羅曉強(qiáng), 王 浩, 侯發(fā)林

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水下航行器航行任務(wù)可靠度綜合評(píng)定法

羅曉強(qiáng)1, 王 浩2, 侯發(fā)林1

(1. 中國人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江, 524022; 2. 中國人民解放軍92819部隊(duì), 遼寧 大連, 116041)

水下航行器航行任務(wù)可靠度的傳統(tǒng)考核方法是將非全航程的條次當(dāng)作全航程條次統(tǒng)計(jì), 不符合指標(biāo)剖面要求。針對(duì)傳統(tǒng)考核方法存在的不足, 提出將航行過程看成是壽命服從指數(shù)分布型的綜合評(píng)定方法, 該方法統(tǒng)計(jì)各條次的實(shí)航時(shí)間, 結(jié)合其他分系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 利用L-M法綜合折算總的試驗(yàn)任務(wù)條次數(shù)及失效數(shù), 以基于二項(xiàng)分布的置信下限法計(jì)算任務(wù)可靠度最低可接受值, 并以此判斷任務(wù)可靠度是否滿足指標(biāo)要求。研究表明, 該方法解決了傳統(tǒng)考核方法的不足, 實(shí)施容易、操作簡單、結(jié)論可靠, 提高了試驗(yàn)效率。

水下航行器; 任務(wù)可靠度; L-M法; 二項(xiàng)分布; 置信下限; 實(shí)航試驗(yàn)

0 引言

考核水下航行器的航行任務(wù)可靠度時(shí), 由于全系統(tǒng)試驗(yàn)的樣本量比較少, 往往采用金字塔式系統(tǒng)可靠性綜合評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定, 即將分系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合成全系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行評(píng)定。在以往水下航行器航行任務(wù)可靠度鑒定試驗(yàn)中, 常采用的方法是將各分系統(tǒng)單元的試驗(yàn)結(jié)果看作服從成敗型, 這樣可直接采用經(jīng)典L-M(Levenberg- Marquardt)法[1-2]進(jìn)行系統(tǒng)可靠性綜合評(píng)定, 此方法計(jì)算簡便, 但是存在將非全航程的眾多條次試驗(yàn)當(dāng)作一次全航程統(tǒng)計(jì), 不符合指標(biāo)要求, 不能真實(shí)反映航行任務(wù)可靠性水平。

針對(duì)類似情況, 文獻(xiàn)[3]和[4]提出了將航行過程當(dāng)作指數(shù)型考核魚雷實(shí)航工作可靠度的方法, 而水雷等其他水下航行器, 目前未見相關(guān)文獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)[3], 文中提出了基于航行時(shí)間累計(jì)的成敗型分系統(tǒng)和指數(shù)型分系統(tǒng)串聯(lián)的L-M可靠性綜合評(píng)定方法, 用于評(píng)定水下航行器任務(wù)可靠性, 主要適用于自航水雷及剖面相似的其他航行器。

1 航行任務(wù)剖面

水下航行器航行任務(wù)剖面一般包括: 航行器布放準(zhǔn)備, 航行, 至航行結(jié)束后完成相應(yīng)要求的功能, 以及所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境的時(shí)序描述。主要事件包括: 布放(含布放準(zhǔn)備)、航行、動(dòng)作等。因此, 水下航行器進(jìn)行航行試驗(yàn)時(shí), 既可以看作是全系統(tǒng)的試驗(yàn), 也可以看作是布放(含布放前準(zhǔn)備)、航行、結(jié)束航行時(shí)的動(dòng)作分別由3個(gè)相應(yīng)的分系統(tǒng)串聯(lián)完成的3個(gè)試驗(yàn)[5]。當(dāng)航程為全航程、試驗(yàn)剖面內(nèi)功能動(dòng)作完整時(shí), 可看作是全系統(tǒng)的1次試驗(yàn), 否則只統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的分系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型分析

一般情況下, 在任務(wù)可靠性指標(biāo)鑒定試驗(yàn)工程應(yīng)用中, 為了方便計(jì)算, 主要采用基于成敗型進(jìn)行評(píng)定, 如魚雷實(shí)航工作可靠度[6]等。部分采用指數(shù)型[7-8], 如平均故障間隔時(shí)間(mean time between failure, MTBF)等。根據(jù)文獻(xiàn)[9], 凡在一段時(shí)間內(nèi)不積累損傷, 也不積累疲勞, 僅由于外界超強(qiáng)度沖擊力的隨機(jī)到來或內(nèi)部潛伏的隱患偶然爆發(fā)所造成的故障, 都是隨機(jī)的偶然故障, 基本服從指數(shù)分布, 電子產(chǎn)品和復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的壽命絕大多數(shù)是服從指數(shù)分布的, 且經(jīng)過長時(shí)間調(diào)試后的整機(jī)或系統(tǒng)的壽命基本上服從指數(shù)分布。因此, 在研究水下航行器可靠性問題時(shí), 也完全可以按指數(shù)分布來分析處理。

