新型防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)分析

，，，

(1.軍事科學(xué)院科研部，北京 100091； 2.軍事科學(xué)院防化研究院，北京 100091)

0 引言

防化發(fā)煙車主要用于對重要目標(biāo)實施煙幕遮蔽，干擾敵激光、紅外、毫米波觀瞄、偵察器材及精確制導(dǎo)武器、雷達(dá)等，目前已配發(fā)數(shù)字化機(jī)步旅、高機(jī)步合成旅、工化旅、防化團(tuán)和防化營(連)等各類部隊使用。通過前期對各型防化發(fā)煙車配發(fā)到部隊的使用保障情況調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)很多故障的發(fā)生和維修保障案例都將問題根源指向裝備的質(zhì)量設(shè)計環(huán)節(jié)。如何在設(shè)計研制階段重視并提出切實可行的防化發(fā)煙裝備質(zhì)量特性設(shè)計方法，是當(dāng)前急需裝備設(shè)計人員和裝備質(zhì)量特性研究者聯(lián)合解決的問題。

世界主要國家在發(fā)煙車研制設(shè)計中非常重視RMST的一體化設(shè)計，認(rèn)為發(fā)煙車的RMST之間有著非常緊密的作用關(guān)系，各特性設(shè)計之間需進(jìn)行綜合權(quán)衡，保障策略的優(yōu)化與維修性設(shè)計可以直接影響可靠性設(shè)計。法國采用MT公司生產(chǎn)的TRS18航空發(fā)動機(jī)作為發(fā)煙車主發(fā)煙機(jī)，特點是ORU設(shè)計和機(jī)內(nèi)檢測設(shè)計考慮非常完備，具有良好的維修性和測試性，但價格較為昂貴[1]；美國早在上世紀(jì)90年代就已將THUNDER、LCOM、LORA、CALM 等多種先進(jìn)的仿真模型應(yīng)用到M56、M1059、XM49等型發(fā)煙車的研發(fā)中，成功對多種質(zhì)量特性參數(shù)及后勤保障系統(tǒng)所需的各種維修保障資源進(jìn)行優(yōu)化[2]。

考慮到我軍當(dāng)前防化發(fā)煙車環(huán)境適應(yīng)性和安全性設(shè)計與其它四性關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)且設(shè)計驗證方法較為完善，后期相關(guān)質(zhì)量問題反饋較少，因此本文重點研究其可靠性、維修性、保障性、測試性(Reliability、Maintainability、Supportability、Testability，簡稱RMST)指標(biāo)之間的作用關(guān)系，在已有國軍標(biāo)和相關(guān)研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建防化發(fā)煙車RMST設(shè)計總體流程和一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系，并對設(shè)計過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析說明。

1 新型防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 RMST設(shè)計工作思路

目前我國關(guān)于RMST設(shè)計的軍標(biāo)有近30項[3]，其中規(guī)范的可靠性相關(guān)設(shè)計項目有13個、維修性相關(guān)設(shè)計項目有6個、保障性相關(guān)設(shè)計項目有15項、測試性相關(guān)設(shè)計項目有8項，RMST設(shè)計工作項目多、層級多，且各特性之間互相作用關(guān)系明顯。當(dāng)前在防化發(fā)煙車可靠性、維修性、保障性、測試性工程設(shè)計領(lǐng)域中，通常見到的是任務(wù)可靠度或平均故障間隔時間(MTBF)、平均修復(fù)時間(MTTR)，以及故障檢測率(FDR)、故障隔離率(FIR)等指標(biāo)，沒有像性能指標(biāo)那樣有全面完整的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)體系和系統(tǒng)級參數(shù)指標(biāo)，以實現(xiàn)工程設(shè)計中各特性的統(tǒng)籌權(quán)衡[4]。

