黃佳典，李彥強(qiáng)，董　理

（1.中國(guó)人民解放軍91872部隊(duì)，北京102442；2.海軍工程大學(xué)，武漢430033）

艦船裝備可靠性、維修性和保障性指標(biāo)量化方法研究

黃佳典1，李彥強(qiáng)1，董理2

（1.中國(guó)人民解放軍91872部隊(duì)，北京102442；2.海軍工程大學(xué)，武漢430033）

通過(guò)基準(zhǔn)比較分析法、相似產(chǎn)品類(lèi)比和德?tīng)柗品?、模型估算法和統(tǒng)計(jì)推斷法4種方法對(duì)艦船裝備可靠性、維修性和保障性指標(biāo)量化適應(yīng)性進(jìn)行了研究分析和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，提出了艦船裝備頂層參數(shù)指標(biāo)、單項(xiàng)指標(biāo)和“三性”指標(biāo)量化的原則。

可靠性；維修性；保障性；指標(biāo)量化

1　前言

艦船裝備可靠性、維修性和保障性指標(biāo)量化是裝備研制論證和立項(xiàng)階段的重要工作，目前裝備指標(biāo)量化包括多種方法，其中較為常用的分為3類(lèi)：相似基準(zhǔn)比較分析法、模型估算法和統(tǒng)計(jì)推斷法。進(jìn)行裝備論證時(shí)，應(yīng)根據(jù)論證階段、任務(wù)模式、選擇的頂層參數(shù)以及分系統(tǒng)、設(shè)備類(lèi)型等因素綜合權(quán)衡，選擇合適的指標(biāo)量化方法[1，2]。

2　基準(zhǔn)比較分析法

2.1基準(zhǔn)比較分析法定義

基準(zhǔn)比較分析法，是利用基準(zhǔn)比較系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)新研裝備或保障系統(tǒng)的特性進(jìn)行初步分析的一種方法。通過(guò)基準(zhǔn)比較分析，在艦船裝備研制初期能夠確定裝備系統(tǒng)有關(guān)的“三性”參數(shù)及其保障系統(tǒng)的部分特性和約束，判明保障性指標(biāo)的可行性，確定其改進(jìn)目標(biāo)，并可用于明確影響裝備系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性、任務(wù)持續(xù)性和費(fèi)用的主要因素。一般情況下，通過(guò)基準(zhǔn)比較分析能夠初步確定保障系統(tǒng)及其保障資源相關(guān)參數(shù)（如人員數(shù)量需求及專(zhuān)業(yè)劃分等）。該方法適用于裝備立項(xiàng)論證初期，新研裝備信息掌握較少的情況下，是裝備研制早期用于確定可靠性、維修性和保障性要求及約束的一種重要方法。

2.2基準(zhǔn)比較系統(tǒng)

基準(zhǔn)比較分析應(yīng)用的關(guān)鍵是建立BCS。BCS是現(xiàn)有系統(tǒng)或分系統(tǒng)的組合，它具有最接近于新研裝備系統(tǒng)的裝備設(shè)計(jì)特性與保障系統(tǒng)特性[3]。

對(duì)于保障系統(tǒng)而言，BCS就是從訂購(gòu)方現(xiàn)有的保障系統(tǒng)中找出與當(dāng)前新研裝備保障相似的保障要素所構(gòu)成的保障系統(tǒng)雛形。新裝備研制、生產(chǎn)結(jié)束后，將投入軍方使用和保障，但實(shí)際上無(wú)論新裝備是否部署，軍方已經(jīng)存在著一個(gè)龐大的保障系統(tǒng)，新研裝備的保障方案除了要受到裝備自身設(shè)計(jì)特性影響外，還要受到現(xiàn)存的保障系統(tǒng)的約束。此時(shí)的BCS就是從現(xiàn)有軍方保障系統(tǒng)中找出與新研裝備可能相似的保障要素構(gòu)成保障系統(tǒng)雛形。基準(zhǔn)保障系統(tǒng)中包含了對(duì)保障功能、保障組織和保障資源的描述，只是這種描述一般情況下不可能完整清晰。對(duì)于起初那些不完整的保障要素信息，將隨著新裝備的研制而逐漸明確。