綜上, 根據(jù)水下航行器航行試驗(yàn)的特點(diǎn), 航行任務(wù)可靠度試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型可按如下處理:

1) 全航程的實(shí)航試驗(yàn), 按成敗型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 即記1次全系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù);

2) 布放試驗(yàn)(含布放前準(zhǔn)備), 按成敗型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 即記1次布放試驗(yàn)數(shù);

3) 結(jié)束航行時(shí)的動(dòng)作試驗(yàn), 按成敗型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 即記1次結(jié)束航行時(shí)的動(dòng)作試驗(yàn)數(shù);

4) 航行試驗(yàn), 按指數(shù)型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 統(tǒng)計(jì)航行時(shí)間, 以及期間發(fā)生的責(zé)任故障數(shù)。

3 綜合評(píng)定方法

3.1 評(píng)定思路

綜合可靠度評(píng)定方法是基于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù), 利用其他分系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和收集到的相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)等, 進(jìn)行金字塔式評(píng)定可靠度的方法, 將下一級(jí)單元系統(tǒng)向上一級(jí)單元系統(tǒng)折合, 并采用單側(cè)置信下限法進(jìn)行評(píng)定。此方法用較少的全系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和大量的分系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù), 即可完成任務(wù)可靠度評(píng)定。水下航行器任務(wù)可靠度綜合評(píng)定方法評(píng)定思路及步驟如下。

1) 統(tǒng)計(jì)全系統(tǒng)實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)

整理、分析全系統(tǒng)的實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)折合為同一環(huán)境條件下的數(shù)據(jù), 如實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及其他不同階段的不同地點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。折合時(shí), 環(huán)境因子由試驗(yàn)方和研制方按照相關(guān)確定方法共同確定。統(tǒng)計(jì)時(shí), 數(shù)據(jù)類型為成敗型, 并記試驗(yàn)數(shù)為, 試驗(yàn)失敗數(shù)為。

2) 折合分系統(tǒng)等效試驗(yàn)數(shù)據(jù)

第1步: 將布放試驗(yàn)數(shù)據(jù)、航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)和航行結(jié)束后的動(dòng)作試驗(yàn)數(shù)據(jù), 按照環(huán)境因子分別折合成同一環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)。

第2步: 按照L-M法, 對(duì)成敗型的布放試驗(yàn)數(shù)據(jù)(1,1)、航行結(jié)束后動(dòng)作試驗(yàn)數(shù)據(jù)(2,2)進(jìn)行綜合, 得到等效試驗(yàn)數(shù)(4,4)。

第3步: 將指數(shù)型的航行試驗(yàn)數(shù)據(jù), 根據(jù)任務(wù)時(shí)間折合得到航行等效試驗(yàn)數(shù)據(jù)(3,3), 并轉(zhuǎn)換為成敗型等效試驗(yàn)數(shù)據(jù)(5,5)。其中, 所有航行試驗(yàn)的航行時(shí)間均納入統(tǒng)計(jì)。

3) 綜合評(píng)定

根據(jù)L-M法, 利用(4,4)、(5,5)和(,), 綜合得到航行全系統(tǒng)總試驗(yàn)數(shù)據(jù)(,), 并通過查詢文獻(xiàn)[10]或計(jì)算, 得到航行任務(wù)可靠度的下限值。

評(píng)定思路見圖1所示。需要注意的是, 在使用數(shù)據(jù)前即進(jìn)行數(shù)據(jù)折合前, 要根據(jù)相關(guān)分布檢驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分布類型的檢驗(yàn)。實(shí)際工程應(yīng)用中, 因缺少足夠的樣本數(shù)和故障數(shù)等信息, 可能檢驗(yàn)的結(jié)果不夠準(zhǔn)確, 此時(shí)要進(jìn)行工程分析, 如產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)是否一致、試驗(yàn)條件差異性等, 確保數(shù)據(jù)類型是一致的。

