張紅曉,王承紅
(北京電子工程總體研究所,北京 100854)
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地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度評估研究*
張紅曉,王承紅
(北京電子工程總體研究所,北京100854)
摘要:使用可用度(Ao)既是影響裝備效能的重要參數(shù),又是戰(zhàn)備完好性量化的根據(jù)。依據(jù)使用可用度度量方法,結(jié)合地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)任務(wù)要求及裝備使用、維修數(shù)據(jù),提出了一種在役裝備使用可用度評估方法,給出了使用可用度置信下限的計算方法。
關(guān)鍵詞:地空導(dǎo)彈;武器系統(tǒng);使用可用度評估
0引言
地空導(dǎo)彈武器是國土防空的重要武器裝備,常年擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班任務(wù),要求其隨時處于良好的戰(zhàn)備狀態(tài),因此,裝備的戰(zhàn)備完好性參數(shù)是極為重要的參數(shù)。戰(zhàn)備完好性是“裝備在平時和戰(zhàn)時使用條件下,能隨時開始執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力”[1]。
對一個完整的裝備系統(tǒng)在規(guī)定的實際使用環(huán)境下進行的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性評估,除了可以驗證裝備系統(tǒng)是否達到規(guī)定的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求外,還可以驗證保障系統(tǒng)的保障能力和裝備的使用可靠性維修性水平[2],根據(jù)地空導(dǎo)彈武器裝備戰(zhàn)備值班、作戰(zhàn)使用和維護維修的使用特點,地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性參數(shù)選取使用可用度AO。
在役裝備使用可用度評估,可為完善保障系統(tǒng)、裝備改型和新研提供重要信息。目前使用可用度的計算模型,主要是采用平均故障間隔時間與平均故障間隔時間、平均維修時間、平均延誤時間之和的比值簡化計算[3],或考慮預(yù)防性維修總時間對使用可用度的影響因子計算[4-5],用于論證階段使用可用度指標(biāo)預(yù)計、分配等工作;但在裝備使用階段,上述數(shù)據(jù)獲取、計算與部隊的使用、維修記錄不一致,如故障信息的時間記錄,部隊僅記錄了故障發(fā)生及修復(fù)的日期和時間,沒有按照理論上的延誤、修理時間分別記錄。為此,必須結(jié)合部隊實際情況,依據(jù)使用可用度度量方法,開展使用可用度評估。
1使用可用度定義及裝備時間分解
1.1使用可用度定義
可用性是產(chǎn)品在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時,處于可工作或可使用狀態(tài)的程度,可用性的概率度量稱可用度[5]。對于長期連續(xù)工作的裝備,瞬時可用度不便于反映其可用特性,需用穩(wěn)態(tài)可用度加以衡量。在地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工程實踐中,一般用使用可用度Ao來衡量,GJB451A-2005給出的使用可用度定義是:“與能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其一種度量方法為:產(chǎn)品的能工作時間與能工作時間、不能工作時間的和之比”。
1.2裝備時間分解
使用可用度與能工作時間和不能工作時間有關(guān),因此,需要明確裝備服役后的時間劃分,裝備服役期各時間段總?cè)諝v時間的分布示意圖如圖1所示。
預(yù)防性維修時間不包括在裝備運行的同時所進行的預(yù)防性維修活動的時間,在具體判定每個時間段是屬于能工作或不能工作的時間,要根據(jù)裝備的工作方式(如連續(xù)故障、間斷故障)和使用要求及特點進行判斷,如裝備的某些預(yù)防性維修工作類型,一般性保養(yǎng)、檢查等時間是屬于能工作時間[6]。
預(yù)防性維修一般是事先準(zhǔn)備好各種保障資源后開展維修工作,造成裝備不能工作時間主要是預(yù)防性維修時間,管理延誤和保障延誤時間可以不用考慮;修復(fù)性維修工作,從故障發(fā)生到修復(fù)的時間,包括了修復(fù)性維修時間、管理延誤和保障延誤時間。所以裝備不能工作時間主要考慮預(yù)防性維修總時間和由于裝備故障導(dǎo)致的維修和延誤總時間。
2系統(tǒng)組成和任務(wù)特點
2.1系統(tǒng)組成
