飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)可靠性評(píng)估與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

吳志剛， 張蕊， 雷東鵬， 謝麗梅

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511370；3.廣東省智能機(jī)器人可靠性工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511370）

0 引言

作戰(zhàn)試驗(yàn)是在近似實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和對(duì)抗條件下，對(duì)裝備完成作戰(zhàn)使命任務(wù)的作戰(zhàn)效能和適用性等進(jìn)行考核與評(píng)估的試驗(yàn)活動(dòng)[1]。近年來，由于我軍裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)的實(shí)踐需要，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者圍繞作戰(zhàn)試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究。例如：文獻(xiàn)[2]對(duì)美軍作戰(zhàn)適用性，以及作戰(zhàn)效能試驗(yàn)與評(píng)價(jià)發(fā)展歷程進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]建立了裝備作戰(zhàn)適用性試驗(yàn)內(nèi)容體系，詳細(xì)地闡述了各種試驗(yàn)的主要內(nèi)容；文獻(xiàn)[4]專門針對(duì)數(shù)據(jù)鏈裝備，分析了數(shù)據(jù)鏈裝備的作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適用性和體系適用性等評(píng)估指標(biāo)的概念內(nèi)涵，建立了評(píng)估指標(biāo)體系，并給出了底層指標(biāo)的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[5]提出了在作戰(zhàn)試驗(yàn)階段分解可靠性指標(biāo)，從而綜合地評(píng)價(jià)作戰(zhàn)能力的思路，并以導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，給出了指標(biāo)類型和評(píng)定結(jié)果。具體到軍用飛機(jī)，尚未在國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)有關(guān)作戰(zhàn)試驗(yàn)可靠性評(píng)估的相關(guān)研究。就飛機(jī)來講，作戰(zhàn)試驗(yàn)可靠性評(píng)估面臨以下幾個(gè)問題：1）飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性評(píng)估應(yīng)選取的評(píng)估指標(biāo)；2）圍繞評(píng)估指標(biāo)應(yīng)采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方式；3）針對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化整理便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和后續(xù)利用。

本文圍繞上述3個(gè)問題，在提出飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)可靠性評(píng)估內(nèi)容的基礎(chǔ)上，給出了作戰(zhàn)可靠性評(píng)估需要采集的數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容，并對(duì)飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性評(píng)估內(nèi)容

1.1 定量評(píng)估

飛機(jī)的作戰(zhàn)可靠性與平時(shí)的可靠性既有聯(lián)系又有區(qū)別，結(jié)合作戰(zhàn)試驗(yàn)突出的是作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)適用性的考核與評(píng)價(jià)，因此作戰(zhàn)可靠性的定量評(píng)估應(yīng)圍繞具有應(yīng)用效果的使用可靠性指標(biāo)，需要在遵循以下原則的基礎(chǔ)上進(jìn)一步地確定。

a）反映任務(wù)需求

作戰(zhàn)可靠性指標(biāo)要充分地反映飛機(jī)戰(zhàn)備完好、任務(wù)成功和維修人力等方面的任務(wù)需求。

b）體現(xiàn)飛機(jī)的使用特點(diǎn)

飛機(jī)為長(zhǎng)期連續(xù)使用的可修復(fù)復(fù)雜系統(tǒng)，戰(zhàn)時(shí)與平時(shí)的使用要求差別不大，主要要求其能隨時(shí)地投入并持續(xù)地工作。評(píng)估的可靠性指標(biāo)應(yīng)能體現(xiàn)飛機(jī)的機(jī)、電、氣和液等系統(tǒng)耦合的類型和可修復(fù)、連續(xù)使用的特點(diǎn)。

c）覆蓋壽命剖面和任務(wù)剖面

飛機(jī)的壽命剖面主要包括貯存、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)場(chǎng)、戰(zhàn)備值班、飛行、維修和報(bào)廢等，任務(wù)剖面主要包括起飛、爬升、巡航、機(jī)動(dòng)飛行、下滑和著陸等。

d）工程可行性

飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)由部隊(duì)承擔(dān)，必須考慮部隊(duì)的日常戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)，以及作戰(zhàn)試驗(yàn)周期等因素；此外，從保證可靠性評(píng)估順利實(shí)施的角度來看，應(yīng)盡量地選用符合可靠性工程習(xí)慣的、使用頻率高的、得到較廣泛應(yīng)用的可靠性指標(biāo)。

