一種分散式系統的可靠性指標及其驗證方法

編者按

常規熱迴圈試驗在升溫過程中必然會出現凝露現象。對於航天元件級單機產品由於產品自身效能問題對防凝露要求較高。在升溫速率一定的條件下，本文從三個方面論述瞭如何降低產品升溫過程的含溼量，透過驗證幾種方法同時進行，航天單機類產品未出現產品凝露現象。

引 言

隨著裝備試驗鑑定模式的不斷改革，通用質量特性要求論證的不斷深化，裝備的試驗鑑定工作從論證階段開始就要逐漸展開。當前，在論證階段編寫裝備通用質量特性論證報告時，需要透過分析確定裝備的可靠性指標體系，並給出驗證可靠性指標的階段以及置信度、驗證方法等，這無疑對型號總體單位提出了更高要求。

某艦載系統的二級分系統是一種分散式系統，其可靠性指標傳統上都是提單個典型通道的基本可靠性指標。在可靠性驗證試驗越來越受關注的當下，進行可靠性指標驗證時，面臨多個問題：①該分散式系統是由大量相同裝置組成，如果按照全系統開展可靠性試驗，則受試裝置的生產費用非常高昂；②該分散式系統是支撐上級系統的骨幹二級分系統，其組成的典型通道達幾十個，因此搭建全部典型通道開展試驗也是不現實的；③該分散式系統部分組成裝置是已經定型的貨架裝置，重新開展可靠性驗證試驗也顯然不合適。因此，本文結合工程型號可靠性指標驗證的問題，從分析該分散式系統的特點入手，提出其可靠性指標及相應的可靠性指標驗證方法，可給類似分散式系統可靠性指標論證提供借鑑。

1分散式系統特點及其可靠性指標論證

環境試驗裝置在開展熱迴圈試驗時，一般的氣體介質為溼空氣，即為氮氣、氧氣、二氧化碳和惰性氣體等混合水蒸汽，也即幹空氣與水蒸汽的混合。

1.1系統特點

該分散式系統作為某艦載系統的二級分系統，其主要作為上級系統話音和文字資訊交換、聯通的支撐分系統，是資訊傳送端和接收端的中間連線裝置。如下圖1所示為該分散式系統示意圖。其中終端裝置不屬於該系統，該系統組成主要是話音資訊交換裝置、文字資訊交換裝置、伺服器和綜合管理裝置；各種資訊透過資訊傳輸網路在綜合管理裝置和終端裝置之間傳遞。綜合管理裝置屬於選型的貨架裝置，而其他裝置則屬於新研製的裝置，並且兩個伺服器相互備份，僅一個正常工作即可為上級系統提供正常的資訊服務；兩個伺服器屬於完全一樣的裝置，話音資訊交換裝置、文字資訊交換裝置分別均屬於相同裝置，即功能效能指標、裝置器件和材料組成、介面等完全一樣。

圖 1 分散式系統示意圖

1.2系統可靠性指標論證

裝備可靠性指標論證是指從裝備的作戰需求出發，透過確定裝備的作戰地域和作戰目標，將作戰地域的環境要素落實到裝備的壽命剖面和任務剖面要求，將實現作戰目標的功能效能要求逐步落實到裝備的任務剖面中，形成裝備的可靠性定量要求和定性要求的全要素過程。其工作流程示意圖如圖2所示。其非常重要的一項原則是：可靠性指標要覆蓋系統中所有的裝置，不能有遺漏。

圖 2 可靠性指標論證工作流程示意圖

該分散式系統作為二級分系統，其可靠性指標一般來源於上級系統。上級系統給分配的可靠性定量指標常見如下：

1）分散式系統的平均故障間隔時間（MTBF）。這種相當於是給整個分散式系統提的指標，但分散式系統相同裝置多，如果再往下分配，其可靠性指標會呈幾何級數增長，必然會給裝備的可靠性設計提出不可能實現的要求；同時，作為全系統開展可靠性鑑定時，需要生產大量試驗樣機，成本高。

2）分散式系統各單個裝置的MTBF。這種相當於給各個組成裝置提可靠指標要求，由於該分散式系統的組成裝置數量多，各組成裝置可靠性指標鑑定時，必然會面臨試驗時間過長而影響研製進度或者造成試驗成本過高的問題。

3）分散式系統的單個典型通道MTBF。這種相當於是隻給系統的最小功能單元分配可靠性指標，理論上是最合理的方案。但在指標的描述上過分含糊，未說清楚指的是最小功能單元，在裝備鑑定時，部分專家會認為這個指標是全系統的幾十個通道的可靠性指標；同時，該指標未能覆蓋實裝環境下的全系統配置。

因此，該分散式系統的可靠性指標應分兩個方面：①最小功能單元的MTBF，該指標對應於完成系統功能的最小功能組成；②典型通道MTBCF，該指標對應於實裝環境下按終端裝置來劃分的通道型別，可覆蓋全系統所有裝置。在研製方案中，裝置的組成只描述最小功能單元的組成，裝艦裝置具體數量可按需配置。透過前述限定條件，即能保證可靠性指標覆蓋所有裝置，又能保證裝備設計上的可實現性，可有效解決分散式系統鑑定過程中所遇到的進度緊張、經費緊張的問題。

