面向任務(wù)的船用核動力裝置使用可用度仿真

面向任務(wù)的船用核動力裝置使用可用度仿真

段孟強(qiáng)戴俊馬俊

(海軍駐431廠軍事代表室葫蘆島125005)

摘要以任務(wù)為牽引，結(jié)合船用核動力裝置使用特點(diǎn)和工作特性，考慮系統(tǒng)內(nèi)部備用單元的使用轉(zhuǎn)換，設(shè)備的故障與修復(fù)以及保障延誤，建立了其使用可用度(A0)的仿真模型和仿真流程，在建立系統(tǒng)使用可用度評價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上，基于Monte-Carlo方法對裝置進(jìn)行了任務(wù)條件下的使用可用度仿真計(jì)算。研究表明，建立的仿真模型能夠量化裝置使用可用性評價(jià)指標(biāo)，分析結(jié)果可為查找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)、改進(jìn)系統(tǒng)可用性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞船用核動力裝置使用可用度Monte-Carlo方法不確定性分析

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.051

收稿日期：2015-01-04

不同于導(dǎo)彈或軍用飛機(jī)，船用核動力裝置在任務(wù)執(zhí)行期間具有一定的可維修性，單純的可靠性研究并不能真實(shí)反映裝置的任務(wù)完成能力，須要通過可用性來衡量。使用可用度A0作為一項(xiàng)關(guān)于可靠性維修性保障性[1](RMS)的綜合參數(shù)，屬于戰(zhàn)備完好性范疇，能反映系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的持續(xù)能力。因此，可以通過對裝置典型任務(wù)剖面下的A0分析來反映其薄弱環(huán)節(jié)，并反饋到裝置的設(shè)計(jì)與使用管理上。

對于復(fù)雜的船用核動力裝置A0分析，采用解析法會十分繁瑣，有一定限制[2]，不適用；采用試驗(yàn)方法來獲得所需的數(shù)據(jù)代價(jià)高昂，又要面臨核安全風(fēng)險(xiǎn)，且由于故障的隨機(jī)性，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)積

累無法提供全面的信息。文獻(xiàn)[3-4]指出，蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法能解決這一隨機(jī)性問題，對基本隨機(jī)變量的分布及其相關(guān)性沒有任何限制，只要抽樣次數(shù)足夠多，蒙特卡洛方法的計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為是“精確”的。因此，基于Monte-Carlo方法[5]，對設(shè)備的故障與修復(fù)時(shí)間等進(jìn)行隨機(jī)抽樣[6]，并應(yīng)用相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型獲得離散解，是解決這些問題的較理想方法，能獲得較全面的信息。

1仿真模型

1.1　仿真影響因素分析

A0是系統(tǒng)RMS的綜合反映。在對象上，影響仿真的因素[7]涉及反應(yīng)堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、推進(jìn)軸系等，諸多設(shè)備之間通過功能接口與物理接口關(guān)系、控制關(guān)系相互保障和制約，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體；在參數(shù)上，影響其仿真的因素主要包括設(shè)備的固有可靠性和固有維修性在內(nèi)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以及與使用相關(guān)的參數(shù)(如系統(tǒng)允許停用時(shí)間、維修能力、技術(shù)保障和使用規(guī)則等)。

Over Draft Monitoring System Design and Implementation of the Ship

WangRujun1，ChenJun1，XiongHui1，ChenLiang2

(1.ChangjiangMaritime Safety Administration, Wuhan 430016, China;

2.Shenzhen Graduate School of Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China)

Abstract：In recent years, the ship's overload and overdraft phenomenon in the Yangtze River Waterway is more and more serious, the situation is not optimistic. The current management approach is single, which requires the maritime sector investing huge human, material and financial resources; and the effect is not very satisfactory. In response to these problems, based on laser radar freeboard height measurement method to quickly detect the ship's draft, and in the area of waters Yueyang Maritime Safety Administration implements demonstration application. The results showed that the proposed system made a good job in measurement accuracy, system response time, system suitability and timeliness.

Key words: overdraft ship; detection; freeboard; Laser radar

為了方便仿真的進(jìn)行，作如下假設(shè)。

(1) 任務(wù)執(zhí)行之前，嚴(yán)格檢查裝置，并對潛在故障設(shè)備進(jìn)行更換性維修，可不考慮設(shè)備性能退化問題。假設(shè)各設(shè)備只有“故障”和“正?！?種狀態(tài)，初始狀態(tài)良好，均能正常工作。

(2) 設(shè)備故障相互獨(dú)立，不考慮相關(guān)故障；設(shè)備故障與人員無關(guān)，忽略人員因素。

(3) 對于艇員級維修，故障修復(fù)時(shí)間和保障時(shí)間通常相對很短，對整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行影響不大。為了研究問題的方便，假定連續(xù)運(yùn)行設(shè)備的故障修復(fù)時(shí)間服從指數(shù)分布，保障延誤時(shí)間為常數(shù)。

