鱼雷武器服役期间装载可靠性评估

谢 勇, 苑秉成

鱼雷武器服役期间装载可靠性评估

谢 勇, 苑秉成

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

为研究鱼雷服役期间装载可靠性的分析计算问题, 根据鱼雷历次艇上装载数据, 运用故障时间等分内插法, 估计各故障发生时间, 绘制装载状态与故障时序图, 统计鱼雷在不同服役年份的装载故障数与装载时间, 分别运用经典法与Bayes方法计算装载可靠性, 得出鱼雷装载质量随服役时间的变化情况。实例计算表明, 应用鱼雷服役期间艇上装载数据能够在工程上满足服役期间鱼雷装载可靠性的分析计算需要。

鱼雷; 装载可靠度; 故障时间等分内插法; Bayes

0 引言

鱼雷是一种能够在水下自动航行、自动控制、自动寻找与跟踪, 命中目标时能自动爆炸的攻击性兵器[1-2], 又称为水下导弹。由于鱼雷在水下航行并攻击水下目标或目标的水下部分, 具有很好的隐蔽性与强大的爆炸威力, 在历次海战中显示了强大威力, 发挥了重大作用。可以说鱼雷过去是、现在是、将来也是最重要的水中兵器, 也是世界各国重点投资和发展的一种武器装备[3]。

目前对于鱼雷装载可靠性评估研究主要包括3个方面: 1) 基于部队的专项装载试验, 研究装载可靠性评估方法[8-10]; 2) 结合装备定型需要, 开展装载可靠性验证方法研究[11-13]; 3) 装载可靠性与工作可靠性之间的关系[6,14-16]。刘海波等分析了为评定鱼雷装载可靠性的专项装载试验设计[8]。钟强晖等根据专项装载试验结果运用Bayes方法进行装载可靠性评估研究[9]。周春明运用二项分布与指数分布对装载可靠度进行评定与对比分析[10]。事实上, 鱼雷服役年限不同, 质量情况不同, 装载故障率就不一样, 如果要掌握每年的装载可靠度, 就需要每年开展专项的装载可靠性试验, 这在部队很难实施。邢国强等开展了基于Bayes的定型阶段鱼雷装载可靠性验证方法研究[11-12]; 叶豪杰等研究了基于Bayes的装载可靠性验证时验前分布的稳健性[13], 所用方法都是在同母体的前提下, 而鱼雷服役阶段因环境影响与大中修将导致鱼雷变母体, 故而定型阶段的验证方法不适用于服役阶段的装载可靠度评估。霍俊龙运用灰色理论, 由已知的几组装载可靠度与工作可靠度数据, 建立了两者之间的关系[6], 根据未来某时刻的工作可靠度评估其对应的装载可靠度。李宗吉与邵成分别运用灰色理论[14-15], 田星通过模糊回归理论[16], 由已知的几组装载故障率与工作故障率数据, 建立了两者之间的关系, 根据未来某时刻的工作故障率评估其对应的装载故障率。对于服役期间的鱼雷武器, 其工作可靠度与故障率是不易获得的, 此外建立装载可靠度与工作可靠度之间关系所需要的服役期间装载可靠度数据求取本身就是个需要解决的问题。

基于上述分析, 本文将利用鱼雷服役期间每年度艇上战备值班信息, 运用故障时间等分内插法确定各故障发生时间, 绘制装载状态与故障时序图, 计算鱼雷在不同服役年份的装载故障率与装载可靠度。

1 鱼雷艇上装载数据

通常鱼雷武器装备部队后, 因战备值班与训练需要, 有一定数量的鱼雷会不定期地在艇上装载, 从某一年度来看, 装载总条数与装载总时间是可观的, 可以用来分析鱼雷装载可靠性。

1.1 鱼雷艇上装载

鱼雷装备部队后, 在艇上装载主要包括2个方面: 1) 训练装载; 2) 战备值班装载。

训练装载是指鱼雷在部队服役期间因训练、试验、演习与考核需要, 每一年度通常会有一定数量的鱼雷进行实航, 在实航前的艇上装载这一过程。战备值班装载是指鱼雷武器装备部队以后, 为应付可能发生的战争或军事突发事件, 需要平时轮流在艇上装载一定数量的鱼雷, 以保持警戒与待命状态的装载过程。相对于艇上战备值班装载而言, 鱼雷训练装载时间较短, 条数较少, 一般不大于艇上战备值班装载时间的5%, 故本文只考虑鱼雷艇上战备值班装载。

