、最長(zhǎng)值班時(shí)限等所需的各項(xiàng)參數(shù)，艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)處理分析基本流程如圖2所示。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)彈裝備一般可于表征其壽命分布規(guī)律的分布函數(shù)包括指數(shù)分布、weibull分布等函數(shù)［6］，各函數(shù)特征可見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。前文已分析給出，艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)多為非規(guī)則的隨機(jī)截尾數(shù)據(jù)，對(duì)這一類(lèi)型數(shù)據(jù)，可參照殘存比率法計(jì)算裝備的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)。

圖2 可靠性數(shù)據(jù)處理分析流程圖

假設(shè)導(dǎo)彈在某一時(shí)刻ti的可靠度為

式中S（ti）為值班導(dǎo)彈在時(shí)間區(qū)間（ti－1，ti）內(nèi)的殘存概率，R（ti－1）為條件概率，它表示在ti－1時(shí)刻無(wú)故障的導(dǎo)彈繼續(xù)維持可用狀態(tài)至ti時(shí)刻的概率，其計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

其中，ns（ti－1）為在ti－1時(shí)刻仍舊完好的值班導(dǎo)彈枚數(shù)，Δr（ti）則是在區(qū)間（ti－1，ti）內(nèi)發(fā)生的故障導(dǎo)彈枚數(shù)，而ns（ti）可由式（3）得到：

式（3）中n為多批次值班導(dǎo)彈的總枚數(shù)，Δk（tj）為時(shí)間（tj－1，tj）內(nèi)此次值班結(jié)束時(shí)剩余完好導(dǎo)彈的枚數(shù)。

通過(guò)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，可以對(duì)導(dǎo)彈壽命分布進(jìn)行初步判斷，為擬合函數(shù)模型的選擇提供依據(jù)。合理選擇評(píng)估模型后，可進(jìn)一步利用經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)進(jìn)行擬合，獲得未知參數(shù)的估計(jì)值。

4 艦載導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)分析示例

設(shè)艦載導(dǎo)彈值班壽命數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 艦載導(dǎo)彈值班故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

利用導(dǎo)彈值班數(shù)據(jù)示例計(jì)算其可靠度經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)彈值班可靠性經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)殘存比率法可得到值班導(dǎo)彈的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)圖象的走勢(shì)可初步判斷艦載導(dǎo)彈值班可靠性可用指數(shù)分布模型和威布爾分布模型來(lái)評(píng)估。

圖3 導(dǎo)彈值班壽命經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)圖

進(jìn)一步計(jì)算得到指數(shù)分布中導(dǎo)彈值班故障率的極大似然估計(jì)值為

此時(shí)擬合的均方差值（RMSE）為0.03261，殘差平方和（SSE）為0.01489。針對(duì)導(dǎo)彈值班可靠性模型的假設(shè)檢驗(yàn)采用K－S檢驗(yàn)法。對(duì)導(dǎo)彈值班指數(shù)模型，取置信度為1－α＝0.95，計(jì)算指數(shù)分布和經(jīng)驗(yàn)分布的差異度Dn，α＝0.0393，查表得Dn，α＝0.3490。Dn＜Dαn，所以可認(rèn)為值班故障分布服從上述參數(shù)的指數(shù)分布。

對(duì)于威布爾分布，采用上述方法所得擬合結(jié)果為t0＝2.1630×104，m＝1.6678。此時(shí)RMSE＝0.01655，SSE＝0.003834，R2＝0.9623。同樣采用K－S單樣本檢驗(yàn)法進(jìn)行威布爾分布的假設(shè)檢驗(yàn)。取置信度為1－α＝0.95，計(jì)算理論分布和經(jīng)驗(yàn)分布的差異度Dn，α＝0.0282，查表得Dn，α＝0.3490。Dn＜Dαn，故同樣可接受假設(shè)，認(rèn)為故障分布服從威布爾分布

兩種模型的擬合曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)彈值班故障指數(shù)分布、威布爾分布函數(shù)曲線(xiàn)圖

指數(shù)模型與兩參數(shù)威布爾模型均可較好地描述導(dǎo)彈值班可靠性，但威布爾分布更接近于數(shù)據(jù)的實(shí)際變化趨勢(shì)。利用相關(guān)軟件分別用兩種模型進(jìn)行擬合時(shí)，相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)值如表3所示。

表3 艦載導(dǎo)彈值班模型擬合統(tǒng)計(jì)參數(shù)值

相關(guān)系數(shù)平方（R2），即決定系數(shù)，可通過(guò)數(shù)據(jù)的變化來(lái)表征擬合效果。R2越接近于1，表明自變量對(duì)于因變量的解釋能力越強(qiáng)，模型的擬合效果越好。SSE計(jì)算的是擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差平方和，SSE越接近于0，說(shuō)明模型擬合的效果越好，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)也越成功。均方根誤差（RMSE）則可由下式獲得：

通過(guò)統(tǒng)計(jì)參數(shù)值和擬合函數(shù)曲線(xiàn)圖可發(fā)現(xiàn)，同指數(shù)分布模型相比，兩參數(shù)威布爾分布能更好地描述艦載導(dǎo)彈值班可靠性。當(dāng)值班時(shí)間較短時(shí)，指數(shù)分布已能滿(mǎn)足評(píng)估的精度要求；值班時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，適宜選擇兩參數(shù)威布爾分布進(jìn)行分析。

5 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)彈可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析處理工作是一切可靠性工作的基礎(chǔ)，并且貫穿于導(dǎo)彈全壽命過(guò)程中，在導(dǎo)彈裝備型號(hào)工作過(guò)程中，以往多重視研制階段的可靠性數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)分析，而忽視服役數(shù)據(jù)的管理，特別是對(duì)導(dǎo)彈值班可靠性分析研究不足，值班可靠性數(shù)據(jù)采集、處理的準(zhǔn)確與否，直接影響對(duì)導(dǎo)彈值班可靠性評(píng)估、預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)艦載導(dǎo)彈值班工作特點(diǎn)，導(dǎo)彈值班可靠性數(shù)據(jù)處理使用問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了服役階段可靠性數(shù)據(jù)處理方法，最后通過(guò)示例數(shù)據(jù)，證明了所提模型評(píng)估方法的可行性和有效性。

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Research on Methods of DutyReliabilityData Processingof Shipboard Missile

LIU Yang1ZHAO Jianyin2
（1.No.19Central Xisanhuan Road，Beijing 100073）（2.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001）

With the navy blue of the strategic shift down，shipboard missile sea duty time requires more and more time，how to evaluate the shipboard missile reliability on duty has become an important factor to affect the ability of the warship.In this paper，combining with the characteristics of shipboard missile shift work，the paper puts forward the reliability data collection on duty requirements and processing procedure，and studies the shipboard missile based on the fault duty reliability data analysis method.The results can provide a method of determining the longest time limit on duty for shipboard missile.

shipboard missile，duty reliability，data processing

E927DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.032

2015年5月6日，

2015年6月27日

劉楊，男，高級(jí)工程師，研究方向：裝備管理。