船舶操舵控制系統可靠性預計方法研究?

石 闖 陳永冰 胥望春

（1.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430032）（2.91411部隊 大連 116041）

1 引言

船舶操舵控制系統是以自動操舵儀（Autopilot）為控制核心，包括指令接收與發送箱，伺服機構和反饋機構等，是一個用來保持船舶在給定航向或航線下航行穩定性和操縱性的控制系統［1］。操舵控制系統的性能直接影響到航行任務的完成。并且海上環境復雜，一旦操舵系統發生故障，將直接威脅到船員和物資的安全，因此在改進系統操舵控制方式和控制精度之外，研究和提高操舵控制系統的可靠性顯得尤為重要。

可靠性分為基本可靠性和任務可靠性，基本可靠性是“產品在規定時間內和規定條件下，無故障工作的能力”，它反映產品對維修資源的需求；任務可靠性是“產品在規定任務剖面內完成規定功能的能力”，它反映了產品對任務成功性的要求［2］。可靠性預計是在產品尚無自身實驗數據的情況下，根據類似產品的經驗數據或組成該單元的可靠性基礎數據，對產品在給定工作或非工作條件下的可靠性參數進行估算，得到設備的可靠性指標，它是一種由定性轉為定量評估設備可靠性的有效方法［3］，預測結果可以評估維修預算和改進設計［4］。

對于船舶操舵控制系統，大部分模塊的電子器件可以參照GJB∕Z 299C手冊中的預計方法進行預計，但是顯控模塊的LCD顯示屏無法使用手冊預計，本文提出基于IEC TR 62380標準和相似產品法結合對無法進行手冊預計的顯示屏LCD進行預計。并以某新型操舵控制為例，對其進行可靠性預計，并針對預計結果進行分析。

2 可靠性預計方法對比分析

系統可靠性預計方法多種多樣，目前常用的電子產品可靠性預計方法有相似產品法、元器件計數法（基于手冊）、應力分析法（基于手冊）、專家評分法和失效物理法［5］。基于手冊的元件計數法和應力分析法在商業產品預計十分常用，失效物理法模型復雜，實用性較差［6］。

相似產品法適用于具有繼承性的產品，在擁有相似產品可靠性數據的基礎上，分析改進的結構、工藝、材料等對可靠性差異的影響，利用比值分析法確定新產品的可靠性，該方法計算簡單。其缺點是預計較為粗略。

基于手冊的方法分別有MIL-HDBK-217、GJB∕Z-2009C、Telcordia SR-332等 ，其 中 MIL-HDBK-217是美國國防部與空軍合作研究的可靠性預計標準［7］，GJB∕Z-2009C是中國根據自身工業實際結合MIL-HDBK-217進行擴展得到，Telcordia SR-332源自美國貝爾實驗室，由于模型簡單，預計方便，多用于商業產品。手冊的方法預計結果較為精確，其缺點是預計要求嚴格，工作量大［8］。

專家評分法是對不同單元的可靠情況對比，主要評分依據有單元復雜度、重要度、技術水平、工作環境和工作時間等，根據評分系數確定可靠性數據。其缺點是，預計有一定主觀成分［9］。

失效物理是在研究電子元器件失效機理的基礎上，引入化學與物理的分析方法，說明產品的失效機理［10］，并根據應力-時間、應力-強度、電遷移等模型，得到元器件可靠性數據。失效物理方法預計針對性較強，缺點是實用性不高。對于船舶操舵控制系統來說，元器件數量大、失效機理多樣，計算模型過于復雜。

通過以上預計方法的優缺點分析，結合船舶操舵控制系統的特點，并根據工程實踐和經驗，對常規電子元器件，以GJB∕Z 299C手冊中的標準和數據為基礎，根據元器件應力分析法和元器件計數法進行預計；對標準中未給出預計方法的智能元器件，如顯示控制器等，提出基于IEC TR 62380標準和相似產品法相結合的失效率預計方法。