在遵循上述原則的基礎(chǔ)上，確定飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性評(píng)估的指標(biāo)為：平均故障間隔時(shí)間、平均故障間隔飛行小時(shí)、平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間、任務(wù)可靠度、平均維修間隔時(shí)間和無維修待命時(shí)間。

1.2 定性評(píng)價(jià)

作戰(zhàn)可靠性是指武器裝備在作戰(zhàn)使用過程中，在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力[1]。飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性的基本要求主要是期望飛機(jī)能夠在較長(zhǎng)的作戰(zhàn)使用過程中和比較廣泛的作戰(zhàn)環(huán)境下保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)和保證各項(xiàng)功能的正常發(fā)揮。這就決定了飛機(jī)的作戰(zhàn)可靠性定性評(píng)價(jià)評(píng)估必須把握作戰(zhàn)試驗(yàn)的環(huán)境條件，以及空勤和地勤人員的使用體驗(yàn)。

因此，在作戰(zhàn)可靠性定性評(píng)價(jià)方面，一方面應(yīng)收集飛機(jī)在作戰(zhàn)試驗(yàn)期間暴露的問題進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；另一方面，考慮到飛機(jī)作戰(zhàn)時(shí)間的周期較短，一些問題可能不能得到及時(shí)暴露的情況，應(yīng)通過核查表、問卷和訪談，收集和分析可靠性信息，進(jìn)行可靠性定性評(píng)價(jià)，分析其對(duì)作戰(zhàn)使用的影響。

機(jī)上核查的內(nèi)容應(yīng)圍繞相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則層面制定，并且必須考慮核查結(jié)果可直觀地判定，如關(guān)鍵操縱器件/按鈕的聯(lián)鎖情況、緊固件是否具有不對(duì)稱鏈接、重要連接件是否具有醒目的擰緊標(biāo)記、燃油/液壓等管路的滲漏情況、電纜的連接與布置情況等。

問卷和訪談的內(nèi)容應(yīng)圍繞飛機(jī)使用和維護(hù)人員的直接感受與體驗(yàn)進(jìn)行，例如：雨天駕駛艙的雨水滲漏情況、風(fēng)擋雨刷的刮雨效果，以及影響視線情況、駕駛艙的噪音情況、儀表安裝位置的可視情況、照明系統(tǒng)的亮度和眩光情況等。

2 飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性評(píng)估方法

2.1 定量評(píng)估

a）平均故障間隔時(shí)間（TBF）

統(tǒng)計(jì)全部參試飛機(jī)總工作時(shí)間T0和責(zé)任故障總數(shù)NF之后，利用公式（1）即可對(duì)飛機(jī)平均故障間隔時(shí)間進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)評(píng)估：

若給定置信度C（可取80%或90%），則還可對(duì)飛機(jī)的平均故障間隔時(shí)間的置信下限進(jìn)行計(jì)算。

b）平均故障間隔飛行小時(shí)（TFBF）

統(tǒng)計(jì)全部參試飛機(jī)總飛行時(shí)間TF和責(zé)任故障總數(shù)NF之后，利用公式（2）即可對(duì)飛機(jī)平均故障間隔飛行小時(shí)進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)評(píng)估：

若給定置信度C（可取80%或90%），則還可對(duì)飛機(jī)的平均故障間隔飛行小時(shí)的置信下限進(jìn)行計(jì)算。

c）平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間（TBCF）

統(tǒng)計(jì)全部參試飛機(jī)總工作時(shí)間T0和嚴(yán)重責(zé)任故障總數(shù)NTM之后，利用公式（3）即可對(duì)飛機(jī)平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)評(píng)估：

若給定置信度C（可取80%或90%），則還可對(duì)飛機(jī)的平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間的置信下限進(jìn)行計(jì)算。

d）任務(wù)可靠度（RM）

統(tǒng)計(jì)作戰(zhàn)試驗(yàn)期間全部參試飛機(jī)成功地完成任務(wù)的次數(shù)NMC和任務(wù)總次數(shù)NTM，利用公式（4）即可對(duì)飛機(jī)任務(wù)可靠度進(jìn)行評(píng)估：

e）平均維修間隔時(shí)間（TPM）

統(tǒng)計(jì)全部參試飛機(jī)總工作時(shí)間T0和維修總次數(shù)NM之后，利用公式（5）即可對(duì)飛機(jī)平均維修間隔時(shí)間進(jìn)行評(píng)估：

f）無維修待命時(shí)間

無維修待命時(shí)間指的是飛機(jī)在規(guī)定的使用條件下，飛機(jī)作好準(zhǔn)備，能保持良好并處于待命狀態(tài)而無需進(jìn)行任何維修的持續(xù)時(shí)間。在作戰(zhàn)試驗(yàn)中，可安排專項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，使飛機(jī)在值班狀態(tài)下在機(jī)庫(kù)中停放一段時(shí)間，然后進(jìn)行飛行前檢查來確定其是否具備執(zhí)行任務(wù)能力，以考核飛機(jī)的無維修待命時(shí)間。

