基于RMS參數(shù)的水雷使用可用度分配模型研究

夏中亞，李興生

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

武器裝備的可靠性、維修性、保障性（reliability，maintainability and supportability，RMS）是重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，體現(xiàn)了裝備的質(zhì)量優(yōu)劣，已經(jīng)成為新研裝備論證、在研裝備考核的重要內(nèi)容之一。戰(zhàn)備完好性是指裝備在使用環(huán)境下處于能執(zhí)行任務(wù)的完好狀態(tài)的程度，作為 RMS頂層指標(biāo)，綜合了裝備的可靠性、維修性以及保障系統(tǒng)的特性、保障資源的數(shù)量及位置的影響，是系統(tǒng)綜合保障的總體指標(biāo)，也是衡量武器裝備戰(zhàn)斗力的重要指標(biāo)之一[1]。使用可用度是裝備可用性和戰(zhàn)備完好性的概率度量參數(shù)[2]，是指某一裝備在某種作戰(zhàn)使用環(huán)境下，在任意隨機(jī)時(shí)刻應(yīng)召時(shí)，可以方便和滿意地投入使用的能力[3]。

水雷是海軍攻防封鎖作戰(zhàn)的常規(guī)戰(zhàn)略武器裝備，常年擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班任務(wù)，因此要求其隨時(shí)處于良好戰(zhàn)備狀態(tài)[4]。水雷使用可用度是描述水雷裝備可用狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)量，也是衡量水雷戰(zhàn)備完好性的重要數(shù)值指標(biāo)之一。因此，本文采用RMS參數(shù)分解結(jié)合現(xiàn)役水雷部隊(duì)實(shí)際保障情況，開展水雷使用可用度評估模型研究，結(jié)合水雷服役的相關(guān)數(shù)據(jù)，對水雷裝備使用可用度進(jìn)行評估驗(yàn)證，對于實(shí)現(xiàn)水雷戰(zhàn)備完好性評估與維修保障資源優(yōu)化配置具有重要指導(dǎo)意義。

1 使用可用度概述

GJB 451A—2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》對可用性的定義為：“產(chǎn)品在任一時(shí)刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。可用性的概率度量稱為可用度[5]?！?使用可用度是與系統(tǒng)能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間密切相關(guān)的可用性參數(shù)，其常用計(jì)算方法為產(chǎn)品的能工作時(shí)間與能工作時(shí)間、不能工作時(shí)間的和之比，其典型計(jì)算公式如下：

使用可用度全面考慮了產(chǎn)品的工作時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間、預(yù)防性維修時(shí)間、保障資源延誤時(shí)間和管理延誤時(shí)間，因而最能真實(shí)反映產(chǎn)品的可用性特性，是全面評估產(chǎn)品可隨時(shí)投入使用程度的有效工具，因此，把使用可用度作為度量現(xiàn)役裝備戰(zhàn)備完好性的主要指標(biāo)之一。

對于水雷產(chǎn)品，使用可用度可理解為裝備服役后，在保障資源、使用條件和任務(wù)要求既定的條件下，當(dāng)有任務(wù)需求時(shí)裝備能夠投入使用的能力。研究水雷裝備使用可用度需要考慮裝備服役后一系列時(shí)間要素。根據(jù) GJB 451—2005 對時(shí)間的圖解進(jìn)一步細(xì)化可得到水雷裝備服役后的時(shí)間分解圖，如圖1所示。

水雷是一種長期貯存、一次連續(xù)使用的產(chǎn)品，結(jié)合實(shí)際使用保障情況，由圖1可知水雷產(chǎn)品不能工作時(shí)間主要包括平均維修時(shí)間（MTTR）和平均后勤延誤時(shí)間（MLDT），能工作時(shí)間為平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。因此以時(shí)間表示的水雷產(chǎn)品的使用可用度表達(dá)式如下。

圖1 水雷裝備服役時(shí)間分解圖Fig. 1 Detail sketch of mine equipment’s service life

由以上分析可知，使用可用度論證的基本過程是根據(jù)任務(wù)需求分析，對水雷產(chǎn)品的Ao提出初步要求為起點(diǎn)，然后利用Ao分解出的RMS參數(shù)來確定其可行性，自上而下反復(fù)多次迭代，最后確定合理的指標(biāo)值。

