一種船舶操舵控制系統的可靠性分析?

管 昊 陳永冰 周 崗 李文魁

（海軍工程大學 武漢 430032）

1 引言

船舶操舵控制系統正朝著復雜化、自動化、智能化的方向發展［1-5］，在進行船舶操舵控制系統方案設計和綜合評價時，船舶操舵控制系統的可靠性是一項非常重要的性能指標，但目前針對船舶操舵控制系統的可靠性定量分析研究比較少。并且隨著系統復雜化程度提高，其基本可靠性必然降低，而系統的任務可靠性可通過合理的可靠性分析與設計來提高。由于系統內包含的元器件眾多，元器件的失效率計算工作量很大，主要有兩種方法：一是元器件計數法，該方法直接選取元器件的通用失效率，然后對其計數相加，未考慮特定環境下各種因素的影響，計算快捷，但不夠精確。筆者采用另一種元器件應力分析法，此方法考慮不同元器件應力、環境、質量、封裝等多種因素，計算結果貼近實際，計算工作量較大。

為探討船舶操舵控制系統的可靠性分析問題，以一種船舶操舵控制系統為例，建立基本可靠性與任務可靠性數學模型，選取船舶航行工況，采用元器件應力分析法計算系統內元器件的失效率，在此基礎上計算得出兩種模型下可靠度與平均故障間隔時間指標值，分析其差異性。

2 船舶操舵控制系統的結構組成與運行方式

如圖1所示的一種船舶操舵控制系統，由操縱臺、供電系統、接線系統、反饋系統幾部分組成。該系統具有簡操、隨動和自動操縱三種操縱方式，操作模式選擇由船舶航行環境、距離決定。如船舶離、靠碼頭及在復雜海域航行時，采用簡單操縱模式或隨動操縱模式來工作；船舶航行在開闊水域或需要長時間保持航向時，采用自動操縱模式來工作。簡操與另外兩種操縱方式存在結構上的隔離，因此在隨動或自動操舵模式出現故障的情況下，可選擇切換簡操模式來保證船舶的正常航行。整個系統采用雙通道設計，一般采用單通道運行，另一通道作為備用通道，處于冷備旁待運行方式。這保證了船舶在航行時當其中一個通道出現故障時，另一通道仍可以繼續保持操縱有效性，確保船舶繼續正常航行。這種冗余設計對于船舶操舵控制系統來說是非常必要的，提高了船舶航行的可靠性與安全性。

圖1 某型操舵控制系統儀器組成圖

3 可靠性邏輯框圖的建立

船舶操舵控制系統包含大量電路、元器件，影響船舶操舵控制系統可靠性的因素主要包括兩個方面：一是每個元器件的可靠性；二是各部件之間的不同組合方式。在對船舶操舵控制系統進行可靠性分析時，主要進行這兩方面的研究，由于操舵控制系統元器件眾多，結構繁雜，因此在建模時進行了適當的簡化。

對圖1所示的系統，決定基本可靠性的是系統在整個壽命期內發生的所有需要維修或更換的故障［5］，不限于僅危及船舶正常航行的故障，系統基本可靠性預計使用串聯模型來建立可靠性框圖，即使系統內包含儲備或冗余單元，均按串聯處理，基本可靠邏輯框圖如圖2。該型船舶操舵控制系統具備簡操、隨動、自動三種操作模式，在建立系統的任務可靠性框圖時，由于隨動、自動兩種操縱模式所包含的零部件大部分重合，而自動操縱涉及的環節更為全面，因此主要考慮簡單操縱與自動操縱之間的冗余結構。圖3為該型操舵控制系統的工作原理圖，圖4構建了系統的任務可靠性框圖。

圖2 某型操舵控制系統基本可靠性框圖

圖3 某型操舵控制系統控制原理圖

圖4 某型操舵控制系統任務可靠性框圖

4 基本公式

大量的統計資料證明，各元器件的可靠度一般服從指數分布，對船舶操舵控制系統來講，在建立其可靠性模型時，不考慮預防維修時間、后勤延遲時間及行政時間［6～10］，可得模型如下：

