基于可修復(fù)條件下無人機系統(tǒng)可用度研究

【后勤保障與裝備管理】

基于可修復(fù)條件下無人機系統(tǒng)可用度研究

趙孔金1，丁海龍1，趙溫波1，孟令達2，陳萬玉2

(1.解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥230031； 2.沈陽炮兵學(xué)院，沈陽110867)

摘要：可用度是戰(zhàn)備完好率的重要指標，可用度受可靠度和維修度綜合影響，用狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法分析了裝備可用度，并在無人機系統(tǒng)可修復(fù)條件下，針對無人機系統(tǒng)故障問題，對其可靠度、維修度進行權(quán)衡，以確保系統(tǒng)戰(zhàn)備完好率。

關(guān)鍵詞：無人機系統(tǒng)；可用度；可靠度；維修度

收稿日期：2014-10-09

作者簡介：趙孔金(1964.09—),男,軍事學(xué)碩士,副教授,主要從事無人機作戰(zhàn)運用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.020

中圖分類號：V279

文章編號：1006-0707(2015)01-0072-03

本文引用格式：趙孔金，丁海龍，趙溫波，等.基于可修復(fù)條件下無人機系統(tǒng)可用度研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(1):72-74.

Citationformat:ZHAOKong-jin,DINGHai-long,ZHAOWen-bo,etal.StudyonAvailabilityofUAVSystemBasedonRepairableCondition[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):72-74.

StudyonAvailabilityofUAVSystem

BasedonRepairableCondition

ZHAOKong-jin1, DING Hai-long1, ZHAO Wen-bo1,

MENGLing-da2, CHEN Wan-yu2

(1.ArmyOfficerAcademyofPLA,Hefei230031,China;

2.ShenyangArtilleryAcademyofPLA,Shenyang110867,China)

Abstract:Availability is an important indicator of operational readiness. Reliability and maintainability subject the combined effects to availability. We analyzed the equipment availability with method of state transition, and balanced the reliability and maintainability of UAV system to solve the fault problem in the condition that the UAV system was repairable, and its reliability and maintenance were weighed to ensure that the system to be the operational combat readiness.

Keywords:UAVsystem;availability;reliability;maintainability

無人機系統(tǒng)是由多個分系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，存在兩種狀態(tài)：正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。對于可修復(fù)性無人機系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)處在故障狀態(tài)后通過維修恢復(fù)到正常狀態(tài)。兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移過程可看成是隨機過程，用可用度來描述。無人機系統(tǒng)在使用過程中故障較多，影響了戰(zhàn)備完好率，可用度是戰(zhàn)備完好率的重要指標，可用度受可靠度和維修度的綜合影響，本文通過可用度的分析，對可靠度和維修度進行權(quán)衡，以提高可用度，確保戰(zhàn)備完好率[1]。

1系統(tǒng)可用度分析

系統(tǒng)可用度是指在規(guī)定條件下使用時，在某t時刻具有(或維持)其功能的概率。本文通過概率轉(zhuǎn)移的方法來分析系統(tǒng)可用度[2,3]。系統(tǒng)兩個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移是隨時間隨機連續(xù)變化的，符合連續(xù)型馬爾柯夫過程。系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)定為正常狀態(tài)e1，已知系統(tǒng)故障率λ和修復(fù)率μ，則可寫出其在t時刻經(jīng)過極小時間Δt后馬爾柯夫鏈的一微系數(shù)矩陣(轉(zhuǎn)移矩陣)

(1)

令e1=1表示系統(tǒng)處于第1狀態(tài)(正常狀態(tài))，e2=0表示系統(tǒng)處于第2狀態(tài)(故障狀態(tài))，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可寫成

(2)

由全概率公式可得

(3)

