一種基于模糊理論的雷達(dá)可靠性評(píng)估方法

陳 飛，周俊宇，陳 偉

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京210039）

1 研究背景

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中起到越來越重要的作用。雷達(dá)系統(tǒng)功能復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，影響其可靠性的因素較多[1-2]?，F(xiàn)階段主要依靠定期維修的策略提升雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性，然而很多故障在產(chǎn)生之前沒有任何征兆，只有等到故障出現(xiàn)以后才能得到維修，嚴(yán)重影響了雷達(dá)系統(tǒng)的正常使用。不僅如此，由于雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)其進(jìn)行單次維修的成本較高，若維修間隔的周期較短，則會(huì)造成“維修過剩”；若維修間隔的周期較長，則不能將故障及時(shí)檢出，會(huì)造成“維修不足”。因此，只有對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的使用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的預(yù)測并制定合理的維修策略，才能更好地發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。

文獻(xiàn)[3]提出了一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行故障預(yù)測的方法，通過采集磁控管的高壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對(duì)設(shè)備的故障狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于改進(jìn)UGM（1，1）模型的方法進(jìn)行雷達(dá)故障預(yù)測，該模型引入了新陳代謝的思想，不斷對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的信息進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)磁控管故障的有效預(yù)測；文獻(xiàn)[5]提出了一種利用支持向量機(jī)進(jìn)行雷達(dá)故障診斷的方法，以選定電路板中測試點(diǎn)波形的頻率和幅度為特征進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)頻綜器的故障信息進(jìn)行有效預(yù)測；文獻(xiàn)[6]提出了一種改進(jìn)序化關(guān)系模型的雷達(dá)系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，可通過融合聯(lián)試數(shù)據(jù)和驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)的可靠性水平進(jìn)行評(píng)估。然而，雷達(dá)系統(tǒng)故障的多樣性較高，并且很多故障具有模糊性的特征，即在故障發(fā)生前沒有具體的參數(shù)可測，極大限制了以上多類基于可測指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行故障特征識(shí)別方法的適用性。近年來，模糊理論[7]作為一種能夠有效處理模糊關(guān)系的工程應(yīng)用方法，在船舶設(shè)備[8-9]、導(dǎo)彈武器裝備[10-12]等領(lǐng)域的可靠性及維修性研究成果不斷。文獻(xiàn)[13]針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)維修方案的選擇問題，通過引入Vague 集處理維修方案的模糊信息，為不同的雷達(dá)維修方案選取制定了策略。然而，利用雷達(dá)系統(tǒng)的故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)整機(jī)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)的研究并不多。

針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)故障信息模糊、特征參數(shù)獲取不完整的特點(diǎn)，對(duì)某型艦載雷達(dá)系統(tǒng)的故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了長期積累和歸納，采用模糊理論建立了一種雷達(dá)可靠性評(píng)估模型，可對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，為制定合理的雷達(dá)系統(tǒng)維修策略提供技術(shù)支持。

2 雷達(dá)故障特征

2.1 雷達(dá)組成

一般而言，雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)功能可以分為射頻系統(tǒng)、控制與顯示、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理、電源系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)以及其他單元等，如圖1 所示。

圖1 典型的雷達(dá)系統(tǒng)組成單元

2.2 單元故障統(tǒng)計(jì)

雷達(dá)系統(tǒng)通常處在惡劣的使用環(huán)境中，各單元不可避免地會(huì)產(chǎn)生故障，且難以準(zhǔn)確、完整地獲取與系統(tǒng)故障相關(guān)的特征參數(shù)，具有模糊性的特征。本文積累了某型艦載雷達(dá)系統(tǒng)在正常使用期內(nèi)的故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)近1 000 h 內(nèi)的故障頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，在該型雷達(dá)系統(tǒng)中，不同單元的故障情況不盡相同。同時(shí)，由于不同單元的故障對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)正常使用產(chǎn)生的影響程度各異，如電源系統(tǒng)的故障頻次較高，但電源系統(tǒng)的部分故障不影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作；信號(hào)與數(shù)據(jù)處理的故障頻次較低，但故障一旦產(chǎn)生，雷達(dá)系統(tǒng)將無法工作，產(chǎn)生的影響程度較高。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，將不同單元故障的嚴(yán)酷程度定義為1—5 級(jí)。嚴(yán)酷等級(jí)越高表示該單元產(chǎn)生故障時(shí)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)正常使用的影響程度越大，其中5 級(jí)表示嚴(yán)酷程度最高，雷達(dá)功能和性能均無法滿足使用要求，而1 級(jí)表示短期內(nèi)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的使用無影響。

