無人機系統可靠性分配方法研究

姜海勛 張易豪 李晨曦

一般而言，產品的可靠性分配首先要確定指標及要分配到的產品單元，為了更準確地分配指標，針對不同的產品單元的特點，應先進行產品單元的分類，將其分為確定和不確定兩類，并在此基礎上研究形成每類產品單元的可靠性分配方法，進行可靠性分配，進而將指標有效分配到產品單元并在后續的工程設計及產品制造中予以實現以保證整機可靠性指標實現。本文針對上述需求以無人機整機系統為對象開展了基于可靠性信息量與技術成熟度等級評價的單元分類方法研究，將構成系統的產品單元分為確定子系統及不確定子系統兩類，并針對兩類系統分別采用重要因子和復雜因子分配方法、評分分配法（FOO）形成無人機整機系統的可靠性指標的分配方法，用于針對無人機整機系統在研制及使用時間相對較短、可靠性累計數據較少的情況進行可靠性指標分配，用以支持無人機整機系統可靠性設計的有效性，用于提高系統設計及使用可靠性水平。同時并給出了案例應用，驗證了本方法的工程有效性。

引言

無人機整機可靠性要求高、工作環境復雜，且由于無人在世界范圍內研制和使用的時間較短，可靠性數據積累、成熟的系統部件較少，因此對其進行可靠性分配有一定的困難。

國內現有的工程中常用的可靠性分配方法有基于免疫遺傳優化等算法的可靠性分配方法[2]、基于故障分析的可靠性分配方法[3]、基于故障樹的系統可靠性分配方法[4]等但這些方法有些需要一定的約束條件，有些基于大量的故障數據統計基礎，有些在算法上過于復雜。而對于近年來興起的無人機研發過程中的系統而言，系統組成單元的可靠性信息量及歷史數據較少，技術成熟度評價等級低，各系統之間關系密切、結構緊湊、無余度、存在關聯失效等問題，因此目前常用的系統可靠性分配方法應用于無人機系統的可操作性不強，缺少一種能針對上述特點解決無人機系統研發過程中工程適用及有效的可靠性分配方法。

基于上述需求，本文以無人機整機系統為對象，開展了基于可靠性信息量與技術成熟度等級評價的單元分類方法研究，建立了一種針對無人機整機的可靠性分配方法，用以進行系統研制中可靠性指標的分配及相關設計分析工作，支持無人機系統可靠性要求實現。

可靠性分配的程序

建立的可靠性分配的流程框圖如圖 1所示，首先對無人機整機的產品單元類別進行分類，得到確定單元和不確定單元兩種類型，基于此對形成的確定子系統和不確定子系統進行可靠性指標確定，采取考慮相似產品故障率和復雜性的分配方法對確定子系統內的確定系統進行可靠性分配，采取評分分配法（FOO）對不確定子系統的可靠度進行可靠性分配，最終得到各系統的可靠度。

單元的劃分與確定

根據可靠性分配方法的技術路線，首先考慮技術成熟度等級評價和可靠性信息量對需要進行可靠性分配的各產品單元進行分類判別。現有研究以技術成熟度來度量產品掌握的技術水平，根據GJB 7688—2012對技術成熟度等級進行定義[5]，如圖 2所示。

對產品進行可靠性分配所需要的是產品在產業化階段的典型使用環境中產生的實際數據，所以選擇等級7為技術成熟度判別的分界點用來判定產品單元的確定與不確定。本文建立了產品單元類別的判斷邏輯決斷圖，如圖 3所示。

通過邏輯決斷圖可以得到無人機各產品單元的類別，將其分為確定單元和不確定單元兩類。

不同類別單元的可靠性分配方法

確定子系統及不確定子系統的劃分

不確定子系統的可靠性分配

在對系統的結構和故障情況不清楚的情況下，其具體步驟如下所示。

步驟一：不確定子系統的可靠性分配的層次模型建立

本研究中不確定子系統的可靠性分配層次模型如圖 5所示。

步驟二：準則層權重模糊判斷矩陣的構造

采用專家評分法對準則層的指標進行兩兩比較，得到各專家優先級判斷矩陣。

將評分按照公式進行歸一化處理，并計算出占比權重Pij，得到各位專家的權重值ai，最終推導出各單元評分結果，并根據不確定子系統的可靠度進行分配，得到是S2、S3、S4、S5分配的可靠度，其計算結果如表 2所示。

而在面臨缺乏可靠性數據且技術成熟度評價等級較低的問題時，工程上經常采用的等分配法，其分配結果見表3。等分配法將可靠度均勻的分配到系統的每一個單元上，存在未考慮不同單元之間的機構、材料、功能等方面的不同的問題。而本文提出的可靠性分配方案結合了單元分類法與基于熵權法及模糊判斷矩陣的不確定子系統可靠性分配等方法，結合了研發單位、相關專家基于復雜程度、技術水平等一系列準則對無人機單元進行可靠性評價，最終得出的可靠性分配方法，則較好的解決了上述問題，更加符合工程實際應用。

綜上所述，通過工程中的具體應用案例及與現有常用的等分配法結果進行對比，進一步驗證了本方法在無人機系統研發過程中，面臨系統的部分單元缺乏可靠性數據、技術成熟評價等級較低等常見問題時的工程有效性。

結束語

本文針對無人機系統的結構及使用特點，開展了基于技術成熟度評價和可靠性信息量的單元分類方法與基于熵權法及模糊判斷矩陣的不確定子系統可靠性分配等關鍵技術研究，并在此研究基礎上形成了無人機系統的可靠性分配方法。該方法能有效支持在工程實踐中解決無人機系統缺乏可靠性數據時的可靠性分配問題，并且能夠在一定程度上消除傳統的可靠性分配中使用比例分配法和評分分配法片面性，得到更為合理并且符合工程實際的無人機整機的可靠性分配方案，支持后續可靠性設計分析工作開展，進而保證無人機系統可靠性要求實現。

參 考 文 獻

[1]宋太亮，朱美嫻，祝耀昌，等.GJB450A-2004，裝備可靠性工作通用要求[S].北京：中國人民解放軍總裝備部，2004.

[2]程力旻，徐巍，張文俊.基于免疫遺傳優化的可靠性分配方法[J].艦船電子工程，2022，42（02）：152-156.

[3]柳旭濤，楊慶東.基于故障分析的飛機發動機葉片加工中心可靠性分配[J].機械工程師，2017（09）：1-4.

[4]柳夢雪，劉健，胡忠前，等.基于故障樹的水下生產系統可靠性分配[J].石油礦場機械，2022，51（01）：37-44.

[5]GJB 7688-2012.裝備技術成熟度等級劃分及定義[S]. 北京：中國人民解放軍總裝備部，2012.

[6]曾聲奎.可靠性設計與方法研究[M]： 北京：國防工業出版社，2015.