基于舰船可靠性设计的参数测量风险评估方法研究*

章　婷　黄喜珍　吴　祺　何梦蕾　夏建超

(1.武汉第二船舶设计研究所校准检测中心　武汉　430205)(2.92730部队　三亚　572016)(3.92330部队　青岛　266012)



基于舰船可靠性设计的参数测量风险评估方法研究*

章婷1黄喜珍2吴祺3何梦蕾1夏建超1

(1.武汉第二船舶设计研究所校准检测中心武汉430205)(2.92730部队三亚572016)(3.92330部队青岛266012)

摘要该文提出了一种基于舰船可靠性设计的参数测量风险概率评估方法。该方法将舰船设备的测量可靠性与系统可靠性设计相结合,通过“加权评估法”和“可靠性模型”,提出以系统参数为对象的测量风险概率计算模型。该方法为定量评价参数测量风险提供了理论支撑,为评估测量系统的技术性能提供了新的途径。

关键词可靠性设计; 测量风险; 评估模型; 测量设备; 参数测量

Class NumberTM930.115; TB114.3

1引言

一般特定量(参数)的值都必须通过测量才能获得,而只要进行测量,就必然伴随着不等于零的误差或不确定度。当不等于零的误差或不确定度超过容许的范围时,就会导致出现负面结果(如因错误数据导致操纵失误等),也就是所谓的测量风险[1]。参数的测量风险概率是指参数的测量结果超出最大允许误差的概率[2],即

v=1-R

(1)

其中v为参数的测量风险概率,R为参数的测量可靠性,即参数的测量结果处于容差范围内的概率。

由式(1)可知,通过计算参数的测量可靠性就能得到参数的测量风险概率。

基于“直接测量”的前提,参数的测量可靠性主要由对其进行测量的测试设备的可靠性决定。但随着测量模型的复杂化以及可靠性设计方法的大量应用,舰船参数的测量可靠性还受到了可靠性设计程度的影响。基于舰船可靠性设计的参数测量风险概率评估方法的基本思想是在对舰船设备的可靠性进行建模的基础上,引入可靠性设计方法对测量可靠性的影响评估,对测试设备的可靠性模型进行优化,再基于舰船设备冗余设计转化为参数的测量可靠性,最后根据式(1)得到参数的测量风险概率。

2基于“加权评估法”的测试设备可靠性模型

测试设备的可靠性可以通过评价测试设备在一定时间间隔内其整体性能参数在规定技术指标范围内的置信程度进行判断。随着测试设备使用时间的延长,其可靠性指标会随着时间的推移不断降低,即意味着测试设备的技术参数超出其规定的技术范围内的概率将增大[3]。测试设备的可靠性模型是指通过对测量设备的可靠性参数建立相应的数学模型。目前,绝大多数的测试设备可靠性模型均是根据其故障的分布情况进行建模。基于“加权评估法”的测试设备可靠性模型是在以故障分布建模的基础上通过定性分析影响测试设备可靠性的因素,使用“加权评估法”[4～5]对各因素的加重权数和自重权数进行定量评估,得到测试设备的可靠性。具体步骤如下。

2.1测试设备可靠性的主要影响因素的自重权数ci

影响测试设备可靠性的因素主要有测试设备本身特征(如工作原理、结构型式与所用材质)、性能要求(如最大允许误差、测量重复性与测量稳定性)以及使用情况(如环境条件、使用频度与维护状况)等三个方面[6]。即

(2)

在无约束条件下,可近似地认为各个因素对测试设备可靠性的影响程度基本相同,即各因素的加重权数c1=c2=c3=1/3。当有约束条件时,则应根据具体应用的特点,对加重权数进行调整。

2.2测试设备可靠性的主要影响因素的自重权数w

对各因素的具体特性进行分析评估,评估值范围为0～1,分值越低说明对测试设备的可靠性产生越恶劣的影响。

(3)

其中,wi为各因素的自重权数,wij为各因素具体特性的评估值,m为各因素的具体特性数量。

2.3测试设备可靠性R

根据各因素的加重权数和自重权数,基于测试设备的故障特性分布,计算出测试设备的可靠性R0,公式如下:

(4)

