艦船系統(tǒng)有效可用度內(nèi)涵分析及應(yīng)用探討

李能鵬，馬麗萍

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

艦船系統(tǒng)有效可用度內(nèi)涵分析及應(yīng)用探討

李能鵬，馬麗萍

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

有效可用度(Effective Availability)是北太平洋公約組織(NATO)針對(duì)裝備任務(wù)期間可用性問(wèn)題而提出的全新概念，目前在國(guó)內(nèi)外還未進(jìn)行推廣應(yīng)用，我國(guó)還處于可行性探討研究階段。本文通過(guò)結(jié)合我國(guó)艦船系統(tǒng)任務(wù)期間武器裝備的使用、維修及保障等特點(diǎn)，分析了有效可用度概念的內(nèi)涵，以及有效可用度模型各參數(shù)的含義，提出了將有效可用度概念應(yīng)用于艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本思想與途徑等。

艦船系統(tǒng);有效可用度

0 引言

可用度是構(gòu)成裝備效能的關(guān)鍵要素之一，可用度又是確定裝備RMS(指可靠性、維修性和保障性)參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行權(quán)衡分析的依據(jù)。同時(shí)，可用度又是裝備作戰(zhàn)能力的主要特性，它把裝備的可靠性、維修性、測(cè)試性和保障性等設(shè)計(jì)特性綜合成為使用部門(mén)所關(guān)心的裝備使用參數(shù)。

本文結(jié)合我國(guó)艦船任務(wù)特點(diǎn)，探索了在任務(wù)期間艦船系統(tǒng)可用度分析的新思想、新概念、新原理，研究提出了將有效可用度概念應(yīng)用于艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本思路與途徑。

1 有效可用度概念提出的背景

常用的可用度概念主要是指產(chǎn)品在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。它反映的是與戰(zhàn)備完好性有關(guān)的系統(tǒng)可靠性、維修性和保障性參數(shù)的綜合影響。該可用度概念適用于所有武器裝備產(chǎn)品，具有一定的通用性和普遍性，而且在很大程度上綜合反映了武器裝備的總體性能，如固有可用度綜合反映了武器裝備固有可靠性與維修性之間的定量權(quán)衡關(guān)系，而使用可用度則綜合反映武器裝備的硬件、軟件、技術(shù)保障及環(huán)境條件的綜合結(jié)果，是描述裝備在實(shí)際使用環(huán)境中的可用性，它是度量武器裝備保障性的最主要的綜合參數(shù)之一。任務(wù)可用度是在持續(xù)時(shí)間T內(nèi)能以預(yù)計(jì)的工作時(shí)間不發(fā)生任何不能加以糾正的供正常使用的故障的概率。該定義考慮了工作期間發(fā)生的隨機(jī)故障，這樣的故障必須在時(shí)間限期內(nèi)得到修復(fù)。

可用度概念在使用過(guò)程中的影響因素、特點(diǎn)及局限性等分析比較如表1所示。

?

由于各軍兵種的武器裝備在研制、生產(chǎn)和使用中具有不同的特點(diǎn)，用戶對(duì)可用度指標(biāo)的要求也不盡相同，以艦船裝備為例。

1)艦船系統(tǒng)是一個(gè)巨型的復(fù)雜系統(tǒng)，故障類型種類繁多，許多故障其實(shí)并不影響任務(wù)的完成，說(shuō)明在任務(wù)期間不予修理或維護(hù)一般性故障產(chǎn)品，即不參與任務(wù)的某些系統(tǒng)，同樣能完成任務(wù)，任務(wù)結(jié)束再修理。例如:典型護(hù)衛(wèi)艦一般由通訊、導(dǎo)航、動(dòng)力推進(jìn)、電力、雷達(dá)、水聲、指控、武器(含導(dǎo)彈、艦炮)等8個(gè)主要系統(tǒng)構(gòu)成。其在各任務(wù)階段中參與工作的各主要系統(tǒng)不完全一致，如表2所示。

?

