李 勇，王 坤，劉瑞起，韓朝帥

(軍事科學(xué)院 a.科研部; b.防化研究院, 北京 100091)

沒有明確的戰(zhàn)術(shù)指標以及實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)指標而確定相應(yīng)的技術(shù)指標，裝備的工程設(shè)計是不可想象的。當前在可靠性、維修性、保障性、測試性(RMST)工程設(shè)計領(lǐng)域中，缺乏像性能指標那樣全面完整的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)參數(shù)指標。同時，雖然裝備設(shè)計研制人員已意識到RMST一體會設(shè)計的重要性，但由于缺乏系統(tǒng)全面的理論方法和操作性強的技術(shù)手段，當前各指標仍是單項分開設(shè)計，導(dǎo)致裝備在全壽命周期內(nèi)使用需求無法得到持續(xù)滿足，而且互相之間權(quán)衡困難、設(shè)計費用大幅上升等，迫切需要綜合考慮各參數(shù)指標間的作用影響，研究符合工程實際需要的頂層指標設(shè)計模型和驗證方法。

RMST一體化設(shè)計的目的，在于高概率滿足裝備使用保障的前提下技術(shù)難度和壽命周期費用最低，設(shè)計的內(nèi)容主要包括合理分配各參數(shù)指標、優(yōu)化配置維修保障和備件保障以及科學(xué)設(shè)置各功能更換模塊的級別和數(shù)量[1]。當前國內(nèi)大多關(guān)注于RMST單項指標的論證設(shè)計和戰(zhàn)備完好率模型研究(文獻[2-7]所示)，關(guān)于一體化設(shè)計的理論、方法和技術(shù)研究相對都很少。丁定浩在文獻[8-9]中指出國內(nèi)外一些研究成果和RMS模型的錯誤之處，并給出了3類可以實現(xiàn)工程操作的頂層指標理論模型和驗證方法，但其忽視了測試性因素對裝備維修造成的巨大影響，沒有將故障檢測、故障隔離等因素考慮頂層指標設(shè)計模型中。韓坤等[10]從系統(tǒng)效能的角度出發(fā)，構(gòu)建裝甲裝備典型任務(wù)剖面下的戰(zhàn)備完好率模型和任務(wù)可信性模型，并提出對比分析和靈敏度分析的RMST權(quán)衡方法，雖然其在戰(zhàn)備完好率模型中提到了管理和保障延誤時間，并沒有給出合理的計算方法，難以在實際工程中得以應(yīng)用。徐永成等[11]提出通過分層加權(quán)有向圖和模糊粗糙集理論進行RMS建模，進而解決各指標間的強耦合機制問題，其存在的問題是沒有區(qū)分和明確組合指標與設(shè)計指標間的作用關(guān)系，同時對各指標間的強耦合問題描述較少。汪雪蓮等[12]針對RMS設(shè)計與工程脫節(jié)、各性能指標間統(tǒng)籌考慮不夠的問題，提出將FMECA技術(shù)從原有可靠性設(shè)計增加維修工具模塊，進而拓展應(yīng)用到維修和保障領(lǐng)域，該方法對促進RMS一體化設(shè)計具有一定的正向作用，但是過度側(cè)重維修相關(guān)的影響因素，缺少對裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和供應(yīng)保障等方面的因素考慮。

對此，本文根據(jù)不同任務(wù)需求，將裝備系統(tǒng)分為連續(xù)工作型、間斷工作型和一次性使用[13]三大類，選取適用的RMST頂層參數(shù)，進而設(shè)計一體化指標體系架構(gòu)，并以我軍現(xiàn)行的現(xiàn)場、器材倉庫、供應(yīng)站三點式供應(yīng)體制為例，構(gòu)建復(fù)雜裝備頂層指標模型和試驗驗證方法。

