基于艦船可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究*

章　婷　黃喜珍　吳　祺　何夢蕾　夏建超

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所校準(zhǔn)檢測中心　武漢　430205)(2.92730部隊(duì)　三亞　572016)(3.92330部隊(duì)　青島　266012)

?

基于艦船可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究*

章婷1黃喜珍2吳祺3何夢蕾1夏建超1

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所校準(zhǔn)檢測中心武漢430205)(2.92730部隊(duì)三亞572016)(3.92330部隊(duì)青島266012)

摘要該文提出了一種基于艦船可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)概率評估方法。該方法將艦船設(shè)備的測量可靠性與系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合,通過“加權(quán)評估法”和“可靠性模型”,提出以系統(tǒng)參數(shù)為對象的測量風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型。該方法為定量評價(jià)參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)提供了理論支撐,為評估測量系統(tǒng)的技術(shù)性能提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞可靠性設(shè)計(jì); 測量風(fēng)險(xiǎn); 評估模型; 測量設(shè)備; 參數(shù)測量

Class NumberTM930.115; TB114.3

1引言

一般特定量(參數(shù))的值都必須通過測量才能獲得,而只要進(jìn)行測量,就必然伴隨著不等于零的誤差或不確定度。當(dāng)不等于零的誤差或不確定度超過容許的范圍時(shí),就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)面結(jié)果(如因錯(cuò)誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致操縱失誤等),也就是所謂的測量風(fēng)險(xiǎn)[1]。參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率是指參數(shù)的測量結(jié)果超出最大允許誤差的概率[2],即

v=1-R

(1)

其中v為參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率,R為參數(shù)的測量可靠性,即參數(shù)的測量結(jié)果處于容差范圍內(nèi)的概率。

由式(1)可知,通過計(jì)算參數(shù)的測量可靠性就能得到參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率。

基于“直接測量”的前提,參數(shù)的測量可靠性主要由對其進(jìn)行測量的測試設(shè)備的可靠性決定。但隨著測量模型的復(fù)雜化以及可靠性設(shè)計(jì)方法的大量應(yīng)用,艦船參數(shù)的測量可靠性還受到了可靠性設(shè)計(jì)程度的影響。基于艦船可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)概率評估方法的基本思想是在對艦船設(shè)備的可靠性進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上,引入可靠性設(shè)計(jì)方法對測量可靠性的影響評估,對測試設(shè)備的可靠性模型進(jìn)行優(yōu)化,再基于艦船設(shè)備冗余設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為參數(shù)的測量可靠性,最后根據(jù)式(1)得到參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率。

2基于“加權(quán)評估法”的測試設(shè)備可靠性模型

測試設(shè)備的可靠性可以通過評價(jià)測試設(shè)備在一定時(shí)間間隔內(nèi)其整體性能參數(shù)在規(guī)定技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)的置信程度進(jìn)行判斷。隨著測試設(shè)備使用時(shí)間的延長,其可靠性指標(biāo)會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷降低,即意味著測試設(shè)備的技術(shù)參數(shù)超出其規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)的概率將增大[3]。測試設(shè)備的可靠性模型是指通過對測量設(shè)備的可靠性參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。目前,絕大多數(shù)的測試設(shè)備可靠性模型均是根據(jù)其故障的分布情況進(jìn)行建模。基于“加權(quán)評估法”的測試設(shè)備可靠性模型是在以故障分布建模的基礎(chǔ)上通過定性分析影響測試設(shè)備可靠性的因素,使用“加權(quán)評估法”[4～5]對各因素的加重權(quán)數(shù)和自重權(quán)數(shù)進(jìn)行定量評估,得到測試設(shè)備的可靠性。具體步驟如下。

2.1測試設(shè)備可靠性的主要影響因素的自重權(quán)數(shù)ci

影響測試設(shè)備可靠性的因素主要有測試設(shè)備本身特征(如工作原理、結(jié)構(gòu)型式與所用材質(zhì))、性能要求(如最大允許誤差、測量重復(fù)性與測量穩(wěn)定性)以及使用情況(如環(huán)境條件、使用頻度與維護(hù)狀況)等三個(gè)方面[6]。即

