組合引信系統(tǒng)維修性建模分析探討

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 喬永珍

1.引言

在當(dāng)前形勢(shì)和條件下，武器裝備已經(jīng)成為世界各國(guó)研究和關(guān)注的重點(diǎn)。隨著武器裝備的不斷發(fā)展，組合引信方面也取得了相當(dāng)大的發(fā)展。

因此組合引信系統(tǒng)的維修和維修性是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素。因?yàn)榻M合引信系統(tǒng)無(wú)論是和平年代還是戰(zhàn)時(shí)時(shí)期都是非常重要的武器裝備系統(tǒng)，武器裝備的使用由于其操作和使用性能等因素勢(shì)必會(huì)帶來(lái)維修和維修性問題，所以研究和探討武器裝備的維修和維修性就顯得十分重要和必要。本文就組合引信系統(tǒng)的維修和維修性建模做一分析研究。

2.組合引信系統(tǒng)的維修和維修性

組合引信系統(tǒng)維修是指為使組合引信系統(tǒng)保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動(dòng)。根據(jù)武器系統(tǒng)的目的與時(shí)機(jī)可以分為：(1)武器系統(tǒng)的修復(fù)性維修：是指武器系統(tǒng)和裝備發(fā)生故障后，使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部維修活動(dòng)。(2)預(yù)防性維修：是指通過對(duì)組合引信接收器系統(tǒng)的系統(tǒng)檢測(cè)、檢查和發(fā)現(xiàn)故障征兆并采取措施以防止故障發(fā)生，使其保持在規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部維修活動(dòng)。

組合引信系統(tǒng)維修是指維修性是指武器裝備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。

3.組合引信系統(tǒng)的維修性建模

3.1 組合引信系統(tǒng)維修性模型的種類

從模型的性質(zhì)和形式分類，組合引信系統(tǒng)維修性模型的分類如圖1所示。

描述性模型：主要是運(yùn)用文字形式簡(jiǎn)明闡述系統(tǒng)的構(gòu)成、環(huán)境、功能層次、要求以及維修事件、維修活動(dòng)、維修作業(yè)步驟和維修任務(wù)的描述。這類模型用于維修性預(yù)計(jì)、分配中的有關(guān)輔助描述。隨著維修性領(lǐng)域研究的深入，它會(huì)向定量模型靠近。

流程圖和圖解式模型：通常用來(lái)顯示維修作業(yè)體制職能和維修時(shí)間組成部分之間的基本邏輯關(guān)系。如維修職能流程圖、系統(tǒng)功能層次圖和維修時(shí)間分解圖等。它可以為維修性的定量研究提供支持。

計(jì)算模型：是維修系統(tǒng)各種參數(shù)和變量的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系的抽象表達(dá)。是維修性定量分析的重要工具。

仿真模型：它是運(yùn)用通用的計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言或?qū)Ｓ玫哪M語(yǔ)言編寫的計(jì)算機(jī)程序模型。對(duì)整個(gè)壽命周期中的工作進(jìn)行模擬，根據(jù)仿真得出的統(tǒng)計(jì)量，確定存在的問題和可能改進(jìn)的范圍。

3.2 建立維修性模型的原則

(1)真實(shí)性，模型必須客觀真實(shí)地反映所研究的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)。

(2)目的性，模型的建立要針對(duì)研究目的，預(yù)計(jì)和分配建立的模型也不盡一致。

(3)清晰性，明確地描述所研究的維修性問題。

(4)經(jīng)濟(jì)性，模型要繁簡(jiǎn)適宜，經(jīng)濟(jì)適用。

(5)適應(yīng)性，適應(yīng)系統(tǒng)所處的環(huán)境和內(nèi)部條件。

3.3 維修性建模的步驟

(1)收集資料：主要包括：1)功能層次及其框圖；2)維修性建模的約束；3)系統(tǒng)的可靠性維修性定量要求和定性要求；4)可靠性分析的資料。

(2)確定目的：確定目的包括兩個(gè)方面，即建模的時(shí)機(jī)和建模的用途。

(3)確定建模的參數(shù)：由于維修性通常用維修時(shí)間、維修工時(shí)及故障隔離率等來(lái)表示，因此，維修性模型大致包括維修時(shí)間、維修工時(shí)及故障隔離率等模型。確定建模的參數(shù)要在上述兩項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行，參考GJB1909-94確定。最常規(guī)定的參數(shù)是平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)。

