（系统工程专业论文）基于故障树的AUV可靠性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 i l i 暑 i i 宣宣i i i 暑；暑；i i i i i i 皇宣宣昌i i 暑；宣；暑宣暑暑暑宣 摘要 水下潜航器( a u v - a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 是新一代水下航行器， 将成为完成各种水下任务的重要工具。例如铺设管线、海底考察、数据收集、 钻井支援、海底施工、水下设备维护与维修、海上侦察与搜索、水下搜索与 调查、通信导航援助、反潜作战等。为了科学地评价该系统，a u v 的系统研 究和可靠性结合就显得极为迫切。 本文在简单介绍课题的研究意义和主要内容后，展开进行了a u v 系统的 可靠性分析、故障树的系统仿真和模糊可靠性分析。 首先a u v 系统的可靠性分析采用基本可靠性分析、任务可靠性分析和故 障树分析三种方法。给出了串并联可靠性模型的系统可靠性参数( 系统可靠 度、系统失效率和系统能够平均首次达到故障时间) 的计算公式。 其次通过对a u v 各部件的使用情况广泛收集各种故障数据，以及进行系 统分析，画出了a u v 的系统框图，并据此建造a u v 的故障树。通过对故障树 进行数学描述，建立数学模型，得到该系统故障树的结构函数，并以该函数 作为逻辑关系式，进行可靠性数字仿真。由仿真结果可以得出a u v 系统的平 均寿命、可靠度分布曲线和各部件的概率重要度和模式重要度，同时，根据 各部件的模式重要度也可以判断系统的薄弱环节。 最后将模糊数学和故障树分析方法结合，对a u v 进行了定性和定量的模 糊分析，在定量分析中分别采用了原始故障树逐级计算法和等效故障树计算 法。得到a u v 故障树顶事件发生的概率和可信区间，并分别绘制可靠度模糊 概率的隶属曲线。 关键词：水下潜航器；故障树；可靠性：数字仿真；模糊可靠性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l ei san e wg e n e r a t i o no fu n d e r w a t e rv e h i c l e ， w i l lb ea l li m p o r t a n tt o o lt oc o m p l e t ev a r i e t yo fu n d e r w a t e rm i s s i o n f o re x a m p l e l a y i n gp i p e l i n e ，i n s p e c t i n gs e a b e d ，c o l l e c t i n gd a t a , d r i l l i n gs u p p o r t ，c o n s t r u c t i n g s e a b e d ， m a i n t e n a n c e a n d r e p a i r i n g u n d e r w a t e r e q u i p m e n t ， m a r i t i m e r e c o n n a i s s a n c ea n ds e a r c h ，u n d e r w a t e rs e a r c ha n ds u r v e y , c o m m u n i c a t i o na n d n a v i g a t i o na i d ，a n da n t i - s u b m a r i n ea c t i o ne r e i no r d e rt oe v a l u a t et h es y s t e m s c i e n t i f i c a l l y , c o m b i n i n gt h ea i y vs y s t e m r e s e a r c hw i t hr e l i a b i l i t yb e c o m e s e x t r e m e l yu r g e n t a f t e rt h e s t u d ys i g n i c a n c e a n dm a i nc o n t e n to ft h es u b j e c ti s s i m p l y i n t r o d u c e d ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i so fa u vs y s t e m ，s y s t e ms i m u l a t i o no ff a u l tt r e ea n d f u z z yr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so fa u vs y s t e ma d o p t st h r e em e t h o d sb a s i c r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n df a u l tt r e er e l i a b i l i t ya n a l y s i s t h ec a l c u l a