(4) 維修人員和備件數(shù)目等維修資源充足，故障出現(xiàn)后，立即維修。對于任務(wù)執(zhí)行時(shí)由于條件限制某些維修任務(wù)無法完成時(shí)，可認(rèn)為維修時(shí)間無限長，但不計(jì)算在平均故障修復(fù)時(shí)間之內(nèi)；能夠維修的設(shè)備，修復(fù)時(shí)間均在允許修復(fù)時(shí)間之內(nèi)。

(5) 分析的基準(zhǔn)層為設(shè)備級，分析時(shí)稱為“單元”。

(6) 抽樣時(shí)，按照機(jī)電設(shè)備服從威布爾分布，電子設(shè)備服從指數(shù)分布，機(jī)械設(shè)備服從正態(tài)分布處理。

1.2　仿真模型構(gòu)建

(1) 任務(wù)模型。假設(shè)船用核動力裝置以低工況和中等工況連續(xù)運(yùn)行，裝置中各設(shè)備按照要求投入使用。當(dāng)任務(wù)期間缺乏對故障單元的維修能力或維修時(shí)間超過任務(wù)中系統(tǒng)的允許停用時(shí)間，則表明任務(wù)失敗。

(2) 可靠性框圖模型。建立典型船用核動力裝置在規(guī)定任務(wù)下的可靠性框圖。其中，一回路系統(tǒng)(1～23單元)可靠性框圖見圖1，二回路及軸系系統(tǒng)(24～79單元)可靠性框圖見圖2。

圖1一回路系統(tǒng)可靠性框圖

圖2　二回路及軸系可靠性框圖

(3) 離散事件模型。系統(tǒng)和裝置的狀態(tài)由設(shè)備狀態(tài)決定。設(shè)備 “故障”和“正常”2種狀態(tài)是不會發(fā)生連續(xù)變化的，且具有無后效性，因此系統(tǒng)和裝置的狀態(tài)是一個(gè)時(shí)間連續(xù)、狀態(tài)離散的馬爾科夫過程；記錄設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)刻，建立事件表，結(jié)合可靠性框圖模型，就能獲得每一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的描述。

(4) 統(tǒng)計(jì)模型。建立設(shè)備層、系統(tǒng)層、裝置層3級評價(jià)裝置A0指標(biāo)體系(包括使用可用度、任務(wù)成功率、平均可用時(shí)間、平均故障間隔時(shí)間、平均致命故障間隔時(shí)間、平均致命故障次數(shù)、平均故障次數(shù)、平均故障修復(fù)概率、設(shè)備故障次數(shù)等)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過該體系評價(jià)指標(biāo)的對應(yīng)參數(shù)來反映影響裝置任務(wù)的執(zhí)行情況。幾個(gè)重要參數(shù)定義如下。

① 任務(wù)成功率。在設(shè)定的任務(wù)模型當(dāng)中，系統(tǒng)任務(wù)成功次數(shù)占總仿真次數(shù)的百分比，就是系統(tǒng)在該任務(wù)下的任務(wù)成功率R。

② 任務(wù)期間的系統(tǒng)平均可用時(shí)間MUT和平均致命故障間隔時(shí)間MTBF。這里定義致命故障為會導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效的故障。記TR(i,j)為第i次任務(wù)過程期間發(fā)生的第j次故障的不可用時(shí)間；t為此故障發(fā)生時(shí)刻；TBKY(i)為系統(tǒng)除發(fā)生致命不可修復(fù)故障的系統(tǒng)不可用時(shí)間；TZMR(i,a)為發(fā)生致命可修復(fù)故障產(chǎn)生的系統(tǒng)不可用時(shí)間，見圖3。

圖3　任務(wù)時(shí)間分解圖

當(dāng)故障不可修復(fù)時(shí)，對系統(tǒng)而言，若為非致命故障，啟動備用設(shè)備，系統(tǒng)仍能繼續(xù)使用；若為致命故障，則任務(wù)失敗，令：TBKY(i)=24m-t，且TZMR(i,a)=0，當(dāng)無致命性不可修復(fù)故障出現(xiàn)時(shí)，TBKY(i)=0。

