指揮控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計與評估方法研究*

賈愛梅 蔣賢志

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

1 引言

在現(xiàn)代和未來的高新技術(shù)戰(zhàn)爭中,戰(zhàn)場環(huán)境異常復(fù)雜,存在很多不確定的因素,指揮控制系統(tǒng)的可靠性和生存能力受到嚴(yán)重威脅。特別是指揮領(lǐng)域?qū)辜ち摇?zhí)行任務(wù)時間長、全天候、全天時的工作環(huán)境等特點,對指揮控制系統(tǒng)的可靠性提出了更高、更苛刻的要求。科學(xué)合理地進(jìn)行指揮控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計與評估,目的在于通過分析影響指揮控制系統(tǒng)可靠性的因素,探尋提高其可靠性的途徑,使系統(tǒng)能夠勝任作戰(zhàn)指揮任務(wù)的要求,確保指揮信息在系統(tǒng)內(nèi)順暢流通,為作戰(zhàn)部隊各級指揮人員提供高效、穩(wěn)定、保密、不間斷的戰(zhàn)斗指揮保障。

2 指揮控制系統(tǒng)的可靠性

指揮控制系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi),組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)、單元無故障地完成規(guī)定功能的能力。可靠性的概率度量稱為可靠度,用R(t)表示,它是分系統(tǒng)或單元在一定環(huán)境條件下,在規(guī)定時間內(nèi)完成應(yīng)有技術(shù)指標(biāo)或功能的概率[1]。可靠度通常用可靠度函數(shù)來描述,可靠度函數(shù)有多種分布類型,因指揮控制系統(tǒng)多由電子設(shè)備組成,電子產(chǎn)品失效率服從指數(shù)分布的,使用指數(shù)分布型可靠度函數(shù),比較符合指揮控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。其可靠度函數(shù)表達(dá)式為:

式中:λ為系統(tǒng)故障率,t為系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時間。

3 指揮控制系統(tǒng)的可靠性模型及可靠度評估

3.1 可靠性模型

系統(tǒng)的可靠性模型是指系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)模型(也稱為可靠性方框圖)及其數(shù)學(xué)模型。它是從可靠性角度表示系統(tǒng)各單元之間的邏輯關(guān)系的,并將該邏輯關(guān)系用框圖來表示的一種概念模型,對它的數(shù)學(xué)描述就是可靠性的數(shù)學(xué)模型[2]。

3.1.1 串聯(lián)系統(tǒng)

串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型是由構(gòu)成系統(tǒng)的n個單元組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型

所有單元全部正常工作時,系統(tǒng)正常工作,任一單元發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。如單元的可靠度為Ri(t),系統(tǒng)的可靠度Rs(t)為:

由于各單元的可靠性都小于1,整個系統(tǒng)的可靠性會小于單元的可靠性,且串聯(lián)的單元越多,系統(tǒng)的可靠性越小。

3.1.2 并聯(lián)系統(tǒng)

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型是由構(gòu)成系統(tǒng)的平行工作的單元組成,如圖2所示。

系統(tǒng)的任一單元正常工作,系統(tǒng)即正常工作,所有單元全部失效,系統(tǒng)才失效。如單元的可靠度為Ri(t),單元的故障率為1-Ri(t),系統(tǒng)的故障率為各單元同時發(fā)生故障的概率,即各單元故障率的乘積。則系統(tǒng)的可靠度Rs(t)為:

圖2 并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型

由此可見,并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性大于系統(tǒng)任一單元的可靠性。

當(dāng)2個單元組成并聯(lián)系統(tǒng)時,系統(tǒng)的可靠性可提高50%;3個單元組成并聯(lián)系統(tǒng)時,第3個單元對提高系統(tǒng)可靠性的比重只有33.3%,4個單元組成并聯(lián)系統(tǒng)時,第4個單元對提高系統(tǒng)可靠性的比重只有25%;隨著并聯(lián)單元的增多,各單元對提高系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)程度將逐步下降,綜合考慮系統(tǒng)制造成本及系統(tǒng)可靠性,一般采用2個或3個單元并聯(lián)來保證系統(tǒng)的可靠性。

3.1.3 混聯(lián)系統(tǒng)

混聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型是由串聯(lián)子系統(tǒng)和并聯(lián)子系統(tǒng)混合組成,如圖3所示。可分別求出串聯(lián)子系統(tǒng)、并聯(lián)子系統(tǒng)的可靠度,再求出總系統(tǒng)的可靠度。

圖3 混聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型

3.1.4 表決系統(tǒng)

表決系統(tǒng)n個單元中只要有r個單元正常工作系統(tǒng)就能正常工作,其可靠性模型如圖4所示。

如單元可靠度為R(t),系統(tǒng)可靠度Rs(t)為:

圖4 表決系統(tǒng)可靠性模型

其中:i為正常工作單元數(shù),i=r,r+1,…,n時系統(tǒng)都可正常工作。

3.1.5 冗余系統(tǒng)

系統(tǒng)中某工作單元失效時,處于備用的另一單元即能替換,該系統(tǒng)稱為冗余系統(tǒng)。與并聯(lián)系統(tǒng)不同的是,冗余系統(tǒng)為待機工作,并聯(lián)系統(tǒng)為同機工作。