(4)選用適用的模型。

(5)建立維修性模型。

3.4 系統(tǒng)維修性模型

3.4.1 平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)模型

GJB451-89中，MTTR定義為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品在任一規(guī)定的維修等級(jí)上，修復(fù)性維修總時(shí)間與在該等級(jí)上被修復(fù)產(chǎn)品的故障總數(shù)之比。

假設(shè)系統(tǒng)由n個(gè)單元組成，各單元的故障率λi，已知各單元平均修復(fù)時(shí)間，系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間為：

3.4.2 系統(tǒng)維修時(shí)間與系統(tǒng)維修事件的維修時(shí)間的關(guān)系模型

系統(tǒng)的維修時(shí)間是由各不相同的維修事件所需時(shí)間組成的，它們之間的關(guān)系可以通過“全概率公式”進(jìn)行描述。

在研究系統(tǒng)的修復(fù)時(shí)間時(shí)，αi與產(chǎn)生維修事件的故障所對(duì)應(yīng)的故障率相關(guān)，即：

式中，iλ表示產(chǎn)生第i個(gè)維修事件的故障所對(duì)應(yīng)的故障率。

在研究系統(tǒng)的預(yù)防維修時(shí)間時(shí)，iα與維修事件發(fā)生的頻率相關(guān)，即：

3.4.3 維修事件的維修時(shí)間與相關(guān)維修活動(dòng)時(shí)間的關(guān)系模型

維修事件的維修時(shí)間與相關(guān)維修活動(dòng)時(shí)間的關(guān)系模型有時(shí)也稱為“白箱”維修性數(shù)學(xué)模型。維修事件確定以后，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和維修方案等，能夠確定出相應(yīng)的維修活動(dòng)或基本維修作業(yè)順序。歸結(jié)起來(lái)看，維修活動(dòng)或基本維修作業(yè)順序有3種形式：串行、并行及網(wǎng)絡(luò)。

串行作業(yè)模型：

一個(gè)維修事件是由多項(xiàng)維修活動(dòng)和基本維修作業(yè)或基本活動(dòng)組成。如果各維修活動(dòng)或基本維修作業(yè)是按一定順序依次進(jìn)行的，前一個(gè)作業(yè)完成后后一個(gè)作業(yè)開始，既不重疊也不間斷，我們就稱為串行維修作業(yè)，見圖2。在這種情況下，完成一次維修事件的時(shí)間就等于各維修活動(dòng)或基本維修作業(yè)時(shí)間的累加值。

設(shè)：T-完成某維修事件的維修時(shí)間，Ti-該次維修中第i項(xiàng)串行作業(yè)時(shí)間，M(t)-該次維修事件或活動(dòng)在時(shí)間t內(nèi)完成的概率，Mi(t)-第i項(xiàng)串行維修作業(yè)在時(shí)間t內(nèi)完成的概率，m-表示基本維修作業(yè)(或基本維修活動(dòng))的數(shù)目。則：

圖1 組合引信系統(tǒng)維修性模型的分類

其中：

并行作業(yè)模型：

如果構(gòu)成一個(gè)事件的各項(xiàng)活動(dòng)(或作業(yè))同時(shí)開始，則為并行作業(yè)。在復(fù)雜系統(tǒng)中，并行作業(yè)的情況很可能出現(xiàn)，常常由多人同時(shí)進(jìn)行維修，以縮短維修持續(xù)時(shí)間。因此，在并行作業(yè)中，維修事件應(yīng)是各項(xiàng)活動(dòng)時(shí)間的最大值，即：

該次維修事件或活動(dòng)在時(shí)間t內(nèi)完成的概率M(t)可近似表示為：

網(wǎng)絡(luò)作業(yè)模型：

如果組成維修事件的各項(xiàng)活動(dòng)（或基本維修作業(yè)）既不是串行又不是并行關(guān)系，一般說來(lái)無(wú)法直接用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型關(guān)系描述。此時(shí)，可采用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)或隨即網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)計(jì)算維修時(shí)間，也可采用網(wǎng)絡(luò)仿真的方法計(jì)算維修時(shí)間。

3.4.4 維修工時(shí)的數(shù)學(xué)模型

由維修工時(shí)的定義可知，其維修事件的維修工時(shí)Mci為：

式中，iα——第i個(gè)維修事件發(fā)生的概率；n——系統(tǒng)中的維修事件數(shù)。

3.5 組合引信系統(tǒng)任務(wù)維修性模型

3.5.1 組合引信系統(tǒng)任務(wù)維修性模型的特點(diǎn)

