某型雷达系统可靠性分析与仿真*

任雪峰 林新党

(海军驻南京地区雷达系统军事代表室 南京 210003)



某型雷达系统可靠性分析与仿真*

任雪峰 林新党

(海军驻南京地区雷达系统军事代表室 南京 210003)

建立了某型雷达系统的可靠性模型,并推导了系统可靠度的计算公式。利用故障模式和故障树分析的方法,对这个雷达系统进行了可靠性分析。在故障树分析的基础上,利用蒙特卡洛法建立了本雷达系统的可靠性仿真模型,利用Matlab软件编写了仿真程序,并进行了仿真分析,给出了仿真结果。仿真结果证明这种方法可以得到系统的平均无故障时间和可靠度分布曲线。

雷达系统; 可靠性; 故障树; Matlab仿真

Class Number TN95

1 引言

雷达是重要的信息获取装备,是各种先进作战平台和指挥控制系统的耳目,在国防建设、经济建设、科学研究中都占据着非常重要的地位[1]。因此雷达的可靠性是至关重要的,它的好与坏决定着任务的成功与失败,甚至是战争的胜负。这样对雷达的可靠性进行分析和仿真是必不可少的。

系统可靠度的分析,常采用故障模式及危害(FMEA)分析和故障树(FTA)分析法[2]。本文首先根据可靠性建模的一般法则,对本型舰载雷达系统进行了可靠性建模,并根据可靠性基本计算方法,推导了可靠性计算公式。其次,根据故障模式分析法对系统进行了分类分析,利用专门的故障树分析软件,对系统进行了故障树分析,得出了最小割集、最小径集、结构重要程度、顶事件概率、概率重要度和危险重要度。在故障树分析的基础上,本文根据所求出的割集,利用蒙特卡洛数字仿真方法[3]建立了系统可靠性的仿真模型,并利用Matlab进行了计算机仿真[4]。

2 系统可靠性模型的建立和可靠度计算

可靠性模型是指为预计或估算产品可靠性而建立的数学模型。利用可靠性模型可以分配、预计产品的可靠性指标。在进行可靠性设计时,首先根据产品任务要求,构思出产品的功能原理框图,进而画出产品的可靠性框图,建立数学模型,以便进行可靠性预计和可靠性分配。下面根据本型雷达的工作流程状况建立一个可靠性模型,以方便计算它的MTBCF。本雷达系统的可靠性模型如图1所示。

图1 某型雷达系统可靠性模型

根据图1所示的可靠性模型可知,本雷达系统可以划分为大的四个部分串联,根据串联可靠性数学计算公式可得:

(1)

式中,Rs(t)为系统的可靠度,Ri(t)为第i部分的可靠度。其中分机1和分机2为独立系统就不做详细介绍了,下面主要分析分系统3和分系统4。

(2)

R33(t)=R34(t)·{1-[1-R35(t)]·[1-R36(t)]}

(3)

(4)

所以只要求出每一个分机可靠度就可以推算出整个系统的可靠度。

3 故障树分析

3.1 系统故障模式分析

利用故障模式分析表格分析法对本型舰载雷达系统进行故障模式分析,找出从系统到子系统及各附件的失效模式。装备可靠性试验中的故障分为关联故障和非关联故障[9]。从功能划分,本型雷达系统故障可以分主动模式故障、被动模式故障、协同模式故障。其中主动模式可以牵涉到系统的各个模块因此本文就以主动模式为例进行故障模式分析和故障建模仿真。下面分别分析可以引起主动模式故障的各个分机的故障。

1) 雷达天线故障分析。雷达天线发射时将射频能量集中到具有一定形状的波束中,去照射所希望照射的目标,接收时收集包含目标反射回波的能量,并将其传送到接收机去。本文所述雷达共用一副天线。根据天线的主要部件可以分析出天线的主要故障有:(1)馈源偏离轴心;(2)雷达反射面变形;(3)反射面腐蚀;(4)馈源受损;(5)波导泄露。

2) 被动信号系统故障分析。被动信号分机主要将侦查到的雷达信号进行放大、混频、滤波、采样、形成脉冲描述字。被动信号系统主要故障有:(1)前端故障;(2)混频故障;(3)采样电路故障;(4)通信控制故障。

3) 发射机故障分析。雷达发射机负责产生并放大雷达脉冲信号。按照它的组成其故障可以包括:(1)脉冲频率偏差;(2)脉冲宽度偏差;(3)脉冲重复周期偏差;(4)信号顶降超差;(5)四端环形器打火;(6)行波管烧毁。

