大型雷达装备使用可靠性评估∗

王晗中,常春贺,邓 刚

(1.空军预警学院训练部,湖北武汉430019;2.95980部队,湖北襄阳441021)

0 引言

可靠性是指装备在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力[1],是构成装备质量特性的重要组成部分;而使用可靠性则反映了装备在实际环境中使用时所呈现出来的可靠性。雷达装备使用可靠性的高低不仅直接影响其作战任务的完成,而且对提高雷达作战效能、减少维修保障资源以及降低全寿命周期费用至关重要[2-4]。雷达使用可靠性不仅与设计可靠性有关,还受装备使用、维修等因素的影响[5]。

目前,大型雷达装备的可靠性评估方法还不完善,严重制约了大型雷达装备可靠性水平的提高,因此寻找科学合理的可靠性评估方法变得尤为迫切。平均故障间隔时间(MTBF)是可靠性评估中常用的重要指标之一,而数学均值法、一次分布法等传统的可靠性评估方法只计故障数量[6-8],不考虑故障件所属系统(以下统称部件系统)的重要性,难以体现可靠性指标对装备的安全性和任务成功性与战备完好性的影响。本文针对大型雷达装备在部队使用过程中出现的大量故障统计数据,结合大型雷达装备的特点,提出一种基于重要性的大型雷达装备使用可靠性评估方法。通过使用可靠性评估,为大型雷达装备科学维修、设计改进以及新装备研制提供重要的参考依据。

1 大型雷达装备特点分析

现代大型雷达装备具有技术复杂、分系统多、系统设备量大等显著特点,对装备的战备完好性和任务成功性要求越来越高,这也给大型雷达装备的可靠性提出了诸多挑战。与常规雷达相比,大型雷达装备具有以下特点:

(1)系统复杂、规模庞大

现代大型雷达装备系统复杂、规模庞大,通常采用了先进的设计理念,集成了全固态、全相参、相控阵等多种现代雷达高新技术。为满足特定的战技术性能,大型雷达要么体型庞大(如天线阵面宽、高度达几十米),要么雷达部署地域分散,系统设备通常分布于多个不同站点,各站之间交联多,系统正常工作和作战性能的高效发挥依赖于各站装备的正常运行,若装备自身可靠性不高,就会严重地影响雷达的预警探测性能。因此,大型雷达装备必须具有较高的可靠性,才能确保其作战效能得以顺利地发挥。

(2)分系统多、设备量大

大型雷达通常由频率源、发射、接收、信号处理、数据处理、显示与控制、光纤传输、计算机网络、电站等十多种系统组成,系统之间关联性强,其可靠性在很大程度上决定了雷达整机系统的可靠性,进而影响到系统作战效能的发挥。同时,为获得高的探测能量、宽的探测范围,大型雷达设备量通常是一部普通雷达装备的几倍甚至几十倍之多,如某大型雷达接收系统中的接收机多达数百个,发射系统中的全固态发射机就有几十部,而这些发射机的功放模块多达上千个,且仅仅单个功放模块造价就高达数万元。因此,良好的可靠性设计,不仅可提高大型雷达装备安全性和战备完好性,而且对于减少装备维修保障费用也有着极其重要的现实意义。

(3)装备层次性结构明显

大型雷达装备虽然系统复杂、规模庞大,但其具有明显的层次性结构特点,即具有系统、分系统、LRU和SRU的层次顺序。图1为某大型雷达装备的层次结构图,第1层为雷达整机系统;第2层为雷达各个系统,如频率源系统、定时系统、发射系统、接收系统、信号处理系统、显控系统等;第3层为雷达各系统之下的分系统,如发射系统中的激励源分系统、发射控制分系统、发射机分系统、传输馈线分系统、发射天线分系统等;第4层为现场可更换单元LRU,如发射机分系统中的主控制器、前置放大器、推动放大器、功放模块、合并器等;第5层为车间可更换单元SRU,如功放模块中的分路器、功放管、检测板、阻容件、二极管等。第1～3层属于雷达装备的功能分类层次,第4～5层属于故障定位的可更换单元。分层次结构特点使大型雷达装备可靠性设计与故障分析清晰容易,更加利于对大型雷达装备进行分层、分单元进行可靠性评估。