(2)

在無約束條件下,可近似地認(rèn)為各個(gè)因素對測試設(shè)備可靠性的影響程度基本相同,即各因素的加重權(quán)數(shù)c1=c2=c3=1/3。當(dāng)有約束條件時(shí),則應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的特點(diǎn),對加重權(quán)數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2測試設(shè)備可靠性的主要影響因素的自重權(quán)數(shù)w

對各因素的具體特性進(jìn)行分析評估,評估值范圍為0～1,分值越低說明對測試設(shè)備的可靠性產(chǎn)生越惡劣的影響。

(3)

其中,wi為各因素的自重權(quán)數(shù),wij為各因素具體特性的評估值,m為各因素的具體特性數(shù)量。

2.3測試設(shè)備可靠性R

根據(jù)各因素的加重權(quán)數(shù)和自重權(quán)數(shù),基于測試設(shè)備的故障特性分布,計(jì)算出測試設(shè)備的可靠性R0,公式如下:

(4)

其中,R0為測試設(shè)備的可靠性,r(t)為只考慮測試設(shè)備故障特性分布的可靠性模型。

由式(4)可知:當(dāng)無約束條件下,wi均為1,R=r(t)。

3基于可靠性設(shè)計(jì)方法的艦船設(shè)備可靠性模型優(yōu)化

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展,可靠性設(shè)計(jì)在產(chǎn)品研制中得到了全面推行和廣泛應(yīng)用。可靠性設(shè)計(jì)的本質(zhì)是從單元、單元間的互相聯(lián)系以及環(huán)境三個(gè)角度挖掘、確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)境(隱患),并采取針對的技術(shù)進(jìn)行消除或控制。因此,可靠性設(shè)計(jì)在艦船設(shè)備的廣泛使用對其可靠性的各影響因素的自重權(quán)數(shù)w有較大的影響。

艦船可靠性設(shè)計(jì)方法主要分為三類[7]:單元級的故障預(yù)防、系統(tǒng)級故障預(yù)防以及環(huán)境影響最小化。單元級的故障預(yù)防方面,主要采用的可靠性設(shè)計(jì)方法有降額設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)等;在系統(tǒng)級故障預(yù)防方面,主要采取的可靠性設(shè)計(jì)方法有冗余設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等;在環(huán)境影響最小化方面,主要包括環(huán)境載荷確定與分析以及環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)等可靠性技術(shù)手段[2]。

3.1裕度設(shè)計(jì)對“本身特征”自重權(quán)數(shù)w1的影響

在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)領(lǐng)域,為保證結(jié)構(gòu)的安全可靠,在設(shè)計(jì)中引入一個(gè)大于1的安全系數(shù)試圖來保障機(jī)械零件不發(fā)生故障,這種設(shè)計(jì)方法就是裕度設(shè)計(jì)方法[7]。裕度設(shè)計(jì)使得本身特征這一影響因素的自重權(quán)數(shù)隨著裕度設(shè)計(jì)的使用而增大,有:

(5)

3.2降額設(shè)計(jì)對“性能要求”自重權(quán)數(shù)w2的影響

產(chǎn)品的降額設(shè)計(jì)是使測試設(shè)備所承受的電應(yīng)力和溫度應(yīng)力適當(dāng)?shù)氐陀谄漕~定值,從而達(dá)到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。性能要求這一影響因素的自重權(quán)數(shù)隨著降額設(shè)計(jì)的使用而增大[7],有:

(6)

3.3環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)對“使用情況”自重權(quán)數(shù)w3的影響