1.2 装载数据

鱼雷装艇前后都会对其进行检测, 对于鱼雷战备值班而言, 其检测包括: 1) 装艇前鱼检所进行技术准备, 只有技术准备合格的鱼雷方能装艇; 2) 战备值班结束, 鱼雷卸艇后鱼检所会对全雷进行检测以确定鱼雷是否存在故障。

鱼雷装载数据包括装艇时间、卸艇后检测时间与检测结果, 一般情况下, 在每条鱼雷履历薄上都会予以记录。由履历薄可得装载数据记为绝对装载数据, 其数据表达式为

从而, 可得相对装载数据结构

鱼雷装载期间发生的故障无法及时发现与修复, 只有通过检测才能发现。相对装载数据是进行鱼雷装载可靠性分析计算的基础, 但处理此类数据, 面对的一个问题就是无法肯定故障究竟发生在检测时刻还是在装艇中间的某个时刻, 为此, 可采用故障时间等分内插法来估计故障发生时间。

2 故障时间等分内插法

根据式(4), 可分4种情况讨论, 如图1所示。

图1 故障时间等分内插法示意图

3 鱼雷装载状态与故障时序图绘制

1) 绘制鱼雷装载状态时序图

2) 绘制鱼雷装载状态与故障时序图

绘制装载状态与故障的关键是确定故障发生时间, 由于鱼雷装载可靠性可认为服从指数分布[19], 故装载故障时间确定可根据故障时间等分内插法。在装载状态时序图基础上, 根据故障时间等分内插法确定故障发生时间, 在装载状态时序图中用黑点表示各故障的发生时间, 即得鱼雷装载状态与故障时序图, 如图2所示。

4 鱼雷装载可靠性评估方法

图2 装载时序图

4.1 经典统计方法

装载故障率定义为某一服役年限内的总装载故障数与每一服役年限内的总装载时间的比值, 则经典法计算装载故障率点估计公式为[21-22]

4.2 基于Bayes的鱼雷装载可靠度计算

1) 先验分布的确定

对于鱼雷武器而言, 在没有大修之前或2次大修中间时段, 其装载可靠度的保序性为

2) 装载数据的似然函数

由式(13)与式(14), 得

3) 装载可靠度的计算

5 实例计算

表1 装载数据表

分别运用经典法与Bayes法计算装载可靠性如图3与图4所示。

图3 装载故障率变化规律

图4 装载可靠度变化规律

图3与图4较好地反映了鱼雷装载故障率与装载可靠度随服役时间的变化规律, 随着服役时间的延长, 装载故障率增大, 装载可靠度下降。其中经典法分析结果为第1年装载故障率比第2年大, 第1年装载可靠度比第2年小, 说明经典法评估结果受到装载数据的影响较大, 小样本情况下计算结果与实际情况相违背, 不能很好地反映装载可靠性变化规律。基于Bayes方法, 通过合理选取和运用先验信息, 可以使评估结果更好地反映客观事实。

6 结束语

本文针对已服役鱼雷装载可靠性评估问题, 通过查阅履历薄, 收集各鱼雷的历次装载信息, 运用故障时间等分内插法估计故障发生时间, 绘制鱼雷装载状态与故障时序图, 从而统计计算鱼雷装载可靠性。实例计算表明, 本文介绍的方法有效实用, 能够满足鱼雷武器的工程实际需要, 具有较好的推广价值。

[1] 宋保维. 鱼雷系统工程原理与方法[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2010: 15-16.

[2] 石秀华, 王晓娟. 水中兵器概率(鱼雷分册)[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2005: 1-2.

[3] 张宇文. 鱼雷总体设计原理与方法[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1998: 1-2.

[4] 金纪坤, 杨保生, 马维义, 等. GJB531A-96. 鱼雷通用规范[S]. 北京: 国防工业出版社, 1996:4-7.

[5] 尹韶平, 刘瑞生. 鱼雷总体技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011: 300-361.

[6] 霍俊龙, 戴军. 灰色理论在鱼雷装载可靠度评估中的应用[J]. 舰船电子工程, 2007, 27(4): 189-190.Huo Jun-long, Dai Jun. Research on Torpedo Loaded Reliability Based on Grey System Theory[J]. Ship Electronic Engineering, 2007, 27(4): 189-190.

[7] 魏勇. 基于鱼雷武器储存期间检测周期方法的研究[J]. 舰船电子工程, 2006, 26(4): 177-180.Wei Yong. Research of Period Way During Storage Based on Torpedo Weapon[J]. Ship Electronic Engineering, 2006, 26(4): 177-180.