2 使用可用度的分配

2.1 使用可用度的分配過程

使用可用度指標(biāo)的確定和分配過程用圖 2表示，其特點(diǎn)是用戶只規(guī)定使用可用度Ao初值，再由設(shè)備承制方將其分配到子系統(tǒng)和設(shè)備層次，按可用性指標(biāo)自主確定設(shè)備R、M指標(biāo)并由設(shè)備向下分配，其過程如下所述：

圖2 Ao、MTBF、MTTR的指標(biāo)分配和驗(yàn)證過程Fig.2 Index allocation and verification process ofAo，MTBF and MTTR

1）由用戶確定系統(tǒng)級Ao目標(biāo)值和門限值；

2）由用戶設(shè)定MLDT指標(biāo)范圍；

3）建立“系統(tǒng)→子系統(tǒng)→設(shè)備”的Ao指標(biāo)分配模型（類似可靠性框圖）；

4）將系統(tǒng)級的Ao指標(biāo)分配到子系統(tǒng)和設(shè)備；

5）在指定范圍內(nèi)設(shè)定MLDT指標(biāo)值；

6）建立Ao指標(biāo)的計(jì)算模型；

7）在設(shè)備級以分配的Ao指標(biāo)為目標(biāo)，使用Ao的計(jì)算模型，按設(shè)定的 MLDT目標(biāo)值和門限值，通過權(quán)衡確定設(shè)備的MTBF和MTTR的目標(biāo)值和門限值，作為設(shè)備的MTBF和MTTR的指標(biāo)驗(yàn)證要求（在權(quán)衡時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)有技術(shù)水平的制約，用迭代方法計(jì)算）；

8）將設(shè)備的 MTBF、MTTR指標(biāo)值在設(shè)備內(nèi)部逐級分配，作為可靠性和維修性設(shè)計(jì)要求；

9）根據(jù)確定的MTBF和MTTR指標(biāo)值，作為裝備使用可用度的驗(yàn)證指標(biāo)。

使用可用度指標(biāo)分配是以可用度指標(biāo)分配模型為基礎(chǔ)，采用類似于可靠性分配的方法，首先建立系統(tǒng)的可用度指標(biāo)分配框圖，明確各子系統(tǒng)和設(shè)備的可用度關(guān)系，包括串聯(lián)、并聯(lián)等[6]。水雷產(chǎn)品的各子系統(tǒng)之間基本為串聯(lián)關(guān)系，故對其使用可用度分配作如下假設(shè)：

1）水雷產(chǎn)品由多個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)組成；

2）各子系統(tǒng)的“失效”“修復(fù)”“延誤”皆服從指數(shù)分布；

3）子系統(tǒng)的修復(fù)是完全修復(fù)，即修舊如新；

4）若子系統(tǒng)的修復(fù)時(shí)間超過裝備的允許停機(jī)時(shí)間，則需要更換備件，將會產(chǎn)生延誤時(shí)間，否則不需要更換備件；

5）各子系統(tǒng)的失效相互獨(dú)立。

2.2 使用可用度的分配模型

裝備使用可用度是指裝備能工作時(shí)間與能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間之和的比值，從數(shù)學(xué)的角度來看公式不復(fù)雜，然而僅這2項(xiàng)時(shí)間與其他很多因素有著密切的聯(lián)系，因此，為了分析各種影響因素的權(quán)重，需要建立使用可用度分配模型，采用合理的數(shù)學(xué)處理方法。針對水雷產(chǎn)品的系統(tǒng)組成、作戰(zhàn)使用及保障的特點(diǎn)，本節(jié)主要介紹串聯(lián)系統(tǒng)的重要性不同的使用可用度分配模型。