BCS的組成部分全部來(lái)源于現(xiàn)有使用系統(tǒng)，因此可以提供成熟有效的信息，從而推導(dǎo)出新系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)。實(shí)際上，基準(zhǔn)比較分析方法就是分析和利用BCS的數(shù)據(jù)，對(duì)新研系統(tǒng)的特性進(jìn)行初步研究、分析的方法。在基準(zhǔn)比較分析過(guò)程中，一般都會(huì)自然地直接分析到具體的保障要素，如保障設(shè)施、保障設(shè)備和人力人員等，但為了實(shí)現(xiàn)裝備的整體保障能力，同時(shí)也應(yīng)該關(guān)注到保障系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)要求。

應(yīng)該指出，雖然BCS適應(yīng)于建立裝備初始保障方案等研制早期，但其應(yīng)用階段遠(yuǎn)不限于此，也可以在方案、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段使用。由于構(gòu)建BCS可選的目標(biāo)不同，因此BCS的數(shù)量可能會(huì)有多個(gè)。

2.3BCS的建立

一般來(lái)說(shuō)，BCS的選取應(yīng)該遵循如下的原則：BCS的功能、性能必須與新系統(tǒng)類(lèi)似；BCS必須是可運(yùn)行的真實(shí)系統(tǒng)或真實(shí)系統(tǒng)的部分組合；BCS的運(yùn)行環(huán)境必須與新系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境相同或者非常接近；BCS必須能夠提供可用于確定保障資源需求的使用信息記錄等。

建立BCS的步驟如圖1所示。

圖1　BCS建立步驟Fig.1　Design of benchmark system

1）獲取裝備或保障系統(tǒng)等研究對(duì)象的信息，包括產(chǎn)品組成、產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性等。在該項(xiàng)工作中，需要根據(jù)裝備或保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，獲取各組成部分的性能參數(shù)、可靠性、維修性和保障性參數(shù)要求，以及裝備的使用特點(diǎn)。

2）確定相似的系統(tǒng)或部件。確定已有相似產(chǎn)品，列舉相似產(chǎn)品所需要的信息。根據(jù)第一步工作收集到的產(chǎn)品信息，查詢已有的同類(lèi)型裝備或產(chǎn)品，選取相似的產(chǎn)品、收集相似產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)信息。

3）收集信息建立BCS。本項(xiàng)工作根據(jù)新研產(chǎn)品和收集到的相似產(chǎn)品信息建立裝備保障方案BCS，構(gòu)建BCS時(shí)一定要考慮新研裝備的組成特點(diǎn)。

4）比較分析。根據(jù)建立的BCS進(jìn)行比較分析，該分析可以從保障系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)出發(fā)，分別比較兩者的保障功能、保障組織和保障資源，獲取保障方案的初步分析結(jié)果。

5）調(diào)整BCS。隨著研制過(guò)程的推進(jìn)，調(diào)整BCS中的部分參數(shù)，使得BCS的參數(shù)要求更接近裝備實(shí)際的保障方案要求。調(diào)整BCS參數(shù)的主要依據(jù)是裝備實(shí)際的使用任務(wù)、工作環(huán)境、產(chǎn)品技術(shù)改進(jìn)等。

6）分析影響因素。針對(duì)調(diào)整后的裝備保障方案BCS進(jìn)行影響因素分析，對(duì)保障方案組成要素的重要性進(jìn)行評(píng)估，得出影響裝備保障的主要因素，為后續(xù)工作給出有針對(duì)性的改進(jìn)措施提供參考和借鑒。

3　相似產(chǎn)品類(lèi)比和德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合的方法

相似產(chǎn)品類(lèi)比和德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合的方法是基準(zhǔn)比較方法的升級(jí)補(bǔ)充[4，5]，是在基準(zhǔn)比較方法的基礎(chǔ)上盡量減小主觀因素影響的一種指標(biāo)確定方法。本文以裝備頂層參數(shù)（使用可用度）為例，介紹相似產(chǎn)品類(lèi)比和德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合應(yīng)用。

3.1主要影響因素分析

選擇一個(gè)或多個(gè)已有的相似裝備作為參考，分析并確定裝備系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性或任務(wù)成功性參數(shù)的主要影響因素。

通常包括的主要影響因素有：裝備使用要求（使用范圍、使用強(qiáng)度）、裝備執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間、裝備復(fù)雜程度、裝備“三性”的改進(jìn)程度、裝備的使用保障能力。

1）確定影響因素的權(quán)重，推選n名專(zhuān)家對(duì)以上所有m個(gè)因素的影響程度打分，kij為分?jǐn)?shù)（i=1，2，...，n；j=1，2，...，m），分別計(jì)算出各因素的權(quán)重：