3.2 成敗型數(shù)據(jù)折合方法

用L-M法對(duì)成敗型的布放試驗(yàn)數(shù)據(jù)(1,1)、航行結(jié)束后動(dòng)作試驗(yàn)數(shù)據(jù)(2,2)進(jìn)行綜合, 得到成敗型等效試驗(yàn)數(shù)(4,4)。方法如下

3.3 數(shù)據(jù)分布類型轉(zhuǎn)換方法

數(shù)據(jù)分布類型的轉(zhuǎn)換, 采用文獻(xiàn)[1]提供的方法將指數(shù)型航行等效試驗(yàn)數(shù)轉(zhuǎn)換為成敗型數(shù)據(jù)。

當(dāng)3≠0時(shí), 有

當(dāng)3=0時(shí), 有

3.4 任務(wù)可靠度綜合評(píng)定方法

在眾多評(píng)定方法中, L-M方法相對(duì)較保守, 因此主要采用文獻(xiàn)[1]提供的L-M方法任務(wù)可靠度綜合評(píng)定。記全系統(tǒng)總等效試驗(yàn)數(shù)為(,), 則由全系統(tǒng)的實(shí)航試驗(yàn)數(shù)(,), 以及(4,4)和 (5,5), 可計(jì)算出系統(tǒng)綜合試驗(yàn)數(shù)。計(jì)算方法如下

式中,≠。當(dāng)=時(shí),R為0。

上述用式(5)求解時(shí), 文獻(xiàn)[10]還有更詳細(xì)的求解過程。在實(shí)際應(yīng)用過程中, 可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)、失敗數(shù)與置信度, 查詢文獻(xiàn)[10], 得到置信下限值。當(dāng)和不是整數(shù)時(shí), 用線性插值進(jìn)行計(jì)算。

4 方法應(yīng)用要求

水下航行器使用上述方法進(jìn)行航行任務(wù)可靠度試驗(yàn)與評(píng)定時(shí), 應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求: 1) 規(guī)定全系統(tǒng)試驗(yàn)最少數(shù); 2) 規(guī)定全系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)允許失敗數(shù); 3) 使用分系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí), 要保證被試航行器的技術(shù)狀態(tài)一致, 或者改進(jìn)的技術(shù)狀態(tài)不影響試驗(yàn)結(jié)果, 保證數(shù)據(jù)類型一致; 4) 故障統(tǒng)計(jì)與處理, 要嚴(yán)格按照相關(guān)國軍標(biāo)進(jìn)行; 5) 使用不同環(huán)境與條件下獲得的數(shù)據(jù)時(shí), 根據(jù)相關(guān)要求, 明確環(huán)境因子。

5 實(shí)例分析

假設(shè)某水下航行器航行任務(wù)可靠度指標(biāo)要求為任務(wù)時(shí)間2 h, 可靠度0.8(=0.8)。根據(jù)指標(biāo)要求, 至少需要航行時(shí)間超過2 h的8次試驗(yàn)且無故障, 指標(biāo)才能判定合格。

一般情況下, 為了考核某些無法在全航程中結(jié)合考核的功能性能指標(biāo), 往往會(huì)有一些短航程或非全航程的試驗(yàn)條次, 如適應(yīng)高海況試驗(yàn)等。假設(shè)該水下航行器在海上試驗(yàn)中, 在同樣的使用條件和要求下分別進(jìn)行了18次試驗(yàn), 均成功或在第1次試驗(yàn)航行階段發(fā)生故障, 見表1。每次試驗(yàn)動(dòng)作流程都是完整的, 即都包含了布放、航行、航行結(jié)束時(shí)動(dòng)作等。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表1中, 全航程的試驗(yàn)只有5次, 若直接用成敗型算法, 要么再進(jìn)行3次航行時(shí)間超過2h的試驗(yàn)或者將短航程的試驗(yàn)當(dāng)作全航程的試驗(yàn), 不然樣本量不足以評(píng)定任務(wù)可靠度。若根據(jù)文中的算法, 上述18次試驗(yàn)結(jié)果已可以做出判斷。計(jì)算結(jié)果如下。

1) 當(dāng)所有試驗(yàn)均成功時(shí)

表1中, 全系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)=5, 失敗數(shù)=0; 布放試驗(yàn)數(shù)(1,1)=(13, 0); 航行結(jié)束時(shí)動(dòng)作試驗(yàn)數(shù)(2,2)=(13, 0); 航行試驗(yàn)航行累計(jì)時(shí)間6.04 h, 失敗0次, 即等效試驗(yàn)數(shù)(3,3)=(3, 0)。