3 常規元器件失效率預計模型

3.1 預計參數設置

研究分析新型操舵控制系統的不同模塊和不同元器件，需要確定不同模塊和元器件的電應力、溫度應力、環境應力和其他元件參數［11］。

1）環境應力πE：國軍標中將環境分為19個類別，其中針對船舶操舵控制系統，有以下兩類環境“艦船良好艙內Ns1”和“艦船普通艙內Ns2”。操舵控制系統中自動操舵儀部分安裝在駕駛室，其余模塊和單元安裝在舵機艙。即隨動手輪模塊、顯控模塊和綜合控制模塊環境應力為Ns1，指令收發模塊和舵角反饋模塊環境應力為Ns2。

2）電應力πv：根據某一單元具體的電路原理圖，通過計算、電路仿真或者實際測試獲得元器件在工作時的電壓、電流和功率。

3）溫度應力πT：溫度應力的設置根據船艙內實際情況，在駕駛室內為空調房間，保持室溫25度左右，但考慮到工作時元器件會有溫升，取溫度應力參數35℃；在舵機艙內未安裝空調，取溫度應力參數為40℃。

4）質量等級與質量系數πQ：考慮到某新型操舵控制系統為軍艦的操舵控制系統，元器件都是按軍用標準篩選要求進行制造的B2質量等級產品，根據手冊可知質量系數為0.5。

5）電路復雜度失效率C1、C2和封裝復雜度失效率C3：操舵控制系統在不同模塊中都包含很多的微處理器或者集成芯片以完成某種特定功能，其中芯片的電路復雜度可參考芯片的引腳數與門電路數量來確定。

6）其他元件參數：除了質量系數、環境應力、電應力和溫度應力之外，一些電阻、電容、連接器、繼電器各有自身特點的參數，可根據具體元器件參數進行建模計算。

3.2 失效率預計模型

元器件在應用環境下的失效率，除個別元器件外，工作失效率都包含基本失效率和溫度、電應力之外的元器件質量控制等級、環境應力、應用狀態、性能額定值、種類、結構等失效率影響因素。即通常由基本失效率λb乘以上述各因素的調整系數來表示。對船舶操舵控制系統，元器件的應力分析法的可靠性預計模型如下所示［12］。

微處理器及其它芯片：

半導體器件：

電容器：

電阻器：

上式中：λPi為元器件i的失效率，λbi為元器件 i的基本失效率；πQi、πEi、πVi、πTi、πCi分別為元器件i的質量系數、工作環境系數、工作電應力系數、工作熱應力系數、結構系數；πcvi、πc?i、πki、πRi分別為電容器i的電容量系數、電容器i表面貼裝系數、電容器i種類系數、電阻器i阻值系數；C1i、C2i、C3i分別為電路復雜度和封裝復雜度。

元器件計數法相比應力分析法模型較為簡單，只需要知道元器件的種類和數量、質量等級和工作環境，具體模型為

式中：λGS為設備總失效率，10-6/? ；λGi為第 i種元器件通用失效率，10-6/?；πQi為第i種元器件的通用質量系數；Ni為第i種元器件數量；n為設備所用元器件種類數量。

4 智能元器件失效率預計模型

操舵控制系統的顯控單元的顯示器為特殊元件，一般用特定的工廠生產，這些元件沒有對應的預計模型，因此，可以參照IEC TR 62380預計手冊中提供的方法對顯示器進行應力分析，之后根據相似產品法得出操舵控制系統顯示器的失效率。建立相應的可靠性預計模型如下［13］：

式中：λOL為顯示器的基本失效率；j為任務階段數；πn為波動幅值下的循環周期數；ΔTi為溫度波動大小；(πn)i為失效影響因子，若ni為每年的溫度波動周期數，當

5 某新型操舵控制系統可靠性實例預計

5.1 系統任務可靠性框圖與可靠性數學模型

首先，對船舶操舵控制系統的失效狀態進行定義。將完成船舶操縱性的功能的狀態定義為有效狀態，則不能完成船舶操縱性功能的狀態定義為失效狀態。簡單地，將操舵控制系統的模式分為手動模式和自動模式，兩種模式只要一種模式工作正常，系統便為有效狀態。