2.2.1 重要性、復(fù)雜度

在武器裝備擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班任務(wù)中，不同的子系統(tǒng)在戰(zhàn)備值班任務(wù)中的作用不同。有些子系統(tǒng)在所有等級戰(zhàn)備值班中都需要使用，有的子系統(tǒng)僅在部分戰(zhàn)備值班中需要使用。使用頻率高、組成復(fù)雜的子系統(tǒng)工作強(qiáng)度大，出現(xiàn)故障的概率大，使用可用度要求也高；而使用頻率低、組成簡單的子系統(tǒng)工作強(qiáng)度較小，出現(xiàn)故障的概率當(dāng)然也會減少，使用可用度要求也會有所降低。因此，將不同武器裝備的子系統(tǒng)根據(jù)使用頻率、組成復(fù)雜度的影響層次進(jìn)行劃分，不同的層次有不同的使用可用度要求，2個(gè)相鄰的層次之間使用可用度降低10%。為了保證所有層次重要程度的使用可用度都小于 l。將最高層次的重要度、復(fù)雜度的使用可用度權(quán)重設(shè)為≤1，這樣就形成了如表1和表2所示的重要性和復(fù)雜度與使用可用度的對應(yīng)關(guān)系。

表1 重要性分級Table 1 Mission importance grading

表2 復(fù)雜度分級Table 2 Mission complexity grading

2.2.2 串聯(lián)系統(tǒng)的使用可用度分配模型

假設(shè)某裝備是由n個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)組成的系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的重要度、復(fù)雜度不同。設(shè)系統(tǒng)使用可用度為AoS，第i個(gè)子系統(tǒng)使用可用度為Aoi，每個(gè)子系統(tǒng)可用度加權(quán)系數(shù)為Ki，下面給出使用可用度的加權(quán)分配公式[7]。

1）使用可用度的平均分配。

若n個(gè)串聯(lián)子系統(tǒng)使用可用度要求相同，則系統(tǒng)的使用可用度AoS為

2）使用可用度的加權(quán)分配。

若串聯(lián)的各子系統(tǒng)使用可用度要求不相同，則第i個(gè)子系統(tǒng)的使用可用度為

式中，Ki為第i個(gè)子系統(tǒng)的使用可用度加權(quán)系數(shù)，且Ki≤ 1 。則系統(tǒng)的使用可用度AoS為

3）多個(gè)影響因素的加權(quán)系數(shù)Ki和加權(quán)因子Kij。

因該子系統(tǒng)的加權(quán)系數(shù)受多個(gè)因素的影響，將每個(gè)影響因素稱為1個(gè)加權(quán)因子。設(shè)系統(tǒng)有n個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的加權(quán)系數(shù)Ki有m個(gè)加權(quán)因子，第i個(gè)子系統(tǒng)的第j個(gè)加權(quán)因子表示為Kij，則第i個(gè)子系統(tǒng)可用度加權(quán)系數(shù)Ki是由m個(gè)加權(quán)因子Kij的綜合計(jì)算得到。

式中：Ki為第i個(gè)子系統(tǒng)的加權(quán)系數(shù)；α和β為Ki的分子和分母；AoS為系統(tǒng)使用可用度；Kij為第i個(gè)子系統(tǒng)第j個(gè)加權(quán)因子；n為子系統(tǒng)個(gè)數(shù)；m為加權(quán)因子個(gè)數(shù)。

3 實(shí)例評估

3.1 組成與指標(biāo)分配

現(xiàn)以某水雷產(chǎn)品為例說明使用可用度指標(biāo)分配方法。某水雷產(chǎn)品由3個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是引信裝置、控制裝置及戰(zhàn)斗部，其使用可用度分配串聯(lián)模型見圖4。該水雷產(chǎn)品的使用可用度Ao門限值取為0.85，目標(biāo)值取為0.9，要將其分配到子系統(tǒng)，依據(jù)用戶提出的保障性參數(shù) MLDT的范圍并權(quán)衡確定子系統(tǒng)的可靠性參數(shù) MTBF、維修性參數(shù)MTTR的值。

圖3 某型水雷使用可用度分配串聯(lián)模型Fig.3 Series model of operational availability allocation for one type of mine

本例中采用2種加權(quán)因子：重要性和復(fù)雜度，其權(quán)重取值范圍參見表1和表2。采用文中第2節(jié)的使用可用度分配方法，該水雷產(chǎn)品各子系統(tǒng)加權(quán)因子取值和可用度分配結(jié)果見表3。

表3 某水雷產(chǎn)品各子系統(tǒng)加權(quán)因子取值和可用度分配結(jié)果Table 3 Weighting factor value and operational availability allocation for one type of mine’s subsystems