2.2 定性評(píng)價(jià)

在作戰(zhàn)試驗(yàn)階段，飛機(jī)可靠性定性要求主要根據(jù)承試部隊(duì)在作戰(zhàn)試驗(yàn)實(shí)際使用中的可靠性情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括兩個(gè)核心問題：1）可靠性定性要求是什么，也即評(píng)價(jià)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)尺度是什么？2）飛機(jī)可靠性實(shí)際結(jié)果如何獲??？對(duì)此需先明確可靠性定性評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方式，本文給出的評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 可靠性定性評(píng)價(jià)流程

a）通過梳理相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)，以及先驗(yàn)工程知識(shí)、型號(hào)可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等內(nèi)容，形成飛機(jī)可靠性定性評(píng)價(jià)內(nèi)容，作為定性評(píng)價(jià)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

b）實(shí)施機(jī)上可靠性核查，由承試部隊(duì)在地面停車狀態(tài)下對(duì)照核查表實(shí)施機(jī)上核查。

c）對(duì)承試部隊(duì)的飛行員、機(jī)械師等空和地勤人員進(jìn)行訪談。

d）對(duì)飛機(jī)的可靠性定性要求與問卷、訪談結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，整理不符合項(xiàng)目，對(duì)不符合項(xiàng)目對(duì)作戰(zhàn)的影響進(jìn)行分析。

e）給出飛機(jī)存在的作戰(zhàn)可靠性問題，并提出改進(jìn)建議。

3 作戰(zhàn)可靠性評(píng)估數(shù)據(jù)采集

依據(jù)評(píng)估的指標(biāo)，進(jìn)行可靠性定量評(píng)估需要采集的數(shù)據(jù)包括以下幾種。

a）飛機(jī)故障數(shù)據(jù)

作戰(zhàn)試驗(yàn)期間飛機(jī)故障總數(shù)和各個(gè)故障發(fā)生時(shí)間、故障所屬的系統(tǒng)。

b）飛機(jī)工作時(shí)間數(shù)據(jù)

作戰(zhàn)試驗(yàn)期間飛機(jī)飛行時(shí)間、地面開車時(shí)間和總工作時(shí)間。

c）維修數(shù)據(jù)

作戰(zhàn)試驗(yàn)期間飛機(jī)維修工作內(nèi)容（含飛行前、后檢查，定檢）、預(yù)防性維修時(shí)間。

進(jìn)行可靠性定性評(píng)價(jià)需要采集的數(shù)據(jù)包括：

a）作戰(zhàn)試驗(yàn)期間暴露的問題；

b）可靠性機(jī)上核查結(jié)果；

c）可靠性問卷及訪談結(jié)果。

4 作戰(zhàn)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

可靠性數(shù)據(jù)是在裝備實(shí)際作戰(zhàn)的使用過程中影響飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性水平的各類參數(shù)及其相互關(guān)系的抽象描述?？煽啃詳?shù)據(jù)模型必須表達(dá)出影響飛機(jī)可靠性指標(biāo)實(shí)際參與因素之間的相互關(guān)系與語義約束。從計(jì)算機(jī)處理的角度看，可靠性數(shù)據(jù)應(yīng)支持直接或經(jīng)適當(dāng)處理后快速提取所需的信息，能夠結(jié)合作戰(zhàn)試驗(yàn)快速地獲取飛機(jī)的相關(guān)屬性，能夠分析和判斷飛機(jī)的可靠性水平。