2分散式系統的可靠性驗證方法

可靠性驗證是裝備研製過程中必然要經歷的重要階段，主要是對裝備研製方案或研製總要求中所提的可靠性指標進行驗證，常採取的方法是試驗或評估。按照最新的裝備試驗鑑定要求，裝備鑑定分為效能試驗、作戰試驗和在役考核三個階段以及狀態鑑定和列裝定型兩個節點，其可靠性指標驗證必然也是分階段的。裝備舊的研製階段劃分與新的裝備試驗鑑定階段劃分對比圖如圖3所示。

圖 3 裝備新舊研製階段劃分對比圖

可靠性指標驗證的一項重要原則：可靠性考核應覆蓋全系統所有裝置，即最終給出可靠性結論時應覆蓋全系統。根據最新裝備通用質量特性要求的論證，該分散式系統可靠性指標的考核要求是：

1）分散式系統最小功能單元的MTBF應在效能鑑定試驗階段，在實驗室三綜合應力（溫度、溼度、振動）條件下，採用GJB899A規定的試驗方法，進行區間估計，樣本量為1，訂購方風險為30%，置信度為0。7。

2）分散式系統典型通道MTBCF應在作戰試驗階段，在繫泊和航行試驗條件下，綜合利用作戰試驗資料，採用HJB54-1993規定的可靠性評估方法，進行區間估計，各典型通道樣本量以實裝配置為準，訂購方風險為30%，置信度為0。7。

根據上述要求，在效能鑑定試驗階段，嚴格按照GJB899A開展可靠性鑑定試驗，受試裝置組成為分散式系統的最小功能單元；在作戰試驗階段，則透過建立可靠性模型，利用收集的資料，對實裝環境下分散式系統開展可靠性評估。

3分散式可靠性驗證方案設計

某艦載分散式系統最小功能單元MTBF不小於1500h，典型通道MTBCF不小於2500h。其最小功能單元組成包括1臺綜合管理裝置、1臺伺服器、1臺話音資訊交換裝置和1臺文字資訊交換裝置。在實裝環境下，根據終端裝置種類劃分，可分為3個典型通道，每個典型通道包含1主1備份兩個通道，具體如圖4所示。圖中包含1臺綜合管理裝置、1臺伺服器、6臺話音資訊交換裝置和6臺文字資訊交換裝置。

圖 4 實裝環境下分散式系統的配置

根據分散式系統可靠性指標考核要求，其可靠性指標驗證方案如下：

1）在裝備效能鑑定試驗階段，參與試驗的裝置組成為最小功能單元，由於該分散式系統安裝於艦內有溫控環境，其試驗剖面選用GJB899A中艦船艙內有溫控的試驗剖面。試驗時間統計方案選用GJB899A中30-1號定時截尾試驗方案，則總試驗時間為T=1500h×1。2=1800h。此外，試驗過程中應採用模擬訊號或必要的陪試裝置，對3個典型通道的訊號處理實現測試全覆蓋。

2）在作戰試驗階段，參與可靠性評估的裝置組成是全系統實裝配置。首先建立典型通道的任務可靠度模型，可靠性框圖如圖5所示。圖中k表示第k個典型通道，k=1，2，3。

圖 5 典型通道可靠性框圖

圖5所示可靠性框圖的數學模型為：

首先基於各終端裝置開機工作情況，統計並記錄典型通道中分散式系統各組成裝置的工作時間和故障情況，其中因終端裝置故障不計入責任故障數。然後在置信度為0。7條件下，計算各組成裝置的MTBF置信下限，進而求出各裝置失效率，並利用公式（1）和（2）求出典型通道在任務持續時間為

t

0條件下的MTBCF，從而實現對分散式系統全系統配置在實際使用情況下的可靠性驗證。

4結論及展望

本文根據裝備試驗鑑定以及通用質量特性強化論證的最新要求，結合分散式系統可靠性指標論證和驗證過程，分別提出了可靠性指標論證和驗證的原則：①採用多個可靠性指標來覆蓋系統所有組成；②可靠性指標驗證結果應覆蓋系統所有組成。從實際應用上看，這兩個原則可以很好指導裝備的可靠性指標論證和驗證過程。除了分散式系統，還有類似導彈發射井、天線等機電一體化裝備，可靠性指標也可採用電子部分MTBF和整系統MTBCF的方式，在效能鑑定試驗階段，只驗證電子部分MTBF，整機MTBCF可先不驗證或利用模擬資料結合電子部分試驗資料，開展整機可靠性評估；在作戰試驗階段，利用裝備在平臺上的試驗資料，開展可靠性評估。因此，本文提出的方法可以很好的解決該類工程問題，具有更多的應用場景。

引用本文：

金亞楠，魯雪峰。一種分散式系統的可靠指標及其驗證方法［J］。環境技術，2020，（S1）：16-19。

專家簡介：

金亞楠，碩士，工程師，研究方向：可靠性試驗及評價、環境試驗等。