基于費用估算的地空導(dǎo)彈裝備部件維修方案分析方法

汪文峰，張 琳，史文杰，趙海洲

(1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051； 2.中國航天科工集團十院302所,貴州 貴陽 550009；3.北京航天航空大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

基于費用估算的地空導(dǎo)彈裝備部件維修方案分析方法

汪文峰1，2，3，張 琳1，史文杰1，趙海洲1

(1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051； 2.中國航天科工集團十院302所,貴州 貴陽 550009；3.北京航天航空大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

針對地空導(dǎo)彈裝備部件維修方案選擇問題，綜合考慮裝備工作時間、部件可靠性、中繼級修復(fù)比例及環(huán)境因子等參數(shù)，給出了地空導(dǎo)彈裝備部件維修方案分析思路，構(gòu)建了部件維修系統(tǒng)維修費用估算模型，仿真分析了各參數(shù)對部件維修系統(tǒng)總費用的影響。結(jié)合具體實例，分析了地空導(dǎo)彈裝備部件維修方案定量判斷標(biāo)準(zhǔn)，為部件維修方案選擇提供了量化決策支持。

費用估算； 地空導(dǎo)彈裝備； 部件；維修方案

地空導(dǎo)彈裝備部件保障能力直接影響地空導(dǎo)彈裝備的戰(zhàn)備完好性和戰(zhàn)斗力的提升[1]。部件維修(故障件修理)費用是裝備維修保障費用的主要組成部分，而費用估算對管理裝備維修保障費用、優(yōu)化部件維修系統(tǒng)、節(jié)約經(jīng)費及提高維修保障效率具有十分重要的意義。目前，地空導(dǎo)彈裝備部件維修系統(tǒng)主要由基層級(營層)、中繼級(旅(團)層)和基地級3個級別構(gòu)成[2]。依據(jù)中繼級維修機構(gòu)是否具備部件修理能力，部件維修保障方案通常有2種：一種是中繼級維修機構(gòu)修理故障件，方案是二級維修+三級庫存；另一種是中繼級維修機構(gòu)不修理故障件，方案是一級維修+三級庫存[3]。究竟選擇何種方案，需通過估算部件維修系統(tǒng)費用，并將其作為主要判斷準(zhǔn)則[4-7]。為此，筆者構(gòu)建了地空導(dǎo)彈裝備部件維修費用指標(biāo)體系和3級部件維修系統(tǒng)費用估算模型，并運用該模型對不同條件下的部件維修方案進行分析，為部件維修方案的選擇提供了一種新的思路和方法。

1 部件維修分析

1.1 部件維修任務(wù)

地空導(dǎo)彈裝備的修復(fù)性維修(排故)一般通過更換部件來完成，其主要工作及程序如圖1所示。傳統(tǒng)的故障件維修流程如圖2所示。

圖1 修復(fù)性維修的主要工作及程序

圖2 傳統(tǒng)故障件維修流程

1.2 部件維修方案

新型地空導(dǎo)彈裝備技術(shù)先進、集成化程度高，對檢測維修設(shè)備和維修人員的素質(zhì)要求也相對較高，目前主要有2種部件維修方案：1)在中繼級維修機構(gòu)形成對部分故障件的維修能力，簡稱“二級維修”，即傳統(tǒng)的故障件維修方案；2)中繼級維修機構(gòu)不修理任何故障件，所有故障件的維修任務(wù)全部由基地級維修機構(gòu)承擔(dān)，簡稱“一級維修”，如圖3所示。

圖3 故障件一級維修方案

1.3 部件維修系統(tǒng)分析

由于裝備擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù)不同，因此需要相應(yīng)的部件維修系統(tǒng)與裝備的任務(wù)、復(fù)雜程度和部隊編制體制等相協(xié)調(diào)。部件維修系統(tǒng)主要以經(jīng)濟性為主要目標(biāo)或主要判斷準(zhǔn)則來確定維修方案，其分析思路如圖4所示。

圖4 部件維修系統(tǒng)分析思路

2 三級部件維修系統(tǒng)維修費用估算

2.1 部件修理影響因素

部件修理影響因素主要有3個方面：1)部件本身的可靠性，采用部件的平均故障間隔時間(Mean Time Between Failures，MTBF)來衡量；2)裝備結(jié)構(gòu)與工作時間，裝備結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，訓(xùn)練時間越長，出現(xiàn)故障的次數(shù)就越多，故障件的修理量也就越大；3)所處地理環(huán)境，裝備使用環(huán)境越惡劣，部件故障次數(shù)就越多，修理量也就越大。