2）建立評(píng)分矩陣，對(duì)比新裝備系統(tǒng)與相似裝備間的差異，利用專(zhuān)家對(duì)以上各個(gè)影響因素進(jìn)行評(píng)分，建立如下評(píng)分矩陣：

其中：μi為影響因素，共m個(gè)，評(píng)價(jià)等級(jí)分為5等，為較低、稍低、相同、稍高和較高，可以分別對(duì)應(yīng)（δ1、δ2、δ3、δ4、δ5）分，分?jǐn)?shù)δi的量值由人工確定。對(duì)正相關(guān)因素（即因素要求越高戰(zhàn)備完好性越高），須滿足δ1＜δ2＜δ3＜δ4＜δ5，對(duì)負(fù)相關(guān)因素（即因素要求越高戰(zhàn)備完好性越低），須滿足δ1＞δ2＞δ3＞δ4＞δ5，可得到綜合評(píng)分：

如有多名專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)分，則δi取所有專(zhuān)家評(píng)分的平均值。

3）得到裝備系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性參數(shù)的初始值。

式（3）中，C為參數(shù)的綜合評(píng)分；δ3為該參數(shù)評(píng)分矩陣中對(duì)應(yīng)“相同”欄的分?jǐn)?shù)值；Q0為相似裝備對(duì)應(yīng)參數(shù)的數(shù)值。

3.2使用可用度指標(biāo)確定

使用該方法確定裝備使用可用度。具體步驟如下。

1）確定裝備比較分析時(shí)影響使用可用度的主要因素。裝備的使用強(qiáng)度，使用強(qiáng)度越大，使用可用度越低；裝備的復(fù)雜程度，復(fù)雜程度越高，使用可用度越低；裝備的“三性”的改進(jìn)提高程度，改進(jìn)程度越高，使用可用度越高；裝備的使用維修保障能力，保障能力越強(qiáng)，使用可用度越高。

2）確定影響因素的權(quán)重。推選n名專(zhuān)家對(duì)以上4種因素對(duì)裝備使用可用度AO的影響程度打分，并分別計(jì)算出各因素的權(quán)重。分?jǐn)?shù)等級(jí)分為4等，分別對(duì)應(yīng)（4，3，2，1），分?jǐn)?shù)越高，影響程度越大，專(zhuān)家打分如下。

其中，Ei為專(zhuān)家，共n位；μm為影響因素，共4種；kij為 分 數(shù)（ i=1，2，...，n；j=1，2，3，4；kij=[4，3，2，1]）依據(jù)式（1）計(jì)算各因素的權(quán)重。

3）對(duì)比裝備和相似裝備之間的差異，由專(zhuān)家對(duì)以上各個(gè)影響因素進(jìn)行打分。

評(píng)分等級(jí)分為5等，分別為100分、75分、50分、25分、0分。100分表示針對(duì)使用可用而言，某因素的程度和相似裝備對(duì)比，改善最多；50分表示相當(dāng)；0分表示相差最遠(yuǎn)。

n位專(zhuān)家對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行打分，分別得出各個(gè)因素的平均分?jǐn)?shù)δj（j=1，2，3，4）。

其中，Ei為專(zhuān)家；μj為4種影響因素；Qij為分?jǐn)?shù)（i=1，2，...，n；j=1，2，3，4）。則艦船裝備系統(tǒng)評(píng)分：

計(jì)算裝備的使用可用度 AO

式（4）、式（5）中，AO為裝備使用可用度指標(biāo)；AOV為相似裝備使用可用度指標(biāo)；αj為第 j個(gè)因素的權(quán)重。

利用表1進(jìn)行計(jì)算指標(biāo)。假設(shè)專(zhuān)家數(shù)量為4，相似裝備的使用可用度為0.8，則裝備使用可用度AO為0.863。

4　統(tǒng)計(jì)推斷法

統(tǒng)計(jì)推斷法的基本思想是：根據(jù)裝備典型任務(wù)剖面和任務(wù)要求，對(duì)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分析，將難以統(tǒng)計(jì)的某參數(shù)轉(zhuǎn)換為便于統(tǒng)計(jì)的多項(xiàng)參數(shù)，利用相似裝備類(lèi)比法或借助歷史數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定各分項(xiàng)參數(shù)的指標(biāo)，最終推斷獲得該參數(shù)的論證指標(biāo)。該方法適用于艦船裝備“三性”頂層指標(biāo)和綜合特性指標(biāo)的確定。以裝備使用可用度為例，介紹利用統(tǒng)計(jì)推斷法進(jìn)行指標(biāo)確定方法和過(guò)程。

