基于模型的某巡邏艇可靠性設計研究

摘" " 要：隨著各型艦船裝備飛速發展，新技術逐步應用，任務系統越來越復雜，可靠性要求提升。當前艦船可靠性分析、設計手段與裝備研制需求不相匹配，其應用實施與工程設計未能有效融合。本文以某巡邏艇為例，采用軟件建立可靠性模型，開展可靠性預計及后續工作，將可靠性軟件有效的融入艦船設計流程，提高分析因素關聯性，避免數據不一致，有效提升裝備可靠性，降低其工作實施和推廣難度。

關鍵詞：巡邏艇；可靠性；模型

中圖分類號：U662.9" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Research on Reliability Design of a Patrol

Boat Based on Model

MAO Binfeng，" CHEN Yahao，" ZHANG Gong

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guangzhou 510250 ）

Abstract： With the rapid development of various types of boat equipment， the application of new technology， the mission system is becoming more and more complex， and the problem of reliability becomes more and more obvious. The means and methods of ship reliability analysis and design have not been generally formed， and there are some problems in application and engineering design. Taking a certain type of a patrol boat as an example， this paper uses software to establish the reliability model， carries out the reliability prediction and follow-up work， and integrates the reliability software effectively into the ship design process， it can enhance the relevancy of analysis process， avoid data inconsistency， improve the reliability of equipment effectively， and reduce the difficulty of implementing and popularizing the reliability of warship.

Key words： patrol boat;" reliability ;" model

1" " "引言

目前艦船裝備往往具備多任務、多功能特點，其技術含量不斷提高，系統高度綜合，功能日益強大和完善，不僅對裝備自身的功能特性有了更高的要求，其可靠性設計難度增加，需在研制壽命各階段逐步落實。

對于艦船裝備的可靠性要求無法直接在艦船總體層面進行設計，需要將總體層面的可靠性要求和指標進行層層分解，將其分配到艦船裝備的系統級和設備級。在系統級和設備級層面對艦船總體要求和指標進行進一步的分析和轉換，作為研制項目合同要求，并成為承制方設計的依據和驗收考核的依據[1]。與航空、航天、通信、汽車等領域相比，艦船裝備由于其復雜的系統結構和多樣的功能特點，其可靠性的研究工作起步較晚，近年來隨著對艦船裝備可靠性研究的重視，從事艦船裝備的可靠性研究工作逐漸增多，各項工作流程和方法逐漸完善，許多艦船裝備的可靠性設計分析問題得到良好的解決[2]。但艦船裝備涉及多個交叉學科領域，可靠性工作開展難度大，可靠性相關工作主要依托質量特性人員分解給各專業，通常存在系統建模不符合實際、數據前后不一致等，可靠性工作與專業設計結合度不高的問題。

本文采用可靠性軟件建立模型，對某巡邏艇可靠性開展設計研究，對可靠性建模、可靠性預計工作進行分析探討。

2" " "基于模型的可靠性設計方法

2.1" "指標要求及設計流程

某巡邏艇主要負責反恐維穩、護漁護航、搶險救災、維護海上秩序等任務。

任務規定可靠性要求，任務可靠度目標值為0.80，最低可接受值為0.75；

基于模型的可靠性設計流程，主要工作包括可靠性工作計劃、可靠性建模、可靠性分配和可靠性預計。可靠性工作計劃是按計劃分階段對產品開展可靠性管理、評估和改進工作。其中建模、預計、分配是可靠性工作的重點及技術難點。

2.2" "可靠性建模

巡邏艇研制初期階段應開展的可靠性建模，模型是開展可靠性分析的基礎。

根據不同研究目的和對象分為基本可靠性模型和任務可靠性模型。

基本可靠性是產品在規定條件下無故障的持續使用時間或概率。應統計全壽命周期內所有故障，用于評估產品故障而引起的維護保養需求。因此基本可靠性模型由所有組成單元串聯而成，屬于全串聯模型。

任務可靠性是產品在規定的任務剖面內完成規定功能的能力，因此只需要考慮任務期間發生且足以影響任務完成的相關故障。用于評估執行特定任務期間中完成規定功能的概率。任務可靠性模型根據不同的任務剖面及邏輯關系建立。系統的組成單元的冗余程度越高，則其任務可靠性就越高。

2.3" "典型的可靠性模型及場景分析

串聯模型：將系統組成的所有單元可靠度相乘，任意一個單元有故障都可以導致整個系統失效，系統構成所需單元越多，則該系統可靠度越低。

以下三個方面設計可以提高串聯系統可靠性：1）簡化串聯系統的構成，即減少串聯單元的數量；2）選用可靠性更好的單元作為系統的結構組成；3）減少各個單元的工作時間t。

串聯系統的邏輯關系如圖1。

并聯模型：系統的所有組成單元發生故障，則整個系統失效。對于產品系統中可靠性較差的組成單元，可以增加多個功能和作用相同的單元進行并聯來提升整個系統的可靠性，但組成單元的數量增加會導致系統的基本可靠性降低，增加維修和保養的困難，因此，需要綜合考慮系統的結構組成形式。并聯系統的邏輯關系如圖2。

表決模型：在構成系統的n個單元中，有效工作的單元數不小于r（1≤r≤n），則系統就可以有效工作，否則整個系統失效。此也稱為r/n（G）表決模型。表決系統屬于一種有條件的冗余方式，在滿足系統正常工作的前提下提升可靠性。表決系統的邏輯關系如圖3。