4) 接收机故障分析。雷达接收机负责将目标回波信号通过雷达天线接收下来,并经过放大混频,将信号传输到信号处理机。雷达接收机的主要故障有:(1)收发开关烧毁;(2)高频放大器故障;(3)接收到信号噪声过大;(4)接收机灵敏度下降;(5)混频器出错。

5) 信号处理机故障分析。雷达信号处理一般包括信号的调制与解调、频率变换、滤波、采样、动目标处理、恒虚警处理等。随着数字信号处理技术的发展,现在的信号处理已经高度集成化了,因此软件在信号处理机中所占比重也越来越大。雷达信号处理机主要的故障有:(1)频率变化不准确;(2)处理算法失效;(3)程序死机;(4)元器件故障。

6) 数据处理机故障分析。数据处理机利用数字计算机,对雷达接收机或信号处理机送来的目标回波由自动检测装置判决目标存在和由信息提取器录取目标有关参数后,进行航迹数据处理,以提供每个目标的位置、速度、激动情况和属性识别,其精度和可靠性比一次观测的雷达报告要高。数据处理机的主要故障也集中在软件算法方面:(1)属性识别偏差;(2)接口数据堵塞;(3)产生冗余数据过多;(4)计算机存储空间不足;(5)程序运行失常;(6)信号跟踪出错。

7) 雷达终端系统故障分析。雷达终端主要起到显示和操控的作用,它将雷达探测到的目标信息、雷达工作状态、作战指令等信息,清晰、准确、稳定地展现在操控人员面前,并接收操控人员的操控命令控制雷达的其他部分进行相应的操作。雷达终端的主要故障为:(1)显示器画面停止刷新;(2)操控命令执行出错;(3)终端计算机死机;(4)操纵按键、操纵球等失灵。

8) 协同分机故障。协同分机用于编队之间同型雷达进行数据交换。主要包括了信号的发射和接受模块。其主要故障有:(1)信号调制器故障。(2)编码器故障;(3)接收信号不能解调。

9) 协同天线系统故障。协同天线系统主要故障也主要是结构方面造成的,其余的也是由于伺服系统控制所造成的。

10) 电源供电故障,整个雷达系统的每一个分机都需要舰艇为其供电,因此电源若出现故障会导致系统故障。

11) 信号传输线故障,信号传输线的老化或者接头接触不良会使系统分机之间信号不能互通,会影响系统功能的实现。

3.2 故障树的建立

故障树分析法[8](Fault Tree Analysis,FTA),是指把最不希望发生的故障状态(或失效状态)作为失效分析的目标,称为顶事件,追查导致这一故障所有可能发生的直接原因,称为中间事件,再跟踪追迹找出导致这些中间事件所有可能发生的直接原因,层层追踪,一直追寻到部件或元件或人为原因,称为底事件,用相应的代表符号及逻辑门把顶事件、中间事件和底事件连接成为一个图形,这个图形就像以顶端事件为根的一棵倒长的树,所以称为故障树或失效树。

下面就根据本型舰载雷达系统工作流程及前面所确定的主动模式失效为顶事件,通过演绎的方法确定各种故障组合和传递的逻辑关系建立故障树模型。

底事件可靠性模型是指事件发生时的概率分布函数。本型舰载雷达系统的故障性质分类可以分为电子元件故障、软件故障和结构故障。其中,电子部件的可靠度均按指数分布[2],即R(t)=e-λt,其中λ表示部件的失效率。由于软件缺陷的特殊性,至今尚没有一种软件可靠性的通用统计分析模型[6]。其主要原因是这些模型对系统所做的假设固定不变,而软件在其开发过程中受各种因素影响,使得软件的故障行为千差万别;在进行模型的参数估计时又难以实时获得充分的统计数据,无法在各种模型之间作识别,导致估计结果与实际情况的不一致,即产生模型的不适配问题。本文采用国际上比较流行的Musa的基本执行时间模型进行估计[7]。结构部分的故障按照一次二阶矩概率法估算各个结构部分发生故障的概率[8]。故障分类可以把基本事件分为三类,分别用X1、X2、X3表示。