2.2 部件修理任務(wù)預(yù)測

部件壽命分布類型可分為指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布等，各壽命分布類型及其相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 部件壽命分布及其相關(guān)指標(biāo)

設(shè)各種壽命分布的部件故障概率密度函數(shù)為f(t)，裝備每天訓(xùn)練時間(部件工作時間)為t0，根據(jù)可靠性理論，則部件故障概率為

(1)

地空導(dǎo)彈裝備部件故障率一般為10-4量級，表2為某型雷達(dá)維修單元的MTBF和故障率。可見：P(t=t0)與t0/MTBF差別很小，可用t0/MTBF代替P(t=t0)。

表2 某型雷達(dá)維修單元的MTBF及故障率

考慮環(huán)境因子k[8]的影響，其計算方法參考文獻[8]，因此故障概率為

(2)

設(shè)某型地空導(dǎo)彈裝備服從指數(shù)分布的部件數(shù)量為Ne，則每天出現(xiàn)i次故障的概率為

(3)

每天平均修理服從指數(shù)分布的故障件數(shù)為

(4)

同理可得：每天平均修理服從正態(tài)分布、威布爾分布和其他分布的故障件數(shù)分別為

(5)

則該型地空導(dǎo)彈裝備每天平均修理的故障件數(shù)[3]為

ED=Ee+En+Ew+E0，

(6)

一個更換周期(月)內(nèi)修理的故障件數(shù)量Gj為

Gj=Nm·ED。

(7)

式中：Nm為更換周期的天數(shù)。

3 部件維修系統(tǒng)維修費用估算

3.1 基層級

由于基層級維修機構(gòu)不具備部件修復(fù)能力，其采用換件維修方式來完成裝備維修任務(wù)，若備件短缺，則需要向中繼級倉庫申請補領(lǐng)，因此，基層級部件維修費用主要是備件的包裝、儲存和運輸費用[4]，即

CO=CPO×T×12×NCO，

(8)

式中：CO為基層級部件維修總費用；CPO為基層級每次領(lǐng)取備件的包裝、儲存和運輸費用；T為裝備壽命；NCO為基層級每月申請領(lǐng)取備件的次數(shù)。

3.2 中繼級

中繼級部件維修系統(tǒng)維修費用指標(biāo)及其估算公式如表3所示，則中繼級部件維修總費用CI[5]為

表3 中繼級部件維修系統(tǒng)維修費用指標(biāo)及其估算公式

CI=CIse+CIsem+CItng+CItd+CIs++CIss+CI1。

(9)

當(dāng)中繼級修復(fù)比例、每年保障設(shè)備維修費用占其保障設(shè)備費用的百分比均為0時，說明中繼級不具備修理能力。

3.3 基地級

基地級部件維修系統(tǒng)主要費用指標(biāo)及其估算公式如表4所示，則基地級部件維修總費用CD[6]為

CD=CDse+CDsem+CDtng+CDtd+CDs+CDss+CD1。

(10)

表4 基地級部件維修系統(tǒng)維修費用指標(biāo)及其估算公式

4 基于費用估算的部件維修方案選擇

設(shè)有20套火力單元部署于某沿海一線，共4個旅團，為此構(gòu)成了20個基層級、4個中繼級、1個基地級的部件維修系統(tǒng)。

4.1 裝備工作時間t的影響

在3種不同的中繼級修復(fù)比例RBI下，部件維修系統(tǒng)總費用與裝備工作時間t的關(guān)系曲線如圖5所示?？梢姡寒?dāng)RBI=0，為一級維修方案的總費用；當(dāng)t=1 h且RBI≥0.8或t≥3 h時，采用二級維修方案較經(jīng)濟；當(dāng)t=2 h且RBI≤0.4時，采用一級維修方案較經(jīng)濟，且部件維修系統(tǒng)總費用隨著裝備工作時間的增加而增大，驗證了模型的準(zhǔn)確性。

圖5 部件維修系統(tǒng)總費用與裝備工作時間的關(guān)系曲線

4.2 部件MTBF的影響

部件維修系統(tǒng)總費用與MTBF的關(guān)系曲線如圖6所示?？梢姡弘S著MTBF的增加，裝備越可靠，部件的故障數(shù)越少，部件維修系統(tǒng)的總費用也隨之減小;在維修方案選擇上，當(dāng)所有部件的MTBF<900 h或RBI≥0.8時，采用二級維修方案較經(jīng)濟；當(dāng)MTBF>1 600 h或900 h≤MTBF≤1 600 h且RBI≤0.4時，采用一級維修方案較經(jīng)濟。

