基于評分法的某新型船舶操舵控制系統(tǒng)基本可靠性分配?

（海軍工程大學(xué) 武漢 430032）

1 引言

船舶操舵控制系統(tǒng)是船舶航行過程中極其重要的一個系統(tǒng)，它既能操控船舶航行過程的方向，保證航行過程中航向的準確性，又能將船舶航行過程中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)及時采集與并通過相關(guān)控制算法處理，進而控制船舶持續(xù)有效的航行，并保證航行的安全性和經(jīng)濟性［1～3］。現(xiàn)在，大多數(shù)學(xué)者對控制系統(tǒng)的研究多為控制算法的研究［4～6］，而對其可靠性的研究很少。隨著自動舵系統(tǒng)朝著模塊化、自動化、信息化、智能化發(fā)展以來，不僅要求其具有較好的魯棒性和全面的功能，更要求其有較高的可靠度，因此對船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性研究具有重要意義。

在對操舵控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和可靠性冗余設(shè)計的過程中，可靠度是一個非常重要的性能指標，其中可靠度分配可以提供系統(tǒng)設(shè)計的可靠度指標，可以暴露系統(tǒng)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)及關(guān)鍵單元和部位，為指標監(jiān)控和改進措施提供依據(jù)。評分分配法又稱“目標可行性法”或“綜合因子法”。通過對影響產(chǎn)品可靠性的幾種因素評分，并對評分值進行綜合分析以獲得各單元產(chǎn)品之間的可靠性相對比值——分配系數(shù)，再根據(jù)分配系數(shù)給每個單元產(chǎn)品的可靠性指標進行分配的方法［7］。

2 船舶操舵控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能

如圖1為某新型船舶操舵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接圖，由駕駛室操縱臺、舵機艙操縱臺、供電系統(tǒng)、指令控制箱、伺服控制箱、液壓機構(gòu)、舵角反饋機構(gòu)等組成。該系統(tǒng)能完成的操舵模式主要有三種：簡單（應(yīng)急）操舵、隨動操舵、自動操舵。操舵方式主要根據(jù)海況，航行任務(wù)以及航行環(huán)境決定。該新型操舵控制系統(tǒng)為模塊化設(shè)計，主要體現(xiàn)在操縱臺上，操縱臺上主要由隨動手輪模塊、綜合控制模塊、舵角與航向復(fù)示模塊、報警模塊、顯控模塊等組成。其中顯控模塊是完成自動模式下的航向自動、航跡自動與跡向自動三種控制模式的人機交互模塊。系統(tǒng)中駕駛室操縱臺與舵機艙操縱臺互為硬件相似余度結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)完全一致，作為備用。在模塊級別，系統(tǒng)采用四余度結(jié)構(gòu)，當一路信號、兩路信號甚至三路信號發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍然能夠正常工作。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了系統(tǒng)的可靠性，但在可靠性設(shè)計的合理性上存在一定問題，對于可靠性較高的單元過高的冗余設(shè)計會給系統(tǒng)帶來負擔(dān)，并降低了系統(tǒng)的基本可靠性，對設(shè)備維修保養(yǎng)的成本增加［8］。

圖1 某新型操舵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接圖

3 系統(tǒng)基本可靠性框圖建立

可靠性分為基本可靠性與任務(wù)可靠性，建立系統(tǒng)基本可靠性框圖就是把系統(tǒng)的所有模塊看作是串聯(lián)結(jié)構(gòu)［9］。對于該新型操舵控制系統(tǒng)，主要分析的對象為完成控制信號所需要的模塊，因此在對系統(tǒng)進行可靠性建模的時候不考慮伺服結(jié)構(gòu)和液壓機構(gòu)。因此該系統(tǒng)主要由隨動手輪模塊、綜合控制模塊、顯控模塊、指令信號發(fā)送與接收模塊、反饋模塊共計五大模塊組成。隨動手輪模塊包括舵輪與軸角采集裝置，四冗余設(shè)計集中在一塊板子上。綜合控制模塊包括綜合控制板、功率驅(qū)動板和信息接口板，每種板件各四塊。顯控模塊包括按鍵板、顯控單元MCU板和7寸屏顯示驅(qū)動板，該模塊為雙冗余備份，反饋模塊為軸角采集裝置，四冗余設(shè)計集中在同一板件。

該新型操舵控制系統(tǒng)為分布式控制型結(jié)構(gòu)，并且控制系統(tǒng)組件多為電子元器件，其失效分布符合如圖2所示的浴盆曲線，即可以用指數(shù)分布進行計算。

圖2 浴盆曲線

設(shè)五大模塊的可靠度函數(shù)分別為R1(t)、R2(t)、R3(t)、R4(t)、R5(t)，則根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型能表示出該系統(tǒng)可靠度為

