單兵信息系統(tǒng)裝備可靠性評估方法研究

李鵬杰，王新蕊，司訪，李小奇，管小榮

（1.中國兵器裝備集團兵器裝備研究所，北京 102202；2.南京理工大學，南京 210094）

士兵系統(tǒng)一般包括火力打擊、偵察探測、指控通聯(lián)、攜行機動、偽裝防護、構工克障等能力，模塊眾多，接口體系復雜。因此，系統(tǒng)信息處理能力和穩(wěn)定性與元器件可靠性相互依存關系較大。遍布士兵全身的功能模塊，眾多的物理接口及繁雜的電氣連線、導線沒有與服裝、頭盔一體化集成，士兵系統(tǒng)普遍存在可靠性差、維修保障困難等問題。

可靠性需求是士兵系統(tǒng)設計的重要需求，在滿足基本功能的前提下，系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)應能夠保證安全使用且穩(wěn)定持續(xù)運行的需求，包括惡劣環(huán)境、使用需求變化以及系統(tǒng)內(nèi)部惡化（如長時間運行發(fā)熱、內(nèi)存溢出等）情況下，能夠安全且穩(wěn)定地正常運行。如系統(tǒng)能源不爆炸、不起火需求，信息安全需求，環(huán)境適應性、作戰(zhàn)適應性、使用壽命需求，軟件響應時間、中斷切換重新進入時間、使用流暢度等。

目前，對于裝備可靠性方面的研究成為了國內(nèi)外專家學者的研究熱點。郭亮提出了一種用于電子設備可靠性檢測和設備故障率預測的方法，該方法可以幫助理解電子設備設計、制造過程中影響可靠性的工藝環(huán)節(jié)。閆俊岑等提出了一種新穎的可靠性評估方法，該方法可通過加工性能退化數(shù)據(jù)來估計設備的可靠性水平。該方法引入了最小二乘支持向量機（LS-SVM）來分析設備的性能退化過程，為了提高LS-SVM的回歸性能，提出了一種兩階段參數(shù)優(yōu)化和搜索方法，并建立了基于LS-SVM的可靠性評估模型。趙新俊分析了螺栓連接各種工藝和結構參數(shù)不確定性的來源、作用形式和程度，并篩選出了敏感參數(shù)，數(shù)值計算了不確定參數(shù)作用下隨機臨界橫向載荷的分布，通過對概率密度函數(shù)進行積分，得到了螺栓連接的可靠性數(shù)據(jù)。國內(nèi)外學者對于可靠性分析方法的研究較多，但是對于士兵系統(tǒng)可靠性方面的研究尚處于空白。本文以士兵系統(tǒng)信息裝備為研究對象，研究其可靠性影響因素和評估方法，為士兵系統(tǒng)可靠性設計與評估提供理論支撐。

1 士兵系統(tǒng)可靠性內(nèi)涵

士兵系統(tǒng)可靠性指標主要有功能模塊之間的連接可靠性和工作穩(wěn)定性、故障率、壽命、連接支架工作強度、光學器件耐沖擊強度、可調(diào)節(jié)組件調(diào)節(jié)強度。士兵系統(tǒng)可靠性設計主要有結構可靠性設計、電氣可靠性設計和連接可靠性設計。

1）結構可靠性設計。在結構設計方面，主要對于系統(tǒng)中的連接件、受力件、頻繁操作使用的結構件進行強度、疲勞性設計分析，保證結構的使用強度。系統(tǒng)中殼體采用密封性結構設計，提高其環(huán)境適應性。對于系統(tǒng)中發(fā)熱模塊，通過電氣模塊熱設計和結構設計結合，減小系統(tǒng)工作時的熱損耗及散熱效果，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）電氣可靠性設計。在電氣設計方面，合理選擇、使用元器件、操作系統(tǒng)及軟件等，并進行環(huán)境適應性篩選，消除早期故障。在設計過程中，盡可能地簡化控制電路，盡量實現(xiàn)集成電路設計，能夠用軟件實現(xiàn)的功能盡可能地減少硬件電路。各模塊采用獨立電路保護設計，確保單獨模塊出現(xiàn)故障時不會導致其他模塊失效。

3）連接可靠性設計。系統(tǒng)連接可靠性方面，選用具有密封性、自鎖功能的連接器和耐強拉力的線纜，保證系統(tǒng)連接可靠。一方面，對系統(tǒng)線纜采用隱蔽處理，以模塊之間連接線最短為原則，將線纜走線埋入裝備內(nèi)部，穿戴在士兵身上，盡可能避免作戰(zhàn)過程中線纜被鉤掛，影響系統(tǒng)工作的可靠性。當線纜由于不可抗外因受到拉扯時，應具備一定的抗拉能力，保證不會斷裂。另一方面，連接器應具備自鎖功能，避免鉤掛等外力直接將連接器插拔處斷開，同時通過不同多鍵槽定位方式實現(xiàn)接插件防誤插。

