艦船電子設備通用質量特性試驗與評估方法的研究

陳中青，王一飛，孫成，王超，劉玉石，彭德強

（1.中國船舶集團有限公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

根據中央軍委裝備發展部2021 年發布的81 項裝備試驗鑒定指導性文件的規定，裝備性能試驗分為性能驗證試驗和性能鑒定試驗。其中，性能驗證試驗為科研過程試驗，通常由裝備研制單位自行實施，或裝備研制管理機構組織裝備研制單位協同實施。如性能驗證的內容和數據擬被后續裝備性能鑒定試驗采信，應在試驗總案中進行規劃并明確采信要求，裝備試驗鑒定管理機構應組織對試驗過程及記錄數據等進行監督。

通用質量特性為反映不同裝備均應具備的共性特征，主要包括可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性、環境適應性和電磁兼容性等七種特性[1]。上述特性一般包括定量指標和定性指標。

所謂定量指標是指可進行量化的指標特性，如可靠性中的平均故障間隔時間MTBF、平均嚴重故障間隔時間MTBCF 或任務可靠度r，維修性中的平均故障修復時間MTTR，測試性中的故障檢測率、故障隔離率、虛警率，保障性中的備件滿足率、備件利用率，環境適應性中的溫濕度、振動沖擊、傾斜搖擺等。

根據最新裝備鑒定文件規定，裝備在工程樣機評審和狀態鑒定時均需完成通用質量特性評估工作，并提供獨立第三方出具的評估報告。

1 可靠性定量指標的驗證及評估方法

艦船電子設備的可靠性定量指標一般會在研制要求或任務合同中明確，并在性能驗證試驗大綱和性能鑒定試驗大綱中規定相應的試驗方法。

對定量指標的考核主要通過試驗驗證或評估的方法進行。目前常用的可靠性試驗標準主要有GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》[2]和《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》，評估標準為HJB 54-93《武器系統及設備可靠性評定要求和方法》[3]。其中，《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》是以GJB899 為基礎，根據艦船電子裝備的特點進行的細化和補充。

1.1 設備或分系統級電子設備

對于設備或分系統級電子設備，一般采用試驗驗證的方式進行考核。按照GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》或《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》中規定的試驗方法、試驗應力、試驗剖面等條件進行試驗。

鑒于可靠性試驗受試驗時間、試驗經費、受試樣品數量等多因素影響，因此在研制生產過程中通常采用GJB 899A-2009 中的定時截尾統計方案。定時截尾統計方案分為兩類，一是標準型試驗統計方案，二是非標準型試驗統計方案。其中，標準方案中使用方風險和生產方風險相同，具體詳見表1 所示；非標準方案中使用方風險固定，生產方風險根據其鑒別比可選擇為10 %、20 %或30 %，具體詳見表2 所示。

表1 標準型定時試驗統計方案簡表

表2 非標準型定時試驗統計方案簡表

在選取試驗統計方案時，除了考慮鑒別比、試驗時間、費效比等因素外，還應關注研制要求或上層技術文件中可靠性置信度的要求。

以某設備為例，該型設備研制要求中規定在70 %置信度下其MTBF 應不小于200 h，則首先應排除標準型試驗統計方案中21 號方案，該方案使用方風險名義值為30 %，實際值為33.3 %。按照置信度計算公式：

即實際置信度為66.7 %，如選擇該試驗統計方案則不滿足研制要求中置信度不低于70 %的規定。因此，應選擇使用方實際風險不高于30 %的統計方案，即除21號方案以外的其他方案。

1.2 系統級電子設備

對于系統級電子設備，由于其組成龐大、結構復雜、功能性能參數眾多，實驗室條件下很難按照GJB 899A 規定的試驗方法進行試驗驗證，通常采用評估的方式進行驗證。

系統級評估方式一般有兩種方式，一是經典單元法。即將系統級電子裝備作為一個整體，通過收集系統系泊航行試驗、實際使用等數據，按照經典單元法中置信下限的計算公式進行評估。為滿足研制要求或上層技術文件中可靠性置信度的要求，需在評估大綱中明確評估數據量的最低要求和收集區間。

以某通信系統為例，研制要求中規定在80 %置信度下MTBF ≥120 h。

根據置信下限的計算公式：

式中：

θL—系統級電子裝備的MTBF 單側置信下限；

T—系統級電子裝備總有效試驗時間；

χ2—卡方分布，查GJB 899A-2009 中表A.1；

C—置信度80 %；

r—試驗期間發生的責任故障數。

在θL=120 h、責任故障數r=0 時，試驗時間T 最小，經計算T=193.2 h。因此要求該通信系統系泊航行試驗或實際使用的數據量應不低于193.2 h。同時，為確保評估工作不是無止盡進行下去，需要規定評估數據收集的截止日期。