3.2 子系統(tǒng)的RMS參數(shù)估算

按照分配的子系統(tǒng)Aoi的目標(biāo)值和門限值，采用相似產(chǎn)品法，參考同類型產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)，權(quán)衡估算各子系統(tǒng)的 RMS參數(shù)：MTBF、MTTR及MLDT。

3.2.1 計(jì)算公式

由本文第 1章節(jié)中的使用可用度計(jì)算公式

3.2.2 MLDT參數(shù)的預(yù)估

平均延誤時(shí)間（MDT，在可用度計(jì)算公式中多用 MLDT表示）是指系統(tǒng)從進(jìn)入不能執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)到恢復(fù)能執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)所用的平均時(shí)間，通常包括平均保障延誤時(shí)間TMLD和平均管理延誤時(shí)間TMAD，它是水雷產(chǎn)品不能工作的主要原因之一，主要包括備件延誤、保障設(shè)備延誤、技術(shù)資料延誤、維修人員延誤以及行政管理延誤等[8]。在使用可用度指標(biāo)分配時(shí)，通常采用用戶設(shè)定的 MLDT上限值作為參考，在子系統(tǒng)的MTBF、MTTR確定后，在滿足使用可用度的基礎(chǔ)上，再對 MLDT進(jìn)行計(jì)算，確定合理的參數(shù)，進(jìn)行合理地保障方案的制定、保障資源的規(guī)劃。水雷產(chǎn)品用戶設(shè)定的 MLDT上限值一般取為48 h（2 d）。

3.2.3 MTTR參數(shù)的預(yù)估

武器裝備的維修通常分為預(yù)防性維修和修復(fù)性維修[9]。預(yù)防性維修主要包括：技術(shù)準(zhǔn)備前檢查、壽命件更換、定期檢查等工作。預(yù)防性維修工作采取定期維護(hù)（日、周、月、年維護(hù)）和不定期維護(hù)相結(jié)合的方式。年維護(hù)時(shí)各裝備并行開展，期間影響裝備的正常使用，日、周、月定期維護(hù)一般不影響裝備的正常使用。為了保證水雷具有較高的可用度，定期對包裝箱里的水雷進(jìn)行維護(hù)和檢測。不定期維護(hù)，根據(jù)裝備使用情況及頻率，視情進(jìn)行維護(hù)。修復(fù)性維修，主要對裝備日常檢查或使用中發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行處理，并按照維修作業(yè)體系進(jìn)行處理，一般在水雷的基地級維修場所由專業(yè)的技術(shù)人員依靠相關(guān)檢測設(shè)備、器材、備件等實(shí)施，并將修復(fù)合格的水雷裝備再次移交給列裝部隊(duì)。

恰當(dāng)?shù)卦u估并確定維修時(shí)間將直接影響到裝備使用的安全性及經(jīng)濟(jì)性，在使用可用度指標(biāo)分配評估時(shí)，通常采用平均維修時(shí)間 MTTR作為維修性評估參數(shù)，且僅考慮部隊(duì)基地級維修層面[10]。水雷產(chǎn)品用戶設(shè)定的MTTR上限值一般取為1 h，綜合考慮維修人員熟練度等因素，放寬余量，MTTR上限值取為2 h。

3.2.4 計(jì)算符合Aoi要求的MTBF

公式（9）適用于已經(jīng)為產(chǎn)品設(shè)定MLDT的取值上限，計(jì)算符合Aoi目標(biāo)值和門限值要求的MTBF，然后再分配MTTR。如果用戶設(shè)定的MLDT上限值為48 h（2 d），MTTR上限值為2 h，則據(jù)此利用公式（9）可計(jì)算出子系統(tǒng)引信裝置的MTBF指標(biāo)取值下限，結(jié)果見表4。

表4 MTBF的分配指標(biāo)值范圍Table 4 Allocation index value range of MTBF

計(jì)算結(jié)果說明：該水雷的引信裝置在設(shè)計(jì)初期的 MTBF目標(biāo)值分配為 1 616 h，門限值分配為950 h。按照上述計(jì)算方法，依次對該水雷的控制裝置、戰(zhàn)斗部的 MTBF的分配值進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 子系統(tǒng)MTBF的分配指標(biāo)值與實(shí)際參考值對比Table 5 Comparison between allocation index value and actual reference value of subsystems’ MTBF