對于有n個單元組成的系統(tǒng),1個單元工作,其余n-1個單元為備用,且在備用期內(nèi)不失效。假設(shè)單元可靠度Ri(t)均一致,且單元故障的發(fā)生是隨機的,則系統(tǒng)可靠度為[3]:

對于有L個單元同時工作,另有n個單元備用,當(dāng)一個工作單元失效后由n個中的一個替換,則系統(tǒng)的可靠度為:

3.2 評估實例

設(shè)某指揮控制系統(tǒng)由車載電源、指揮終端、網(wǎng)絡(luò)交換機、無線網(wǎng)橋、通信控制器、短波電臺、高速數(shù)字用戶環(huán)線、綜合語言控制設(shè)備組成。其可靠性模型如圖5所示。

圖5 某指揮控制系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型

系統(tǒng)的可靠度取就于組成設(shè)備的可靠度及可靠性模型,假設(shè)各組成設(shè)備的可靠度如表1所示。

表1 某指揮控制系統(tǒng)組成設(shè)備可靠度

如短波電臺有冗余,按1:1進(jìn)行庫備,即L=1,n=1,此時短波電臺的可靠度為:

由此可見,通過對可靠度較低的設(shè)備進(jìn)行庫備,可以大大提高整個系統(tǒng)的可靠度。

4 提高指揮控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法

系統(tǒng)的可靠性是評價系統(tǒng)最基本的價值目標(biāo)之一,它不僅是一個系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo),而且關(guān)系到整個系統(tǒng)研制的成敗。系統(tǒng)的可靠性與其性能、成本、進(jìn)度等基本價值目標(biāo)有著密切的關(guān)系。在進(jìn)行系統(tǒng)可靠性設(shè)計時,應(yīng)從方案的選擇、結(jié)構(gòu)系數(shù)的確定等方面來考慮,達(dá)到低成本、低能耗、高可靠性的設(shè)計目的[4]。

4.1 故障預(yù)防設(shè)計法

合理實施繼承性設(shè)計,盡量采用成熟技術(shù),對前瞻性技術(shù)進(jìn)行充分的研究、試驗,按規(guī)定進(jìn)行評審,確保風(fēng)險最小。設(shè)計系統(tǒng)時放寬輸入、輸出信號臨界值的要求,使其具有承受一定過載、過熱、電壓的突變能力,降低系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。

4.2 冗余設(shè)計法

冗余設(shè)計法就是在系統(tǒng)完成任務(wù)起關(guān)鍵作用的部分、可靠度相對較低的環(huán)節(jié),增加一套以上完成相同功能的通道、單元或元件。當(dāng)該部分出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)仍能正常工作,提高系統(tǒng)可靠性。特別是對于復(fù)雜的、有高可靠性和長壽命要求的大、中型系統(tǒng),冗余設(shè)計法是廣泛用來提高系統(tǒng)可靠性的方法之一。

4.3 降額設(shè)計法

降額設(shè)計是使元器件或設(shè)備工作時所承受的電應(yīng)力、溫度應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷蛟O(shè)備規(guī)定的額定值,從而達(dá)到降低基本故障率,提高使用可靠性的目的。不同類別的元器件,降額應(yīng)力參數(shù)不同,同樣的元器件應(yīng)用在不同的設(shè)備和環(huán)境條件下,其降額幅度也不一樣。對于各類元器件,都有其最佳降額范圍,如在使用時超出其最佳降額幅度,反而對設(shè)備的正常工作不利,降低了設(shè)備的使用可靠性。設(shè)計時按國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z35《元器件降額準(zhǔn)則》執(zhí)行[2]。

4.4 智能BIT故障診斷法

智能BIT(Built-in Test,機內(nèi)測試)系統(tǒng)故障診斷是以人工智能、信息論、系統(tǒng)論、控制論等為基礎(chǔ),將專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、信息融合等在內(nèi)的智能理論應(yīng)用到BIT的設(shè)計、檢測、診斷、決策等方面,使被測系統(tǒng)具有更高的故障診斷能力,有效消除虛警問題,測試和隔離間歇性故障,對系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及重要器件具有狀態(tài)預(yù)測能力,提高BIT綜合效能[5]。

5 結(jié)語

指揮控制系統(tǒng)的可靠性主要依賴于組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)、單元的可靠性,根據(jù)指揮控制系統(tǒng)的組成,合理建立系統(tǒng)的可靠性模型,進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性設(shè)計與評估,對提高系統(tǒng)的可靠性和作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義。最終達(dá)到設(shè)計的系統(tǒng)不易發(fā)生故障、發(fā)生故障后對系統(tǒng)影響較小、發(fā)生故障后系統(tǒng)仍可正常運行、故障定位及排除迅速的目的。

[1]曾聲奎,趙廷弟,張建國,等.系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001:10～45

[2]陳明,張京妹.控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006:38～130

[3]李源,楊建軍.防空武器系統(tǒng)的可靠性評估方法研究[J].航空計算技術(shù),2007(11):42～44

[4]郭波,武小悅,張秀斌,等.系統(tǒng)可靠性分析[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2002:18～69

[5]賈愛梅,梅孝順.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能 BIT故障診斷系統(tǒng)研究[J].計算機與數(shù)字工程,2009,37(12):54～46