t i o no f s y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sp a r a m e t e r s o fs e r i e s p a r a l l e l r e l i a b i l i t ym o d e l ( s y s t e mr e l i a b i l i t y , s y s t e mf a i l u r er a t e ，a v e r a g ef a i l u r e t i m e s y s t e mc a nr e a c hf i r s tt i m e ) a r eg i v e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h r o u g hw i d e l yc o l l e c t i n g v a r i o u sf a i l u r ed a t af r o ms e r v i c e c o n d i t i o no fa u v se a c hp a r t ，a sw e l la ss y s t e ma n a l y s i s ，as y s t e md i a g r a mo f a u vi sd r a w e d , a n dt h ea u v sf a u l tt r e ei sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n g t o m a t h e m a t i c sd e s c r i p t i n gt h ef a u l tt r e ea n de s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ， s y s t e mf a u l tt r e e s s t r u c t u r ef u n c t i o ni so b t a i n e d r e l i a b l ed i g i t a ls i m u l a t i o ni s m a d eb yt a k i n gt h i sf u n c t i o na sl o g i cr e l a t i o n a u vs y s t e m 。sm e a nl i f e t i m e ，t h e r e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc u r v ea n dt h ep r o b a b i l i t yi m p o r t a n c ed e g r e ea n dt h em o d e i m p o r t a n c ed e g r e eo fe a c hp a r t sc a nb eo b t a i n e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t i ti s o b v i o u st h a tt h ei m p o r t a n c eo fe a c hp a r t si st h es a m e ，a l s oi n d i c a t e st h a ti nt h e a u vs y s t e mo n eb r e a k d o w no f e a c hp a r t s w i l lc a u s et h e s y s t e mf a i l u r e ； s i m u l t a n e o u s l y , a c c o r d i n gt ot h em o d ei m p o r t a n c ed e g r e eo fe a c hp a r t ss y s t e m s 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 w e a kl i n ka l s oc a nb ej u d g e d f i n a l l y , i tw a sc a r r i e do nq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ef u z z ya n a l y s i st oa u v 、i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h ef u z z ym a t h e m a t i c sa n df a u l tt r e ea n a l y s i s i nt h e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，t h em e t h o do fs t e p - b y s t e pc a l c u l a t i o no nt h et h eo r i g i n a l f a u l tt r e ea n dt h ec a l c u l m i o nm e t h o do ft h ee q u i v a l