图1 某大型雷达装备的层次结构图

由以上分析可见,大型雷达具有规模庞大、分系统多、设备量大和层次性结构明显等特点,如果能充分利用大型雷达装备的这些特点,对大型雷达装备进行分层处理,可大大降低其可靠性设计与分析的复杂性,提高可靠性评估的效率。

2 基于重要性的使用可靠性评估模型及算法

现代大型雷达装备结构复杂,设备量大,故障模式多样。不同部件系统的故障各具特点,且对雷达工作的影响程度即重要性不同,有的部件故障可能导致雷达无法正常工作,有的部件故障只引起分系统(或子系统)性能降低,对雷达整机系统影响较小。所以,不同部件系统的故障对雷达整机系统可靠性的影响程度也不同。为准确评估大型雷达装备使用可靠性,本文在综合考虑装备故障的性质、规律及部件系统重要性的基础上,建立了一种基于重要性的大型雷达装备使用可靠性评估模型。

2.1 评估模型总体思路

由前面分析可知,大型雷达装备分系统多,且具有明显的层次结构特点,因此可以根据大型雷达部件所属系统(即部件系统)重要性的不同特点,将故障按照大型雷达的部件系统层次结构进行分类,每一部件系统故障综合考虑故障现象、故障位置进行分类。大型雷达可靠性指标分为故障类型级(即指标层)、部件系统级(即准则层)和总体级(即目标层)指标三个层次。其评估的层次结构如图2所示。

图2 三层评估体系结构

根据指标层包含的各故障类型概率分布模型对指标层的可靠性指标进行评估;在指标层可靠性指标的基础上,采用样本量加权平均的数据融合方法得到部件系统级指标;而总体级可靠性指标则根据部件系统级指标,采用重要性综合权系数加权平均的数据融合方法计算。

2.2 指标层可靠性指标的计算

根据统计学理论,指标层同一类型故障寿命分布符合某种典型的统计分布规律,即指数分布、正态分布或韦布尔分布等。大型雷达装备的故障模式多种多样,用何种分布来描述某一具体的故障模式需要通过典型分布的拟合优度检验来确定,如W检验(正态检验)、χ2检验(指数检验)、M检验(韦布尔检验)等。确定其分布规律后,根据相应分布的数学模型确定该分布的可靠性指标MTBF。式(1)、(2)和(3)分别表示指数分布、正态分布和韦布尔分布的M TBF点估计公式。

式中,为指数分布参数θ的点估计;T为累积工作时间;r为累积失效(或故障)数。

式中,为正态分布均值的点估计。

式中,为韦布尔分布参数η的点估计;Γ(1+1/m)为(1+1/m)的伽马函数值;exp(),其中为韦布尔分布对应的I型极值分布参数的点估计。

2.3 准则层可靠性指标的计算

准则层即部件系统级的可靠性指标由指标层(故障类型级)指标向上融合得到,采用样本量加权平均的融合方法。

指标的权重系数表示某一层次的子指标相对于上一层次的父指标的重要程度。由于同一系统下不同故障类型故障可以定量地通过样本量进行比较,所以指标层(故障类型级)相对于准则层(部件系统级)的权重系数根据样本量确定。

引入w ij(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n i)表示指标层相对于准则层的权重系数,同一部件系统指标层权重系数构成的权矢量为W i=(w i1,w i2,…,w in),w ij≥0。

2.4 目标层可靠性指标的计算

目标层即总体级的可靠性指标由准则层(即部件系统级)可靠性指标向上融合得到,采用样本量和重要性综合加权平均的融合方法。

1)样本量权矢量W n

准则层指标对样本量准则的权矢量用W n=(w n1,w n2,…,w nm)表示,这里w ni(i=1,2,…,m)为第i个系统的样本量权系数,

其中,m为系统总数,n为样本量确定的权系数。w ni由下式确定:

式中,N i为第i个系统的样本量;N为总样本量。

2)重要性权矢量W s

大型雷达部件的重要性按照各系统与部件所处工作的位置、重要程度划分为4个等级。

(1)极重要:对整机有致命影响。

(2)很重要:对整机有很大影响。

(3)重要:对整机有轻度影响。

(4)一般:对整机无大影响。

基于重要性的大型雷达可靠性评估中,部件系统级指标相对于总体指标的重要性权系数,根据AHP法对各个部件系统的重要性判断矩阵,进行求和平均及归一化处理确定,其实现步骤具体如下。

Step 1:构造比较判断矩阵

根据各个部件系统的重要性,使用成对比较和专家咨询法来构造判断矩阵A=[a ij](表示同一层各指标相对重要性的标度值,判断标准采用层次分析法常用的1～9标度法)。

Step 2:计算指标权重

指标权重的计算可归纳为求解判断矩阵A最大特征值λmax对应的特征向量,即AW=λmaxW的特征向量W=(w1,w2,…,w n)T。在AHP方法中,计算特征向量常用的近似方法有求和法、平方根法等,本文采用判断矩阵首行求和并归一化来求解特征向量,从而得到各指标的权重。

Step 3:一致性检验

由于大型雷达装备使用可靠性评估过程中影响因素的复杂性和决策者对这些因素主观判断具有不稳定性,以及不同决策者偏好也不同,因此难以将同一准则下的因素差异度量的十分准确,通过两两比较的判断矩阵不一定满足一致性条件。因而实际操作时,引入变量一致性比例CR=CI/RI来检验一致性,当CR＜0.1时,判断矩阵具有一致性,否则就不满足一致性[9]。其中CI=(λmax-n)/(n-1)为一致性指标,RI为平均随机一致性指标,根据矩阵阶数而取值,表1给出了1～9阶矩阵的平均随机一致性指标[10]。

表1 RI与n的对照关系表

3)总体指标的重要性权矢量W c

根据可靠性评估中样本量比重要性重要的原则,来构造样本量和重要性相对于总体指标的判断矩阵见表2。

表2 总体指标与样本量、重要性的权重矩阵

利用前面介绍的层次分析法对判断矩阵进行计算求解,可以得到大型雷达装备样本量准则和重要性准则对总体指标的权矢量为W c=(0.834,0.166)。

4)综合权矢量

准则层对目标层的综合权矢量:

5)目标层可靠性指标

根据准则层可靠性指标矢量R和综合权矢量W可以计算得到目标层可靠性指标T。

3 大型雷达装备使用可靠性评估

现代大型雷达装备虽然采用了固态化、微电子化、模块化、标准化、系列化、冗余等设计,使装备整体可靠性得到了极大的提高,但从雷达装备的外场使用情况来看,仍不可避免地发生了众多的各类故障。因此,有必要对大型雷达实际使用过程中的故障数据进行统计分析,以准确评估其使用可靠性,进而对大型雷达作战使用、设计改进以及新装备研制提供借鉴和参考依据。

3.1 大型雷达装备故障统计

由前面分析可知,大型雷达系统极其复杂、设备量巨大,同时根据部队实际使用过程中统计发现,发射系统故障率最高,所以发射系统仍然是故障多发部位,其可靠性直接影响大型雷达装备的MTBF。因此,为了验证本文模型的有效性,这里仅以某大型雷达发射系统为例进行分析与验证。经过对该雷达发射系统外场故障数据的收集和整理,保留303例外场故障数据。根据基于重要性的大型雷达装备使用可靠性评估方法的思路,将故障按故障件或故障部位的所属系统进行划分,其分布情况见表3。各部件系统包含不良触点、短路、断路、击穿、漂移等不同类型故障。

表3 发射系统故障样本按部位的分布

3.2 大型雷达装备可靠性评估

根据故障的分析处理,利用本文评估模型对某大型雷达发射系统的使用可靠性进行评估,其评估流程如图3所示。

图3 可靠性评估指标算法流程

1)部件系统的可靠性及其分析

利用本文模型对某大型雷达发射系统的可靠性指标进行评估,其中利用AHP法计算得到的雷达装备各部件系统(分系统)的权矢量参见表4,各部件系统及发射整机系统的可靠性指标如表5所示。