根據(jù)系統(tǒng)的組成和模塊間的相互關(guān)系，建立系統(tǒng)基本可靠性框圖如圖3所示。

圖3 某新型操舵控制系統(tǒng)基本可靠性框圖

4 評分分配方法應(yīng)用與結(jié)果

4.1 評分因素

評分分配法主要考慮的評分因素有復(fù)雜程度、技術(shù)成熟水平、工作時間、環(huán)境因素，由于操舵控制系統(tǒng)為可維修設(shè)備，故要考慮維修可達性與危害程度因素。下面為每一項要素評分準則，評分越高說明其可靠性越差。

1）復(fù)雜程度。對于操舵控制系統(tǒng)各組成模塊的基本元器件數(shù)量越多，復(fù)雜度評分也就越高。最復(fù)雜的評分為10分，則指令發(fā)送與接收模塊評分為10分。將該系統(tǒng)的各個模塊的電路原理圖對照實物并計算，可得系統(tǒng)各模塊復(fù)雜度評分表如表1所示。

表1 某新型操舵控制系統(tǒng)復(fù)雜度評分表

2）技術(shù)成熟水平。技術(shù)成熟度分為設(shè)計技術(shù)成熟度、材料技術(shù)成熟度和工藝成熟度。并且每種成熟度等級相應(yīng)分為成熟技術(shù)、改進技術(shù)和新技術(shù)。該系統(tǒng)能夠在實際船舶上應(yīng)用，說明其材料和工藝制作都為成熟工藝，但從技術(shù)層面來分析，手輪隨動模塊、舵角反饋模塊以及指令發(fā)送與接收模塊為成熟技術(shù)，在最初的自動操舵系統(tǒng)上已經(jīng)得到應(yīng)用。隨著控制方法的不斷升級，綜合控制模塊為改進技術(shù)，顯控模塊為最新得到應(yīng)用的技術(shù)，技術(shù)成熟度評分較高。文獻［10］的技術(shù)成熟度評分參考表，并將三種技術(shù)成熟度評分加權(quán)平均，得到綜合評分。其成熟水平評分表如表2所示。

表2 子模塊技術(shù)成熟水平評分表

3）工作時間。手輪隨動模塊只應(yīng)用在隨動操舵模式下，顯控模塊應(yīng)用在航向自動、航跡自動和跡向自動三種操舵模式下，而其余三大模塊在船舶航行過程中一直應(yīng)用。不妨設(shè)隨動手輪模塊的工作時間為1個單位，文獻［7］的工作時間評分準則，根據(jù)子模塊在同級模塊最長工作時間的比例進行評分，則工作時間評分表如表3所示。

表3 子模塊工作時間評分表

4）環(huán)境因素。參考GJB299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊［10］，將船舶環(huán)境分為艦船良好艙內(nèi)Ns1，艦船普通艙內(nèi)Ns2，和艦船艙外Nu。駕駛室操縱臺內(nèi)的隨動手輪模塊、顯控模塊和綜合控制模塊為Ns1環(huán)境，而舵機艙內(nèi)的指令發(fā)送與接收模塊和反饋模塊為Ns2環(huán)境。

5）風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）。RPN=ESR*OPR，參考GJB_Z1391——2006的故障模式影響的嚴酷度等級（ESR）和概率等級（OPR）評分準則［11］，可得出本系統(tǒng)不同模塊的評分。

4.2 評分分配方法與評分因素計算

評分分配的基本模型如式（2）所示：

操舵控制系統(tǒng)要求可靠性要求較高，一般三年進行一次小修，一般在航時間為全年的1/3，設(shè)每天工作時間為12h，則該操舵控制系統(tǒng)要求的最低平均無故障工作時間為365*12=4380h，由于即要求的系統(tǒng)失效率λs=228.3*10-6·h-1。根據(jù)上述分配模型與4.1中的評分因素選擇，得到綜合評分分配結(jié)果如表4所示。

表4 某新型操舵控制系統(tǒng)評分因素分配結(jié)果表

4.3 各子模塊基本可靠性分配結(jié)果

根據(jù)評分分配的數(shù)學(xué)模型及表4，可以計算得出該新型操舵控制系統(tǒng)子模塊的基本可靠性分配結(jié)果如下：

5 結(jié)語

依據(jù)該新型船舶操舵控制系統(tǒng)，通過針對該系統(tǒng)子模塊所處環(huán)境、工作時間、技術(shù)成熟程度等因素采用評分分配法對操舵控制系統(tǒng)進行基本可靠性分配，將可靠性指標量化分配給各個子模塊。對未來操舵控制系統(tǒng)的設(shè)計和可靠性優(yōu)化提供依據(jù)，并且能針對失效率較高的薄弱環(huán)節(jié)，即指令發(fā)送與接收模塊進行改進和優(yōu)化，并且為后續(xù)的可靠性試驗和評估打下基礎(chǔ)。