因此，在防化發(fā)煙車RMST設(shè)計工作中，急需關(guān)注一下兩個問題：一是必須結(jié)合發(fā)煙車任務(wù)剖面特點，合理劃分各層次各分系統(tǒng)關(guān)鍵工作項目，盡可能提高質(zhì)量設(shè)計效率，以確保足夠多的人力財力用于性能的設(shè)計；二是構(gòu)建適用于發(fā)煙車的RMST一體化設(shè)計準(zhǔn)則和機(jī)制，綜合權(quán)衡和優(yōu)化各特性指標(biāo)，實現(xiàn)裝備質(zhì)量的整體最優(yōu)。要解決這兩個問題，就必須明確RMST各指標(biāo)間的作用關(guān)系，分析各指標(biāo)設(shè)計工作之間的關(guān)系，進(jìn)而科學(xué)制定防化發(fā)煙車RMST設(shè)計流程；必須結(jié)合防化發(fā)煙車作戰(zhàn)任務(wù)剖面特點，選取適用的頂層設(shè)計指標(biāo)，構(gòu)建其設(shè)計指標(biāo)體系和頂層參數(shù)模型，進(jìn)而實現(xiàn)RMST綜合權(quán)衡和優(yōu)化。

1.2 防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計流程

1.2.1 RMST各參數(shù)作用關(guān)系描述

RMST各參數(shù)作用關(guān)系是分析RMST各特性設(shè)計工作的基礎(chǔ)，也是構(gòu)建發(fā)煙車RMST總體設(shè)計流程的重要組成部分[5]。通過對各質(zhì)量特性參數(shù)的內(nèi)涵及影響機(jī)理進(jìn)行研究，可總結(jié)歸納為以下4個方面：①功能結(jié)構(gòu)、材料特質(zhì)固定的基礎(chǔ)上，冗余設(shè)計是提高平均故障間隔時間等可靠性設(shè)計參數(shù)值的有效措施，但同時也會導(dǎo)致平均故障修復(fù)時間的提高、內(nèi)測裝置空間不足、故障檢測率下降等，進(jìn)而降低維修性測試性設(shè)計水平。②保障性設(shè)計參數(shù)包括裝備保障性的設(shè)計參數(shù)和保障系統(tǒng)的使用參數(shù)，其中裝備保障性設(shè)計參數(shù)主要指與裝備戰(zhàn)備完好性、保障資源相關(guān)的可靠性、維修性、測試性、運輸性等設(shè)計參數(shù)，保障系統(tǒng)的使用參數(shù)主要指平均備件延誤時間、備件利用率等[6]。③故障隔離率和故障檢測率對確定平均故障修復(fù)時間參數(shù)值至關(guān)重要，但過多的機(jī)內(nèi)測試裝置會導(dǎo)致虛警率的提高、平均故障間隔時間的縮短和電控元件保障要求的提高[7]。④RMST各參數(shù)之間具有互聯(lián)互換的關(guān)系，選取具有代表性和適用性的參數(shù)即可。

1.2.2 RMST設(shè)計工作關(guān)系描述

由RMST各參數(shù)間作用關(guān)系描述可知，單純追求任務(wù)可靠性可能導(dǎo)致基本可靠性的降低，進(jìn)而造成維修保障負(fù)荷增加；保障性在內(nèi)涵上與可靠性、維修性、測試性相對獨立，但可靠性設(shè)計、維修性設(shè)計和測試性設(shè)計是保障性設(shè)計的重要基礎(chǔ)，保障性在總體上協(xié)調(diào)和指導(dǎo)可靠性、維修性、測試性的設(shè)計；測試性是維修性發(fā)展的延伸，合理分配機(jī)內(nèi)外測試性設(shè)計對提高裝備的維修性保障性具有非常重要的作用。本文在對RMST各參數(shù)間作用關(guān)系描述的基礎(chǔ)上，構(gòu)建RMST各特性設(shè)計工作關(guān)系模型，如圖1所示。

圖1 防化發(fā)煙車RMST設(shè)計工作間關(guān)系模型

由圖1可知，裝備的RMST設(shè)計工作應(yīng)同步開展、相互支撐、充分融合；保障系統(tǒng)應(yīng)建立在可靠性、維修性、測試性設(shè)計的基礎(chǔ)上，有針對地開展分析和設(shè)計；裝備RMST設(shè)計最終由裝備的完好性、可用性、耐久性等使用保障需求指標(biāo)考核；裝備RMST設(shè)計分析的成果應(yīng)包括設(shè)計分析報告和維修保障方案兩個部分。