某新型操舵控制系統根據功能可劃分為隨動手輪模塊、顯控模塊、綜合控制模塊、指令收發模塊和舵角反饋模塊。其中，手動模式涉及的模塊有隨動手輪模塊、綜合控制模塊、指令收發模塊、舵角反饋模塊；自動模式涉及的模塊有顯控模塊、綜合控制模塊、指令收發模塊、舵角反饋模塊。根據任務可靠性的定義和船舶操舵控制系統的工作模式，建立系統任務可靠性框圖如圖1所示。

圖1 某新型操舵控制系統任務可靠性框圖

根據可靠性框圖可知系統為混聯系統，隨動手輪模塊和顯控模塊為并聯結構，其余三個模塊為串聯結構，故系統的可靠性數學模型為

系統的平均無故障工作時間和失效率分別為

式中 λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分別為隨動手輪模塊、顯控模塊、綜合控制模塊、指令收發模塊和舵角反饋模塊的失效率。

5.2 可靠性預計

系統的可靠性預計的步驟可按照圖2進行。

圖2 系統可靠性預計步驟

假定舵輪為完全可靠，根據系統的特點和功能，采用應力分析法模型對隨動手輪模塊、舵角反饋模塊和綜合控制模塊的可靠度進行預計，根據公式（1）-（4）的預計模型進行預計。指令收發模塊核心器件較少，相對來說重要度較低但元器件多，復雜度較高，故采用元器件計數法模型進行預計，根據式（5）的預計模型進行預計。根據相應的模型參數對該船舶操舵控制系統進行可靠性預計，可以得到各個單元和板件的失效率，進而計算得出各個模塊的失效率。

顯控模塊包含顯示器、按鍵板和顯示驅動板，其中顯示器根據IEC TR 62380和相似產品法進行預計，按鍵板和顯示驅動板采用元器件計數法模型預計。一年為365天，假定每天的溫度變化條件一致為5℃，則j=1。每天溫度波動一次為一個周期，一年波動周期數為365，則ni=365。顯示器尺寸小于10英寸（0.25m），根據IEC TR 62380標準，其基本失效率λOL=50Fit。根據以上參數按式（10）的可靠性模型計算可得顯示器的失效率為

上述結果為國外同類產品的失效率，根據相似產品法和工程經驗，國內產品的失效率可取國外同等產品的四倍，則λL1=λL×4=1.524×10-6/h。

綜上所述，采用應力分析法、元器件計數法和相似產品法相結合的技術手段對某新型操舵控制系統的任務可靠性進行預計，首先得到每個模塊元器件的失效率，其中主要元器件失效率預計結果如表1所示。

表1 主要元器件失效率數據

計算得到每個模塊的失效率如表2所示。

表2 模塊失效率數據

根據式（8）、（9），系統平均無故障工作時間和失效率分別為

5.3 預計結果分析

5.3.1 元器件的影響分析

根據數據可以得到各個模塊中影響度前三的元件分布情況，如圖3所示。

圖3 各個模塊中元件失效率前三位的元器件

根據圖3和失效率預計結果可以得到影響某新型船舶操舵控制系統的主要元器件為微處理器、普通貼片電容、繼電器、液晶顯示器和一些接口芯片。而單個元器件的失效率中，微處理器的失效率最高。

5.3.2 不同模塊的影響分析

根據不同模塊的失效率數據可得出失效率占比圖如圖4所示。可以看出，某新型船舶操舵控制系統的綜合控制模塊失效對系統失效的影響最大，其次是指令收發模塊和反饋模塊，它們是決定操舵控制系統平均無故障工作時間的關鍵模塊。顯控模塊的失效率主要由顯示器和單片機決定，不過它們為外部設備，為單獨模塊，更換方便。在使用和設計的過程中應該重點改進和優化綜合控制模塊。

圖4 各個模塊失效率占比

6 結語

船舶航行的操縱性、經濟性和安全性依賴于操舵控制系統的可靠性，因此對船舶操舵控制系統的可靠性預計和分析十分重要。本文通過對目前存在的可靠性預計方法、預計手冊進行對比分析，根據船舶操舵控制系統的實際情況提出對應的預計方法。以失效率為預計對象，建立預計模型，最后對某新型操舵控制系統進行實例預計和分析，驗證所提出預計方法的可科學性，并對系統的薄弱環節提出改進建議。