利用系统故障树作为仿真的逻辑关系,先使用有关软件求出系统故障树割集,通过判断每个割集发生的时间来找出系统的失效时间。利用专门的故障树分析软件完成。

4 仿真模型的建立与程序实现

根据故障树分析得到的结果就可以进行蒙特卡罗法建模和仿真了。蒙特卡罗模拟法是通过随机变量的统计试验或随机摸拟,求解数学、物理和工程技术问题近似解的数值方法,因此也称为统计试验法或随机模拟法。在可靠性设计中,蒙特卡罗方法可以确定复杂随机变量的概率分布和数字特征;通过随机模拟估算系统和零件的可靠度;模拟随机过程、寻求系统最优化参数等。它是以统计抽样理论为基础,用随机数对有关独立随机变量进行抽样实验或随机模拟,以求得随机函数的函数值、统计数字特征值(如均值、概率等)和分布,作为待解问题的数值解。可应用于随机函数服从任意分布,既可解决不确定的问题,也可以用于解决确定性的问题。基于蒙特卡罗法可靠性仿真流程图如图2所示。

图2 蒙特卡洛法仿真流程图

5 仿真结果分析

在作仿真以前首先对系统的一些参数进行设置。由故障树分析可知总的割集数为20个,一般基础事件的可靠度可以通过可靠性预计来得到[10],假设各个基础事件的平均无故障时间(MTBF)设为10000小时。仿真次数分别设为1000次和10000次进行比较。两次仿真下来得到的系统的总失效率分别为2.132*10-3和2.133*10-3,系统平均无故障时间分别为468.9h和469.4h。系统可靠性分布直方图分如图3和图4所示。由图3和图4中可以看出,两图中显示的系统可靠性分布的趋势是基本一致的,只是图4比图3中相对的分布的波动性更小,这是由蒙特卡洛法仿真的特性决定的,仿真次数越多越接近真实的结果。

图3 仿真1000次得到的直方图

图4 仿真10000次得到的直方图

图5 仿真1000次得到的系统可靠度曲线

两次仿真所求出的系统可靠度曲线如图5和图6所示。其中虚线为根据仿真得到的系统无故障时间绘出的概率分布曲线,实线为根据估计出的平均无故障时间,按照指数分布规律绘出的曲线。从图5和图6可以看出两条曲线基本重合,这说明系统的可靠度分布基本服从指数分布。仿真10000次要比仿真1000次得到的可靠度分布更精确。

图6 仿真10000次得到的系统可靠度曲线

6 结语

对舰载雷达进行可靠性分析可以发现影响装备可靠性的最基本的因素。利用蒙特卡洛数字仿真,可以在已知舰载雷达各个分机故障率的条件下,得到整个舰载雷达系统的可靠性参数及其可靠度分布规律。可靠性分析和仿真可以指导可靠性指标分配,为后续的可靠性设计起到准备作用,也可以验证可靠性设计的合理性,从而削减实验和设计的成本,缩短设计周期。

[1] M I Skolnik,王军,林强,等译.雷达手册[M].北京:电子工业出版社,2003:5-12.

[2] 康锐.可靠性、维修性、保障性工程基础[M].北京:国防工业出版社,2010:24-29.

[3] Rubinstein R Y. Simulation and the Monte Carlo Method[M]. New York: John Wiley and Sons,1981:34-49.

[4] 杨为民,盛一兴.系统可靠性数字仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990:9-58.

[5] Michael R Lyu. Handbook of Software Reliability Engineering[M]. New York: Computing Mc GrawHill,1996:76-79.

[6] Pham H. Software Reliability and Testing[J]. IEEE Computer Society Press,1996:56-60.

[7] 李良巧,顾唯明.机械可靠性设计与分析[M].北京:国防工业出版社,1998:34-40.

[8] 曹晋华,廖炯生,史定华,等.GB-T 7829-1987.故障树分析程序[M].中华人民共和国电子工业部,1987:5-10.

[9] 任占勇,罗学刚,汪启华,等.GJB 899A-2009.可靠性鉴定和验收试验[S].北京:中国人民解放军总装备部,2009:5-10.

[10] 张增照,宋太亮,莫郁薇,等.GJB/Z?299C-2006电子设备可靠性预计手册[S].北京:中国人民解放军总装备部,2006:45-50.

Reliability Analysis and Simulation for Radar Systems

REN Xuefeng LIN Xindang

(Navy Representative Office of Radar System in Nanjing, Nanjing 210003)

The reliability model for radar system is established, and reliability formulary of this radar system is demonstrated. The reliability of this system is analyzed by using the FMEA and the FTA. Based on the result of the FTA analysis, this paper establishes a reliability simulation model for this radar system by using Monte Carlo Method. This paper compiles the simulation program by using Matlab, and simulates the program, gets the results. The simulation results shows that the method can get the MTBF and reliability distributing function.

radar systems, reliability, FTA, Matlab simulations

2015年3月3日,

2015年4月27日

任雪峰,男,硕士,工程师,研究方向:数字信号处理。林新党,男,高级工程师,研究方向:雷达系统工程。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.021