从表5中可知:

(1)发射整机系统的MTBF达到了800 h以上,但低于系统设计的最低可接受指标值900 h。

(2)故障数目较多的发射机分系统、发射控制分系统和传输馈线分系统MTBF指标值低于发射整机系统的MTBF指标值,而激励源分系统和其他配套分系统的MTBF指标值高于发射整机系统的MTBF值。

表4 准则层相对目标层的判断矩阵及权矢量

表5 某大型雷达发射各分系统MTBF值

(3)发射天线分系统没有有效故障数据,这里将发射系统的设计门限值作为其MTBF指标值,由于其样本量为0,计算发射整机系统可靠性指标时,只考虑其重要性的影响,对整机可靠性指标影响不大。

(4)发射机分系统的故障样本较多,计算得到的可靠性指标较低,所以,其可靠性的高低对雷达发射整机系统的可靠性影响较大。发射机分系统的故障类型及可靠性情况见表6。由表6可见,该雷达装备发射机分系统的功放模块故障样本量最大,且其MTBF＜700 h,一方面由于发射机的功放模块较多,另一方面也说明了功放模块本身可靠性质量问题;另外,开关电源、辅助电源、电源框架、滤波器和继电器故障样本量相对较大,这些部件的MTBF指标值均在500 h左右,这在一定程度上说明了发射机出厂时的缺陷,寻找这几类故障原因,并采取一定措施消除设计缺陷,可以提高发射机分系统的可靠性指标,从而提高该雷达装备的使用可靠性。

表6 发射机分系统的MTBF指标值

(5)由表5和表6可以看出,发射控制分系统、发射机分系统、光纤传输分系统、传输馈线分系统以及电源分系统MTBF均低于发射系统的设计指标值。在实际使用过程中,当发射控制分系统工作达到400 h左右时,加强对其设备和软件系统进行检查维护,可以减少发射控制分系统故障的发生,提高系统可靠性;同样,在使用过程中,当发射机、光纤传输、传输馈线以及电源等分系统工作达到800 h左右时,应加强对这些分系统进行检查维护,可以减少这些分系统故障的发生概率,从而提高系统可靠性,减少系统故障对该型雷达预警探测性能的影响。

2)整机系统的可靠性及其分析

利用本文模型对该大型雷达发射系统的使用可靠性进行评估,并将评估结果与数学均值法和整体分布法进行对比。不同评估方法得到的发射系统MTBF指标值见表7。

表7 发射整机系统的MTBF指标值

从表7中可知:对发射系统进行可靠性评估时,采用整体分布法与数学平均值法计算得到的结果相差不大,与利用层次分析法考虑不同类型故障的分布类型、样本量及重要性差别时所获得结果相比偏小。这是由于数学均值法与整体分布法只考虑了故障部件分布类型且将不同部件系统同等对待,没有考虑不同部件系统之间的重要程度,导致评估结果过于保守,风险较大;基于样本量的可靠性评估模型虽然考虑故障分布类型和样本量大小,但没有考虑不同部件系统重要性差别,很容易对可靠性评估的结果产生较大的影响,评估结果的可信度不高;而利用本文提出的基于重要性的可靠性评估方法,既综合考虑了不同类型故障分布类型、样本量大小,又考虑到了不同部件系统重要性差异对该雷达可靠性评估的影响,更符合雷达装备实际,所以本文方法评估风险小,评估结果更为合理、精确。

4 结束语

本文在分析大型雷达装备特点的基础上,建立了一种基于重要性的大型雷达装备使用可靠性评估模型。首先利用层次分析法将系统可靠性指标划分为故障类型级、部件系统级、总体级三级评估指标,然后分别通过寿命分布、样本量以及加权融合等方法计算其MTBF,最后以某大型雷达发射系统为例进行了验证研究。实例应用表明,本文方法得到的评估结果更加准确、合理。通过评估,为大型雷达装备科学维修、设计改进以及新装备研制提供了一定的依据和参考。

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