其中,R0为测试设备的可靠性,r(t)为只考虑测试设备故障特性分布的可靠性模型。

由式(4)可知:当无约束条件下,wi均为1,R=r(t)。

3基于可靠性设计方法的舰船设备可靠性模型优化

随着工业的迅猛发展,可靠性设计在产品研制中得到了全面推行和广泛应用。可靠性设计的本质是从单元、单元间的互相联系以及环境三个角度挖掘、确定系统的薄弱环境(隐患),并采取针对的技术进行消除或控制。因此,可靠性设计在舰船设备的广泛使用对其可靠性的各影响因素的自重权数w有较大的影响。

舰船可靠性设计方法主要分为三类[7]:单元级的故障预防、系统级故障预防以及环境影响最小化。单元级的故障预防方面,主要采用的可靠性设计方法有降额设计、裕度设计等;在系统级故障预防方面,主要采取的可靠性设计方法有冗余设计、容错设计等;在环境影响最小化方面,主要包括环境载荷确定与分析以及环境防护设计等可靠性技术手段[2]。

3.1裕度设计对“本身特征”自重权数w1的影响

在机械可靠性设计领域,为保证结构的安全可靠,在设计中引入一个大于1的安全系数试图来保障机械零件不发生故障,这种设计方法就是裕度设计方法[7]。裕度设计使得本身特征这一影响因素的自重权数随着裕度设计的使用而增大,有:

(5)

3.2降额设计对“性能要求”自重权数w2的影响

产品的降额设计是使测试设备所承受的电应力和温度应力适当地低于其额定值,从而达到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。性能要求这一影响因素的自重权数随着降额设计的使用而增大[7],有:

(6)

3.3环境防护设计对“使用情况”自重权数w3的影响

环境防护设计是对产品所经历的环境载荷进行识别后,通过控制环境和/或适应环境的方式采用环境防护措施,保证在遭受多种环境因素综合作用的情况下,测试设备也能安全可靠地工作。环境条件往往同时包含多种环境载荷,形成综合性环境,因此环境防护设计也是采用综合性手段。常见的环境防护设计有热环境防护、力学环境防护、电磁环境防护、空间辐射环境防护、防潮湿设计、防盐雾腐蚀设计、防霉菌设计、防砂尘设计等[7]。引入环境防护设计程度系数η,则使用情况这一影响因素的自重权数随着环境防护设计的使用而增大,有:

(7)

(8)

其中,ηi为各类环境防护程度系数,p为环境防护设计种类数。

3.4基于可靠性设计的舰船设备可靠性模型

根据以上分析,结合式(5)～式(8),优化后的舰船设备可靠性模型[8～9]如下:

(9)

4基于舰船可靠性设计的参数测量风险模型

在舰船设备/系统设计时,为保证测量数据的可靠性,对关键参数通常会采用多个具有相同测量原理的测试设备对同一参数进行测量,这种设计称为测量的冗余设计,其可靠性模型可近似的看作为并联模型。则舰船设备的参数测量可靠性模型[7]如下

(10)

假设各测试设备的测量原理基本相同且互相独立,则参数测量可靠性模型为

R=1-(1-R′)q

(11)

根据式(1)、式(9)可知,基于可靠性设计的参数测量风险概率为

(12)

5基于舰船可靠性设计的参数测量风险模型的实例

假如某型号某系统中测量某一参数时,该系统与该参数相关的可靠性设计指标如表1所示。

表1　某参数测量相关的可靠性设计指标一览表

假设用于测量该参数的设备属于电子类产品和设备,可以认为该设备的可靠性参数与使用时间服从指数函数分布[10～11]。该根据式(11)可知:在无约束条件下,该参数的测量风险概率为

根据以上的测量风险概率,结合该参数的测量风险的严重程度评估值,即可得到该参数的测量风险,从而评价该风险的可接受度以及制定相应的风险控制措施。同时,可根据所评估的测量风险概率评价测量系统中该参数的技术指标制定的合理性。

6结语

针对参数测量的复杂化和可靠性设计方法的大量应用,以工程应用实际为基础,提出了以参数为关注点的测量风险概率评估思路,并基于舰船设备的可靠性模型和可靠性设计方法特点提出了参数的测量风险概率评估方法。该方法在原有的统计信息基础上增加了主观工程信息和舰船可靠性设计信息,对参数测量风险概率的估计更准确,具有更强的应用性。该文是从多角度评估参数测量风险概率的初步探讨,其中对各因素自重权数的评估方法有待进一步研究。

参 考 文 献

[1] 李宏利,张瑜,乔羊,等.风险的概念、动态测量及其应用[J].人类工效学,2013,19(4):86-90.

