基于可修复条件下无人机系统可用度研究

【后勤保障与装备管理】

基于可修复条件下无人机系统可用度研究

赵孔金1，丁海龙1，赵温波1，孟令达2，陈万玉2

(1.解放军陆军军官学院，合肥230031； 2.沈阳炮兵学院，沈阳110867)

摘要：可用度是战备完好率的重要指标，可用度受可靠度和维修度综合影响，用状态转移的方法分析了装备可用度，并在无人机系统可修复条件下，针对无人机系统故障问题，对其可靠度、维修度进行权衡，以确保系统战备完好率。

关键词：无人机系统；可用度；可靠度；维修度

收稿日期：2014-10-09

作者简介：赵孔金(1964.09—),男,军事学硕士,副教授,主要从事无人机作战运用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.020

中图分类号：V279

文章编号：1006-0707(2015)01-0072-03

本文引用格式：赵孔金，丁海龙，赵温波，等.基于可修复条件下无人机系统可用度研究[J].四川兵工学报，2015(1):72-74.

Citationformat:ZHAOKong-jin,DINGHai-long,ZHAOWen-bo,etal.StudyonAvailabilityofUAVSystemBasedonRepairableCondition[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):72-74.

StudyonAvailabilityofUAVSystem

BasedonRepairableCondition

ZHAOKong-jin1, DING Hai-long1, ZHAO Wen-bo1,

MENGLing-da2, CHEN Wan-yu2

(1.ArmyOfficerAcademyofPLA,Hefei230031,China;

2.ShenyangArtilleryAcademyofPLA,Shenyang110867,China)

Abstract:Availability is an important indicator of operational readiness. Reliability and maintainability subject the combined effects to availability. We analyzed the equipment availability with method of state transition, and balanced the reliability and maintainability of UAV system to solve the fault problem in the condition that the UAV system was repairable, and its reliability and maintenance were weighed to ensure that the system to be the operational combat readiness.

Keywords:UAVsystem;availability;reliability;maintainability

无人机系统是由多个分系统组成的复杂系统，存在两种状态：正常状态和故障状态。对于可修复性无人机系统，当系统处在故障状态后通过维修恢复到正常状态。两状态之间的转移过程可看成是随机过程，用可用度来描述。无人机系统在使用过程中故障较多，影响了战备完好率，可用度是战备完好率的重要指标，可用度受可靠度和维修度的综合影响，本文通过可用度的分析，对可靠度和维修度进行权衡，以提高可用度，确保战备完好率[1]。

1系统可用度分析

系统可用度是指在规定条件下使用时，在某t时刻具有(或维持)其功能的概率。本文通过概率转移的方法来分析系统可用度[2,3]。系统两个状态之间的转移是随时间随机连续变化的，符合连续型马尔柯夫过程。系统初始状态设定为正常状态e1，已知系统故障率λ和修复率μ，则可写出其在t时刻经过极小时间Δt后马尔柯夫链的一微系数矩阵(转移矩阵)

(1)

令e1=1表示系统处于第1状态(正常状态)，e2=0表示系统处于第2状态(故障状态)，因此状态转移概率可写成

(2)

由全概率公式可得

(3)

无效度是可用度的反事件，P1(t)是系统的瞬时可用度，P2(t)瞬时无效度，式(3)中包含Δt的未知函数，要求t时刻系统瞬时可用度，需要把式(3)变为只包含未知量t的函数，因此可两边对Δt求导并进行微分可得

(4)

进行拉普拉斯变换

(5)

经整理得

(6)

再将式(6)进行逆变换，可得P(t)

(7)

到此即可求出系统瞬时可用度P1(t)和瞬时无效度P2(t)

(8)

(9)

式(8)、式(9)即是系统的瞬时可用度与瞬时无效度，当时间t→∞时，由式(8)、式(9)可得：

当时间t→∞时系统可用度和可工作时间比相等，无效度和不可工作时间比相等，也正好验证了计算的正确性。

由上可知，当时间t→∞时可用度与可工作时间比相等，可用度达到了稳定状态，这称为稳态可用度A。因此，有

(10)

从式(10)可以看出，故障率λ越小，稳态可用度越大，修复率μ越大，稳态可用度越大。一般用平均修理时间描述(meantimetorepair,MTTR)描述修复率μ，用平均无故障时间(meantimebetweenfailures,MTBF)描述故障率λ。

2确定可用度要求下无人机系统可靠度、维修度权衡

要保持较高的战备完好率，必需要有较高的可用度。在系统可修复条件下，对于可靠度较低的装备，可通过较高的维修度来保证可用度，当维修能力较强时，可降低对可靠度的要求。通常，通过可靠度、维修度的权衡实现确定的可用度[4,5]。

2.1一定可靠度条件下维修度估计

无人机系统主要包括飞行器系统、指控系统、数据链系统和任务设备系统等。假设某无人机系统飞行器系统、飞控系统、数据链系统和任务设备系统MTBF上限分别为200h(50架次)、150h、150h和100h，可用度都必须大于0.99。结合式(19)，有平均无故障时间MTBF、平均修理时间MTTR和可用度A之间的关系

(20)

通过计算可得无人机系统各分系统的MTTR必须满足的条件如表1所示。

表1　平均修理时间(MTTR)参数表

2.2确定可靠度区间下的可靠度、维修度权衡

基于无人机系统实际的技术水平，MTBF不可能无限大，存在上限值TμH，同时，考虑作战任务需要，MTBF需要有下限TμL。故障发生以后，修复时间不能太长，否则会影响任务的完成，MTTR需要有上限TλH，同时MTTR不可能很小，存在下限值TλL。假定某无人机系统稳态可用度必须大于0.99，要满足任务要求，其整体MTBF必须大于100h，基于技术和费用限制，MTBF上限值为200h，根据式(20)，可知MTTR的取值要满足以下方程

由此可计算维修度指标应满足的要求为：1.01≤MTTR≤2.02，权衡图如图1所示(阴影部分为可权衡区域)。

图1　无人机系统可靠度与维修度权衡示意图

3结论

分析了当无人机系统为可修复时，可靠度和维修度对无人机系统可用度的影响，得出了可靠度和维修度权衡图。由于可靠度受条件限制，很难提高，而维修度较之更可控，因此在一定范围内，可通过调节维修度来确保可用度。分析表明，通过可靠度、维修度权衡可以实现装备具有较高战备完好率。

参考文献：

[1]杨鹭怡，柳扬，陈卫,等.无人机兵器操作[Z].合肥：中国人民解放军炮兵学院,2008:1-26.

[2]李冲，张安，毕文豪.基于PHM的作战飞机可用度和任务可靠性计算[J].兵工自动化,2013,32(9):37-41.

[3]阮曼智，李庆民，彭英武，等.不完全串件下多层次系统备件方案优化及其可用度评估[J].南京理工大学学报,2012,36(5):886-891.

[4]印明昂，孙志礼，杨丽，等.退化串联可修复系统瞬态可靠性分析[J].工程设计学报,2013,20(4):277-281.

[5]矫志宁，丁学毅，宋国栋,等.雷达设备的维修性测试方法研究[J].现代雷达,2013,35(6):5-8.

(责任编辑周江川)