組合引信系統(tǒng)任務(wù)維修性模型對(duì)應(yīng)于任務(wù)可靠性模型，而任務(wù)可靠性模型是根據(jù)任務(wù)剖面建立的，可能有串聯(lián)、并聯(lián)、表決、冷貯備及其組合等多種形式的模型，且因任務(wù)而異。實(shí)際上任務(wù)維修性也與系統(tǒng)任務(wù)剖面有關(guān)，同時(shí)還與給定的任務(wù)剖面內(nèi)的維修原則(即維修時(shí)規(guī)定的狀態(tài))有關(guān)，這反映以下兩個(gè)特點(diǎn)：

在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)維修時(shí)機(jī)發(fā)生變化。首先是在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)有可能將預(yù)防性維修工作壓至最少，即減少了工作內(nèi)容和頻率；其次是在任務(wù)剖面內(nèi)對(duì)不影響任務(wù)的故障并不馬上著手進(jìn)行修理，往往需要等到一個(gè)任務(wù)結(jié)束時(shí)或系統(tǒng)喪失所需功能時(shí)才一并對(duì)故障單元進(jìn)行維修處理。這也可能降低了修復(fù)性維修的工作頻率，但有可能延長(zhǎng)了各維修事件所需的時(shí)間。

維修內(nèi)容發(fā)生改變。由于任務(wù)剖面的特殊性，有的情況下并不要求將所有故障全部排除，只是能恢復(fù)必須功能即可；而在條件允許時(shí)則需修復(fù)全部項(xiàng)目，這都需要改變維修過程中的工作內(nèi)容，使完成各維修事件所需的資源發(fā)生改變，如維修時(shí)間變長(zhǎng)或縮短。

由以上特點(diǎn)可以看出，組合引信系統(tǒng)任務(wù)維修性與系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)類型密切相關(guān)(體現(xiàn)在相應(yīng)的任務(wù)可靠性模型上)；其次是與各任務(wù)剖面中對(duì)維修所要求的規(guī)定狀態(tài)有關(guān)。第一個(gè)特點(diǎn)用于解決維修事件的種類與頻率的確定，由于預(yù)防性維修主要由預(yù)防維修計(jì)劃確定，可以控制其預(yù)防性維修頻率及內(nèi)容。第二個(gè)特點(diǎn)用于解決各維修事件所需的維修時(shí)間或資源的確定。

3.5.2 組合引信系統(tǒng)維修策略

組合引信系統(tǒng)維修策略分為以下3種：

維修策略——指對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修時(shí)預(yù)先所規(guī)定的修復(fù)原則。不同的維修策略所消耗的維修資源將會(huì)不同。本指南只采用了最小維修和最大維修兩種維修策略，在實(shí)際工作中可能有多種。

最小維修策略——所謂最小維修就是只修復(fù)影響任務(wù)成功的關(guān)鍵部件，如故障的串聯(lián)單元、最容易修復(fù)的故障冗余單元（對(duì)一個(gè)冗余系統(tǒng)中僅修復(fù)一個(gè)單元即可，且只維修其平均修復(fù)時(shí)間最短的冗余單元），或其組合，使系統(tǒng)能在最短的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

最大維修策略——?jiǎng)t是指一旦開展維修則修復(fù)全部故障單元。

在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)，系統(tǒng)可靠性框圖模型已經(jīng)建立。典型的任務(wù)剖面維修要求為：在任務(wù)期間，只要系統(tǒng)沒有產(chǎn)生影響任務(wù)的故障則不進(jìn)行維修；在任務(wù)期間，如果出現(xiàn)系統(tǒng)故障，則進(jìn)行最小維修或最大維修。至于實(shí)際采用何種維修策略乃至其他的維修策略，則需根據(jù)具體情況或維修規(guī)定來(lái)定；任務(wù)結(jié)束后，如果系統(tǒng)中存在單元故障則進(jìn)行最大維修。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我們了解了武器裝備系統(tǒng)維修性的重要性。文中提出了組合引信系統(tǒng)的維修性建模的種類和建立模型的原則。通過研究組合引信系統(tǒng)維修模型中的平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）模型、系統(tǒng)維修時(shí)間與系統(tǒng)維修事件的維修時(shí)間的關(guān)系模型、維修事件的維修時(shí)間與相關(guān)維修活動(dòng)時(shí)間的關(guān)系模型以及維修工時(shí)的數(shù)學(xué)模型4種模型，得知武器裝備維修建模的各種模式。同時(shí)，探討了武器裝備任務(wù)維修性模型的特點(diǎn)及其維修策略。