環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)是對產(chǎn)品所經(jīng)歷的環(huán)境載荷進(jìn)行識別后,通過控制環(huán)境和/或適應(yīng)環(huán)境的方式采用環(huán)境防護(hù)措施,保證在遭受多種環(huán)境因素綜合作用的情況下,測試設(shè)備也能安全可靠地工作。環(huán)境條件往往同時(shí)包含多種環(huán)境載荷,形成綜合性環(huán)境,因此環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)也是采用綜合性手段。常見的環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)有熱環(huán)境防護(hù)、力學(xué)環(huán)境防護(hù)、電磁環(huán)境防護(hù)、空間輻射環(huán)境防護(hù)、防潮濕設(shè)計(jì)、防鹽霧腐蝕設(shè)計(jì)、防霉菌設(shè)計(jì)、防砂塵設(shè)計(jì)等[7]。引入環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)程度系數(shù)η,則使用情況這一影響因素的自重權(quán)數(shù)隨著環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)的使用而增大,有:

(7)

(8)

其中,ηi為各類環(huán)境防護(hù)程度系數(shù),p為環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)種類數(shù)。

3.4基于可靠性設(shè)計(jì)的艦船設(shè)備可靠性模型

根據(jù)以上分析,結(jié)合式(5)～式(8),優(yōu)化后的艦船設(shè)備可靠性模型[8～9]如下:

(9)

4基于艦船可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)模型

在艦船設(shè)備/系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),為保證測量數(shù)據(jù)的可靠性,對關(guān)鍵參數(shù)通常會(huì)采用多個(gè)具有相同測量原理的測試設(shè)備對同一參數(shù)進(jìn)行測量,這種設(shè)計(jì)稱為測量的冗余設(shè)計(jì),其可靠性模型可近似的看作為并聯(lián)模型。則艦船設(shè)備的參數(shù)測量可靠性模型[7]如下

(10)

假設(shè)各測試設(shè)備的測量原理基本相同且互相獨(dú)立,則參數(shù)測量可靠性模型為

R=1-(1-R′)q

(11)

根據(jù)式(1)、式(9)可知,基于可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)概率為

(12)

5基于艦船可靠性設(shè)計(jì)的參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)模型的實(shí)例

假如某型號某系統(tǒng)中測量某一參數(shù)時(shí),該系統(tǒng)與該參數(shù)相關(guān)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1　某參數(shù)測量相關(guān)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽表

假設(shè)用于測量該參數(shù)的設(shè)備屬于電子類產(chǎn)品和設(shè)備,可以認(rèn)為該設(shè)備的可靠性參數(shù)與使用時(shí)間服從指數(shù)函數(shù)分布[10～11]。該根據(jù)式(11)可知:在無約束條件下,該參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率為

根據(jù)以上的測量風(fēng)險(xiǎn)概率,結(jié)合該參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度評估值,即可得到該參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn),從而評價(jià)該風(fēng)險(xiǎn)的可接受度以及制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。同時(shí),可根據(jù)所評估的測量風(fēng)險(xiǎn)概率評價(jià)測量系統(tǒng)中該參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)制定的合理性。

6結(jié)語

針對參數(shù)測量的復(fù)雜化和可靠性設(shè)計(jì)方法的大量應(yīng)用,以工程應(yīng)用實(shí)際為基礎(chǔ),提出了以參數(shù)為關(guān)注點(diǎn)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率評估思路,并基于艦船設(shè)備的可靠性模型和可靠性設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)提出了參數(shù)的測量風(fēng)險(xiǎn)概率評估方法。該方法在原有的統(tǒng)計(jì)信息基礎(chǔ)上增加了主觀工程信息和艦船可靠性設(shè)計(jì)信息,對參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)概率的估計(jì)更準(zhǔn)確,具有更強(qiáng)的應(yīng)用性。該文是從多角度評估參數(shù)測量風(fēng)險(xiǎn)概率的初步探討,其中對各因素自重權(quán)數(shù)的評估方法有待進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李宏利,張瑜,喬羊,等.風(fēng)險(xiǎn)的概念、動(dòng)態(tài)測量及其應(yīng)用[J].人類工效學(xué),2013,19(4):86-90.

LI Hongli, ZHANG Yu, QIAO Yang, et al. Concept, Dynamic Measurement and Application of Risk[J]. Chinese Journal of Ergonomics,2013,19(4):86-90.

[2] 付沙,宋丹.基于AHP和模糊綜合判斷的信息安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012(6):207-210.

FU Sha, SONG Dan. An Information Security Risk Assessment Method Based on AHP and Exploration in Laboratory,2012(6):207-210.