根據(jù)裝備使用可用度定義，有如下模型：

式（6）中，TO為能工作時(shí)間；TCMT為修復(fù)性維修總時(shí)間，TALT為等候備件、維修人員或運(yùn)輸?shù)鹊墓芾砗捅Ｕ腺Y源延誤時(shí)間。

表1　使用可用度AO指標(biāo)Table 1　Operational availability（AO）

通常，TCMT難以統(tǒng)計(jì)，所以式（6）可以采用其他工程模式代替?？梢越Y(jié)合裝備的實(shí)際使用情況對(duì)各種時(shí)間因素進(jìn)一步明確并區(qū)分艦艇的使用狀態(tài)，對(duì)各種狀態(tài)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以獲得使用可用度的計(jì)算公式。通常裝備狀態(tài)分為在用、停用和修理3種狀態(tài)，在用狀態(tài)包括各種類(lèi)別的在用；停用狀態(tài)包括檢修、故障等；修理狀態(tài)，為裝備進(jìn)工廠進(jìn)行計(jì)劃修理狀態(tài)，包括小修、中修、大修等。因此，裝備使用時(shí)間可以劃分為如圖2所示的時(shí)間分解圖。

圖2　裝備時(shí)間分解圖Fig.2　Equipment time decomposition

如果規(guī)定壽命剖面內(nèi)裝備使用壽命為L(zhǎng)se，則使用壽命為艦艇可用時(shí)間TCH（等同于能工作時(shí)間），停用時(shí)間TTH（等同于TCMT+TALT）和計(jì)劃維修時(shí)間TJHWX之和。根據(jù)裝備壽命剖面，若小修次數(shù)N1及時(shí)間TWX，中修次數(shù)N2及時(shí)間TXX，大修次數(shù)N3及時(shí)間TDX，則計(jì)劃維修時(shí)間為：

裝備停用時(shí)間TTH一般可根據(jù)相似型號(hào)裝備情況給予一定比例k，則停用時(shí)間可表示為：

則裝備可用時(shí)間可表示為：

所以使用可用度可轉(zhuǎn)化為：

利用式（10），結(jié)合裝備壽命剖面（小修、中修和大修時(shí)間及次數(shù)），可以從使用需求出發(fā)，獲得其使用可用度AO。

5　模型估算法

模型估算法包括解析模型估算法和仿真模型估算法兩種估算方法[6]，其基本思想是：根據(jù)裝備系統(tǒng)的典型任務(wù)剖面和作戰(zhàn)使用需求，結(jié)合“三性”參數(shù)定義，建立其指標(biāo)估算模型，通過(guò)解析公式或利用仿真的手段計(jì)算得到裝備“三性”指標(biāo)初始值。模型估算方法常常和統(tǒng)計(jì)推斷法等方法相結(jié)合使用，確定裝備的系列“三性”指標(biāo)。一般利用模型估算法建立某一頂層指標(biāo)（或綜合特性指標(biāo)）和多個(gè)單項(xiàng)設(shè)計(jì)特性指標(biāo)之間的分解關(guān)系，利用統(tǒng)計(jì)推斷法或基準(zhǔn)比較法確定各單項(xiàng)指標(biāo)初始值，再通過(guò)綜合權(quán)衡分析確定裝備的綜合特性指標(biāo)和各單項(xiàng)指標(biāo)。

本節(jié)以任務(wù)成功率頂層參數(shù)為例，介紹利用解析模型估算法指標(biāo)確定過(guò)程。任務(wù)成功率模型如下：

式（11）中，R(tm)為規(guī)定時(shí)間tm內(nèi)的任務(wù)可靠度；tm為動(dòng)力系統(tǒng)航行任務(wù)時(shí)間；M(ta)為被檢測(cè)故障在規(guī)定的ta時(shí)間內(nèi)被修復(fù)的概率；ta為任務(wù)過(guò)程中允許的最大修復(fù)時(shí)間。