e n tf a u l tt r e ew e r eu s e d r e s p e c t i v e l yt oo b t a i nt h eo c c u r r e n c ep r o b a b i l i t ya n dr a n g eo ft h et o pe v e n t so ft h e a u v sf a u l tt r e e s u b s e q u e n t l y , t h ef u z z yp r o b a b i l i t ys u b o r d i n a t i o nc u r v e sw e r e d r a w ni nt 1 1 ep 印e r k e yw o r d s ：a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ；f a u l tt r e e ；r e l i a b i l i t y ；d i g i t a l s i m u l a t i o n ；f u z z yr e l i a b i l i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：隼奋鲤 日期：脯乡月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔 滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关 数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。，涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 刮在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：单寄晖 日期：矽罗年弓月矿日 导师( 签字) ：赫 非月琴e l 哈尔滨工程大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 引言 2 1 世纪是海洋的世纪，占全球7 1 面积的海洋将是下一个世纪，也是未 来人类赖以生存的资源。海洋，对于人类的发展和社会的进步将起到至关重 要的作用。在民用上，海洋蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源， 是人类社会可持续发展的重要财富。因此，对于海洋的开发和争夺成了很多 发达国家的战略重点，而且愈演愈烈。在各种海洋技术中，作为用在一般潜 水技术不可能到达的深度或区域进行综合考察和研究并能完成多种作业使命 的水下潜航器使海洋开发进入了新时俐啦删4 1 。 水下潜航器( a u v - a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 是新一代水下航行器， 将成为完成各种水下任务的重要工具。例如，在民用领域，可用于铺设管线， 海底考察，数据收集，钻井支援，海底施工，水下设备维护与维修等；在军 用领域则可用于海上侦察与搜索、水下搜索与调查、通信导航援助、反潜作 战等。由于其商业与军事上的重要意义和技术上面临的众多挑战，水下潜航 器的研究受到越来越多科学家和技术人员的重视，并进行了大量的研究工作。 为了科学地评价该系统，它的可靠性研究就显得极为迫切。 对于大型系统而言，常规的解析分析法已不能完全解决系统可靠性的有 关问题，不仅浪费大量的人力、物力，其评估的精度也不高。因此国内外学 者做了大量的研究，并提出了许多模型和方法，例如：可靠性框图模型、故 障树分析( f t a ) 模型、故障模式影响分析方法( f m e a ) 等p 朋。 在日本的水下机器人“深海2 0 0 0 ”和“深海6 5 0 0 ”的研制中，为了保证 装置和系统的可靠性，采用f m e a 法及f t a 法进行可靠性分析。f m e a 是 在设计阶段把系统分解到部件或零件，对每一个零部件可能产生的故障一一 列出，通过分析每一故障对系统可能产生的影响，总结出潜在的设计上的问 题。f t a 是以重大事故的种类为出发点，分析产生该事故的原因，将故障的 原因、相互之间的关联按流程关系展开，通过识别故障路径来把握问题点并 找出相应的对策。 本文采用f t a 来对a u v 的可靠性进行数字仿真和模糊分析。 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 a u v 的国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 在自治水下机器人技术研究方面，美国、加拿大、英国、法国、德国、 意大利、俄罗斯、日本等国处于领先地位。