[8] 刘海波, 钟强晖. 鱼雷装载可靠性试验设计[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(12): 97-99.Liu Hai-bo, Zhong Qiang-hui. Torpedo Loaded Reliability Test Design[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33 (12): 97-99.

[9] 钟强晖, 张志华, 董理. 鱼雷装载可靠度的评估方法[J]. 舰船科学技术, 2010, 37(6): 73-74. Zhong Qiang-hui, Zhang Zhi-hua, Dong Li. The Evaluation Method of Torpedo Loaded Reliability[J]. Ship Science and Technology, 2010, 37(6): 73-74.

[10] 周春明. 装载可靠性试验与分析[J]. 鱼雷靶场, 2010(3): 5-8.

[11] 邢国强, 曲兆宇. 考虑可信度的平均寿命验后分布Bayes融合评估方法[J]. 科学技术与工程, 2012, 12(9): 2183- 2184. Xing Guo-qiang, Qu Zhao-yu. Bayesian Fusion and Evaluation Method of Posterior Distribution for Mean Life Considering Credibility[J]. Science Technology and Engineering, 2012, 12(9): 2183-2184.

[12] 邢国强, 曲兆宇. 指数分布下鱼雷装载可靠度平均寿命Bayes概率比假设检验方法[J]. 海上靶场学术, 2012(7): 9-10.

[13] 叶豪杰, 李春风. 基于验前分布稳健性分析的鱼雷装载可靠度Bayes评估[J]. 海上靶场学术, 2012(12): 4-6.

[14] 李宗吉, 任德奎. 基于灰色理论的鱼雷装载可靠性分析[J].海军工程大学学报, 2008, 20(4): 8-12. Li Zong-ji, Ren De-kui. Research on Torpedo Loaded Reliability Based on Grey System Theory[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2008, 20(4): 8-12.

[15] 邵成, 宋保维. 小子样鱼雷装载失效率与工作失效率关系[J]. 火力指挥与控制, 2007, 32(6): 94-97． Shao Cheng, Song Bao-wei. Relationship Between Storage Failure Rate and Working Rate Based on Small Sample Sys- tem[J]. Fire Control and Command Control, 2007, 32(6): 94-98.

[16] 田星, 宋保维, 梁庆卫, 等. 鱼雷装载可靠度与工作可靠度的关系研究[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(4): 883-886. Tian Xing, Song Bao-wei, Liang Qing-wei, et al. Research on Relationship of Equipping Reliability and Working Reliability of Torpedo [J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(4): 883-886.

[17] 黄瑞松.飞航导弹贮存可靠性分析[M]. 北京: 中国航天科工集团第三研究院, 2002: 33-36.

[18] 侯希久. X-X导弹贮存可靠性分析方法[R]. 北京: 北京机密机械总体设计部, 2000.

[19] 明志茂. 动态分布参数的贝叶斯可靠性分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011: 169-171.

[20] 孟庆玉. 鱼雷可靠性工程基础[M]. 武汉: 海军工程学院出版社, 1989: 293-295.

[21] 张志华. 可靠性理论及工程应用[M]. 北京: 科学出版社, 2012: 140-145.

[22] 曹治民, 卢昆祥, 江登恕. GB5080.4-85. 设备可靠性试验可靠性测定试验的点估计和区间估计方法(指数分布)[S]. 北京:中国标准出版社,1985:375-377.

Evaluation of Torpedo Loading Reliability in Commission

XIE Yong, YUAN Bing-cheng

(Department of Weapon Engineering, Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)

To evaluate loading reliability of a torpedo in commission, according to historical loading information of a torpedo, fault occurring time is predicted by usinginterpolation method of aliquot fault time. Subsequently, torpedo loading sequence diagram and loading fault sequence diagram are drawn, loading fault number and loading time in every service year are counted, and loading reliability is calculated with classical approach and Bayes method, respectively. And the variation of torpedo loading mass with service time is obtained. An example indicates that loading information of a torpedo in service duration can meet the requirement of evaluation of torpedo loading reliability for engineering application.

torpedo; loading reliability; interpolation method of aliquot fault time; Bayes

TJ630; TB114.3

A

1673-1948(2013)02-0086-06

2012-11-13;

2012-12-05.

谢 勇(1985-), 男, 在读博士, 研究方向为鱼雷定型与可靠性评估.

(责任编辑: 陈 曦)