船舶操舵控制系统可靠性预计方法研究∗

石 闯 陈永冰 胥望春

（1.海军工程大学电气工程学院 武汉 430032）（2.91411部队 大连 116041）

1 引言

船舶操舵控制系统是以自动操舵仪（Autopilot）为控制核心，包括指令接收与发送箱，伺服机构和反馈机构等，是一个用来保持船舶在给定航向或航线下航行稳定性和操纵性的控制系统［1］。操舵控制系统的性能直接影响到航行任务的完成。并且海上环境复杂，一旦操舵系统发生故障，将直接威胁到船员和物资的安全，因此在改进系统操舵控制方式和控制精度之外，研究和提高操舵控制系统的可靠性显得尤为重要。

可靠性分为基本可靠性和任务可靠性，基本可靠性是“产品在规定时间内和规定条件下，无故障工作的能力”，它反映产品对维修资源的需求；任务可靠性是“产品在规定任务剖面内完成规定功能的能力”，它反映了产品对任务成功性的要求［2］。可靠性预计是在产品尚无自身实验数据的情况下，根据类似产品的经验数据或组成该单元的可靠性基础数据，对产品在给定工作或非工作条件下的可靠性参数进行估算，得到设备的可靠性指标，它是一种由定性转为定量评估设备可靠性的有效方法［3］，预测结果可以评估维修预算和改进设计［4］。

对于船舶操舵控制系统，大部分模块的电子器件可以参照GJB∕Z 299C手册中的预计方法进行预计，但是显控模块的LCD显示屏无法使用手册预计，本文提出基于IEC TR 62380标准和相似产品法结合对无法进行手册预计的显示屏LCD进行预计。并以某新型操舵控制为例，对其进行可靠性预计，并针对预计结果进行分析。

2 可靠性预计方法对比分析

系统可靠性预计方法多种多样，目前常用的电子产品可靠性预计方法有相似产品法、元器件计数法（基于手册）、应力分析法（基于手册）、专家评分法和失效物理法［5］。基于手册的元件计数法和应力分析法在商业产品预计十分常用，失效物理法模型复杂，实用性较差［6］。

相似产品法适用于具有继承性的产品，在拥有相似产品可靠性数据的基础上，分析改进的结构、工艺、材料等对可靠性差异的影响，利用比值分析法确定新产品的可靠性，该方法计算简单。其缺点是预计较为粗略。

基于手册的方法分别有MIL-HDBK-217、GJB∕Z-2009C、Telcordia SR-332等 ，其 中 MIL-HDBK-217是美国国防部与空军合作研究的可靠性预计标准［7］，GJB∕Z-2009C是中国根据自身工业实际结合MIL-HDBK-217进行扩展得到，Telcordia SR-332源自美国贝尔实验室，由于模型简单，预计方便，多用于商业产品。手册的方法预计结果较为精确，其缺点是预计要求严格，工作量大［8］。

专家评分法是对不同单元的可靠情况对比，主要评分依据有单元复杂度、重要度、技术水平、工作环境和工作时间等，根据评分系数确定可靠性数据。其缺点是，预计有一定主观成分［9］。

失效物理是在研究电子元器件失效机理的基础上，引入化学与物理的分析方法，说明产品的失效机理［10］，并根据应力-时间、应力-强度、电迁移等模型，得到元器件可靠性数据。失效物理方法预计针对性较强，缺点是实用性不高。对于船舶操舵控制系统来说，元器件数量大、失效机理多样，计算模型过于复杂。

通过以上预计方法的优缺点分析，结合船舶操舵控制系统的特点，并根据工程实践和经验，对常规电子元器件，以GJB∕Z 299C手册中的标准和数据为基础，根据元器件应力分析法和元器件计数法进行预计；对标准中未给出预计方法的智能元器件，如显示控制器等，提出基于IEC TR 62380标准和相似产品法相结合的失效率预计方法。