地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是由導(dǎo)彈與維護、搜索跟蹤目標(biāo)、發(fā)射和引導(dǎo)導(dǎo)彈完成戰(zhàn)斗使命的各種設(shè)備和系統(tǒng)組成的一個獨立工作系統(tǒng)[7]。典型的地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)組成為:指揮控制車、搜索跟蹤雷達、制導(dǎo)雷達、若干發(fā)射車(一個發(fā)射車上裝配若干導(dǎo)彈)及供電電源組成。某型地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖如圖2所示。其中指揮控制車、搜索跟蹤雷達、制導(dǎo)雷達供電一般采用一主一備的非工作儲備,2輛發(fā)射車共用一電源供電,由于發(fā)射車可以編組,為保證q輛發(fā)射車正常工作,需要r個(q為偶數(shù)時,r=q/2;q為奇數(shù)時,r=(q+1)/2)電源為發(fā)射車供電即可,因此,可以認(rèn)為對發(fā)射車供電的D1,D2,…,Dn電源是多數(shù)表決系統(tǒng)。
圖1 裝備服役期總?cè)諝v時間分布示意圖Fig.1 Sketch map of calendar time during the weapon system service
2.2任務(wù)及維修特點
地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)主要承擔(dān)國土防空任務(wù),在發(fā)射陣地開展戰(zhàn)備值班,期間可能根據(jù)上級要求,陣地轉(zhuǎn)移后開展其他任務(wù)。
地空導(dǎo)彈預(yù)防性維修工作采取定期維護(日、周、月、年維護)和不定期維護相結(jié)合的方法[8],年維護每年一次,各裝備并行開展,期間影響裝備正常使用,日、周、月定期維護一般不影響裝備正常使用。為了保證導(dǎo)彈具有較高的可用度,定期對發(fā)射裝置上的導(dǎo)彈進行維護和測試,若導(dǎo)彈參數(shù)不合格,則用合格的庫存彈及時替換。不定期維護,根據(jù)裝備使用情況,視情進行維護。
修復(fù)性維修,主要對裝備日檢查或開機使用中發(fā)現(xiàn)的故障進行處理,并按照維修作業(yè)體系進行處理。部隊級不能處理的故障,申請基地級技術(shù)支援,基地級及時派技術(shù)人員攜帶設(shè)備、器材等到現(xiàn)場排除故障。
3地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度算法
3.1地面裝備使用可用度算法
結(jié)合地空導(dǎo)彈武器裝備常年擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班的這一任務(wù),且大部分時間武器系統(tǒng)處于可工作狀態(tài),按照GJB451A-2005使用可用度的度量方法,簡單變換:
(1)
不工作時間包括年維護時間和裝備故障后影響武器系統(tǒng)擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班任務(wù)時間。筆者認(rèn)為,一些采取提高任務(wù)可靠性配備的冗余裝備,在其故障時因有冗余,只要能滿足武器系統(tǒng)任務(wù)要求,即武器系統(tǒng)通過備份通道能夠工作,其故障時間就不應(yīng)屬于武器系統(tǒng)不工作時間;同樣,裝備故障后不影響裝備執(zhí)行任務(wù)的非嚴(yán)重故障,如人員空調(diào)不制冷,液壓支腿油液輕微滲漏等,不應(yīng)計入武器系統(tǒng)不能工作時間。
3.2導(dǎo)彈貯存可用度算法
地空導(dǎo)彈是一種長期貯存,一次使用的產(chǎn)品,其主要壽命過程是在不工作環(huán)境中度過的。根據(jù)維修性的相關(guān)研究結(jié)果及地空導(dǎo)彈儲存維修性的特點,導(dǎo)彈的長期貯存可用度[7,9]為
(2)
式中:Am為導(dǎo)彈貯存可用度;λm為導(dǎo)彈貯存期間的故障率;τ為導(dǎo)彈測試周期;a=e-λτ。
3.3武器系統(tǒng)使用可用度的點估計算法
(3)
式中:s為值班導(dǎo)彈數(shù);j為設(shè)計任務(wù)要求發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)。
圖2 地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面作戰(zhàn)裝備任務(wù)可靠性框圖Fig.2 Mission reliability block diagram for ground operation materiel of surface-to-air missile weapon system
3.4武器系統(tǒng)使用可用度的置信下限估計
假設(shè)地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面裝備的故障時間和維修時間服從指數(shù)分布[6],可以證明,使用可用度的1-α的單側(cè)置信下限為[11-12]
(4)
4算例
假設(shè)某地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的戰(zhàn)備值班任務(wù)可靠性框圖如圖2所示,圖中n=3,r=2,m=6,q=3。每個發(fā)射車上裝備4發(fā)導(dǎo)彈,系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)是發(fā)射2發(fā)導(dǎo)彈攻擊1個目標(biāo),即:s=12,j=2;裝備年維護解除戰(zhàn)備值班時間6 d,其他日、周、月定期維護不影響武器系統(tǒng)正常工作;導(dǎo)彈的測試周期為180 d,導(dǎo)彈貯存期間平均故障間隔時間MTBFM=50 000 h,2013年某型武器裝備嚴(yán)重故障的信息見表1。
