艦載導彈值班可靠性數據處理方法研究＊

劉 楊 趙建印

（1.北京西三環中路19號 北京 100073）（2.海軍航空工程學院 煙臺 264001）

艦載導彈值班可靠性數據處理方法研究＊

劉 楊1趙建印2

（1.北京西三環中路19號 北京 100073）（2.海軍航空工程學院 煙臺 264001）

隨著海軍走向深藍的戰略轉型，艦載導彈海上值班時間要求越來越長，如何評估艦載導彈值班可靠性，已成為影響艦艇作戰能力的重要因素。論文結合艦載導彈值班任務特點，提出了值班可靠性數據采集要求和處理流程，研究了基于故障的艦載導彈值班可靠性數據分析方法。研究結果可以為艦載導彈最長值班期限的確定提供方法。

艦載導彈；值班可靠性；數據處理

Class NumberE927

1 引言

海軍戰術導彈是海軍的主戰武器，隨著海軍向“近海防御、遠海防衛”的戰略轉型，航母或大型艦艇編隊從近海走向遠海，作戰艦艇將逐步由“港口待命”轉向“海上待戰”，海軍艦載雷彈武器的運用和部署也進一步前伸，艦載導彈的作戰需求、任務模式、使用方式都隨之發生著重大的變化，要求實現導彈長時間艦上可靠值班貯存，達到隨時能戰的戰備水平。

與洞庫貯存相比，值班過程中導彈所處的海洋環境具有“三高一多”的特點，即高溫、高濕、高鹽霧、多霉菌，加之艦艇輪機設備運轉、海浪砰擊等因素，導彈同時長期處于搖擺、振動和沖擊等復雜的機械環境中，各種自然環境因素及誘發環境因素影響著導彈艦上值班可靠性及性能狀態，文獻［1］對海洋環境下艦載導彈可靠性的影響進行了分析。新的任務需求下，值班環境復雜、值班任務時間長已成為艦載導彈艦上使用所面臨的新情況和突出的特點，如何有效確定及驗證艦載導彈滿足戰備使用要求的最長值班時限，已成為現階段導彈研制及值班使用與保障等工作中亟待解決的問題之一，文獻［2～9］研究了在定期檢測條件下導彈貯存可靠性的計算方法，文獻［10］則對可靠性數據統計分析方法進行了總結，對艦載導彈值班可靠性數據的處理分析研究的相關文獻目前還不多見，本文針對艦載導彈值班可靠性數據的處理、分析使用問題進行研究，提出的方法可為導彈值班分析提供支持。

2 艦載導彈值班可靠性數據分類及采集要求

艦載導彈由貯存狀態轉為值班狀態前，需經歷技術準備過程，該過程通過必要的技術手段使導彈滿足值班發射技術條件，并通過完整的測試，確定導彈是否正常。如果測試發現故障，則轉入維修過程進行修復處理，技術準備后測試正常的導彈則通過轉運／裝卸等一系列工作，將狀態完好的導彈裝艦進行戰備值班，在值班過程中，為保證技術狀態的完好，需對導彈定期進行維護、加電等工作，值班完成后的導彈轉運至技術陣地，進行值班后測試，確定導彈值班后的技術狀態完好性。由于值班過程中各種海上環境應力的作用，導彈技術狀態會隨值班時間的增加而下降，應合理給出導彈值班時間，以便于在保證導彈完好率的前提下，盡可能發揮導彈作戰效能，而導彈值班過程中的狀態檢測、維護等等一系列保障工作則是導彈值班可靠性數據產生的基礎。

通過有計劃、有目的地收集導彈值班過程中的故障信息，將得到可靠性數據，基于數理統計等相應數學方法，定量計算可獲得艦載導彈值班可靠性指標，進而對導彈值班可靠性水平進行合理評估。

導彈在接受值班或訓練任務隨艦出海，由于作戰任務的隨機性，不同批次導彈值班結束時間不同，故導彈值班故障時間等數據多具有隨機截尾的特性，這樣的數據屬于不規則數據，這種類型的故障數據可用圖1表示。