其中，最著名的研究院所有：美 国麻省理工学院的s e ag r a n t sa u v 实验室，美国海军研究生院( n a v a l p o s t g r a d u a t es c h 0 0 1 ) 的智能水下运载器研究中心，美国佛罗里达大西洋大学的 高级海洋系统实验室( a d v a n c e dm a r i n es y s t e m sl a b o r a t o r y ) ，美国夏威夷大学 的自动化系统实验室( a u t o n o m o u ss y s t e m sl a b o r a t o r y ) ，美国伍慈侯海洋学院 ( w o o d sh o l eo c e a n o g r a p h i ci n s t i t u t e ) ，美国缅因州大学的海洋系统工程实验室 ( m a r i n es y s t e m su n d e r w a t e rs y s t e m si n s t i t u t e ) ，英国的海事技术中j t 二, ( m a r i n e t e c h n o l o g yc e n t e r ) ，日本东京大学的机器人应用实验室( u n d e r w a t e rr o b o t i c s a p p l i c a t i o nl a b o r a t o r y ( u r a ) ) 等。 国外有代表性的水下机器人： 1 美国海军研究生院( n a v a lp o s t g r a d u a t es c h o o l ，简称n p s ) 的海军官员 和科学家们正在进行自行设计和建造a u v 的研究。n p s 的科学家们先后开 发了三种类型的a u v ：n p sa u vi ，凤凰号p 1 ( p h o e n i x ) a u v 和白羊座号 ( a r i e s ) a u v 。如图1 所示的p h o e n i x 有2 4 4 m 长及中性浮力，排水量为 1 7 5 5 k g ，整体尺寸和形状好像一只小海豚。续航力为2 - - - 3 小时，最大速度 约2 节。 n p sa u v 用于控制系统技术、人工智能、科学可视化和系统集成中的基 础研究和论文工作。具体的项目任务包括使命规划的研究、导航、避碰、实 时作业控制、再规划、目标识别、平台的动力运动控制和后使命数据分析等。 在军事上，可用于水雷战，如浅水雷区标图与灭雷( 引爆) 。 2 美国麻省理工学院s e ag r a n t sa u v 实验室开发的水下机器人如图2 所示的o d y s s e yi i ( 1 9 9 4 ) 的长为2 1 5 m ，直径为0 5 9 m ，排水量为1 4 0 k g 。 3 美国夏威夷大学的“o d i n ( o m n i d i r e c t i o n a li n t e l l i g e n tn a v i g a t o r ) o d i n 嘲是一个球形体，这在水下机器人中是不多见的。它有八个推力 器，可以以六个自由度运动。o d i n 采用m o t o r o l a6 8 0 3 0 中央处理器，在陆 地上以图形工作站监视水下机器人的姿态和位置，他们之间通过r s 2 3 2 c 串 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行传输数据，主要用途为海底地貌观测。 哈尔演工程大学硕士学位论文 图1 5 东京大学的p t e r o a 2 5 号a u v图16 加章大的r a y 号a u v 5 加拿大成功开发了若干型号的a u v ，其中著名的两种分别称为r a f 埘 和s u n f i s h 。r a y 成功地演示了它可以通过在耐压仓内向艏和艉移动重物来 实现的纵倾控制。s u n f i s h 是一个为特殊的科学目的研制的具有搜索功能的 a u v 。 6 英国从1 9 8 8 年以来也开始研究水下机器人，以确定军用可能性和工 程上需要克服的技术难点。1 9 9 5 年开发的 a u t o s u b 1 ”a u v m “埘是一部用 于海洋科学( 海流、温度等) 研究的水下机器人，也具有相当的军事应用前景。 到1 9 9 9 年，该机器人已经在英国沿海完成了1 7 9 项工程和科学使命。 “a u t o s o b - 1 ”的长度为6 8 m ，直径为0 9 m ，重量为1 7 t ，下潜深度为5 0 0 m ， 续航时间为5 0 h ，航程为2 6 3 k m 。 图1 7 加拿大的s u n f i s h 号a u v图1 8 英国的a u t o s u b - 1 号a u v 1 2 2 国内研究概况 我国在水下机器人的研究上，主要研究院所有中科院沈阳自动化研究所 和哈尔滨工程大学等。中科院沈阳自动化研究所研制开发了工作水深1 0 0 0 m 的“探索者”号无缆水下机器人，1 9 9 4 年完成海试。中科院沈阳自动化研究 所通过与俄罗斯合作，共同开发了观察型、预编程控制的“c r - 0 1 ”无缆 水下机器人，工作水深为6 0 0 0 m 。该机器人完成了太平洋深海的考察工作， 达到了实用水平。为适应国际海底区域资源调查，特别是深海海底锰结核调 查的需要，研制成功新型深水机器人“c r 0 2 ”叭”伽其主尺度0 8 m x 45 m ( 直 径长度) ，空气中重量1 5 0 0 k g ，最大速度2 3 节，最大续航能力2 5 h ，可进 ：2 ：鎏三耋銮：竺圭：箸兰銮 行海底地形地貌勘测，海底浅地层剖面测量及海洋要素测量”。 图1 9 “c r - 0 1 ”号a u v 图1 1 0“c r - 0 2 ”号a u v 1 3 可靠性技术的发展状况 可靠性是- r 新兴的工程学科，是研究产品全寿命过程中故障的发生原 因、发展规律，达到预防故障、降低故障率、提高产品可靠性之目的的工程 技术1 。 