深海载人平台总体任务可靠性分配方法

郝恒,曹海斌,张康

(中国船舶科学研究中心 a.深海载人装备国家重点实验室;b.深海技术科学太湖实验室,江苏 无锡 214082)

任务可靠性分配是深海载人平台设计研制阶段一项非常重要的工作,传统的任务可靠性分配方法所针对的系统任务相对单一[1],难以满足深海载人平台任务多样的可靠性分配需求。此前的研究多将任务分成不同阶段,或者将任务由类似的几个子任务组成,实质上还是对单一任务进行的可靠性分配[2-7],与深海载人平台任务多样、各项任务之间差别较大存在区别。有学者为解决轰炸机传统任务可靠性中模型飞行剖面单一的问题,考虑不同飞行任务的任务频率,建立了综合飞行剖面[8]。以上任务可靠性分配使用的理论和方法可以为深海载人平台总体任务可靠性分配提供参考。针对深海载人平台任务多样的特点,考虑执行不同任务时涉及的系统、系统工作时间和所携带作业装备的差异,及各系统复杂程度、技术水平、所处工作环境条件等因素,提出两种深海载人平台总体任务可靠性分配方法,并对比分析两种方法的优劣。

1 问题描述

深海载人平台是一种典型的多任务复杂系统,配有专用水面母船,用于航渡和水面保障,每次下潜执行任务后,可以通过换装不同的作业装置或工具,执行深海探测、深海施工、深海取样等多种不同的探测与作业任务。

深海载人平台总体任务可靠度指标的实现需要依靠各系统的高可靠性,需要对平台总体任务可靠度指标进行分解,将分解后的任务可靠度指标分配给相应系统,作为各系统的可靠性研制要求。

以往舰船或深海装备进行任务可靠性分配时,通常选择一项最重要或最频繁的任务进行分配,但深海载人平台各项任务的重要性与任务频次没有明显差别,且不同任务间的作业难度及所需装备的复杂程度差异较大,导致各项任务之间的任务可靠度差异也较大,因此深海载人平台不适合选择其中一项任务进行可靠性分配。同样,让所有的任务都达到提出的任务可靠度指标,会使某些任务难度大、技术水平低的任务增大研制难度,消耗研制经费,甚至可能是在研制周期内无法达到的程度。

在实际应用时,由于每次下潜执行任务的不同,其任务可靠度也不同。在刚开始服役、执行任务次数较少时,由统计数据得出的任务可靠度波动比较大,但随着长期服役、执行任务总次数的增加,统计得出的任务可靠度会渐渐趋近于一个数值,可以用这个数值表示深海载人平台的任务可靠度。同样类比,研制时可以定义一个平均任务可靠度的概念,即考虑任务频次占比的情况下,所有探测与作业任务的可靠度的平均值。即

(1)

深海载人平台平均任务可靠度与文献[8]提出的综合飞行剖面在理念上类似,都是考虑不同任务的执行频率来处理多种任务的情况。

以平均任务可靠度进行分配,可以使难度大的任务分配到一个较低的任务可靠度指标,难度小的任务分配到一个较高的任务可靠度指标,频次占比越高的任务,其分配结果一般越接近任务可靠度分配值。这样的分配结果不会给研制带来太多负担,也容易被设计师系统和使用方接受。

进行深海载人平台任务可靠性分配时有两种方法:①对各项作业任务分别打分进行分配,各系统取不同任务下分配的可靠性最高值,然后将计算得到的平均任务可靠度与任务可靠度指标的差值再分配,不断迭代;②将作业系统打包成一个整体,先将任务可靠度分配到各平台系统与作业系统,作业系统再将可靠度分配到各项作业任务模块。将以上两种方法简称为迭代法与打包法。