4.1計算地面裝備使用可用度
2013年全年365 d,合計8 760 h,地面裝備不能工作時間包括年維護時間144 h和裝備故障影響戰(zhàn)備值班任務(wù)時間t。
從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù),電源A1和電源A2故障時間無重合,保證了對指揮控制車的正常供電,指揮控制車全年故障時間是35 h;電源B1和電源B2故障時間無重合,保證了對搜索雷達的正常供電,搜索跟蹤雷達全年故障時間56.5 h;電源C1和電源C2故障重合時間2 h,說明有2 h無法為制導(dǎo)雷達正常供電;制導(dǎo)雷達全年故障時間31 h,但其中有1 h故障時間與搜索跟蹤雷達重合, 在計算地面裝備不能工作時間時需扣除;電源D1,D2,D3故障時間無重合,6輛發(fā)射車未同時出現(xiàn)3輛以上故障。所以地面裝備因故障不能工作時間為
表1 某地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面裝備故障信息統(tǒng)計表
t=0+35+0+56.5+2+31-1+0+0=123.5(h).
地面裝備全年不能工作時間為
144+123.5=267.5(h).
根據(jù)式(1),地面裝備的使用可用度為
4.2計算導(dǎo)彈貯存可用度
a=e-λmτ=e-2×10-5×180×24≈0.917 2.
根據(jù)式(2),導(dǎo)彈的貯存可用度為
0.958 0.
4.3計算武器系統(tǒng)使用可用度點估計值
根據(jù)式(3),地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度為
可見,在任務(wù)設(shè)計發(fā)射少量導(dǎo)彈,而擔(dān)負(fù)值班導(dǎo)彈數(shù)量較大時,整個值班導(dǎo)彈的貯存可靠度趨近1,這與一些文獻中不考慮導(dǎo)彈的貯存可靠度,或?qū)?dǎo)彈貯存可靠度視為1是相通的。
4.4計算武器系統(tǒng)使用可用度置信下限估計值
表1中武器系統(tǒng)故障數(shù)k=18,取α=0.05,F(xiàn)0.05(36,36)=1.76,由式(4)得
Ao-L=0.947 5。
即某地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度的95%置信度的單側(cè)下限為0.947 5。
5結(jié)束語
使用可用度作為戰(zhàn)備完好性參數(shù)之一,是綜合保障的頂層參數(shù),對可靠性、維修性、保障性指標(biāo)論證起到關(guān)鍵作用。本文結(jié)合導(dǎo)彈貯存可用度和地面裝備使用可用度計算方法,提出了地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用可用度計算模型,并結(jié)合某型號地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù),給出了算例,為開展地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用階段使用可用度評估提供了一種工程實踐嘗試。
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Operational Availability of Surface to Air Missile
ZHANG Hong-xiao, WANG Cheng-hong
(Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China)
Abstract:Operational availability (Ao) is one of the important parameters of materiel effectiveness and is also a measurement of operational readiness. Based on the evaluation method of operational availability, the mission requirements and the data of operation & maintenance of surface to air missile weapon system, a method to assess operational availability of low limit confidence is put forward.
Key words:surface to air missile;weapon system;operational availability evaluation
中圖分類號:TJ762.1+3;E927
文獻標(biāo)志碼:A
文章編號:1009-086X(2015)-01-0129-06
doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.022
通信地址:100854北京142信箱30分箱E-mail:zhanghongxiaobj@163.com
作者簡介:張紅曉(1971-),男,河南禹州人。工程師,碩士,研究方向為武器裝備綜合保障。
基金項目:有
收稿日期:2014-05-06;
修回日期:2014-07-20