可靠性工程诞生于2 0 世纪4 0 年代，特别是在第二次世界大战中，由于 产品的不可靠性，带来了血的教训，使人们逐步加深对可靠性问题的认识。 最早提出可靠性理论的是德国的科学技术人员，德国在v _ 1 火箭的研制中， 提出了火箭系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论。到了2 0 世纪 5 0 年代初期，美国为了旋展军事的需要，投入了大量的人力、物力对可靠性 进行研究，先后成立了“电子设备可靠性专门委员会”、“电子设备可靠性顾 问委员会”( a g r e e ) 等研究可靠性问题的专门机构。1 9 5 7 年6 月4 日，美国 的“电子设备可靠性顾问委员会”发布了军用电子设备可靠性报告，这就 是著名的“a g r e e ”报告。这一报告提出了可靠性是可建立的、可分配的及 可验证的，从而为可靠性学科的发展提出了初步框架。 2 0 世纪5 0 年代，苏联为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠性，开 始了可靠性的研究工作。同时为了解决作战对导弹可靠性的要求，一些国 家也先后开展了可靠性的研究与应用。1 9 5 8 年日本科学技术联盟成立了“可 靠性研究委员会”，专门对可靠性问题进行研究。 1 9 6 1 年，原苏联发射第一艘有人驾驶的宇宙飞船时，宇航员对宇宙飞船 哈尔滨工程大学硕士学位论文 安全飞行和安全返回地面的可靠性提出了0 9 9 9 的概率的要求，可靠性研究 人员把宇宙飞船系统的可靠性转化为各元件的可靠性进行研究，取得了成功， 满足了宇航员对宇宙飞船系统提出的可靠性要求。2 0 世纪6 0 年代是美国航 空航天事业迅速发展的时期。美国“国家航空航天管理局”( n a s a ) 币d 美国国 防部接受并发展了2 0 世纪5 0 年代由“a g r e e 发展起来的可靠性设计及实 验方案。与此同时，计算机硬件也从晶体管到集成电路，并朝着超大规模集 成( v l s i ) 方向发展。此时，我国在雷达、通信机、电子计算机等方面也突出 了可靠性问题。 2 0 世纪7 0 年代，各种各样的电子设备或系统广泛应用于各科学技术领 域、工业生产部门及人们的日常生活中。电子设备的可靠性直接影响着生产 的效率、系统、设备以及人们的生命安全，对可靠性问题的研究显得日益重 要。同时，人们也开始了对非电子设备( 如机械设备) 可靠性的研究，以解决 已有的电子设备可靠性设计及试验技术对非电子设备使用时受到限制和结果 不理想的问题。在2 0 世纪7 0 年代，计算机软件可靠性的理论获得很大发展。 一方面提出了数十种软件可靠性的模型，另一方面是对软件容错 6 1 的研究， 提出了分别与硬件静态冗余和动态冗余相对应的软件n 文本方法和恢复块方 法。 2 0 世纪7 0 年代由于我国国家重点工程的需要，对各行各业开展可靠性 的研究起到了巨大的推动作用。从1 9 7 3 年起，原国防科工委和原四机部为了 解决国家重点工程元器件的可靠性问题，多次召开有关提高可靠性的工作会 议。1 9 7 8 年提出电子产品可靠性“七专”质量控制与反馈科学实验计划， 并组织实施。经过1 0 年努力，使军用元器件可靠性提高了两个数量级，保证 了运载火箭、通信卫星的连续发射成功和海底通信电缆的长期正常运行。 2 0 世纪8 0 年代，可靠性研究继续朝广度和深度发展，中心内容是实现 可靠性保证。1 9 8 5 年，美国军方提出在2 0 0 0 年实现“可靠性加倍，维修时 间减半”这一新的目标，并已开始实施。同期，我国在电子行业积极开展可 靠性质量管理的普及工作。组织编写可靠性普及教材，在原电子工业部内普 遍开展可靠性教育，形成了一批研究可靠性的骨干队伍。1 9 8 4 年组建了全国 统一的电子产品可靠性信息交换网，并颁布了g j b 2 9 9 8 7 电子设备可靠性 预计手册，有力地推动了我国电子产品可靠性工作。同时还组织了制定了一 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皇暑宣宣i 宣i 暑暑| 置 一i ll 一i i 一一i 宣暑暑暑i 眚i 宣 系列有关可靠性的国家标准、国家军用标准和专业标准，使可靠性管理工作 纳入标准化轨道。软件可靠性的工程实践经验得到不断积累，不少软件可靠 性技术在软件工程实践中得以应用。某些技术达到实用化程序，如软件可靠 性建模技术、管理技术等。可以说这一时期，软件可靠性从研究阶段逐渐迈 向工程化阶段。 2 0 世纪9 0 年代初，原机械电子工业部提出了“以科技为先导，以质量 为主线 的思路，沿着管起来控制好上水平的发展模式开展可靠性 工作，兴起了我国第二次可靠性工作的高潮，取得了较大的成绩。进入2 0 世纪9 0 年代，由于软件可靠性问题的重要性更加突出和软件可靠性工程实践 范畴的不断拓展，软件可靠性逐渐成为软件开发者需要考虑的重要因素，软 件可靠性工程在软件工程领域逐渐取得相对独立的地位，并成为个生机勃 勃的分支。 1 9 9 1 年海湾战争的“沙漠风暴”行动和科索沃战争表明，未来战争是高 科技的较量。