4）信息通聯(lián)可靠性。信息通聯(lián)方面，通過將士兵系統(tǒng)中的電臺、手機、耳機等模塊進行高可靠性通聯(lián)設計，在其中某一個模塊損壞時，能夠保證其他模塊不受影響，繼續(xù)保持通聯(lián)暢通，實現(xiàn)士兵系統(tǒng)中的信息化設備可以降級使用。

2 士兵系統(tǒng)信息可靠性評估方法

2.1 基本可靠性數(shù)學模型

以士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)裝備為例，介紹士兵系統(tǒng)裝備可靠性評估方法。假定士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)有8個信息化模塊，分別為模塊1、模塊2、模塊3、模塊4、模塊5、模塊6、模塊7、模塊8，則士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)可靠度：

式中：R（=1, 2,…, 8）為各模塊的可靠度。

2.2 可靠性指標分配

各模塊按照研制要求分別進行可靠性分析。首先做概略預計，采取相似產(chǎn)品與評分法結合的方式進行預計。通過有經(jīng)驗的設計人員或專家對影響可靠性的因素進行評分，綜合分析評分，進而獲得各組成單元之間的可靠性相對比值，再以某一模塊的可靠性數(shù)據(jù)為基準，預計產(chǎn)品中其他單元的可靠性。

圖1 評分預計法流程 Fig.1 Flow chart of scoring prediction method

1）可靠性分配。已知某k單元的故障率為，則其他單元的故障率為λ：

式中：為單元數(shù)，=1, 2,…,；C為第個單元的故障率系數(shù)。

式中：ω為第個單元評分數(shù)；為所有工作單元的評分總數(shù)。

式中：r為第個單元、第個因素的評分數(shù)。

2）考慮因素和評分原則。經(jīng)過系統(tǒng)分析，最終確定以下影響系統(tǒng)的5種因素：對任務完成的重要度、系統(tǒng)結構的復雜程度、技術水平成熟度、工作頻率和環(huán)境對系統(tǒng)的影響程度。各種因素的評分范圍為1~10。

對任務完成的重要度——考慮該系統(tǒng)故障對完成任務造成影響的程度，影響程度越高，其重要程度越高，最高的評10分，最低評1分。

系統(tǒng)結構的復雜程度——根據(jù)組成單元的元器件數(shù)量以及它們組裝的難易程度來評定，系統(tǒng)復雜程度越高，越容易引發(fā)故障，越有可能影響任務的完成。因此，最復雜結構的評10分，最簡單的評1分。

技術成熟度——根據(jù)組成單元目前技術水平的 成熟程度來評定。沿用已有的相似系統(tǒng)的技術，技術越成熟，技術水平越高，相對應的可以對其要求更高的可靠性，更低的故障率。因此，技術成熟度最高的評1分，技術成熟度最低的評10分。

工作頻率——根據(jù)組成單元的工作時間來評定。一般來說，對于固定的故障率，系統(tǒng)工作時間越長，其可靠性越低。因此，系統(tǒng)工作時，單元一直工作的評10分，工作時間最短的評1分。

環(huán)境條件——根據(jù)組成單元對所處的環(huán)境的敏感程度來評定，對環(huán)境要求較高的單元，工作過程中經(jīng)受極其惡劣和嚴酷的環(huán)境條件的，越容易發(fā)生故障。因此，對環(huán)境敏感度最大的單元評10分，而對環(huán)境敏感度最小的單元評1分。

3 士兵信息系統(tǒng)可靠性評價

3.1 評分值和評分系數(shù)獲取

本文以士兵信息系統(tǒng)為例，采用相似產(chǎn)品法，以某核心模塊的可靠性數(shù)據(jù)為基準，令信息系統(tǒng)的評分系數(shù)為1，請了解系統(tǒng)特點的5位專家，分別對士兵信息系統(tǒng)的其他模塊的重要度、復雜程度、技術水平、工作時間、工作環(huán)境等因素進行評分。與模塊進行對比計算，得到當前系統(tǒng)的其他各模塊的可靠性分配指標，見表1。

表1 各模塊可靠性指標評分 Tab.1 Reliability index score table of each module

3.2 平均故障間隔時間計算

通過測量士兵信息系統(tǒng)各模塊的故障率，計算模塊及系統(tǒng)的平均故障間隔時間，具體數(shù)值見表2。

表2 各模塊可靠性指標評分 Tab.2 Reliability index score table of each module

4 結語

現(xiàn)代電子裝備的復雜程度和集成度日益提高，士兵系統(tǒng)通常工作在惡劣的自然環(huán)境和電磁環(huán)境中，對于系統(tǒng)可靠性要求較高。本文以士兵信息系統(tǒng)為例，通過分析信息系統(tǒng)的結構、電氣、連接、通聯(lián)等方面的可靠性，提出了一種針對士兵信息系統(tǒng)的可靠性評估方法，并結合典型士兵系統(tǒng)進行了可靠性分析，研究結果可為士兵系統(tǒng)信息系統(tǒng)可靠性設計提供理論支撐。