無效度是可用度的反事件，P1(t)是系統(tǒng)的瞬時可用度，P2(t)瞬時無效度，式(3)中包含Δt的未知函數(shù)，要求t時刻系統(tǒng)瞬時可用度，需要把式(3)變?yōu)橹话粗縯的函數(shù)，因此可兩邊對Δt求導(dǎo)并進行微分可得

(4)

進行拉普拉斯變換

(5)

經(jīng)整理得

(6)

再將式(6)進行逆變換，可得P(t)

(7)

到此即可求出系統(tǒng)瞬時可用度P1(t)和瞬時無效度P2(t)

(8)

(9)

式(8)、式(9)即是系統(tǒng)的瞬時可用度與瞬時無效度，當(dāng)時間t→∞時，由式(8)、式(9)可得：

當(dāng)時間t→∞時系統(tǒng)可用度和可工作時間比相等，無效度和不可工作時間比相等，也正好驗證了計算的正確性。

由上可知，當(dāng)時間t→∞時可用度與可工作時間比相等，可用度達到了穩(wěn)定狀態(tài)，這稱為穩(wěn)態(tài)可用度A。因此，有

(10)

從式(10)可以看出，故障率λ越小，穩(wěn)態(tài)可用度越大，修復(fù)率μ越大，穩(wěn)態(tài)可用度越大。一般用平均修理時間描述(meantimetorepair,MTTR)描述修復(fù)率μ，用平均無故障時間(meantimebetweenfailures,MTBF)描述故障率λ。

2確定可用度要求下無人機系統(tǒng)可靠度、維修度權(quán)衡

要保持較高的戰(zhàn)備完好率，必需要有較高的可用度。在系統(tǒng)可修復(fù)條件下，對于可靠度較低的裝備，可通過較高的維修度來保證可用度，當(dāng)維修能力較強時，可降低對可靠度的要求。通常，通過可靠度、維修度的權(quán)衡實現(xiàn)確定的可用度[4,5]。

2.1一定可靠度條件下維修度估計

無人機系統(tǒng)主要包括飛行器系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)等。假設(shè)某無人機系統(tǒng)飛行器系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)MTBF上限分別為200h(50架次)、150h、150h和100h，可用度都必須大于0.99。結(jié)合式(19)，有平均無故障時間MTBF、平均修理時間MTTR和可用度A之間的關(guān)系

(20)

通過計算可得無人機系統(tǒng)各分系統(tǒng)的MTTR必須滿足的條件如表1所示。

表1　平均修理時間(MTTR)參數(shù)表

2.2確定可靠度區(qū)間下的可靠度、維修度權(quán)衡

基于無人機系統(tǒng)實際的技術(shù)水平，MTBF不可能無限大，存在上限值TμH，同時，考慮作戰(zhàn)任務(wù)需要，MTBF需要有下限TμL。故障發(fā)生以后，修復(fù)時間不能太長，否則會影響任務(wù)的完成，MTTR需要有上限TλH，同時MTTR不可能很小，存在下限值TλL。假定某無人機系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度必須大于0.99，要滿足任務(wù)要求，其整體MTBF必須大于100h，基于技術(shù)和費用限制，MTBF上限值為200h，根據(jù)式(20)，可知MTTR的取值要滿足以下方程

由此可計算維修度指標應(yīng)滿足的要求為：1.01≤MTTR≤2.02，權(quán)衡圖如圖1所示(陰影部分為可權(quán)衡區(qū)域)。

圖1　無人機系統(tǒng)可靠度與維修度權(quán)衡示意圖

3結(jié)論

分析了當(dāng)無人機系統(tǒng)為可修復(fù)時，可靠度和維修度對無人機系統(tǒng)可用度的影響，得出了可靠度和維修度權(quán)衡圖。由于可靠度受條件限制，很難提高，而維修度較之更可控，因此在一定范圍內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)維修度來確?？捎枚?。分析表明，通過可靠度、維修度權(quán)衡可以實現(xiàn)裝備具有較高戰(zhàn)備完好率。

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(責(zé)任編輯周江川)