3 常规元器件失效率预计模型

3.1 预计参数设置

研究分析新型操舵控制系统的不同模块和不同元器件，需要确定不同模块和元器件的电应力、温度应力、环境应力和其他元件参数［11］。

1）环境应力πE：国军标中将环境分为19个类别，其中针对船舶操舵控制系统，有以下两类环境“舰船良好舱内Ns1”和“舰船普通舱内Ns2”。操舵控制系统中自动操舵仪部分安装在驾驶室，其余模块和单元安装在舵机舱。即随动手轮模块、显控模块和综合控制模块环境应力为Ns1，指令收发模块和舵角反馈模块环境应力为Ns2。

2）电应力πv：根据某一单元具体的电路原理图，通过计算、电路仿真或者实际测试获得元器件在工作时的电压、电流和功率。

3）温度应力πT：温度应力的设置根据船舱内实际情况，在驾驶室内为空调房间，保持室温25度左右，但考虑到工作时元器件会有温升，取温度应力参数35℃；在舵机舱内未安装空调，取温度应力参数为40℃。

4）质量等级与质量系数πQ：考虑到某新型操舵控制系统为军舰的操舵控制系统，元器件都是按军用标准筛选要求进行制造的B2质量等级产品，根据手册可知质量系数为0.5。

5）电路复杂度失效率C1、C2和封装复杂度失效率C3：操舵控制系统在不同模块中都包含很多的微处理器或者集成芯片以完成某种特定功能，其中芯片的电路复杂度可参考芯片的引脚数与门电路数量来确定。

6）其他元件参数：除了质量系数、环境应力、电应力和温度应力之外，一些电阻、电容、连接器、继电器各有自身特点的参数，可根据具体元器件参数进行建模计算。

3.2 失效率预计模型

元器件在应用环境下的失效率，除个别元器件外，工作失效率都包含基本失效率和温度、电应力之外的元器件质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值、种类、结构等失效率影响因素。即通常由基本失效率λb乘以上述各因素的调整系数来表示。对船舶操舵控制系统，元器件的应力分析法的可靠性预计模型如下所示［12］。

微处理器及其它芯片：

半导体器件：

电容器：

电阻器：

上式中：λPi为元器件i的失效率，λbi为元器件 i的基本失效率；πQi、πEi、πVi、πTi、πCi分别为元器件i的质量系数、工作环境系数、工作电应力系数、工作热应力系数、结构系数；πcvi、πcℎi、πki、πRi分别为电容器i的电容量系数、电容器i表面贴装系数、电容器i种类系数、电阻器i阻值系数；C1i、C2i、C3i分别为电路复杂度和封装复杂度。

元器件计数法相比应力分析法模型较为简单，只需要知道元器件的种类和数量、质量等级和工作环境，具体模型为

式中：λGS为设备总失效率，10-6/ℎ ；λGi为第 i种元器件通用失效率，10-6/ℎ；πQi为第i种元器件的通用质量系数；Ni为第i种元器件数量；n为设备所用元器件种类数量。

4 智能元器件失效率预计模型

操舵控制系统的显控单元的显示器为特殊元件，一般用特定的工厂生产，这些元件没有对应的预计模型，因此，可以参照IEC TR 62380预计手册中提供的方法对显示器进行应力分析，之后根据相似产品法得出操舵控制系统显示器的失效率。建立相应的可靠性预计模型如下［13］：

式中：λOL为显示器的基本失效率；j为任务阶段数；πn为波动幅值下的循环周期数；ΔTi为温度波动大小；(πn)i为失效影响因子，若ni为每年的温度波动周期数，当

5 某新型操舵控制系统可靠性实例预计

5.1 系统任务可靠性框图与可靠性数学模型

首先，对船舶操舵控制系统的失效状态进行定义。将完成船舶操纵性的功能的状态定义为有效状态，则不能完成船舶操纵性功能的状态定义为失效状态。简单地，将操舵控制系统的模式分为手动模式和自动模式，两种模式只要一种模式工作正常，系统便为有效状态。

