雷达高任务可靠性模型对比分析

王学峰

(国营第七二〇厂，南京 210038)

0 引 言

随着雷达技术的进步，雷达装备的可靠性不断提高，高可靠性雷达应用也越来越广泛。在美国北方预警系统中，部署的AN/FPS-117型雷达和AN/FPS-124型雷达均为高可靠性预警探测雷达，可有效弥补自然环境恶劣地区的雷达监控盲区。近年来，国内雷达厂所也做了大量的研究、分析和应用，通过对国外先进高可靠性雷达技术进行深入研究分析，证明了雷达高任务可靠性的关键主要取决于高效费比的任务可靠性模型。[1]本文针对高任务可靠性模型中冷旁待(冷储备)、热旁待(热储备)及轻载旁待(温储备)系统对雷达任务可靠性的影响，采用CARMES软件开展定量分析研究，在相同单元相同失效率前提下计算不同模型给出的实际任务可靠性量化结果，为冗余模型的合理选择提供理论依据，以期得到较高效费比的可靠性工作模型。[2-3]

1 旁待系统定义和分类

组成系统的N个单元只有一个单元在线工作，其余单元处于备用状态，一旦BITE(机内自检设备)或者人工检测出在线单元故障则由转换开关切换至一个备用单元接替在线继续工作，只有在线单元和所有备用单元均故障系统方才失效，此系统为旁待系统。根据备用单元电应力的不同，旁待系统分为冷旁待(冷储备)、热旁待(热储备)、轻载旁待(温储备)3种。

在检测设备和切换开关可靠度接近1时，热旁待的可靠度和MTBCF(部件故障平均间隔时间)与并联系统的可靠度和MTBCF几乎一样，因此重点分析冷旁待(冷储备)和轻载旁待(温储备)系统。旁待系统的可靠性框图如图1所示。

2 热旁待系统和并联系统

前面讲过，在检测设备和切换开关可靠度接近1时热旁待的可靠度和MTBCF与并联系统的可靠度和MTBCF几乎一样，下面在CARMES软件中新建“模型对比”项目进行说明。

图1 旁待系统的可靠性框图

在雷达系统中选取一个冗余节点分析计算。在RBD节点信息中选择相同单元储备模型，储备类型选择热储备，应力比1，转换开关失效率0，维修类型选择不维修，分布类型选择指数分布，任务时间100 h。热旁待模型图如图2所示。系统可靠性预计结果如表1所示。

图2 热旁待模型图

表1 系统可靠性预计结果报表

在雷达系统中选取同一个冗余节点分析计算，在RBD节点信息中选择相同单元并联模型，维修类型选择不维修，分布类型选择指数分布，任务时间100 h，并联模型图如图3所示。系统可靠性预计结果如表2所示。

图3 并联系统模型图

表2 系统可靠性预计结果报表

3 冷旁待系统

冷旁待是指备用单元在备用期间不加电，并忽略在贮存期的失效率。下面分别进行不维修(系统任务时间内不能维修或不维修)和完全维修(不关机维修失效的冗余单元)模式计算。

(1) 不维修模式(系统任务时间内不能维修或不维修)

假设切换装置的可靠度与时间无关，每次切换的时间(Ps)恒定。可靠度Rs(t)和任务可靠性MTBCF计算公式如下：

依据上述定义，在CARMES软件中“模型对比”项目系统中选取了一个冗余节点分析计算。在RBD节点信息中选择相同单元储备模型。储备类型选择冷储备，应力比0，转换开关失效率0，维修类型选择不维修，分布类型选择指数分布，任务时间100 h。冷旁待模型图如图4所示。系统可靠性预计结果如表3所示。

图4 冷旁待模型图

表3 系统可靠性预计结果报表

(2) 完全维修模式(不关机维修失效的冗余单元)

实现完全检修只备份一个单元，因此只考虑N=2的情况。

其中，μ为1/MTTR,λk为切换装置的失效率。

依据上述定义，在CARMES软件中“模型对比”项目系统中选取了一个冗余节点分析计算。在RBD节点信息中选择相同单元储备模型。储备类型选择冷储备，应力比0，转换开关失效率0，维修类型选择完全维修，分布类型选择指数分布，MTTR记为1.2 h，任务时间100 h。冷旁待模型图如图4所示。系统可靠性预计结果如表4所示。

表4 系统可靠性预计结果报表

4 轻载旁待系统

轻载旁待(即温储备)是指备用单元在备用期间加电但不满载工作，仅考虑轻载应力条件下的失效率。下面分别进行不维修和完全维修模式计算。

(1) 不维修模式

不维修模式可靠度Rs(t)和任务可靠性MTBCF计算公式如下：

式中，λ1为在线单元的失效率；λ′为旁待单元在轻载应力下的失效率；λ2为旁待单元接替工作后的失效率，一般情况，λ2≅λ1。

依据上述定义，在CARMES软件中“模型对比”系统中选取了一个冗余节点分析计算。在RBD节点信息中选择相同单元储备模型。储备类型选择温储备，应力比0.5，转换开关失效率0，维修类型选择不维修，分布类型选择指数分布，任务时间100 h。轻载旁待模型图如图5所示。系统可靠性预计结果如表5所示。

图5 轻载旁待模型图

表5 系统可靠性预计结果报表

(2) 完全维修模式

完全维修可靠度Rs(t)和任务可靠性MTBCF计算公式如下：

依据上述定义，在CARMES软件中新建“模型对比”项目，在雷达系统中选取了一个冗余节点分析计算。在RBD节点信息中选择相同单元储备模型。储备类型选择温储备，应力比0.5，转换开关失效率0，维修类型选择完全维修，分布类型选择指数分布，MTTR记为1.2 h，任务时间100 h。轻载旁待模型图如图5所示。系统可靠性预计结果如表6所示。

表6 系统可靠性预计结果报表

5 小 结

节点失效率λ=50×10-6，可靠性MTBF=20 000 h，任务时间100 h，不维修和完全维修模式下的MTBCF和Rs(t)汇总如表7所示。由表7可知，在同等条件下，4种模型相比，冷旁待模型的任务可靠性和可靠度较高，轻载旁待次之，热旁待和并联系统最低。

表7 不维修和完全维修模式下的MTBCF和Rs(t)汇总表

6 结束语

通过以上可靠性分析可知，高可靠性雷达系统在选择冗余模型时尽量采用冷旁待或者轻载旁待系统，可有效提高雷达任务可靠性，避免过度冗余，耽误研制进度，进而获得最大的可靠性-费用比，降低后勤保障费用。