1.2.3 防化發(fā)煙車RMST設(shè)計流程

在對RMST各參數(shù)關(guān)系描述和設(shè)計工作關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合防化發(fā)煙車主要任務(wù)剖面和使用保障需求，提出在裝備結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的同時自下而上開展部件級—子系統(tǒng)級—系統(tǒng)級RMST分析，自上而下開展系統(tǒng)級—子系統(tǒng)級—部件級RMST權(quán)衡優(yōu)化設(shè)計，圖2為防化發(fā)煙車RMST設(shè)計總體流程。

圖2 防化發(fā)煙車RMST設(shè)計總體流程

如圖2所示，首先，在防化發(fā)煙車研制方案設(shè)計過程中并行開展RMST系統(tǒng)設(shè)計和工程設(shè)計，確保裝備具有一定的質(zhì)量水平；其次，對發(fā)煙車各部件RMST進(jìn)行詳細(xì)分析，采取定性定量相結(jié)合的方式分析各個指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)得出子系統(tǒng)級和系統(tǒng)級的指標(biāo)情況；再者，在對裝備RMST分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)防化發(fā)煙車使用保障需求、一體化設(shè)計指標(biāo)體系和頂層設(shè)計指標(biāo)模型，通過仿真優(yōu)化實現(xiàn)對各個特性的耦合分析和綜合權(quán)衡；最后，在綜合權(quán)衡的基礎(chǔ)上，依次從系統(tǒng)級至部件級進(jìn)行可靠性維修性保障性測試性的調(diào)整和分配，得出裝備的布局調(diào)整方案和部件結(jié)構(gòu)更改方案，并最終生成RMST設(shè)計分析報告和維修保障方案。另外，從RMST工作間的關(guān)系模型和RMST設(shè)計總體流程可以看出，防化發(fā)煙車RMST設(shè)計工作項目繁多，必須有重點的進(jìn)行篩選，區(qū)分重點對象和重點環(huán)節(jié)。如在RMST系統(tǒng)設(shè)計和工程設(shè)計階段，應(yīng)以裝備系統(tǒng)層面的RMST分配和預(yù)計為重點；在RMST調(diào)整分配階段，應(yīng)以各冗余結(jié)構(gòu)的高可靠詳細(xì)設(shè)計、難點維修項目的維修性保障性詳細(xì)設(shè)計、重點部位的測試點設(shè)計為重點。

1.3 防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系

RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系是指為實現(xiàn)裝備系統(tǒng)質(zhì)量特性整體最優(yōu)，對RMST各種組合參數(shù)與單項參數(shù)之間的主從層次和相互關(guān)系進(jìn)行的系列描述。當(dāng)前常用的RMST單項參數(shù)[8]包括平均MTBF、MTTR、MTTPF、RST、MLDT、FDR、FIR等。組合參數(shù)主要包括基本可靠度、任務(wù)可靠度、維修度、保障度等單項能力指標(biāo)參數(shù)和POR、AO、PMS、MCR等綜合能力指標(biāo)參數(shù)。本文通過分析發(fā)煙車系統(tǒng)任務(wù)剖面特點，選取RMST指標(biāo)體系的頂層參數(shù)，并結(jié)合各參數(shù)之間的關(guān)系構(gòu)建其RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系。

1.3.1 防化發(fā)煙車任務(wù)剖面分析

防化發(fā)煙車屬于間斷工作型裝備系統(tǒng)[9]，其在壽命周期內(nèi)處于工作、停機(jī)相間交替工作狀態(tài)，典型任務(wù)剖面如圖3所示。