武器裝備使用部門(mén)試圖找到一個(gè)只反映影響任務(wù)完成的致命故障的專業(yè)特性綜合參數(shù)，從而真正全面反映任務(wù)期間的可用性問(wèn)題。

2)按可修與不可修分，一般產(chǎn)品可分為可維修產(chǎn)品和不可維修產(chǎn)品。然而，有些產(chǎn)品在特定的使用環(huán)境下，既可定義為可維修產(chǎn)品，又可定義為不可維修產(chǎn)品。例如，在艦船系統(tǒng)這個(gè)特殊平臺(tái)下，有些產(chǎn)品在任務(wù)期間是不可維修的，而在任務(wù)結(jié)束后是可維修的，如水中兵器系統(tǒng);還有在任務(wù)期間可維修，但在艦船系統(tǒng)這個(gè)平臺(tái)上，由于維修設(shè)備的限制、維修人員技術(shù)水平、備品備件的配置等原因不能在該平臺(tái)上直接維修，即船員級(jí)無(wú)法維修，必須轉(zhuǎn)移到中繼級(jí)和基地級(jí)進(jìn)行維修等。

3)由于現(xiàn)行受海軍管理體制的限定，艦船裝備在維修、保障過(guò)程中的管理延誤時(shí)間和保障延誤時(shí)間無(wú)法用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)度量，每次相同的事件發(fā)生的延誤時(shí)間差距較大，它對(duì)當(dāng)前的使用可用度計(jì)算產(chǎn)生比較大的誤差，因而力求在延誤時(shí)間為理想的狀態(tài)下，即沒(méi)有延誤時(shí)間的情況下分析裝備的可用性問(wèn)題。

通過(guò)綜合上述分析研究認(rèn)為，北太平洋公約組織(NATO)于2000年提出的“有效可用度”(Effective Availability)概念，能全面反映艦船武器裝備可用度設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文將結(jié)合艦船特點(diǎn)，分析其概念的內(nèi)涵及模型參數(shù)含義，從而指導(dǎo)艦船型號(hào)的研制工作。

2 有效可用度概念內(nèi)涵分析

根據(jù)北太平洋公約組織提出的有效可用度定義為:艦船系統(tǒng)在最大的使用周期內(nèi)的任意時(shí)刻可用狀態(tài)的概率，這里考慮了所有的致命故障，包括海上可修和不可修以及預(yù)防性維修。

結(jié)合現(xiàn)行海軍武器裝備特點(diǎn)，對(duì)有效可用度概念解讀如下:

1)一個(gè)致命的艦船系統(tǒng)故障通常是對(duì)每個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備而言，一般是指某項(xiàng)規(guī)定功能的喪失。例如不能完成本次任務(wù)或?qū)е氯蝿?wù)失敗等。

2)“最大使用周期”應(yīng)指艦船系統(tǒng)在歷次任務(wù)過(guò)程中，總?cè)蝿?wù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次。任務(wù)時(shí)間是指艦船完成一次任務(wù)(如作戰(zhàn)或訓(xùn)練、巡防)所需的時(shí)間，包括備航、航渡、完成任務(wù)和返航的總時(shí)間，不只僅指完成任務(wù)的時(shí)間。

3)定義針對(duì)的是在任務(wù)周期內(nèi)的概率，而不是壽命周期可用狀態(tài)概率。該特點(diǎn)是與我們常用的使用可用度定義最大區(qū)別之一，它反映的是任務(wù)周期內(nèi)的概率，而不是使用可用度中計(jì)算的是整個(gè)壽命周期可用狀態(tài)的概率，它們計(jì)算的時(shí)間區(qū)間重點(diǎn)不一樣。

4)定義考慮的是所有導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效的致命故障，而不是全部故障。該特點(diǎn)是與我們常用的使用可用度概念又一大區(qū)別，有效可用度定義關(guān)注的是平均致命故障間隔時(shí)間—MTBCF，而不是平均故障間隔時(shí)間—MTBF，說(shuō)明有效可用度概念更重視任務(wù)期間的故障發(fā)生、維修費(fèi)用、保障資源規(guī)劃等，而不是全壽命周期的裝備維修與保障等。

5)定義中的可修和不可修產(chǎn)品，其限定的范圍是海上這個(gè)特定的使用平臺(tái)，即在艦員級(jí)能否進(jìn)行維修為判斷依據(jù)，而不是以所有級(jí)別維修來(lái)判斷可修與不可修設(shè)備。

3 有效可用度模型參數(shù)

3.1 模型提出

基于有效可用度定義，北約通過(guò)工程實(shí)踐，提出的有效可用度模型經(jīng)驗(yàn)如式(1)所示，該公式綜合了產(chǎn)品基本可靠性、修復(fù)性維修、預(yù)防性維修以及不可修產(chǎn)品平均故障前時(shí)間等因素，從而得出系統(tǒng)有效可用度參數(shù)指標(biāo)。