某新型操舵控制系统根据功能可划分为随动手轮模块、显控模块、综合控制模块、指令收发模块和舵角反馈模块。其中，手动模式涉及的模块有随动手轮模块、综合控制模块、指令收发模块、舵角反馈模块；自动模式涉及的模块有显控模块、综合控制模块、指令收发模块、舵角反馈模块。根据任务可靠性的定义和船舶操舵控制系统的工作模式，建立系统任务可靠性框图如图1所示。

图1 某新型操舵控制系统任务可靠性框图

根据可靠性框图可知系统为混联系统，随动手轮模块和显控模块为并联结构，其余三个模块为串联结构，故系统的可靠性数学模型为

系统的平均无故障工作时间和失效率分别为

式中 λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为随动手轮模块、显控模块、综合控制模块、指令收发模块和舵角反馈模块的失效率。

5.2 可靠性预计

系统的可靠性预计的步骤可按照图2进行。

图2 系统可靠性预计步骤

假定舵轮为完全可靠，根据系统的特点和功能，采用应力分析法模型对随动手轮模块、舵角反馈模块和综合控制模块的可靠度进行预计，根据公式（1）-（4）的预计模型进行预计。指令收发模块核心器件较少，相对来说重要度较低但元器件多，复杂度较高，故采用元器件计数法模型进行预计，根据式（5）的预计模型进行预计。根据相应的模型参数对该船舶操舵控制系统进行可靠性预计，可以得到各个单元和板件的失效率，进而计算得出各个模块的失效率。

显控模块包含显示器、按键板和显示驱动板，其中显示器根据IEC TR 62380和相似产品法进行预计，按键板和显示驱动板采用元器件计数法模型预计。一年为365天，假定每天的温度变化条件一致为5℃，则j=1。每天温度波动一次为一个周期，一年波动周期数为365，则ni=365。显示器尺寸小于10英寸（0.25m），根据IEC TR 62380标准，其基本失效率λOL=50Fit。根据以上参数按式（10）的可靠性模型计算可得显示器的失效率为

上述结果为国外同类产品的失效率，根据相似产品法和工程经验，国内产品的失效率可取国外同等产品的四倍，则λL1=λL×4=1.524×10-6/h。

综上所述，采用应力分析法、元器件计数法和相似产品法相结合的技术手段对某新型操舵控制系统的任务可靠性进行预计，首先得到每个模块元器件的失效率，其中主要元器件失效率预计结果如表1所示。

表1 主要元器件失效率数据

计算得到每个模块的失效率如表2所示。

表2 模块失效率数据

根据式（8）、（9），系统平均无故障工作时间和失效率分别为

5.3 预计结果分析

5.3.1 元器件的影响分析

根据数据可以得到各个模块中影响度前三的元件分布情况，如图3所示。

图3 各个模块中元件失效率前三位的元器件

根据图3和失效率预计结果可以得到影响某新型船舶操舵控制系统的主要元器件为微处理器、普通贴片电容、继电器、液晶显示器和一些接口芯片。而单个元器件的失效率中，微处理器的失效率最高。

5.3.2 不同模块的影响分析

根据不同模块的失效率数据可得出失效率占比图如图4所示。可以看出，某新型船舶操舵控制系统的综合控制模块失效对系统失效的影响最大，其次是指令收发模块和反馈模块，它们是决定操舵控制系统平均无故障工作时间的关键模块。显控模块的失效率主要由显示器和单片机决定，不过它们为外部设备，为单独模块，更换方便。在使用和设计的过程中应该重点改进和优化综合控制模块。

图4 各个模块失效率占比

6 结语

船舶航行的操纵性、经济性和安全性依赖于操舵控制系统的可靠性，因此对船舶操舵控制系统的可靠性预计和分析十分重要。本文通过对目前存在的可靠性预计方法、预计手册进行对比分析，根据船舶操舵控制系统的实际情况提出对应的预计方法。以失效率为预计对象，建立预计模型，最后对某新型操舵控制系统进行实例预计和分析，验证所提出预计方法的可科学性，并对系统的薄弱环节提出改进建议。