根據(jù)式(1), 將(1,1)、(2,2)進(jìn)行綜合, 得到等效試驗(yàn)數(shù)(4,4)=(13, 0);

根據(jù)式(3), 將指數(shù)型數(shù)據(jù)(3,3)轉(zhuǎn)換為成敗型數(shù)據(jù)(5,5)=(3, 0);

根據(jù)式(4), 將(,)、(4,4)和(5,5)進(jìn)行綜合, 得到總試驗(yàn)數(shù)=8, 失敗數(shù)=0。經(jīng)查詢文獻(xiàn)[10], 得到任務(wù)可靠度置信下限值0.82 (=0.8), 此時(shí)任務(wù)可靠度滿足指標(biāo)要求。

2) 當(dāng)在航行階段出現(xiàn)一次失敗時(shí)

在13次非全航程的航行試驗(yàn)中, 出現(xiàn)1次失敗, 那么根據(jù)式(2), 航行試驗(yàn)等效試驗(yàn)數(shù)(5,5)=(3.6, 1.0); (4,4)仍為(13, 0)。由式(4), 得到總試驗(yàn)數(shù)8.6, 失敗數(shù)1.0。根據(jù)線性插值計(jì)算, 得到任務(wù)可靠度置信下限0.69(=0.8), 此時(shí)任務(wù)可靠度不滿足指標(biāo)要求。

其他試驗(yàn)數(shù)和故障數(shù)的情況, 計(jì)算方法類似。

評(píng)估結(jié)果及準(zhǔn)確性分析如下: 1) 試驗(yàn)是在相同的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)環(huán)境(海上實(shí)航試驗(yàn))、技術(shù)狀態(tài)下進(jìn)行的, 不同條次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型一致, 不用進(jìn)行環(huán)境因子轉(zhuǎn)換; 2) 不管短航程還是長航程, 航行時(shí)間、故障數(shù)均納入了試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì), 數(shù)據(jù)覆蓋全面、真實(shí)和有效; 3) 采用較保守的L-M算法, 控制了考核風(fēng)險(xiǎn); 4) 該方法既不用增加全系統(tǒng)的試驗(yàn)次數(shù), 也避免了短航程無法納入全系統(tǒng)試驗(yàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)的問題。

6 結(jié)束語

通過開展對(duì)水下航行器航行任務(wù)可靠度綜合評(píng)定法的相關(guān)研究, 結(jié)果表明: 該方法計(jì)算簡單、結(jié)果可靠、可操性強(qiáng), 解決了傳統(tǒng)考核方法將非全航程當(dāng)作全航程條次納入統(tǒng)計(jì)的不足, 并減小了對(duì)全系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴程度, 提高了試驗(yàn)效率。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Comprehensive Assessment Method for Navigation Mission Reliability of Undersea Vehicle

LUO Xiao-qiang1, WANG Hao2, HOU Fa-lin1

(1. 91388thUnit, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China; 2. 92819thUnit, The People’s Liberation Army of China, Dalian 116041, China)

Conventional reliability assessment method of undersea vehicle navigation mission regards incomplete course statistics as whole course statistics, which does not meet the requirements of the specification profile. In view of the shortcomings of conventional assessment methods, a comprehensive assessment method is proposed, which the navigation process is considered to be an exponential distribution of life, and the time of actual navigation is counted and converted into a mission equivalent number according to the time of the whole course. Combining with other subsystems’ trial data, the L-M method is used to calculate the number of times and the number of failures of the total sea trial task. The smallest acceptable value of mission reliability is calculated with the lower confidence limit method based on the binomial distribution for determining whether the reliability of the task meets the requirement. It is concluded that the proposed method solves the shortcomings of theconventional assessment method, and is easy in implement, simple in operation, and reliable in assessment, and this method can greatly reduce the number of trial times and improve the efficiency of trial.

undersea vehicle; mission reliability; L-M method; binomial distribution; lower confidence limit; sea trial

A

2096-3920(2018)04-0348-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.012

TJ630.6; TB114.37

羅曉強(qiáng), 王浩, 侯發(fā)林. 水下航行器航行任務(wù)可靠度綜合評(píng)定法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(4): 348-351.

2017-12-12;

2018-04-08.

羅曉強(qiáng)(1985-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗斜髟囼?yàn)技術(shù).