圖1 隨機截尾型可靠性數據特征

圖中×表示導彈故障時刻；○表示導彈結束值班任務時刻；t1，t2，…，tr表示導彈故障時間；t0表示定時檢測時間；s1，s2，…，sn－r表示導彈的撤離時間。導彈結束值班任務的時間受任務需要的影響，沒有具體數學規律可循，具有隨機截尾的特性。

根據前面的分析，導彈值班的技術狀態的確定，主要由值班前后的測試工作所確定，因此，主要需收集導彈值班工作中的各種測試結果。實際中，導彈數量眾多，可根據可靠性評估需求制定專門的內容統一、規范化數據收集表格進行現場數據收集。實際使用中所采集的導彈值班可靠性數據是其他分析工作的基礎，是整個導彈可靠性分析過程中的基礎環節，其準確性直接影響后續開展可靠性評估、預測等工作的準確性，因此應按照以下要求采集數據：

1）有明確的數據收集目的和合理科學的數據處理方法。不同的分析方法需要收集的數據通常不同。

2）數據應保證連續完整，在導彈服役期內應進行連續測試，保證數據的可追溯性和完整性，確保能真實反映導彈可靠性趨勢，有利于對導彈的可靠性進行全面分析。

3）數據收集要及時、可靠，嚴禁弄虛作假。所記錄的數據必須如實代表導彈狀況，對發生故障的時機、原因、故障現象及造成的影響均應有明確的記錄。只有對導彈的狀況如實記錄與描述，才能保證分析處理數據后結論的準確性。

4）應做到完善全面的記錄，實際收集過程中應當記錄所收集數據的各種條件，如時間、地點、使用的測量工具、工藝條件、測量記錄數據的人員等。

5）對數據要進行科學系統的整理，否則大量雜亂無章的數據將沒有用處。數據的整理應盡量便于計算機處理和儲存。

6）對收集到的數據應進行合理性分析，剔除明顯不合理的數據（野點），以保證后續分析結論的正確性。

3 艦載導彈值班可靠性數據處理流程

從可靠性數據的統計分析中找出艦載導彈值班故障分布的規律，是分析艦載導彈可靠性和故障發生規律、預測故障發展、研究艦上導彈故障機理的重要手段。根據所收集的導彈值班可靠性數據，通過相應的數理處理方法，可判斷可靠性或故障規律函數的合理性，并可進一步計算導彈平均值班時限、最長值班時限等所需的各項參數，艦載導彈值班可靠性數據處理分析基本流程如圖2所示。

根據工程經驗，對導彈裝備一般可于表征其壽命分布規律的分布函數包括指數分布、weibull分布等函數［6］，各函數特征可見文獻［5］。前文已分析給出，艦載導彈值班可靠性數據多為非規則的隨機截尾數據，對這一類型數據，可參照殘存比率法計算裝備的經驗分布函數。

圖2 可靠性數據處理分析流程圖

假設導彈在某一時刻ti的可靠度為

式中S（ti）為值班導彈在時間區間（ti－1，ti）內的殘存概率，R（ti－1）為條件概率，它表示在ti－1時刻無故障的導彈繼續維持可用狀態至ti時刻的概率，其計算公式見式（2）。

其中，ns（ti－1）為在ti－1時刻仍舊完好的值班導彈枚數，Δr（ti）則是在區間（ti－1，ti）內發生的故障導彈枚數，而ns（ti）可由式（3）得到：

式（3）中n為多批次值班導彈的總枚數，Δk（tj）為時間（tj－1，tj）內此次值班結束時剩余完好導彈的枚數。

通過計算經驗分布函數，可以對導彈壽命分布進行初步判斷，為擬合函數模型的選擇提供依據。合理選擇評估模型后，可進一步利用經驗分布函數進行擬合，獲得未知參數的估計值。

4 艦載導彈值班可靠性數據分析示例

設艦載導彈值班壽命數據如表1所示。

表1 艦載導彈值班故障數據統計表

利用導彈值班數據示例計算其可靠度經驗分布函數，計算結果見表2。

表2 導彈值班可靠性經驗分布函數計算結果

根據殘存比率法可得到值班導彈的經驗分布函數，通過經驗分布函數圖象的走勢可初步判斷艦載導彈值班可靠性可用指數分布模型和威布爾分布模型來評估。

圖3 導彈值班壽命經驗分布函數圖

進一步計算得到指數分布中導彈值班故障率的極大似然估計值為

此時擬合的均方差值（RMSE）為0.03261，殘差平方和（SSE）為0.01489。針對導彈值班可靠性模型的假設檢驗采用K－S檢驗法。對導彈值班指數模型，取置信度為1－α＝0.95，計算指數分布和經驗分布的差異度Dn，α＝0.0393，查表得Dn，α＝0.3490。Dn＜Dαn，所以可認為值班故障分布服從上述參數的指數分布。