现代化技术装备，由于采用了大量的高技术，极大地提高了系 统的复杂性，为了保证战备的完好性、任务的成功性以及减少维修人员和费 用，可靠性工程范围将大大扩展，需要更多的可靠性技术做保证，需要更加 严密的可靠性管理系统，可靠性研究需要上一个台阶。 近年来，机器人系统可靠性技术也取得了很大的突破。2 0 0 4 年5 月6 日， 美军在北欧演习时，丢失了一台b p a u v ，5 月1 1 日才在挪威的海滩上发现。 这次事件也说明，无缆自治水下机器人必须具备较强的可靠性，否则，难以 应对复杂海洋环境。 2 0 0 5 年美国海军研究生院发表的年度技术报告中开始对水下机器人的 冗余容错技术开展专题讨论。该报告认为，目前水下机器人诸如导航、传感 等技术已经成熟，目前待突破的领域是如何确保任务顺利实施，提高完成任 务的可靠性。文中认为，一方面，要使用高可靠的传感器、高可靠的连接方 式以及高可靠的计算平台，另一方面必须建立起完善的检错机制，这是因为 静态的故障容易被发现，而动态错误由于其本身就是转瞬即逝，难以被发现。 例如某个传感器报了错误数据，可能是偶然，也有可能是其彻底失效的前兆， 时间长了可能导致难以挽回的故障。这两种情况差别很大，必须加以解决。 欧洲的水下机器人研究目前也处在领先地位。2 0 0 2 年，为了统一水下机 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器人和陆地机器人的平台结构并提高性能，欧洲5 国由法国牵头，法国、德 国、西班牙、意大利和丹麦等国的科研机构参加，联合开展了名为 “a d v o c a t ei i ”( a d v a n e e do n b o a r dd i a g n o s i sa n dc o n t r o lo fa u t o n o m o u s s y s t e m s ，即无人系统先进板载诊断与控制) 的项目，其目的就是提高各种智 能机器人系统在不同环境下的安全性，同时提高自动化程度和系统的可靠性 与效率。为此提出了新的开放式、模块化、通用的故障诊断和控制结构，使 之能与各种不同的智能控制系统相配合，以提高各种无人智能机器人的可靠 性。2 0 0 2 到2 0 0 4 年，“a d v o c a t ei i 在德国、法国、丹麦的水下机器人 上和美国u a h 地面机器人进行了大量试验，取得了很大进展。 随着各种技术的突破性进展，如今的系统越来越复杂，功能也越来越强 大。然而正是由于系统功能的强大和复杂程度的提高，随之产生的系统可靠 性问题更加日益突出。并且如今的系统承载着大量的信息，一旦发生崩溃所 带来的损失是无法估量的。因此如何设计具有高可靠性的系统的研究一直是 国际上的一个研究热剧冽 2 t 冽i z 3 1 h i 2 s 。另外在概率论和数理统计的基础上引 入了模糊数学，产生了更能刻画系统可靠性特征的模糊可靠性理论p 引3 习口q p r j 1 4 论文的研究意义和主要内容 1 4 1 论文的研究意义 a u v 在海底资源勘探、调查、目标搜索和识别以及在军事中的应用越来 越广泛，对其智能化水平的要求也在提高。而a u v 能够完成赋予它的使命 的前提是其自身的可靠性。现阶段a u v 的技术还不成熟，a u v 的各设备和 部件易出现故障，同时人们也无法对其进行直接干预( 或人们干预的代价很 高) 。如果故障没有及时诊断出来并作相应的处理，a u v 将会以一种不可预 测和危险的方式工作，不仅缩短其寿命，严重时不能正常的完成使命和任务， 甚至导致灾难性的后果。因而提高a u v 的安全性、可靠性和智能水平极为 重要，已经成为a u v 技术的迫切研究任务。 本课题研究的总体目标就是通过对故障树的分析找出a u v 系统的薄弱 环节，计算以a u v 不能正常工作为项事件的故障树的可靠性指标，并进行 模糊分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 2 本论文研究的主要内容 本论文对水下潜航器的可靠性进行了研究。在阅读大量文献，并进行了 深入分析的基础上，结合我们的具体情况，研究了基于故障树的a u v 的可 靠性问题。 本论文共分为5 部分： 第l 章首先简要地介绍了a u v 的国内外发展概况，然后又介绍了可靠 性技术的概况。最后说明本论文的研究的意义和主要内容。 第2 章首先介绍了a u v 的发展史和它的分类情况，然后介绍了a u v 的特点和应用前景，又根据a u v 系统所包含的部分给出了a u v 的系统框图， 并说明了每部分的功能。 第3 章采用了基本可靠性分析、任务可靠性分析和故障树分析三种方法 对a u v 进行可靠性分析，画出了基本可靠性和任务可靠性的框图，根据a u v 系统中各部件的串并联性质得出可靠性参数。重点讨论故障树分析方法，画 出以a u v 不能正常工作为顶事件的故障树，并简化了故障树，从定性、定 量两方面来分析；最后得出a u v 故障树可靠性的结构函数。 第4 章采用了可靠性数字仿真方法，即蒙特卡罗方法，在计算机上模拟 a u v 系统的寿命过程，通过仿真可以获得系统寿命过程的多个伪随机样本， 找出a u v 系统的薄弱环节。 第5 章因传统的故障树分析法存在着一些理论和方法上的不足，无法解 决顶事件和底事件的发生概率不确定( 模糊概率) 的问题。