從上述任務(wù)成功率模型可以看出，任務(wù)可靠度Rm和維修度M之間有如下關(guān)系，如果動(dòng)力系統(tǒng)遂行任務(wù)過(guò)程中，一段時(shí)間內(nèi)可以保持較高的維修度，那么任務(wù)可靠度的要求就可以適當(dāng)降低；如果維修工作無(wú)法獲得充足保證，即裝備在較低的維修度條件下，就要求遂行任務(wù)過(guò)程中保持較高的可靠度。因此，在任務(wù)可靠度和維修度論證過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)裝備作戰(zhàn)任務(wù)需求和特點(diǎn)，綜合權(quán)衡確定任務(wù)成功率、任務(wù)可靠度、維修度及維修時(shí)間等指標(biāo)。

如果通過(guò)效能分析，或者從使用需求出發(fā)，提出動(dòng)力系統(tǒng)某一任務(wù)成功率PMC為0.95，并假設(shè)裝備服從指數(shù)分布時(shí)，有：

式（12）中，ta為維修時(shí)間；μ為維修率。

根據(jù)對(duì)多型裝備維修性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，使用和允許的維修時(shí)間一般在2～3 h。則利用上述模型，可以分析獲得對(duì)應(yīng)不同維修時(shí)間下Rm和M之間對(duì)應(yīng)組合關(guān)系見(jiàn)表2。通過(guò)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)綜合權(quán)衡分析，可以獲得任務(wù)成功率下的裝備任務(wù)可靠度及維修度分解指標(biāo)。

結(jié)合表2確定的任務(wù)成功率和各“三性”指標(biāo)之間的關(guān)系，在保證任務(wù)成功率0.95的前提下，如果要保證較高的可靠性，那么可以選擇第3組指標(biāo)，即對(duì)平均修復(fù)時(shí)間要求可以適當(dāng)降低；如果對(duì)任務(wù)可靠度不作過(guò)高要求，那么可以選擇第6組指標(biāo)，即對(duì)平均修復(fù)時(shí)間提出較高要求。

6　結(jié)語(yǔ)

艦船裝備指標(biāo)量化方法目前基本采用以上4種方法，具體可根據(jù)實(shí)際情況選用。

1）艦船裝備頂層參數(shù)指標(biāo)（綜合特性參數(shù)指標(biāo)）確定一般以解析模型估算法為基礎(chǔ)，建立頂層指標(biāo)分解結(jié)構(gòu)，通過(guò)基準(zhǔn)比較法和統(tǒng)計(jì)推斷法確定各單項(xiàng)指標(biāo)。

2）對(duì)于無(wú)法通過(guò)頂層指標(biāo)分解獲得的低層次單項(xiàng)指標(biāo)，在難以掌握相似設(shè)備相關(guān)應(yīng)用信息的條件下，建議選用基準(zhǔn)比較法。在能夠掌握相似裝備充足統(tǒng)計(jì)信息的條件下，建議選用統(tǒng)計(jì)推斷法。

3）在艦船裝備論證初期，建議選用基準(zhǔn)比較法或相似產(chǎn)品類(lèi)比和德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合的方法；在研制立項(xiàng)論證時(shí)，隨著初步使用保障方案等相關(guān)信息的逐步明確，建議選用模型估算和統(tǒng)計(jì)推斷等其他方法。

表2　任務(wù)成功率與任務(wù)可靠性、維修性關(guān)系Table 2　The relationship between the dependability,mission reliability and maintainabilty

[1]曾聲奎.可靠性維修性保障性工程基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[2]曾聲奎.可靠性維修性保障性要求論證[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[3]張杰，唐宏，蘇凱，等.效能評(píng)估方法研究[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[4]康銳.可靠性維修性保障性工程基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[5]張志華，王勝兵，金家善.現(xiàn)場(chǎng)可靠性數(shù)據(jù)的變點(diǎn)分析[J].電子技術(shù)與系統(tǒng)工程，2006（6）：937-940.

[6]Crk V.Reliability assessment from degradation data[C]//Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium，2000.

Quantitative methods for warship equipment reliability，maintainability and supportability

Huang Jiadian1，Li Yanqiang1，Dong Li2
（1.The 91872th Unit of PLA，Beijing 102442，China；2.Navy University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Four methods of benchmarking analysis，Delphi method with similar products，analog estimation method and statistical inference methods were applied to analyze and confirm the adaptability of the quantitative indicators for warship equipment reliability，maintainability and supportability.The principles for constructing the top-level parameter index and the“three of quality”quantitative indicators for warship equipment were proposed.

reliability；maintainability；supportability；quantitative indicators

E925

A

1009-1742（2015）05-0014-06

2015-03-05

黃佳典，1962年出生，男，山東青島市人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕灤b備動(dòng)力工程及保障；E-mail：hjd173@sohu.com