式中:AE為系統(tǒng)有效可用度;MTBCF為平均致命故障間隔時(shí)間(海上可修);MART為平均有效修理時(shí)間;MTTCFnr為平均致命故障前時(shí)間(海上不可修);PM downtime為總的預(yù)防性維修任務(wù)停機(jī)時(shí)間;Missiontime為任務(wù)時(shí)間。

3.2 模型參數(shù)理解

1)MTBCF

MTBCF表示海上可修產(chǎn)品平均致命故障間隔時(shí)間。GIB451-90中定義:它是與任務(wù)有關(guān)的一種可靠性參數(shù)，是一種合同可靠性參數(shù)。其度量方法為:在規(guī)定的一系列任務(wù)剖面中，產(chǎn)品任務(wù)總時(shí)間與致命性故障總數(shù)之比。其中，致命故障指艦船系統(tǒng)在任務(wù)期間某項(xiàng)功能的喪失，即使產(chǎn)品不能完成規(guī)定任務(wù)的或可能導(dǎo)致人或物重大損失的故障或故障組合。

2)MART

MART指系統(tǒng)平均有效修理時(shí)間。致命故障發(fā)生后，任務(wù)停止執(zhí)行，而應(yīng)用規(guī)定的修理程序和資源對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行修理和恢復(fù)的時(shí)間平均值，即指系統(tǒng)完全失效的修理時(shí)間平均值，也即停機(jī)修理時(shí)間均值。它是修復(fù)性維修，不含預(yù)防性維修，是實(shí)際停機(jī)修復(fù)時(shí)間均值，不含改進(jìn)和延誤時(shí)間。

該參數(shù)的使用是有效可用度模型與通常使用的可用度模型中最大的區(qū)別之一，其主要表現(xiàn)在幾點(diǎn):

①M(fèi)ART體現(xiàn)的是在任務(wù)期間的修理時(shí)間，而MTTR體現(xiàn)的是壽命期間的修理時(shí)間，

②MART體現(xiàn)的是由于導(dǎo)致任務(wù)中止的致命故障而進(jìn)行的維修時(shí)間，而MTTR體現(xiàn)的是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)其原來(lái)功能的維修時(shí)間。

③MART是指在任務(wù)剖面內(nèi)排除致命性故障時(shí)間的平均值，是任務(wù)維修性的參數(shù)，主要反映裝備對(duì)任務(wù)成功性的要求，該項(xiàng)內(nèi)容與我們通常提到的MTTR的定義相似。而MTTR反映的是在壽命剖面內(nèi)排除所有故障的實(shí)際時(shí)間的平均值，是基本維修性參數(shù)，主要反映裝備的戰(zhàn)備完好性和對(duì)維修人力費(fèi)用的要求。

④MART和MTTR都是不包括由于管理或后勤供應(yīng)原因的延誤時(shí)間，排除故障的實(shí)際時(shí)間包括準(zhǔn)備、檢測(cè)診斷、換件、調(diào)校、檢驗(yàn)及原件修復(fù)等時(shí)間。

3)MTTCFnr

MTTCFnr是指海上不可修產(chǎn)品的平均致命故障前時(shí)間，指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品任務(wù)期間單位總數(shù)與致命故障產(chǎn)品總數(shù)之比。

4)PMdowntime

PMdowntime指艦船系統(tǒng)任務(wù)期間總的預(yù)防性維修任務(wù)停機(jī)修理時(shí)間。PMdowntime與PMtime(預(yù)防性維修修理時(shí)間)的主要區(qū)別在于，前者是針對(duì)任務(wù)期間的預(yù)防性維修，而后者則是針對(duì)全壽命期的預(yù)防性維修。

5)Missiontime

Missiontime指艦船系統(tǒng)的使用周期任務(wù)時(shí)間。該任務(wù)時(shí)間在公式中的內(nèi)涵表現(xiàn)在:①該時(shí)間是指艦船系統(tǒng)的執(zhí)行任務(wù)時(shí)間，而不是壽命周期時(shí)間。②在規(guī)定條件下，艦船系統(tǒng)任一次可出航執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間最大值。