1 RMST一體化指標體系架構(gòu)

RMST一體化指標體系是指為實現(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)系進行的系列描述。當前常用的RMST單項參數(shù)包括平均故障間隔時間(MTBF)、平均修復(fù)時間(MTTR)、平均預(yù)防性維修時間(MTTPF)、再補給時間(RST)、平均備件延誤時間(MLDT)、故障檢測率(FDR)、故障隔離率(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RMST單項能力指標參數(shù)和戰(zhàn)備完好率(POR)、使用可用度(AO)、任務(wù)成功率(PMS)、能執(zhí)行任務(wù)率(MCR)等RMST綜合能力指標參數(shù)。本文通過分析不同裝備系統(tǒng)任務(wù)剖面特點，選取RMST指標體系的頂層參數(shù)并結(jié)合各參數(shù)之間的關(guān)系構(gòu)建RMST一體化指標體系架構(gòu)。

1.1 連續(xù)工作型裝備系統(tǒng)RMST頂層參數(shù)選擇

連續(xù)工作型裝備是指在壽命周期內(nèi)除停機檢修和故障維修外一直處于工作狀態(tài)的裝備系統(tǒng)，如邊境核輻射監(jiān)測系統(tǒng)、港管雷達、遠洋艦載電子設(shè)備等，其典型任務(wù)剖面如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，連續(xù)工作型裝備系統(tǒng)追求的是任務(wù)時間無限長，關(guān)注的是日歷時間的利用率和平均停機時間，無法用任務(wù)的成功與失敗來表達。所以，對于連續(xù)工作型裝備系統(tǒng)，應(yīng)以使用可用度作為RMST頂層參數(shù)表達裝備系統(tǒng)的整體質(zhì)量水平。

1.2 間斷工作型裝備系統(tǒng)RMST頂層參數(shù)選擇

間斷工作型裝備系統(tǒng)是指在壽命周期內(nèi)處于工作、停機交替狀態(tài)的裝備系統(tǒng)，如通用車輛裝備整機系統(tǒng)、機載化學(xué)偵察系統(tǒng)等，其典型任務(wù)剖面如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，間斷工作型裝備系統(tǒng)關(guān)注的核心是執(zhí)行任務(wù)的成功或失敗概率，對于發(fā)生故障前工作時間為有效工作時間的裝備，則是要求任務(wù)時間內(nèi)能執(zhí)行時間的占比。所以，對于間斷工作型裝備系統(tǒng)，應(yīng)以任務(wù)成功率和能執(zhí)行任務(wù)率兩種參數(shù)作為RMST頂層參數(shù)來表達裝備系統(tǒng)的整體質(zhì)量水平。

1.3 一次性使用裝備系統(tǒng)RMST頂層參數(shù)選擇

一次性使用裝備系統(tǒng)不同于連續(xù)工作型和間斷工作型裝備系統(tǒng)，其主要指平時須安全儲存和科學(xué)管理，戰(zhàn)時一次性消耗的裝備系統(tǒng)，如通用彈藥導(dǎo)彈、魚雷、特種彈藥導(dǎo)彈等，其典型任務(wù)剖面如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，一次性使用裝備系統(tǒng)是具有長期儲存、燃爆特性的裝備，其關(guān)注的核心是安全延壽儲存和可靠使用。所以，對于一次性使用裝備系統(tǒng)，不需用任務(wù)成功率或能執(zhí)行任務(wù)率來表達，以戰(zhàn)備完好率參數(shù)作為RMST頂層參數(shù)更能正確描述其質(zhì)量水平。

1.4 RMST一體化指標體系架構(gòu)

根據(jù)3種工作狀態(tài)下裝備系統(tǒng)RMST體系頂層參數(shù)的選擇，構(gòu)建RMST一體化指標體系架構(gòu)，如圖4所示。

由圖3可知，RMST一體化指標體系第1層是由可靠性、維修性、保障性、測試性參數(shù)有機組合而成，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，其中戰(zhàn)備完好率不僅是一次性使用裝備系統(tǒng)的重要表達指標，同時也是任務(wù)成功率和能執(zhí)行任務(wù)率指標實現(xiàn)的前提；第2層是可靠性、維修性、保障性、測試性參數(shù)的技術(shù)指標，是裝備系統(tǒng)各單項能力特性的體現(xiàn)；第3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，是可以在裝備研制設(shè)計中直接實現(xiàn)的，由于部分測試性指標(故障檢測率、故障隔離率)對維修性指標(平均修復(fù)時間、平均維修延誤時間等)具有直接的影響作用，因此在實踐中往往對二者統(tǒng)一進行試驗和評價。