非工作儲備模型： 該模型包含一個工作單元和一個或以上的非工作儲備單元。在工作單元發生故障時，將該單元的非工作儲備單元轉接到系統中，保證系統的正常工作。

非工作儲備系統根據儲備狀態下單元的失效率可分為熱貯備、冷貯備和溫貯備單元。熱貯備單元貯備狀態下的失效率和工作狀態的一致；冷貯備單元貯備狀態下不發生故障；溫貯備單元貯備狀態下的失效率介于上述兩者之間。非工作儲備模型系統的邏輯關系如圖4。

非工作儲備模型可以選擇性地調整儲備單元在儲備狀態下的可靠度，從而提升了整個系統的可靠性。但實現轉接功能的故障監測與轉換裝置增加了整個系統組成單元的數量，降低了系統的可靠性。

2.4" "巡邏艇可靠性模型組成與應用

某巡邏艇由船舶舾裝、動力系統、船舶輔助系統、電力系統、通信系統、導航系統和巡邏警戒輔助系統組成。基本可靠性模型則是將構成該艇的所有系統及單元建立串聯模型，其中包括冗余和儲備系統單元。

艦船任務可靠性模型亦為串聯模型。其中船舶裝置、主推進系統、電力系統、通導系統、巡邏警戒輔助系統為重要系統，任務可靠性框圖見圖5。各系統協調工作保證該艦完成各種使命任務。

各個系統及子系統任務可靠性框圖見圖6～圖12。

錨泊系統采用雙錨機雙錨鏈設計，執行任務時通常是只拋單錨，另外一套錨泊不啟用，分析此模式為冷貯備方案。

舵系統采用2套舵機泵組，互為備用，其中1套即可滿足航行需求，但出現故障時隨時可以隨時切換至另1套泵組。同時啟動2臺會導致轉舵過快，不能采用熱貯備方案；臨時啟動又來不及，也不能采用冷貯備方案，因此采用溫貯備方案。

航行狀態和進出港狀態下2臺發電機并車運行，另1臺發電機備用，因此在航行狀態下采用表決模型，可使用發電機組數不小于2，即可正常工作。在停泊狀態下由1臺發電機供電，可使用發電機組數不小于1，即可正常工作。增加一組柴油發電機組（其中1臺停泊發動機組），3套按表決模型方案建立。

柴油機和齒輪箱、推進器構成1整套動力系統，全船3套動力系統相互獨立、備用，因此采用并聯模型方案。

為提高通信、導航的可靠性，慣性導航設備采用冷貯備，只有當出現其中1套慣導設備故障時才啟用另1套。4套通信設備為并聯備份關系，但根據備份關系及使用時間、頻次分配對應使用率。

3" " "可靠性預計

可靠性預計在設計階段需要反復進行，根據設計方案對整個系統的可靠性進行定量估算。由于設計階段初期產品的設計方案沒有確定，進行可靠性預計時常常根據產品可靠性的歷史數據、產品的系統組成結構、產品工作環境等因素來對整個產品的可靠性進行估算，分析是否滿足裝備的可靠性要求，進一步改進設計方案。

3.1" "任務剖面

通過艦船的使用研究和功能分析，確定艦船的任務剖面和相關的約束條件，為確定艦船裝備可靠性維修性指標提供支持。艦船是多任務的大型裝備，不同任務對應不同任務剖面，通常有航渡任務剖面、錨泊警戒任務剖面、返航巡邏警戒任務剖面等，圖13給出了任務剖面。

任務剖面圖，一個任務周期的時間是20天，即營地到錨地24小時，錨泊警戒18天，錨地返回營地24小時。

3.2" "可靠性預計方法

在方案設計階段，參照《可靠性模型的建立和可靠性預計》（GJB 813-1990），確定每種通用元件數量。后續研制過程中，整個系統復雜度不會有明顯的變化，且假設通用的元件壽命服從指數分布，由此可以采用相似產品法做可靠性預計。并依照基本可靠性模型或任務可靠性模型，計算上一級的子系統或系統失效率。

基于不同系統的工作原理、工作方式，分別建立串聯模型、并聯模型、表決模型和非工作儲備模型四種模型。

3.3" "各系統數據來源及可靠性預計

在技術設計階段，可靠性預計數據來源于與設備廠溝通后所確定的可靠性指標，其中成熟設備的可靠性指標沿用以往同類設備的指標，新研設備采用預計值。根據設備及系統可靠性數據，完成船舶裝置、推進系統、電力系統、通信導航系統、巡邏警戒輔助系統可靠性數據及任務可靠度預計。

根據任務剖面可知各設備任務時間t，各設備正常工作時，壽命分布近似服從指數分布，故每個單元的可靠度可由公式算出。

根據各系統任務可靠度，計算可得整船任務可靠度，見表1。

通過計算得到，任務可靠度預計值0.825 9大于任務可靠度指標目標值0.80，滿足要求。

4" " 結語

本文圍繞可靠性設計分析工作，以基于模型的工程思想與方法為指導，采用POSVIM軟件構建了可靠性可視化模型，由各專業設計師將串聯、并聯、表決、非工作儲備模型合理的應用于某巡邏艇各個分系統，再根據任務剖面及系統數據進行可靠性預計，預計值滿足任務要求。將一體化的可靠性模型及系統數據有效的融入艦船可靠性設計流程，提高了可視化程度，實現專業設計師與可靠性工程師有機結合，利于項目可靠性工作開展。

參考文獻

[1] 林武強，康悅.艦船總體RMS指標分解技術研究[J]. 艦船科學技術，

2005 （ 4 ） ：" 12-17.

[2] 張磊，王保青，李軍.艦船通用質量特性設計分析研究[J].船舶，

2019， 30 （ 5 ） ：" 96-104.