圖3 防化發(fā)煙車典型任務(wù)剖面

根據(jù)圖3可知，防化發(fā)煙車關(guān)注的核心是執(zhí)行任務(wù)的成功或失敗概率，且防化發(fā)煙車輛裝備一般都是成建制執(zhí)行作戰(zhàn)保障任務(wù)，一臺裝備的損傷并不會直接導(dǎo)致任務(wù)失敗，故發(fā)生故障前工作時間為有效工作時間，應(yīng)選取能執(zhí)行任務(wù)率參數(shù)作為RMST頂層參數(shù)來表達(dá)裝備系統(tǒng)的整體質(zhì)量水平。能執(zhí)行任務(wù)率與使用可用度相當(dāng)，都是能執(zhí)行任務(wù)時間與任務(wù)規(guī)定時間之比，區(qū)別是使用可用度采用的日歷時間，能執(zhí)行任務(wù)率須在日歷時間中減去所有停機(jī)時間，其描述的是系統(tǒng)故障前的工作時間與整個任務(wù)持續(xù)時間之比，主要適用于車載通信裝置、車輛整機(jī)系統(tǒng)等發(fā)生喪失規(guī)定功能故障前任務(wù)時間有效、故障后任務(wù)時間無效的裝備系統(tǒng)。任務(wù)成功率參數(shù)適用于一旦發(fā)生故障則標(biāo)志任務(wù)失敗的系統(tǒng)，戰(zhàn)備完好率參數(shù)適用于一次性消耗使用、不考慮使用保障的系統(tǒng)，因此任務(wù)成功率和戰(zhàn)備完好率同樣不能作為防化發(fā)煙車的RMST頂層設(shè)計參數(shù)。

1.3.2 防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系

根據(jù)防化發(fā)煙車RMST頂層參數(shù)的選擇，構(gòu)建RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系，架構(gòu)如圖4所示。

圖4 防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系架構(gòu)

由圖4可知，防化發(fā)煙車RMST一體化設(shè)計定量指標(biāo)體系第一層是由可靠性、維修性、保障性、測試性參數(shù)有機(jī)組合而成，是裝備系統(tǒng)在整個壽命周期內(nèi)持續(xù)保持成功使用的概率表達(dá)；第二層是可靠性、維修性、保障性、測試性參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，是裝備系統(tǒng)各單項能力特性的體現(xiàn)；第三層是可靠性、維修性、保障性、測試性參數(shù)的工程設(shè)計指標(biāo)，是可以在裝備研制設(shè)計中直接實現(xiàn)的。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RMST系統(tǒng)設(shè)計與工程設(shè)計

根據(jù)裝備研制和設(shè)計規(guī)律，防化發(fā)煙車RMST系統(tǒng)設(shè)計和工程設(shè)計中，首先進(jìn)行可靠性維修性測試性的系統(tǒng)設(shè)計，再開展可靠性維修性測試性保障性的工程設(shè)計工作[10]。

防化發(fā)煙車可靠性系統(tǒng)設(shè)計主要包括系統(tǒng)可靠性方案的權(quán)衡和擇優(yōu)、可靠性指標(biāo)的預(yù)計和分配、系統(tǒng)簡化設(shè)計、故障軟化設(shè)計和系統(tǒng)冗余設(shè)計5部分內(nèi)容。其中，可靠性方案的權(quán)衡應(yīng)采用性能與可靠性兼容體制，系統(tǒng)簡化應(yīng)盡可能實現(xiàn)一種電路多種功能、一種電路多次使用，系統(tǒng)冗余設(shè)計主要包括整體冗余與單元冗余設(shè)計、工作冗余與旁待冗余設(shè)計、停機(jī)檢修與聯(lián)機(jī)檢修設(shè)計。防化發(fā)煙車可靠性工程設(shè)計主要包括元器件的正確選型、熱電應(yīng)力設(shè)計、應(yīng)力負(fù)荷降額設(shè)計、熱設(shè)計核查分析、電磁兼容設(shè)計、參數(shù)容差設(shè)計、電路接口匹配性設(shè)計、失效模式分析與故障安全設(shè)計、抗暫態(tài)效應(yīng)設(shè)計、潛在通路分析10部分內(nèi)容。