經(jīng)分析可知，在武器裝備預(yù)研和設(shè)計(jì)初期，采用第2節(jié)的加權(quán)分配的使用可用度分配方法，可以合理地進(jìn)行子系統(tǒng)使用可用度分配，分配的MTBF下限值符合現(xiàn)有可靠性水平，可作為可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)輸入。

3.3 依據(jù) RMS參數(shù)設(shè)計(jì)值對系統(tǒng)AoS設(shè)計(jì)值進(jìn)行綜合

在武器裝備的 MTBF設(shè)計(jì)值確定之后，需要結(jié)合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行維修方案、保障資源的合理規(guī)劃，進(jìn)而確定合理的系統(tǒng)級MTTR、MLDT參數(shù)的設(shè)計(jì)值，以便對裝備當(dāng)前保障性能和保障能力進(jìn)行評估，確認(rèn)是否滿足使用可用度AoS的指標(biāo)要求。結(jié)合實(shí)際維修、保障情況，對某型水雷的RMS參數(shù)進(jìn)行迭代后的結(jié)果如表6所示。

分析表6可知，對完成設(shè)計(jì)進(jìn)入使用階段的武器裝備，采用第2節(jié)所述的算法進(jìn)行系統(tǒng)使用可用度的綜合評估，合理可行。

表6 系統(tǒng)級RMS參數(shù)設(shè)計(jì)值與分配值對比Table 6 Comparison between design index value and allocation index value of system RMS parameters

3.4 結(jié)論

經(jīng)分析可知，在武器裝備論證與設(shè)計(jì)階段，采用第 2節(jié)所述的算法進(jìn)行子系統(tǒng)使用可用度的分配與評估，作為子系統(tǒng)的RMS設(shè)計(jì)參數(shù)；在武器裝備使用與保障階段，采用第2節(jié)所述的算法對最新采集的RMS數(shù)據(jù)進(jìn)行反推，綜合計(jì)算得出系統(tǒng)使用可用度，更新裝備當(dāng)前的使用可用度，對作戰(zhàn)與訓(xùn)練具有一定的實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。通過上述論述，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）在計(jì)算可用度時(shí)，MTBF、MTTR 取值要根據(jù)最近所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間進(jìn)行求解，以使之符合系統(tǒng)的最新狀況，為此，在日常工作中，相關(guān)單位要做好有關(guān)水雷裝備工作時(shí)間、修理時(shí)間統(tǒng)計(jì)工作，為分析水雷使用可用度提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

2）水雷可用度分析在部隊(duì)的裝備管理中應(yīng)作為一項(xiàng)經(jīng)常性工作，使之可以對水雷裝備運(yùn)行狀況起到監(jiān)測作用，以便可以實(shí)時(shí)掌握水雷裝備所處的狀態(tài)；

3）通過水雷可用度的分析，可為水雷使用管理及維修提供依據(jù)。

4 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)，對武器裝備的可靠性、維修性、保障性指標(biāo)論證、設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵作用。本文對影響水雷裝備戰(zhàn)備完好性的使用可用度參數(shù)進(jìn)行了研究，給出了與使用可用度有關(guān)的RMS參數(shù)的表述，構(gòu)建了基于多影響因素的水雷裝備使用可用度分配計(jì)算模型，對子系統(tǒng)的使用可用度進(jìn)行了分配，分配結(jié)果與現(xiàn)有相似裝備子系統(tǒng)的可靠性、維修性、保障性水平基本一致，有效地對該模型進(jìn)行了評估驗(yàn)證。并結(jié)合實(shí)際水雷裝備服役信息的相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息，采用該算法模型反推并集成系統(tǒng)使用可用度，實(shí)際結(jié)果表明該方法可實(shí)時(shí)驗(yàn)證服役時(shí)的水雷裝備戰(zhàn)備完好性。為開展水雷裝備論證設(shè)計(jì)階段使用可用度分配、使用階段使用可用度評估提供了一種工程實(shí)踐嘗試。