基于評分法的某新型船舶操舵控制系統基本可靠性分配?

（海軍工程大學 武漢 430032）

1 引言

船舶操舵控制系統是船舶航行過程中極其重要的一個系統，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航數據及時采集與并通過相關控制算法處理，進而控制船舶持續有效的航行，并保證航行的安全性和經濟性［1～3］。現在，大多數學者對控制系統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。隨著自動舵系統朝著模塊化、自動化、信息化、智能化發展以來，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的可靠性研究具有重要意義。

在對操舵控制系統的結構和可靠性冗余設計的過程中，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設計的可靠度指標，可以暴露系統設計中的薄弱環節及關鍵單元和部位，為指標監控和改進措施提供依據。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品之間的可靠性相對比值——分配系數，再根據分配系數給每個單元產品的可靠性指標進行分配的方法［7］。

2 船舶操舵控制系統基本結構和功能

如圖1為某新型船舶操舵控制系統結構與連接圖，由駕駛室操縱臺、舵機艙操縱臺、供電系統、指令控制箱、伺服控制箱、液壓機構、舵角反饋機構等組成。該系統能完成的操舵模式主要有三種：簡單（應急）操舵、隨動操舵、自動操舵。操舵方式主要根據海況，航行任務以及航行環境決定。該新型操舵控制系統為模塊化設計，主要體現在操縱臺上，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。系統中駕駛室操縱臺與舵機艙操縱臺互為硬件相似余度結構，即結構完全一致，作為備用。在模塊級別，系統采用四余度結構，當一路信號、兩路信號甚至三路信號發生故障時，系統仍然能夠正常工作。這種結構設計提高了系統的可靠性，但在可靠性設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計會給系統帶來負擔，并降低了系統的基本可靠性，對設備維修保養的成本增加［8］。

圖1 某新型操舵控制系統結構與連接圖

3 系統基本可靠性框圖建立

可靠性分為基本可靠性與任務可靠性，建立系統基本可靠性框圖就是把系統的所有模塊看作是串聯結構［9］。對于該新型操舵控制系統，主要分析的對象為完成控制信號所需要的模塊，因此在對系統進行可靠性建模的時候不考慮伺服結構和液壓機構。因此該系統主要由隨動手輪模塊、綜合控制模塊、顯控模塊、指令信號發送與接收模塊、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，四冗余設計集中在同一板件。

該新型操舵控制系統為分布式控制型結構，并且控制系統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，即可以用指數分布進行計算。

圖2 浴盆曲線

設五大模塊的可靠度函數分別為R1(t)、R2(t)、R3(t)、R4(t)、R5(t)，則根據串聯系統可靠性模型能表示出該系統可靠度為

根據系統的組成和模塊間的相互關系，建立系統基本可靠性框圖如圖3所示。

圖3 某新型操舵控制系統基本可靠性框圖

4 評分分配方法應用與結果

4.1 評分因素

評分分配法主要考慮的評分因素有復雜程度、技術成熟水平、工作時間、環境因素，由于操舵控制系統為可維修設備，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）復雜程度。對于操舵控制系統各組成模塊的基本元器件數量越多，復雜度評分也就越高。最復雜的評分為10分，則指令發送與接收模塊評分為10分。將該系統的各個模塊的電路原理圖對照實物并計算，可得系統各模塊復雜度評分表如表1所示。

表1 某新型操舵控制系統復雜度評分表

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

表2 子模塊技術成熟水平評分表

3）工作時間。手輪隨動模塊只應用在隨動操舵模式下，顯控模塊應用在航向自動、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用。不妨設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）環境因素。參考GJB299C-2006電子設備可靠性預計手冊［10］，將船舶環境分為艦船良好艙內Ns1，艦船普通艙內Ns2，和艦船艙外Nu。駕駛室操縱臺內的隨動手輪模塊、顯控模塊和綜合控制模塊為Ns1環境，而舵機艙內的指令發送與接收模塊和反饋模塊為Ns2環境。

5）風險優先數（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，設每天工作時間為12h，則該操舵控制系統要求的最低平均無故障工作時間為365*12=4380h，由于即要求的系統失效率λs=228.3*10-6·h-1。根據上述分配模型與4.1中的評分因素選擇，得到綜合評分分配結果如表4所示。

表4 某新型操舵控制系統評分因素分配結果表

4.3 各子模塊基本可靠性分配結果

根據評分分配的數學模型及表4，可以計算得出該新型操舵控制系統子模塊的基本可靠性分配結果如下：

5 結語

依據該新型船舶操舵控制系統，通過針對該系統子模塊所處環境、工作時間、技術成熟程度等因素采用評分分配法對操舵控制系統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的設計和可靠性優化提供依據，并且能針對失效率較高的薄弱環節，即指令發送與接收模塊進行改進和優化，并且為后續的可靠性試驗和評估打下基礎。