为此引入了模糊故 障树分析法，通过对a u v 系统的故障树进行模糊的定性和定量分析，从原始 故障树逐级计算法和等效故障树计算法分别计算了顶事件发生的模糊概率。 最后，对所做的工作加以总结，提出有待进一步探讨的问题。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章a u v 的系统分析 2 1 当前a u v 研究工作的特点瞪1 6 州的发展历史几乎与r o v 一样长，有近半个世纪了，然而r o v 进入 商业化应用已经有3 0 多年了，a u v 的商业应用似乎刚刚开始。a u v 与其发 展史上经历了很长的低谷时期，到了9 0 年代，才开始了加速发展的新时期， 这是因为制约a u v 发展的关键技术有了很大的进步，市场需求特别是军事 领域的需求为a u v 的发展提供了强大的动力。综观当前的发展形势有以下 几个特点： 1 a u v 的数量有较大幅度的增加。据不完全的统计，8 0 年代末，世界上 a u v 的总数不到2 0 艘，到了9 0 年代末，这个数量增加到7 0 艘，也即近十 年a u v 增加的数量比前4 0 年的总和多了两倍半。 2 当前a u v 的研究工作与r o v 和载人潜器相比是最受世界各国关注 的。目前关于a u v 的学术讨论十分活跃，国际上有几个专门针对a u v 的讨 论会，如“无人无缆潜水器技术国际讨论会 ，由美国新罕布什尔大学主办， 每两年举办一次，已经连续举办了1 1 次。此外，关于浅水a u v 和军方主办 的军用a u v 的国际讨论会也相继多次举行。在一些与海洋和海洋工程相关 的国际讨论会上，a u v 逐渐成为了主要的讨论题目。“海洋”国际会议最具 代表性。 3 a u v 仍处于研究阶段。目前，世界上开发出的a u v 大多数属于试验 床或试用样机，可作为商品出售的尚不多。 4 多数a u v 项目都是由军方资助的。 5 a u v 的研究开发工作主要集中在大学和研究机构中，但是企业界开始 介入a u v 这一领域。到1 9 9 7 年介入这一领域的各类机构中企业已经占一半 左右。 2 2 a u v 的分类 1 目前，世界上出现的a u v 很多，各不相同，最大的a u v 重量达8 6 吨( 加 拿大的t h e s e u s ) ，最小的a u v 重量为4 5 千克( 日本的a e d a c ) 。所有a u v 都 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是针对具体目标专门进行设计的，还没有形成统一的规范和标准。我们可以 根据不同的原则将a u v 分类。 按照a u v 智能水平可以将a u v 分成三类： 1 预编程a u v ； 2 智能a u v ； 3 监控a u v 。 预编程a u v 是a u v 中最简单的一种，这种机器人所执行的使命是离线 编制好以后下装到a u v 中的。在执行使命时基本上是按照程序的编排进行 作业。这类机器人有简单的越过障碍和发生故障时进行处理的能力，有的 a u v 还能接收简单的命令( 如修改航线) 并加以执行。 预编程a u v 已经进入了实用化阶段，法国的“逆载鲸”，俄罗斯的 “m t - 8 8 ，美国的“a u s s 及我国的“c r - 0 1 都有了良好的应用记录。 按照航程可以将a u v 分成两大类： 1 近程6 ： 2 远程a u v 。 一次补充能源连续航行1 0 0 千米以下的称为近程a u v ，大于1 0 0 0 千米 的称为远程a u v 。远程a u v 以军事应用为主。 也可以按执行的使命范围分成以下两类： 1 局部使命a u v ； 2 大范围使命a u v 。 局部使命是指a u v 在一个较小的作业现场执行使命，例如海洋石油钻井 井架附近。执行这类任务通常要求a u v 与水面支持设备之间能进行高速率 的通讯，以便能将水下信息，主要是图像信息传送给控制台，使操作者能像 操作r o v 那样操作a u v ，这种类型的a u v 有时也称为声遥控型a u v 。 大范围使命a u v 是指在一个几平方千米到几十平方千米的区域里执行 的使命，例如搜索沉于某已知海区的船舶、飞机、重要军事物，对海底地形、 地貌进行测量，观察海洋生物或取样等作业。这里所说的大范围一般是指长 基线声学定位系统覆盖的区域。超出覆盖区需要移动海底基阵至另外区域重 新投放。 按照a u v 的应用目的还可以把a u v 分为： 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 军用a u v ； 2 民用a u v 。 军用a u v 的应用目标主要有反水雷、作为攻击型兵器、侦查、破坏等。 民用a u v 的应用目标比较广泛，主要用于海底资源调查、海洋科学研究 等领域。 a u v 还可以按其价值分为： 1 普通型a u v ： 2 经济型a u v 。 经济型a u v 是针对一般成倍在几十万至几百万美元，不易推广应用的项 目开发出来的异类a u v ，一般造价在几万美元以下。这类a u v 是针对特定 应用而设计，结构特别简单，安装设备少，因而价格十分便宜。如有一种无 动力的a u v ，可进行局部海区的海洋要素测量，它可像滑翔机一样在确定的 海区“盘旋 。有些a u v 兼有其他类型水下机器人的特点，我们称之为混合 型a u v 。