LI Hongli, ZHANG Yu, QIAO Yang, et al. Concept, Dynamic Measurement and Application of Risk[J]. Chinese Journal of Ergonomics,2013,19(4):86-90.

[2] 付沙,宋丹.基于AHP和模糊综合判断的信息安全风险评估方法[J].实验室研究与探索,2012(6):207-210.

FU Sha, SONG Dan. An Information Security Risk Assessment Method Based on AHP and Exploration in Laboratory,2012(6):207-210.

[3] 余学峰,刘辉.测试设备的测量可靠性及容差分析[J].中国测试技术,2006,32(1):14-18.

YU Xuefeng, LIU Hui. Analysis for Measurement Reliability and Maximum Permissible Error of Measuring Equipment[J]. China Measurement Technology,2006,32(1):14-18.

[4] 陶菊春,吴建民.综合加权评分法的综合权重确定新探[J].系统工程理论与实践,2001(8):43-48.

TAO Juchun, WU Jianmin. New Study on Determining the Weight of Index in Synthetic Weighted Mark Method[J]. Systems Engineering — Theory and Practice,2001(8):43-48.

[5] 许福永,申健,李剑英.网络安全综合评价方法的研究及应用[J].计算机工程与设计,2006,27(8):1398-1400.

XU Fuyong, SHEN Jian, LI Jianying. Study and Application of Comprehensive Assessment Mehod for Network Security[J]. Computer Engineering and Design,2006,27(8):1398-1400.

[6] JJF1139-2005.计量器具检定周期确定原则和方法[S]. 2-3.

JJF1139-2005. Principle and Method for Determination Verification Period of Measuring Instruments[S]. 2-3.

[7] 曾声奎,冯强,马纪明,等.可靠性设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2013:68-69.

ZENG Shengkui, FENG Qiang, MA Jiming, et al. Reliability Design and Analysis[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2013:68-69.

[8] 王晓聪,白晓晨,李博,等.基于二元语义的网络安全评估方法研究[J].计算机与数字工程,2015,43(2):269-272.

WANG Xiaocong, BAI Xiaochen, LI Bo, et al. Network Security Evaluation Method Based on Two-tuple Ringuistic[J]. Computer and Digital Engineering,2015,43(2):269-272.

[9] 吴正洋.基于二元语义的研究生导师综合评价研究[J].广州大学学报:自然科学版,2011(5):90-94.

WU Zhengyang. Evaluation Method for Graduate Student Advisor Based on Two-tuple Linguistic[J]. Journal of Guangzhou University: Natural Science Edition,2011(5):90-94.

[10] 张耀镭,祁勇.利用可靠性模型确定电子测量设备检定周期的方法[J].理论与实践,2009,29(1):6-8.

ZHANG Yaolei, QI Yong. Method for Establishing Verification Period of Electronic Measuring Equipment Based on Reliability Model[J]. Theory and Practice,2009,29(1):6-8.

[11] 盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社,2008:42-46.

SHENG Zhou, XIE Shiqian, PAN Chengyi. Probability and Statistics[M]. Beijing: Hgiher Education Press,2008:42-46.

收稿日期:2016年1月12日,修回日期:2016年2月23日

作者简介:章婷,女,硕士,高级工程师,研究方向:舰船计量。黄喜珍,男,工程师,研究方向:舰船维修性。吴祺,男,工程师,研究方向:舰船维修性。何梦蕾,男,工程师,研究方向:舰船计量。夏建超,男,硕士,助理工程师,研究方法:舰船计量。

中图分类号TM930.115; TB114.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.008

Risk Evaluation Model of Parameter Measurement Based on Reliability Design for Warship

ZHANG Ting1HUANG Xizhen2WU Qi3HE Menglei1XIA Jianchao1

(1. Calibration and Testing Center, Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan430205)(2. No. 92730 Troops of PLA, Sanya572016)(3. No. 92330 Troops of PLA, Qingdao266012)

AbstractA new evaluation method of the parameter measurement risk based on reliability design is presented in the paper. Based on the Weight Estimation and reliability model, the calculated model of measurement risk probability is described. The equipment’s measurement reliability and system’s reliability design are fully taken into account in this approach. It provides a theoretical support for the quantitative assessment of parameter measurement risk. And this modeling would be a helpful step to the performance valuation of measuring systems.

Key Wordsreliability design, measurement risk, evaluation model, measurement equipment, parameter measurement