防化發(fā)煙車維修性系統(tǒng)設(shè)計主要包括維修性指標(biāo)優(yōu)化分配、安裝場所和設(shè)備外部可達(dá)性設(shè)計、預(yù)防維修對象鑒別和預(yù)防維修項目內(nèi)容編制4部分內(nèi)容。防化發(fā)煙車維修性工程設(shè)計主要包括拆卸更換安裝時間設(shè)計和參數(shù)調(diào)整校核時間設(shè)計2部分內(nèi)容。防化發(fā)煙車測試性系統(tǒng)設(shè)計主要包括機(jī)內(nèi)檢測設(shè)計、檢測點優(yōu)化設(shè)計2部分內(nèi)容。測試性工程設(shè)計主要指故障檢測定位時間的設(shè)計。防化發(fā)煙車保障性工程設(shè)計主要包括各更換模塊備件保障的優(yōu)化設(shè)計、平均備件延誤時間分析、消耗性備件的配置方案設(shè)計、可修復(fù)備件的配置方案設(shè)計、壽命周期備件保障的優(yōu)化設(shè)計5部分內(nèi)容。

2.2 能執(zhí)行任務(wù)率基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型

構(gòu)建科學(xué)正確、操作性強(qiáng)的能執(zhí)行任務(wù)率參數(shù)模型是實現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)的關(guān)鍵因素。因此，以一般表決復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖5所示)為基礎(chǔ)，結(jié)合我軍現(xiàn)行裝備維修與供應(yīng)體制，構(gòu)建能執(zhí)行任務(wù)率基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，實際工程中可結(jié)合裝備結(jié)構(gòu)拓展使用。

圖5 表決復(fù)雜結(jié)構(gòu)一般模型

一般表決復(fù)雜結(jié)構(gòu)能執(zhí)行任務(wù)成功率數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

fci(ts)=1-e-λits;fbi(ts)=

tpci=

tpbi=

其中：np為待修系統(tǒng)數(shù)；m1i、m2i、m3i分別為本級機(jī)構(gòu)、戰(zhàn)役級倉庫、戰(zhàn)略級倉庫對模塊i備件的定期配發(fā)或儲存數(shù)量；tp1、tp2(i)分別為器材備件從本級庫房和戰(zhàn)略級倉庫到達(dá)維修現(xiàn)場的周轉(zhuǎn)時間；t0為備件供應(yīng)周期內(nèi)的裝備系統(tǒng)平均累計工作時間；tx為供應(yīng)周期內(nèi)平均無備件時間；λi為模塊i的故障率；μi為模塊i的修復(fù)率；Tkci=φkitbi+(1-φki)twi，為模塊i的平均故障隔離時間，φki為模塊i的故障隔離率，tbi為模塊i的平均機(jī)內(nèi)測試故障隔離時間，twi為模塊i的平均人工故障隔離時間；ny為系統(tǒng)預(yù)防性維修項目數(shù)；TFi為模塊i的預(yù)防性維修周期；tfi為模塊i的平均預(yù)防性維修時間；tm(j,l,μi,φki,td)為維修延誤時間因子；其他參數(shù)同上。

2.3 RMST權(quán)衡優(yōu)化方法

針對不同的裝備系統(tǒng)，采取適當(dāng)?shù)臋?quán)衡優(yōu)化方法對提高設(shè)計效率、節(jié)省設(shè)計周期十分重要。防化發(fā)煙車RMST設(shè)計中，常用的權(quán)衡優(yōu)化方法有比較分析法、靈敏度分析法和仿真優(yōu)化方法。

2.3.1 比較分析法

在發(fā)煙機(jī)分系統(tǒng)RMST設(shè)計中，往往存在與國外同類型同水平裝備比較分析的情況，或若干設(shè)計分析優(yōu)劣的需要，此類情況通過比較分析選取能執(zhí)行任務(wù)率最高者較為適合。但是，在實際設(shè)計中，經(jīng)常出現(xiàn)若干方案能執(zhí)行任務(wù)率值相當(dāng)，則需進(jìn)行靈敏度分析，選取穩(wěn)健性高者較為合適。