1）串聯系統：由n個部件串聯構成，系統內任意一個部件失效，導致系統失效。則：

平均故障間隔時間：

2）并聯系統（冗余系統）：由n個部件并聯構成，只要其中有部件工作正常，系統不會發生失效，只有全部部件均失效才會導致系統失效。則：

平均故障間隔時間：

3）冷儲備系統（2個同型部件）：由兩個同型部件以及一個轉換開關組成，初始部件開始處于工作狀態，另一個部件處于儲備狀態。初始部件無法正常工作，通過轉換開關實現儲備替換。開關失效時系統不會馬上失效，只有當需要轉換開關將儲備部件替換已失效的初始部件時，開關失效才會導致系統失效［11］。

可靠度：

式中：λ與λk分別代表同型儲備部件及轉換開關的失效率。

采用元器件應力分析法預計一種船舶操舵控制系統的可靠性指標，這種方法需要預計出組成系統的所有元器件的失效率，所需的信息主要是：1）所有元器件的種類與數量；2）各類元器件失效率計算模型；3）元器件工作環境與溫度；4）元器件的質量等級；5）元器件的電應力比等詳細信息。以系統中某個元件六反相器CD4049的工作失效率λp計算為例，由電路原理知CD4049是六反相器，屬CMOS型數字電路，由GJB∕Z299C中半導體集成電路工作失效率模型得知［12］：

式中：λP為工作失效率；πQ為質量系數；πL為成熟系數；πT為溫度應力系數；πV為電壓應力系數；πE為環境系數；C1及C2為電路復雜度失效率；C3為封裝復雜度失效率。

表1 某型操舵控制系統各單元失效率預計結果

例如綜合放大板單元包含模擬電路、數字電路、硅功率放大管、硅開關二極管、PIN管、金屬膜電阻、有機實芯電位器、各種不同類型電容和印制板等173個元器件，以及無線接烙鐵焊點488個，將次173個元器件的失效率以及488個焊點的失效率相加，即計算出綜合放大板失效率為13.1668×10-6/h，各單元的失效率計算結果見表1。

5 計算模型

基于上述基本模型，建立一種船舶操舵控制系統的基本可靠性與任務可靠性計算模型如下：

式中：λI=λ1+λ6+λ9+λ10+λ11

上面各式中的上標1、2分別表示控制系統在基本可靠型模型和任務可靠性模型下的可靠性指標。

6 計算結果與分析

用上述計算模型，得到一種船舶操舵控制系統的基本可靠度指標和任務可靠度指標曲線，圖5所示，兩個平均故障間隔時間分別為

圖5 操舵系統基本可靠度與任務可靠度曲線對比

由圖5曲線看出，船舶操舵控制系統的可靠度隨工作時間的增長而逐漸降低，系統的平均故障間隔時間為3945h，該型操舵控制系統的可靠性指標要求系統的平均無故障時間不小于3000h，達到了系統的可靠性指標要求。這里的故障指系統內所有部件可能出現的故障，故障不一定會危及系統的控制功能。

由于系統采用了雙通道冷儲備設計以及三種不同的操作模式冗余設計，其任務可靠性比較高，平均任務故障間隔時間為20937h，任務故障指的是危及系統控制功能的故障，任務故障一旦產生，會使系統的控制能力失效或下降。

表2 基本可靠度與任務可靠度對比

7 結語

船舶操舵控制系統基本可靠性低于任務可靠性，基本可靠性隨著系統的復雜度增加而降低，由于其結構上的冗余設計，系統的任務可靠性遠高于基本可靠性，并且可通過結構上的改進設計來彌補由于復雜程度提高帶來的可靠性隱患。

對船舶操舵控制系統進行可靠性數學建模，并采用元器件應力分析計算系統內元器件失效率，這種方法貼近實際情況，計算結果對系統可靠性評估具有一定的參考價值，此方法也為同類控制系統的可靠性分析提供了新思路。