當(dāng)故障可修復(fù)時(shí)，TZMR(i,a)=TR(i,j)。

則系統(tǒng)平均可用時(shí)間為

式中：n為仿真次數(shù)；k為第i次任務(wù)過程中發(fā)生的致命故障次數(shù)；m為運(yùn)行天數(shù)。

平均致命故障間隔時(shí)間為：

式中：FCS為致命故障總次數(shù)。

(3) 使用可用度。使用可用度A0可以定義為：在某一任務(wù)剖面中，系統(tǒng)能工作時(shí)間占總工作時(shí)間的比率。因而可以用公式表示為

2仿真流程和計(jì)算

2.1　仿真流程

對于上文給定的任務(wù)模型，裝置的可靠性框圖不變，因而不需要分階段討論，直接建立其仿真流程，見圖4。

圖4　使用可用度仿真流程圖

2.2　仿真計(jì)算

基于Monte-Carlo方法，根據(jù)仿真流程圖，編寫計(jì)算機(jī)程序[8]，進(jìn)行規(guī)定任務(wù)下船用核動力裝置A0仿真。

首先，對所有單元的故障時(shí)間、修復(fù)時(shí)間，以及可修判斷進(jìn)行隨機(jī)抽樣，分別建立相應(yīng)矩陣。設(shè)定仿真次數(shù)為N，而各值的抽樣次數(shù)設(shè)為5N(即在一個(gè)任務(wù)周期內(nèi)每個(gè)單元最多允許發(fā)生5次故障，故障次數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。為了加快運(yùn)算速度，此值可以適當(dāng)減小。

從仿真結(jié)果來看，發(fā)生故障最多的單元，每次任務(wù)的平均故障次數(shù)不超過1，因而該值設(shè)在3以上，只要程序運(yùn)行不報(bào)錯(cuò)，都是允許的。

前N組故障數(shù)據(jù)作為仿真初始故障抽樣值。選取故障時(shí)間矩陣的第i(i

3實(shí)例研究

在程序中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(部分設(shè)備輸入數(shù)據(jù)見表1)，仿真10 000次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2和表3。其中，可靠性數(shù)據(jù)在借鑒WASH-1400和西德GRS風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)報(bào)告[9]，以及文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定處理而得到。船用核動力裝置的二回路和軸系設(shè)備不作調(diào)整，在給定任務(wù)模型下，主系統(tǒng)設(shè)備特征壽命(或壽命中值)在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上再降低一個(gè)數(shù)量級，其他數(shù)據(jù)依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。主系統(tǒng)設(shè)備故障模式可修率的威布爾分布形狀參數(shù)β取1.4。由于β=3～4時(shí)，其故障密度函數(shù)已經(jīng)與正態(tài)分布近似，因此正態(tài)分布可用β=3.5的威布爾分布代替。

表1　部分單元輸入?yún)?shù)

表2　輸出結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3　部分單元故障結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3中選取故障信息統(tǒng)計(jì)的單元，既有服從威布爾分布的，也有服從指數(shù)和正態(tài)分布的；既有故障率較低的，也有故障率較高的；既有獨(dú)立單元，也有并聯(lián)單元，基本上能反映仿真中其他單元的故障信息。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：①隨著任務(wù)時(shí)間的增加，平均不可用時(shí)間急劇增加，平均故障間隔時(shí)間有所減少，但減少的幅度降低，而任務(wù)成功率和使用可用度降低的幅度基本不變；②服從威布爾分布的單元(單元1，530，40，60)隨時(shí)間的增加故障次數(shù)先增后減(30～60 d內(nèi)增加最多)；服從指數(shù)分布的單元(單元50)故障次數(shù)增加幅度基本不變；服從正態(tài)分布的單元(單元10)則不變；大部分單元服從威布爾分布，說明30～60 d這個(gè)時(shí)間段是故障密度較集中的一個(gè)階段。

4結(jié)論

建立的A0仿真模型與算法在確定任務(wù)條件下能對裝置運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測，獲得任務(wù)成功率、使用可用度等數(shù)據(jù)以及各設(shè)備在任務(wù)中的故障狀況，為裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高效能提供理論參考。

將來可在本文基礎(chǔ)上開展敏感性分析，研究單個(gè)部件失效對系統(tǒng)失效的影響和敏感性排序等問題，以及仿真預(yù)測結(jié)果的驗(yàn)證難題。

參考文獻(xiàn)

[1]甘茂治,康建設(shè),高 崎.軍用裝備維修工程學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[2]楊宇航.基于仿真的復(fù)雜武器系統(tǒng)任務(wù)可靠性評估與維修管理研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3]鄭興國,郗曼麗.蒙特卡洛方法在復(fù)雜兵器可靠性綜合評定中的應(yīng)用[J].兵工學(xué)報(bào):彈箭分冊，1992(2):73-77.

[4]葉乃全,胡毓仁,陳伯真.超靜定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞可靠性分析的蒙特卡洛方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，32 (11):8-12.

[5]徐志軍，王平．基于蒙特卡洛方法的多散射修正模型[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 27(6):50-54.

[6]楊為民，盛一興.系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[7]程文鑫,陳立強(qiáng),龔沈光,等.基于蒙特卡洛法的艦船裝備戰(zhàn)備完好性仿真[J].兵工學(xué)報(bào)，2006, 27(6):1090-1094.

[8]龔純，王正林．MATLAB語言常用算法程序集[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[9]黃祥瑞.可靠性工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

[10]閻鳳文.設(shè)備故障和人誤數(shù)據(jù)分析評價(jià)方法[M]. 北京:原子能出版社，1988.