[3] 余學(xué)峰,劉輝.測試設(shè)備的測量可靠性及容差分析[J].中國測試技術(shù),2006,32(1):14-18.

YU Xuefeng, LIU Hui. Analysis for Measurement Reliability and Maximum Permissible Error of Measuring Equipment[J]. China Measurement Technology,2006,32(1):14-18.

[4] 陶菊春,吳建民.綜合加權(quán)評分法的綜合權(quán)重確定新探[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2001(8):43-48.

TAO Juchun, WU Jianmin. New Study on Determining the Weight of Index in Synthetic Weighted Mark Method[J]. Systems Engineering — Theory and Practice,2001(8):43-48.

[5] 許福永,申健,李劍英.網(wǎng)絡(luò)安全綜合評價(jià)方法的研究及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006,27(8):1398-1400.

XU Fuyong, SHEN Jian, LI Jianying. Study and Application of Comprehensive Assessment Mehod for Network Security[J]. Computer Engineering and Design,2006,27(8):1398-1400.

[6] JJF1139-2005.計(jì)量器具檢定周期確定原則和方法[S]. 2-3.

JJF1139-2005. Principle and Method for Determination Verification Period of Measuring Instruments[S]. 2-3.

[7] 曾聲奎,馮強(qiáng),馬紀(jì)明,等.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013:68-69.

ZENG Shengkui, FENG Qiang, MA Jiming, et al. Reliability Design and Analysis[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2013:68-69.

[8] 王曉聰,白曉晨,李博,等.基于二元語義的網(wǎng)絡(luò)安全評估方法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2015,43(2):269-272.

WANG Xiaocong, BAI Xiaochen, LI Bo, et al. Network Security Evaluation Method Based on Two-tuple Ringuistic[J]. Computer and Digital Engineering,2015,43(2):269-272.

[9] 吳正洋.基于二元語義的研究生導(dǎo)師綜合評價(jià)研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(5):90-94.

WU Zhengyang. Evaluation Method for Graduate Student Advisor Based on Two-tuple Linguistic[J]. Journal of Guangzhou University: Natural Science Edition,2011(5):90-94.

[10] 張耀鐳,祁勇.利用可靠性模型確定電子測量設(shè)備檢定周期的方法[J].理論與實(shí)踐,2009,29(1):6-8.

ZHANG Yaolei, QI Yong. Method for Establishing Verification Period of Electronic Measuring Equipment Based on Reliability Model[J]. Theory and Practice,2009,29(1):6-8.

[11] 盛驟,謝式千,潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2008:42-46.

SHENG Zhou, XIE Shiqian, PAN Chengyi. Probability and Statistics[M]. Beijing: Hgiher Education Press,2008:42-46.

收稿日期:2016年1月12日,修回日期:2016年2月23日

作者簡介:章婷,女,碩士,高級工程師,研究方向:艦船計(jì)量。黃喜珍,男,工程師,研究方向:艦船維修性。吳祺,男,工程師,研究方向:艦船維修性。何夢蕾,男,工程師,研究方向:艦船計(jì)量。夏建超,男,碩士,助理工程師,研究方法:艦船計(jì)量。

中圖分類號TM930.115; TB114.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.008

Risk Evaluation Model of Parameter Measurement Based on Reliability Design for Warship

ZHANG Ting1HUANG Xizhen2WU Qi3HE Menglei1XIA Jianchao1

(1. Calibration and Testing Center, Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan430205)(2. No. 92730 Troops of PLA, Sanya572016)(3. No. 92330 Troops of PLA, Qingdao266012)

AbstractA new evaluation method of the parameter measurement risk based on reliability design is presented in the paper. Based on the Weight Estimation and reliability model, the calculated model of measurement risk probability is described. The equipment’s measurement reliability and system’s reliability design are fully taken into account in this approach. It provides a theoretical support for the quantitative assessment of parameter measurement risk. And this modeling would be a helpful step to the performance valuation of measuring systems.

Key Wordsreliability design, measurement risk, evaluation model, measurement equipment, parameter measurement