第二種方法是根據系統級可靠性模型，將設備或分系統的可靠性試驗或評估結果代入到系統級裝備的可靠性模型中，以此對系統級裝備的可靠性水平進行分析評估。

以由4 個設備（a、b、c、d）組成的某系統為例，研制要求中規定系統MTBF ≥60 h，4 個設備MTBF 分別不低于240 h、200 h、240 h 和300 h。

4 個設備中a 設備和b 設備按照GJB 899A 中的試驗統計方案30-1 進行了試驗驗證，試驗中未發生責任故障，按公式（2）計算在70 %置信度下其MTBF 分別為241.2 h 和200.5 h；c 設備和d 設備按照17 號試驗統計方案進行了試驗驗證，試驗中未責任故障分別為1個和2 個，按公式（2）計算在80 %置信度下其MTBF分別為344.6 h 和301.4 h。

1）該系統可靠性模型為串聯模型，如按照70 %置信度評估系統MTBF 置信下限，可以直接將四個設備的試驗結果直接代入到串聯模型中，即系統：

經計算，系統在70 %置信度下MTBF 為65.1 h，滿足不低于60 h 的規定。

2）如按照80 %置信度評估系統MTBF 置信下限，則需要將a 設備和b 設備在70 %置信度下的試驗結果轉化為80 %置信度下的試驗結果。

式中：

θL1—70 %置信度下的MTBF 單側置信下限；

θL2—80 %置信度下的MTBF 單側置信下限；

C1—置信度70 %；

C2—置信度80 %。

經計算，在80 %置信度下θLa2=180.4 h，θLb2=150.0 h。

轉化完成后，將a 設備、b 設備、c 設備和b 設備的試驗結果分別代入到串聯模型即公式（3）中。

經計算，系統在80 %置信度下MTBF 為54.26 h，不滿足MTBF ≥60 h 的規定。

2 維修性定量指標的試驗方法

目前，維修性試驗標準為GJB 2072-1994《維修性試驗與評定》[4]。根據上述標準規定，對維修性定量指標的考核主要通過自然故障或模擬故障的方式進行。按照GJB 2961-1997《維修級別分析》中規定，艦船裝備維修級別分三級——基層級（艦員級）、中繼級和基地級[5]。本文僅針對艦員級維修進行分析討論，其他兩級維修可參照艦員級維修進行。

對于定量指標中平均故障修復時間MTTR 的試驗通用流程如下：

1）確定試驗方法：維修性試驗方法的選擇依據主要為定量指標和維修時間分布類型。GJB 2072 中共有11 個方法，可用于平均故障修復時間MTTR 的有方法1、方法4、方法8 和方法9。其中，方法1 要求故障修復時間的方差已知，故障樣本量不少于30 個；方法4 要求故障修復時間服從對數正態分布；方法8 要求故障修復時間服從對數正態分布，作業樣本為自然故障或采用隨機（序貫）抽樣的方式；方法9 適用于故障修復時間分布未知，故障樣本量不少于30 個，可以采用模擬故障或自然故障進行試驗。

2）作業樣本量的確定：根據故障模式及影響分析（FMECA）、損壞模式及影響分析（DMEA）和實際發生的自然故障，確定作業樣本庫。如自然故障數≥30 個，優先采用自然發生的故障；如自然故障數未達到30 個，則補充人工模擬故障使作業樣本數量不低于30 個。

3）作業樣本的選擇：作業樣本量后，從樣本庫中隨機抽取樣本，并統計故障修復時間。

維修性試驗的實施過程如圖1 所示。

圖1 維修性試驗實施流程圖

維修性試驗實施過程中需要注意以下幾點：

①模擬故障的產生可通過采用故障件代替正常件、拆除人不易察覺的零部件等方法。對于具有潛在危險或不安全的故障，不得模擬。

②應由有工程經驗的技術人員進行模擬故障，維修人員應避開現場，不得提前知悉模擬的故障。

③維修人員應經過訓練，并具備完成故障修復的能力。

以某電子設備為例，研制要求規定艦員級MTTR ≤30 min，需要對該指標在性能驗證階段進行試驗驗證并給出評估結論。

首先，由于維修作業時間分布未知，且在性能驗證階段未發生故障，故本次試驗選取GJB 2072-94 中的方法9。

然后，根據方法9 的規定，確定作業樣本量應不少于30 個，本次試驗規定試驗樣本量為40 個。由于現階段無故障發生，根據故障模式及影響分析（FMECA）報告選定40 個模擬故障形成故障庫。