2 可靠性迭代分配法特点

1)深海载人平台可以执行多种不同的探测与作业任务,但受总能量和携带装备的限制,每次下潜只执行其中一种任务,执行不同任务时携带的作业装备不同。

2)深海载人平台任务可靠性指多次执行下潜任务的平均任务可靠性。

3)深海载人平台每次完成下潜任务后都会进行检修,可以视为各系统在执行每项任务前视为完好,亦即认为各系统寿命服从指数分布。

4)深海载人平台在执行不同任务时的总工作时间、参与工作的系统及工作时间都不相同。

进行深海载人平台任务可靠性分配时将执行每一项任务携带的模块化作业装备打包成一个作业装备集,视为一个独立的系统,即每一个任务j对应一个作业分系统j。

具体任务可靠性分配步骤如下。

步骤1。根据评分分配法,对任务1,任务2,…,任务n单独进行可靠性分配,得到各系统在任务k可靠性分配过程中得到的评分系数C1,j,C2,j,…,Cn,j。打分时,工作时间尽量根据任务剖面中的各系统预估的工作时间进行等比例打分。

步骤2。计算各系统在不同任务下分配得到的任务可靠度。

(2)

步骤3。由于各系统在执行不同探测与作业任务时的工作时间并不同,同一系统在不同任务下分配得到的任务可靠性指标并不能代表系统的固有可靠性水平高低,可以将其转化成系统固有的故障率指标。

(3)

λi,j并不是系统真实的故障率,但可以代表不同任务工况下的故障率相对高低。

步骤4。将各系统不同任务下分配得到的故障率,取最小值赋给各系统,即

λi=min{λi,1,λi,2,…,λi,n}

(4)

步骤5。建立深海载人平台各任务工况的可靠性数学模型,并代入λi值,预计各任务的可靠性,即

i≠l表示任j不涉及系统l

(5)

式中:Rm,j为任务j的预计可靠度,Ri,j为任务j下系统i的可靠度。

步骤6。根据式(1)计算深海载人平台的平均任务可靠度,并计算与任务可靠度指标的偏差。

偏差为

(6)

(7)

步骤8。反复进行步骤5～7,直到差值△接近于0,就可以停止修正,进而可以给出各系统在不同工况下的可靠度分配值Ri。一般修正2～5次就可以满足精度要求。

尽管一个系统根据不同工况给出了几个任务可靠度值,但其对应的系统固有可靠性水平是一致的,即系统的平均故障间隔时间(MTBF)或故障率(λ)是相同的。

3 可靠性打包分配法步骤

深海载人平台总体任务可靠性打包分配法也是基于评分分配法,与迭代法的区别是,打包法在评分时便考虑加权平均的概念,同时将所有作业装备打包成一个整体一起分配,直接将总体任务可靠度分配到各平台系统与作业系统,然后作业系统再将可靠度分配到各项作业分系统。

步骤1。在迭代法打分的基础上,将作业分系统根据任务占比将各项作业任务的打分值加权平均,其他平台系统的工作时间打分值也根据任务占比加权平均,据此得到新的打分表。

步骤2。依据新的打分表直接进行深海载人平台任务可靠性分配,得到系统的任务可靠性分配值为

(8)

式中:Ci为各系统评分系数。

步骤3。记作业系统整体打包的可靠性分配值为Ro,各项作业任务模块的任务可靠性记为Ro,j。则有

(9)

以各项作业分系统的打分值单独汇成一张打分表,Cj为评分系数。则

(10)

将式(10)代入式(9),计算得到第一项作业分系统的可靠性分配值Ro,1。然后通过式(10)计算得到其他作业分系统的可靠性分配值。

4 算例分析与对比

4.1 迭代分配法算例

某深海载人平台由动力系统、综合电力系统、环境控制与人员保障系统、推进与操纵系统、导航通信系统、信息系统、辅助系统和探测与作业系统等8个一级系统组成,具备执行深海探测任务一、深海作业任务二和深海作业任务三等3类任务的能力。根据各用户的使用需求制定典型任务剖面作为设计输入,其中深海探测任务一、深海作业任务二、任务三的任务频次占比分别为20%、50%、30%。任务可靠性指标为0.78。

针对3项探测与作业任务分别进行打分,打分情况和分配结果见表1。

表1 深海载人平台任务可靠性迭代分配法评分值与分配结果

计算过程表明,第4次分配即可达到很好的分配精度,此时平台的平均任务可靠性为0.783,深海探测任务1的任务可靠性为0.737,深海作业任务2的任务可靠性为0.787,深海作业任务3的任务可靠性为0.806。各项探测作业分系统根据装备本身的复杂程度、技术水平等因素分别分配了不同的任务可靠度,其中装备复杂程度低、技术水平高的深海探测作业分系统被分配到了0.988 0这样一个较高的可靠度,装备复杂程度高、技术水平低的深海作业任务2作业分系统被分配到了0.948 6这样一个较低的可靠度。