圖6 部件維修系統(tǒng)總費與MTBF用的關(guān)系曲線

4.3 中繼級修復(fù)比例RBI的影響

部件維修系統(tǒng)總費用與RBI的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢姡寒?dāng)所有部件的MTBF=500 h且RBI≤0.15時，采用一級維修方案較經(jīng)濟；當(dāng)MTBF=1 000 h且RBI≥0.4時，或MTBF=2 000 h且RBI≥0.9時，采用二級維修方案較經(jīng)濟。

4.4 環(huán)境因子k的影響

部件維修系統(tǒng)總費用與環(huán)境因子k的關(guān)系曲線如圖8所示?？梢姡寒?dāng)k≤0.3或0.3≤k≤0.7且RBI≤0.6，或當(dāng)k≥0.7且RBI≤0.5時，采用一級維修方案較經(jīng)濟；當(dāng)RBI≥0.8時，采用二級維修方案較經(jīng)濟。

圖7 部件維修系統(tǒng)總費用與RBI的關(guān)系曲線

圖8 部件維修系統(tǒng)總費用與環(huán)境因子k的關(guān)系曲線

5 算例分析

以20套某型地空導(dǎo)彈雷達(dá)部件維修為例進行分析，其中：10套列裝在東南沿海一帶，k=0.6；另外10套列裝在西北某地，k=0.1。設(shè)該型雷達(dá)共有150個部件，依據(jù)部件MTBF可分為7類，部件MTBF及數(shù)量如表5所示。

表5 部件MTBF及數(shù)量

通過部件維修系統(tǒng)進行費用估算仿真分析，2種環(huán)境下部件維修系統(tǒng)總費用與工作時間的關(guān)系曲線如圖9所示。

由圖9可以看出：當(dāng)t=1 h或t=2 h且RBI≤0.4時，2個地區(qū)都采用一維修方案較經(jīng)濟；當(dāng)RBI≤0.8時，在東南沿海地區(qū)采用二級維修方案較經(jīng)濟，而在西北地區(qū)采用一級維修方案較經(jīng)濟。

圖9 2種環(huán)境下部件維修系統(tǒng)總費用與工作時間的關(guān)系曲線

6 結(jié)論

部件維修方案選擇影響因素眾多，綜合考慮裝備本身、使用情況及環(huán)境等因素，從維修費用估算入手，對地空導(dǎo)彈部件維修方案選擇問題進行了系統(tǒng)分析，得到相對量化的判別準(zhǔn)則，可為部件維修系統(tǒng)建設(shè)提供實踐指導(dǎo)，操作性更強，亦可推廣至其他電子裝備，但研究中尚未考慮戰(zhàn)時搶修能力，下一步將對考慮戰(zhàn)時搶修能力的部件維修方案選擇方法進行研究。

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[8] 汪文峰，楊建軍.裝備故障率預(yù)測模型[J].裝備環(huán)境工程，2007，4(5)：75-77.

(責(zé)任編輯：王生鳳)

An Analysis Method of Ground to Air Missile Equipment Components Maintenance Scheme Based on Cost Estimation

WANG Wen-feng1，2，3，ZHANG Lin1，SHI Wen-jie1，ZHAO Hai-zhou1

(1.Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China;2.Laboratory 302,the Tenth Institute of China Aerospace Science & Industry Group,Guiyang 550009,China;3.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

Aiming at the problem of ground to air missile equipment components maintenance scheme selection,based on the consideration of the equipment working time,component reliability,relay level repair ratio and environmental factors and other parameters,the analysis method of ground to air missile equipment components maintenance scheme is given,a model for estimating the maintenance cost of the components maintenance system is built,and the effects of various parameters on the total maintenance cost of components are simulated and analyzed.With specific examples,the missile equipment component maintenance system quantitative criteria are analyzed,which provides the quantitative decision support for component maintenance scheme selection.

cost estimation; ground to air missile equipment; components； maintenance scheme

1672-1497(2017)01-0035-05

2016-11-15

軍隊科研計劃項目

汪文峰(1980-)，男，博士研究生。

E92

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.008