4 有效可用度概念應(yīng)用

通過(guò)對(duì)有效可用度概念及其各參數(shù)的含義的分析研究，筆者認(rèn)為該模型從以下幾個(gè)方面能反映我國(guó)艦船系統(tǒng)任務(wù)期間的主要特點(diǎn)及特征:

1)能體現(xiàn)在海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下艦船系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如:體現(xiàn)在海洋特殊環(huán)境下產(chǎn)品可修與不可修問(wèn)題，體現(xiàn)在艦船系統(tǒng)平臺(tái)上的維修體制問(wèn)題等。

2)能全面、系統(tǒng)體現(xiàn)艦船系統(tǒng)在任務(wù)階段的綜合效能，包括可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性等問(wèn)題。

3)能體現(xiàn)艦船系統(tǒng)在任務(wù)階段的任意隨機(jī)時(shí)刻能執(zhí)行任務(wù)概率與任務(wù)期間致命故障維修時(shí)間不可修產(chǎn)品發(fā)生故障的概率等的關(guān)系。

4)能體現(xiàn)可靠性指標(biāo)、維修性指標(biāo)與研制費(fèi)用之間的權(quán)衡關(guān)系。

5)能體現(xiàn)艦船系統(tǒng)在最大任務(wù)周期內(nèi)的可用度問(wèn)題。

在艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，全面系統(tǒng)貫徹有效可用度的設(shè)計(jì)思想，可有效提升艦船裝備綜合作戰(zhàn)效能?，F(xiàn)結(jié)合我國(guó)艦船研制程序和特點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹有效可用度在艦船系統(tǒng)中的應(yīng)用程序與方法。

有效可用度是系統(tǒng)的一種作戰(zhàn)使用特性，由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性、設(shè)計(jì)維修性及設(shè)計(jì)保障性來(lái)保證。因此，制定并實(shí)現(xiàn)有效可用度要求的過(guò)程，也是制定可靠性、維修性和保障性要求，并使裝備具有任務(wù)所需要的可靠性、維修性及保障性，實(shí)現(xiàn)裝備綜合效能要求的過(guò)程，是有效地把裝備的作戰(zhàn)使用問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)或技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程。而有效可用度是艦船系統(tǒng)合同參數(shù)，必須將合同參數(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)換變成設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而在艦船設(shè)計(jì)中進(jìn)行使用。其主要應(yīng)用方法和途徑如圖1所示。

圖1 總體應(yīng)用途徑Fig.1 Total applied approach

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前面的分析，筆者認(rèn)為，有效可用度模型可應(yīng)用于具有獨(dú)立維修建制的艦船系統(tǒng)，并在執(zhí)行任務(wù)期間可進(jìn)行必要的維修作業(yè)。該模型也可應(yīng)用于具有上述特征的其他行業(yè)武器系統(tǒng)或在某一武器系統(tǒng)中某個(gè)特定的任務(wù)剖面。有效可用度概念目前在國(guó)內(nèi)外還未進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用，在我國(guó)還處于可行性探討研究階段。本文提出艦船系統(tǒng)有效可用度分析的基本思路與方法，可進(jìn)一步促進(jìn)有效可用度概念在我國(guó)艦船系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而真實(shí)反映艦船裝備的任務(wù)作戰(zhàn)水平。

［1］北約.可靠性與維修性要求文件編寫(xiě)指南［C］.北大西洋公約組織，2001.

［2］Schroeder Gene J.小型洲際彈道導(dǎo)彈可用性模型［C］.美國(guó)，2002.

［3］楊為民.可靠性維修性保障性總論［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［4］王少萍.工程可靠性［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

Analysis and discussion on the connotation of the ship system's effective availability

LI Neng-peng，MA Li-ping
(China Ship Research and Development Acadamy，Beijing 100192，China)

NATO proposed the new conception—effective availability，against the available problems during the equipment on task.Now it isn't promoted and applied at home and abroad.Our country is in the feasibility of research stage.This article by combining our ships system tasks during the use of weapons and equipments，maintenance and support，analyzes the concept of availability，and the meaning of the availability model parameters，how effective are the concepts applied to adapt the system design in the basic thinking and approach，etc.

ship system;effective availability

U674.7

A

1672－7649(2011)06－0130－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.030

2011－05－06

總裝預(yù)研基金項(xiàng)目——艦船有效可用度分析研究

李能鵬(1975－)男，高級(jí)工程師，主要從事艦船可靠性研究工作。