2.3.2 靈敏度分析法

由于技術(shù)條件、工藝水平、使用環(huán)境等各種因素，裝備RMST方案很難達(dá)到預(yù)想設(shè)計指標(biāo)，或預(yù)想指標(biāo)的實現(xiàn)需要較高代價、可能導(dǎo)致一些附帶的影響。靈敏度分析可以很好地觀測這些指標(biāo)、因素和影響，以確保選取方案的低風(fēng)險性。

假設(shè)某個RMST配置方案為x*，設(shè)計指標(biāo)個數(shù)為n(n=14)，給定一個區(qū)間[x*-Δx,x*+Δx]，令：

(2)

則可給出靈敏度(穩(wěn)健性)的檢驗函數(shù)[11]為：

(3)

利用：

(4)

可以得到在該區(qū)間內(nèi)ΔMOR*變化的最大值，若此最大值小于事先規(guī)定的可接受值，即可以確定該方案是穩(wěn)健的。同時，幾個相鄰能執(zhí)行任務(wù)率方案中，ΔMOR*最大值中的最小者就是穩(wěn)健性最好的配置方案。

2.3.3 仿真優(yōu)化方法

基于仿真的權(quán)衡分析方法[12]是指根據(jù)所構(gòu)建的能執(zhí)行任務(wù)率數(shù)學(xué)模型，采用系統(tǒng)動力學(xué)仿真原理，分析能執(zhí)行任務(wù)率與RMST指標(biāo)之間的關(guān)系，權(quán)衡獲取最佳能執(zhí)行任務(wù)率下的RMST指標(biāo)方案，也可將現(xiàn)有方案與最優(yōu)方案進(jìn)行對比分析，從而為裝備RMST指標(biāo)設(shè)計提供決策依據(jù)。仿真權(quán)衡優(yōu)化方法的優(yōu)勢在于可以在無數(shù)方案中獲取最優(yōu)配置，但通過仿真權(quán)衡優(yōu)化時必須提供盡可能多的邊界條件，以盡可能確保方案的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可承受性。由于當(dāng)前市場上可用于系統(tǒng)動力學(xué)仿真的應(yīng)用軟件有很多，使用方法也較為簡單，這里就不過多介紹。

2.4 RMST指標(biāo)調(diào)整分配

防化發(fā)煙車及其子系統(tǒng)基本由機(jī)電系統(tǒng)組成，采取定期維修和視情維修相結(jié)合的修理模式，可假設(shè)壽命周期內(nèi)各部件服從指數(shù)分布。因此，在系統(tǒng)級RMST指標(biāo)得到調(diào)整后，應(yīng)基于前期RMST分析結(jié)果，通過分配方法合理分配每個子系統(tǒng)的RMST指標(biāo)值；基于每個子系統(tǒng)具體的維修保障策略和供應(yīng)保障策略，得到各部件的RMST分配指標(biāo)值。

防化發(fā)煙車的RMST分配一般以重要度、技術(shù)水平、復(fù)雜度和環(huán)境條件等4個方面為依據(jù)，通過定量的方式進(jìn)行分配，分配方法可參考文獻(xiàn)[13]。另外，對于提高可靠性指標(biāo)代價較高的子系統(tǒng)，可考慮從改善維修性和測試性的角度去彌補(bǔ)不足。

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前防化發(fā)煙車質(zhì)量設(shè)計方法技術(shù)欠缺的實際需求，分析了并行開展防化發(fā)煙車RMST設(shè)計工作的思路，構(gòu)建了RMST的總體設(shè)計流程和一體化設(shè)計指標(biāo)體系，并探討了RMST系統(tǒng)設(shè)計與工程設(shè)計、頂層設(shè)計參數(shù)模型、RMST調(diào)整分配等方面的關(guān)鍵技術(shù)，旨在進(jìn)一步促進(jìn)裝備RMST設(shè)計工作的落地見效，實現(xiàn)防化發(fā)煙車性能和RMST特性的最優(yōu)配置。