表1 某型雷達(dá)組成單元的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 可靠性評(píng)估模型

3.1 評(píng)估流程

由于雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以通過某一單元的使用狀態(tài)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性水平進(jìn)行全面評(píng)估。為了將雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性水平量化以便制定合理的維修策略，本文基于某型艦載雷達(dá)的歷史故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用模糊理論建立了一種雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的評(píng)估模型，該評(píng)估模型的基本流程如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)系統(tǒng)可靠性模型評(píng)估流程圖

圖2 中，可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)fi選取為雷達(dá)單元在近1 000 h 內(nèi)的故障頻次。通過引入隸屬度函數(shù)D（f）將各個(gè)組成單元故障頻次對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的影響程度定量化，得到雷達(dá)系統(tǒng)的單元可靠度值Di。不失一般性，本文中構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)隸屬度函數(shù)選用降半拋物型分布，其表達(dá)式如下：

式（1）中：a為評(píng)估指標(biāo)下限值，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，其取值為1；b為評(píng)估指標(biāo)上限值，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，其取值為15。

由于每個(gè)單元的可靠性對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的影響程度不一，根據(jù)式（1）計(jì)算得出的單元可靠度值Di仍然無法準(zhǔn)確反映雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的高低，因此，令每個(gè)雷達(dá)單元故障時(shí)的嚴(yán)酷程度C為指標(biāo)權(quán)重，則雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下的綜合可靠度值可通過式（2）計(jì)算得出：

3.2 可靠性等級(jí)

根據(jù)上述評(píng)估模型計(jì)算得出的雷達(dá)系統(tǒng)綜合可靠度值，其數(shù)值范圍介于0～18 之間，本文將雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性分為4 個(gè)等級(jí)，制定了如表2 所示的雷達(dá)系統(tǒng)可靠性等級(jí)評(píng)估表。表中的可靠性等級(jí)可以有效表征雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性狀態(tài)，當(dāng)該可靠性等級(jí)為四級(jí)或三級(jí)時(shí)，表示雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性較高；當(dāng)可靠性等級(jí)處于二級(jí)或一級(jí)時(shí)，表示雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性較低，提示應(yīng)進(jìn)行及時(shí)的巡檢與維修。

表2 雷達(dá)系統(tǒng)可靠性等級(jí)評(píng)估表

4 應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證實(shí)例

基于本文提出的雷達(dá)可靠性評(píng)估模型，對(duì)3 臺(tái)某型號(hào)艦載雷達(dá)的故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，該3 臺(tái)雷達(dá)在近1 000 h 內(nèi)的故障頻次分別如表3 所示。其中，1 號(hào)雷達(dá)距前次的維修時(shí)間為1 100 h，2 號(hào)雷達(dá)距前次的維修時(shí)間為2 300 h，3 號(hào)雷達(dá)距前次的維修時(shí)間為4 200 h。

表3 近1 000 h 故障概率頻次f

4.2 驗(yàn)證效果

根據(jù)表3 中的故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過本文提出的可靠性評(píng)估模型，計(jì)算得出該3 臺(tái)不同雷達(dá)的可靠度值及相應(yīng)的可靠性等級(jí)，如表4 所示。從表4 中可以看出，1 號(hào)雷達(dá)系統(tǒng)的可靠度值最大，提示系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性水平較高；3 號(hào)雷達(dá)系統(tǒng)的可靠度值最小，提示系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性水平較低，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行巡檢與維修。通過對(duì)比可以看出，本模型得出的雷達(dá)系統(tǒng)可靠性預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

表4 不同雷達(dá)安全度的評(píng)估結(jié)果

5 總結(jié)

本文通過對(duì)某型艦載雷達(dá)系統(tǒng)的故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，基于模糊理論建立了一種雷達(dá)系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型，可對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)前的可靠性程度進(jìn)行有效預(yù)測。對(duì)不同的雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)例驗(yàn)證，表明該模型在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，可為多類別雷達(dá)的維護(hù)、巡檢提供指導(dǎo)，具有重要的推廣意義。