對于威布爾分布，采用上述方法所得擬合結果為t0＝2.1630×104，m＝1.6678。此時RMSE＝0.01655，SSE＝0.003834，R2＝0.9623。同樣采用K－S單樣本檢驗法進行威布爾分布的假設檢驗。取置信度為1－α＝0.95，計算理論分布和經驗分布的差異度Dn，α＝0.0282，查表得Dn，α＝0.3490。Dn＜Dαn，故同樣可接受假設，認為故障分布服從威布爾分布

兩種模型的擬合曲線如圖4所示。

圖4 導彈值班故障指數分布、威布爾分布函數曲線圖

指數模型與兩參數威布爾模型均可較好地描述導彈值班可靠性，但威布爾分布更接近于數據的實際變化趨勢。利用相關軟件分別用兩種模型進行擬合時，相關統計參數值如表3所示。

表3 艦載導彈值班模型擬合統計參數值

相關系數平方（R2），即決定系數，可通過數據的變化來表征擬合效果。R2越接近于1，表明自變量對于因變量的解釋能力越強，模型的擬合效果越好。SSE計算的是擬合數據和原始數據對應點的誤差平方和，SSE越接近于0，說明模型擬合的效果越好，數據預測也越成功。均方根誤差（RMSE）則可由下式獲得：

通過統計參數值和擬合函數曲線圖可發現，同指數分布模型相比，兩參數威布爾分布能更好地描述艦載導彈值班可靠性。當值班時間較短時，指數分布已能滿足評估的精度要求；值班時間較長時，適宜選擇兩參數威布爾分布進行分析。

5 結語

導彈可靠性數據的收集和分析處理工作是一切可靠性工作的基礎，并且貫穿于導彈全壽命過程中，在導彈裝備型號工作過程中，以往多重視研制階段的可靠性數據收集與統計分析，而忽視服役數據的管理，特別是對導彈值班可靠性分析研究不足，值班可靠性數據采集、處理的準確與否，直接影響對導彈值班可靠性評估、預測的準確性。本文針對艦載導彈值班工作特點，導彈值班可靠性數據處理使用問題進行了研究，提出了服役階段可靠性數據處理方法，最后通過示例數據，證明了所提模型評估方法的可行性和有效性。

［1］柳愛利，寇方勇.海洋環境對艦載導彈貯存可靠性影響分析［J］.海軍航空工程學院學報，2013，28（3）：285－288.

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［3］劉春和，陸祖建，袁玉華.導彈貯存可靠性評估［J］.數學的實踐與認識，2001，31（4）：416－420.

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［8］徐廷學，王鑫，安進.基于故障統計分析的導彈可靠性研究［J］.船舶電子工程，2013，33（9）：117－120.

［9］趙宇，楊軍，馬小兵.可靠性數據分析教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

Research on Methods of DutyReliabilityData Processingof Shipboard Missile

LIU Yang1ZHAO Jianyin2
（1.No.19Central Xisanhuan Road，Beijing 100073）（2.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001）

With the navy blue of the strategic shift down，shipboard missile sea duty time requires more and more time，how to evaluate the shipboard missile reliability on duty has become an important factor to affect the ability of the warship.In this paper，combining with the characteristics of shipboard missile shift work，the paper puts forward the reliability data collection on duty requirements and processing procedure，and studies the shipboard missile based on the fault duty reliability data analysis method.The results can provide a method of determining the longest time limit on duty for shipboard missile.

shipboard missile，duty reliability，data processing

E927DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.032

2015年5月6日，

2015年6月27日

劉楊，男，高級工程師，研究方向：裝備管理。