本文將飛機(jī)可靠性數(shù)據(jù)由概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型3個(gè)有機(jī)聯(lián)系的層次所組成。概念數(shù)據(jù)模型是關(guān)于實(shí)體及實(shí)體間聯(lián)系的抽象概念集合，對(duì)飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性而言，它主要描述作戰(zhàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的概念結(jié)構(gòu)。概念模型的任務(wù)是確定所感興趣的現(xiàn)象及特性，描述實(shí)體間相互關(guān)系和完整性約束。邏輯數(shù)據(jù)模型是表達(dá)概念數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)實(shí)體（或記錄）及其之間的關(guān)系，通過一系列的表格和數(shù)據(jù)記錄實(shí)現(xiàn)概念模型與用計(jì)算機(jī)語言描述實(shí)體之間的轉(zhuǎn)換。物理數(shù)據(jù)模型則是描述數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的物理組織、存儲(chǔ)路徑和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，涉及存儲(chǔ)裝備、文件格式、訪問方法和數(shù)據(jù)位置等，從物理上來實(shí)現(xiàn)這些描述的方法。

飛機(jī)可靠性數(shù)據(jù)建模過程分為三大步：1）建立概念模型，包括描述飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性分析數(shù)據(jù)要表達(dá)應(yīng)用的抽象概念、確定概念所包括的對(duì)象要素和設(shè)置概念之間的關(guān)系3個(gè)環(huán)節(jié)，它們之間的順序關(guān)系是交互、循環(huán)的；2）建立邏輯模型，包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的總體組織模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的屬性和結(jié)構(gòu)表；3）建立數(shù)據(jù)物理模型。

對(duì)飛機(jī)可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的流程如圖2所示，建模流程按照概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型的先后次序分別進(jìn)行構(gòu)建。

圖2 可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)流程

4.1 概念模型

概念模型應(yīng)反映出飛機(jī)可靠性指標(biāo)及指標(biāo)所包含參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系的抽象描述。在抽象概念上，將飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性數(shù)據(jù)從6類指標(biāo)體系中分別分解為其所包含的數(shù)據(jù)。如飛機(jī)的故障數(shù)據(jù)應(yīng)包括故障描述、故障發(fā)生日期、故障所屬系統(tǒng)和故障類別（一般故障或嚴(yán)重故障）等。在相關(guān)關(guān)系上，需要研究確定各個(gè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，如飛行時(shí)間影響工作時(shí)間。作戰(zhàn)可靠性數(shù)據(jù)概念模型如圖3所示。

圖3 可靠性數(shù)據(jù)概念模型

4.2 邏輯模型

參與作戰(zhàn)試驗(yàn)的飛機(jī)是數(shù)據(jù)組織的對(duì)象，也是數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)應(yīng)用的基本單元。將飛機(jī)的可靠性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依據(jù)評(píng)估指標(biāo)所需要的參數(shù)分為工作時(shí)間數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修活動(dòng)數(shù)據(jù)、機(jī)上檢查數(shù)據(jù)和問卷訪談數(shù)據(jù)等。作戰(zhàn)可靠性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表如表1-6所示。

表1 參試裝備表（Equipment）

表2 工作時(shí)間表（Working Time）

表3 故障數(shù)據(jù)表（Working Time）

表4 維修活動(dòng)表（Working Time）

表5 機(jī)上檢查問題表（Working Time）

表6 問卷訪談數(shù)據(jù)表（Working Time）

4.3 物理模型

物理數(shù)據(jù)模型是概念數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部具體的存儲(chǔ)形式和操作機(jī)制，其物理體現(xiàn)就是數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)或文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在專門的存儲(chǔ)設(shè)備中設(shè)置專門的存儲(chǔ)區(qū)域來存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)。采用文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把每一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)文件，分別存儲(chǔ)工作時(shí)間數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修活動(dòng)數(shù)據(jù)、機(jī)上檢查數(shù)據(jù)和問卷訪談數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的試驗(yàn)活動(dòng)，不但在技術(shù)上高度集成，而且在管理上高度綜合，涉及到軍方、工業(yè)部門、第三方機(jī)構(gòu)和其他相關(guān)單位。為了保證飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)可靠性評(píng)估的順利進(jìn)行，本文在立足于飛機(jī)作戰(zhàn)使用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究并提出了飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性評(píng)估的定量指標(biāo)和定性評(píng)價(jià)內(nèi)容，并給出評(píng)估方法和數(shù)據(jù)采集的具體內(nèi)容，以及作戰(zhàn)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的流程和方法。本文的研究工作有助于飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)人員合理地確定飛機(jī)作戰(zhàn)可靠性評(píng)估指標(biāo)要求，有助于指導(dǎo)工程人員進(jìn)行飛機(jī)作戰(zhàn)試驗(yàn)可靠性評(píng)估的實(shí)施。