最后，按照圖1 流程實施維修性試驗，本次共隨機抽取了33 個模擬故障。

統計試驗期間所有模擬故障維修作業的平均修復時間及方差，其計算公式為：

式中：

nc—為維修作業次數；

Xcti—為第i 個樣本修復時間。

故判為合格。

式中：

nc—為維修作業樣本量（次數）；

Mct—為規定的平均修復時間，min。

3 測試性定量指標的試驗與評估方法

目前，測試性試驗標準為GJB 8895-2017《裝備測試性試驗與評價》。根據上述標準規定，對測試性定量指標的考核主要通過故障注入或模擬試驗的方式進行[6]。測試性定量指標主要故障檢測率、故障隔離率和虛警率等。

測試性試驗通常結合維修性試驗開展，因此試驗流程與維修性試驗一致，只是試驗中記錄的內容不同。維修性記錄的為故障修復時間，測試性記錄的為故障是否檢測出來、隔離到不高于3 個可更換單元的個數以及是否發生虛警。

例1：某電子設備要求故障檢測率≥95 %；可隔離到3 個以內可更換單元（含3 個）的故障隔離率≥90 %；虛警率≤5 %。

經統計，隨機抽取的33 個模擬故障中共檢測出來32個故障；其中，31 個故障可隔離到3 個LRU；試驗期間發生虛警1 次。

4 保障性定量指標的評估方法

GJB 7686-2012《裝備保障性試驗與評價要求》[7]是開展保障性試驗與評價的依據標準。常用的保障性定量指標有備件滿足率和備件利用率。

備件的使用情況需要在實際使用過程中統計分析，在性能驗證階段通常采用估算的方式進行評估。通過收集評估對象的備品備件清單、各個組成設備的平均故障間隔時間MTBF、保障周期等信息，評估性能驗證階段裝備的備件滿足率和利用率。

例2：某型電子設備要求備件滿足率≥80 %；備件利用率≥60 %。

經核查，該型電子設備提供的備品備件清單中備品備件共28 類59 件；典型任務周期為90 天；該型電子設備有五個分設備組成，其平均故障間隔時間、備品備件種類和數量如表3 所示。

表3 各分設備基本信息

因此，前三個分設備的平均故障間隔時間不能覆蓋90 天的任務周期，發生故障的概率較大。根據各個分設備故障模式及影響分析（FMECA）報告，核算所需的備品備件。經分析，現有的備品備件清單缺少備品備件5類6 件。

備件滿足率=59/（59+6）=90.76 %。

備品備件清單中屬于前3 個分設備的共22 類43 件。

備件利用率=43/59=72.88 %。

5 環境適應性定量指標試驗方法

GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[8]、GJB 150-1986《軍用設備環境試驗方法》[9]和GJB 4-1983《艦船電子設備環境試驗》[10]是開展環境適應性試驗的常用標準。

環境適應性定量指標主要為高低溫貯存溫度范圍、高低溫工作溫度范圍、濕熱環境、振動應力、顛震環境、傾斜搖擺角度/周期、沖擊應力等。對上述指標的驗證通常按照GJB 150A、GJB 150 或GJB 4 等標準中規定的試驗條件和方法進行考核。對于不具備試驗條件的設備，可采用仿真分析、理論計算的方式進行驗證。

6 電磁兼容定量指標的試驗方法

HJB 34A-2007《艦船電磁兼容性要求》[11]、GJB 151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》[12]、GJB 1389B-2022《系統電磁環境效應要求》[13]和GJB 8848-2016《系統電磁環境效應試驗方法》[14]是艦船電子設備開展電磁兼容性測試的常用標準。

艦船電子設備至少需開展CE 101、CE 102、CS 101、CS 106、CS 114、CS 116、RE 101、RE 102、RS 101、RS 103 等十項測試，其中發射項目滿足GJB 151B 中各頻段的限值要求，敏感度項目不得發生敏感現象。

7 結語

鑒于安全性不涉及定量指標，本文僅對其他六性定量指標的考核給出了相應的試驗或評估方法，并結合案列給出了評估的過程與要求。希望可以為艦船電子設備通用質量特性的試驗與評估提供一定的指導和借鑒。