各平台系统针对不同的探测作业任务被分配了不同的可靠度值,但将其转化成故障率或MTBF应该是一致的。如动力系统在3类探测与作业任务中的实际工作时间分别为277、208、187 h,与之对应的任务可靠度分别为0.899 7、0.923 5和0.930 9,转化成MTBF后分别为2 624、2 624和2 612 h,偏差很小。给平台系统下发指标时可以直接下发MTBF指标,也可以选择相对最重要的一个任务工况下发可靠度指标。

4.2 打包分配法算例

采用打包分配法进行深海载人平台任务可靠性分配,其过程与结果见表2。

表2 深海载人平台总体任务可靠性打包分配法评分值与分配结果

各平台系统通过一次分配便给出了相应的可靠度分配值。作业系统整体被分配的任务可靠性值为0.969 3,再将此要求分配给各作业分系统。

各作业分系统的评分值与分配结果见表3。

表3 各作业分系统的评分值与分配结果

从表3可以看出,各项探测与作业分系统根据任务难度被分配了不同的任务可靠度,其中深海探测作业分系统可靠度最高,为0.989 6,深海作业任务2作业分系统可靠度最低,为0.957 9。

4.3 两种分配方法对比

通过算例可以看出,两种方法都能兼顾多种作业任务,根据任务难度的差异对不同的作业分系统给出不同的可靠度分配值,都能解决对作业系统只分配一个可靠度值导致的“同一个可靠度要求对有些作业装备来说要求太高,对另一些作业装备来说要求又太低”的问题。

同时又能看出,两种方法在分配结果上存在一些差别。迭代法是严格按照平均任务可靠性的概念来进行可靠度分配的,是在深海载人平台总体的层面按任务占比进行的“平均”,分配过程需要多次迭代,相对比较复杂;而打包法是将“平均”的概念植入到各系统中,在系统的层面将各系统进行“平均”,分配过程不需要迭代,相对比较简单。从两种方法的分配思路来看,显然通过迭代法分配的总体任务可靠度更贴近长期服役时统计得到的任务可靠度,因此迭代法的分配结果应该是更合理的。

对比迭代法与打包法的分配结果,打包法分配的作业分系统和平台系统任务可靠度均略高于迭代法。打包法和迭代法分配的3项作业模块的任务可靠度分别为0.989 6、0.957 9、0.974 6和0.983 8、0.948 6和0.963 4,分别高出了0.59%、1.54%和1.16%;平台系统按照MTBF对比,以动力系统为例,打包法和迭代法分配结果分别为2 921 h和2 620 h,高出11.5%。

打包法的分配结果虽然与迭代法有偏差,但差距在可接受范围内,且对于设计来说是偏保守的,由于其分配过程比较简单,可以应用于研制初期的初步分配或者缺乏各作业工况详细任务剖面时的可靠性分配。

5 结论

1)针对深海载人平台任务多样、各项任务之间差别较大的情况,给出考虑任务频次占比的平均任务可靠度的概念,提出相应的深海载人平台总体任务可靠性迭代分配法和打包分配法,用于深海载人平台的总体任务可靠性指标向一级系统分配。两种方法都能兼顾多项作业任务,根据各项任务的难易程度与作业装备自身的可靠度差异,对各项作业分系统分配不同的任务可靠度指标。任务越困难、装备自身可靠度水平越低,相应的作业分系统分配的任务可靠度指标越低。

2)通过2种方法得到的分配结果有偏差,迭代分配法是严格按照所提出的平均任务可靠性的概念来进行可靠度分配的,因此迭代法的分配结果比打包法更合理。

3)打包分配法对系统的可靠性要求更高,与迭代分配法的偏差属于可接受范围内,由于其分配过程比较简单,可以应用于研制初期的可靠性分配或者缺乏各作业工况详细任务剖面时的可靠性分配。