这种a u v 有： 1 有缆一无缆两用型； 2 自治一拖拽两用型。 正如签名指出的，a u v 仍处在研究开发阶段，根据不同的应用背景，人 们必将开发出更多类型的a u v 。 2 3a u v 的特点及其应用前景p 1 每一种水下机器人都有其特点和其应用范围，a u v 具有以下特点： 1 重量轻、外形尺寸小 这里所说的重量轻和外形尺寸小，是指包括水面支持系统在内的整个系 统而言。单就水下载体而言，a u v 并不一定是最小的。 2 活动范围大、机动性好 活动范围大、机动性好是6 山的突出优点，这也是a u v 最诱人之处。 a u v 的活动范围不是受脐带电缆长度的约束，而是受能源、导航定位范围的 约束。由于选择的能源类型不同，a u v 的续航力相差很大。采用铅酸电池和 热机作为动力，显然其续航能力将大大增加。小型核动力装置也可用于a u v ， 当然，其代价是极其高昂的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 小体积的a u v 可以较为自由地进入复杂的结构物或小尺度的空间中，这 是其他类型机器人难以做到的。但必须指出的是，a u v 在这种环境中的操作 与控制也是困难的，这对a u v 的智能提出了很高的要求。要把这一优点变 为可利用的现实还需人工智能、局域导航定位等相关技术的进步。 3 对气象条件的依赖性小 我们的研究结果表明只要a u v 工作深度在3 0 米以下，基本上不受海洋 表面海况的影响，但是a u v 在投放入海或从海上收回时还是受海况影响的。 恶劣海况会给这种工作，特别是回收a u v 造成很大的困难，也有很大的风 险存在。因此，研制安全的水下自动回收a u v 装置的必要性特别大。 从岸基发射并在岸基回收的a u v 则没有上述缺点，这也是当前国际上 的一个发展方向。 4 制造和使用成本低 有人有一种误解，一位a u v 既然是智能水下机器人，技术复杂，必然 造价十分昂贵。实际上，6 的智能是由计算机实现的，而计算机的成本在 整个a u v 成本中已无足轻重，相比之下，r o v 中脐带电缆、吊放系统和绞 车等常规性设备的成本倒是占相当大的比重。如果说目前a u v 的成本很高， 主要是应为a u v 尚处于开发阶段。 a u v 与载人潜器相比，它不载人，安全性好。安全性是实际应用中必须 考虑的重要因素，载人潜器的乘员是经过特别训练的专门人员，有的是科学 家，其生命代价极其高昂，所以载人器必须具备一套昂贵的生命维持系统和 很高的可靠性。相对而言，载人潜器的体积和重量都是很大的，与此相关的 水面支持设备也十分庞大。对母船的要求也很高。这些导致了载人系统的制 造成本、运行成本和维护成本大大地高于r o v 和a u v 系统的成本。在人们 有可能用其他手段完成任务的情况下是不会选择载人潜器的。 a u v 与拖拽式r o v 相比也有一些特点。拖拽式r o v 由水下拖体、拖 缆、绞车和相关的控制设备组成，调查设备和测量仪器安装在水下拖体上， 拖体的形状有点像鱼，因而也称这种水下机器人为“拖鱼 。水下拖体本身没 有自航能力，由母船通过拖缆拖带航行。“拖鱼”主要用于大范围内搜索沉于 海底的重要沉物或者用于进行各种海洋学测量，这种机器人装备了搜索仪器 设备、测量水下环境参数的传感器。机器人通过缆索供电和传输信息，它的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最大优点是水下载体结构简单，能长时间、长距离地进行调查作业。 这种系统与a u v 相比较有以下不足之处： 1 “拖鱼 系统的水面支持设备庞大，特别是工作水深增加时，拖拽缆 索很长，为此，母船上安装的绞车和吊放设备十分庞大。这使得该系统的制 造、使用和维护成本大大增加。它不仅占用母船大量空间，对母船的排水量 要求也比较高。 2 a u v 的转弯半径只有1 0 米，有的a u v 甚至可以原地转弯。“拖鱼 的转弯则十分困难，如果缆索很长，例如，工作深度5 0 0 0 米的“拖鱼 缆索 长度可达1 0 千米，其转弯半径不小于l o 米，这对某些搜索工作是不利的。 3 “拖鱼 的速度受缆索的阻力限制，一般只能以1 2 节速度进行搜 索，a u v 的搜索速度可以提高，例如，美国的a u s s ，搜索速度可达7 节。 4 水面母船受波浪的影响会产生摇摆及升沉运动，这种运动通过缆索影 响水下拖体的正常行进，从而影响拖体上调查设备的正常工作。 5 “拖鱼”系统定位精度很难保证。 6 “拖鱼”作业时，母船不能执行其他使命。a u v 入水作业后母船可以 执行其他作业使命。 载人潜器和r o v 的机动性较差，而且执行使命的代价很高，a u v 的机 动性好，执行使命花费的代价低，因此用一台或多台a u v 先进行大范围的 搜索与调查，在这种调查的基础上确定需要进行仔细观察或进行采样作业的 小区，再使用载人潜器或r o v 在制定的小区去完成上述作业。这显然是最 有效和最为经济的实施策略。 。 载人潜器在观察海洋中，特别是在海底的生命形态监测、环境和地质调 查方面是一种极好手段，但载人潜器每次下水的代价很高，而且每次潜水的 时间和行程都是有限的，例如，常规的地球物理调查和水团调查，虽然可以 使用载人潜器来完成，但不是最有效和最经济的方案。使用多艘a