2 RMST頂層指標模型設(shè)計與驗證

根據(jù)RMST一體化指標體系，只要構(gòu)建符合工程設(shè)計實際要求的裝備頂層參數(shù)數(shù)學(xué)模型和驗證方法，便可將頂層參數(shù)指標合理分配到各個RMST設(shè)計指標中，進而有效融入裝備系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)使用中，最終達到整個裝備系統(tǒng)質(zhì)量的最優(yōu)。因此，本文以我軍現(xiàn)行器材備件供應(yīng)保障體制為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)使用可用度、任務(wù)成功率、能執(zhí)行任務(wù)率和戰(zhàn)備完好率的數(shù)學(xué)模型，并提出切實可行的驗證方法，裝備設(shè)計研制人員可在此基礎(chǔ)上搭建特定裝備或系統(tǒng)的設(shè)計模型。復(fù)雜系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

另外，在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時，統(tǒng)一命名c為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的標識，b為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的標識，y為預(yù)防性維修的標識， 1為三級備件供應(yīng)體制中修理機構(gòu)一級的標識，2為備件倉庫一級的標識，3為供應(yīng)站一級的標識。

2.1 使用可用度指標模型

使用可用度適用于連續(xù)工作型裝備系統(tǒng)，基本參數(shù)可分為兩類：一是工作時間參數(shù)，二是停機時間參數(shù)。考慮現(xiàn)代裝備系統(tǒng)的模塊化、集成化程度較高，冗余設(shè)計較多，工作時間參數(shù)通常只有MTBF一種，停機時間參數(shù)主要包括平均修復(fù)時間MTTR、MMDT、MLDT和MTTPM四種。復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，連續(xù)工作型裝備系統(tǒng)使用可用度模型如下：

(1)

其中，MDTi為復(fù)雜系統(tǒng)第i個結(jié)構(gòu)或單元的工作時間；MUTi為復(fù)雜系統(tǒng)第i個結(jié)構(gòu)或單元的停機時間；nb為復(fù)雜系統(tǒng)中并聯(lián)結(jié)構(gòu)的數(shù)量；ny為復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)防性維修項目數(shù)；對于連續(xù)工作型裝備系統(tǒng)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)維修基本采用聯(lián)機檢修的模式進行，故不考慮其維修延誤時間；MTTRc和MTTRbi分別為復(fù)雜系統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)和第i個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均修復(fù)時間，其余參數(shù)同義；tfg為第g個維修項目實際維修時間；TFg為第g個維修項目預(yù)防性維修周期。

其中，oi為第i個模塊中單元的數(shù)量；ki為第i個并聯(lián)結(jié)構(gòu)中表決單元數(shù)量；λi為第i個并聯(lián)結(jié)構(gòu)中子單元的故障率；μi為第i個并聯(lián)結(jié)構(gòu)中子單元的拆裝修復(fù)率；Tkbi=φkitbi+(1-φki)twi，為第i個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均故障隔離時間；其他參數(shù)同上。

2.2 任務(wù)成功率指標模型

任務(wù)成功率是指間斷工作型裝備系統(tǒng)在整個壽命周期內(nèi)，持續(xù)保持在規(guī)定的條件下和規(guī)定的任務(wù)持續(xù)時間內(nèi)完成規(guī)定功能任務(wù)的概率，主要包含成功出動的概率和成功出動基礎(chǔ)上規(guī)定時間完成規(guī)定任務(wù)的概率。復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，間斷工作型裝備系統(tǒng)任務(wù)成功率模型如下：

(2)

fci(ts)=1-e-λits

其中，TFi為第i個子模塊的預(yù)防性維修周期；tm(j,l,μi,φki,td)為故障單元數(shù)為j、維修設(shè)施數(shù)為l、拆裝修復(fù)率μi、故障隔離率為φki、容許停機時間為td條件下的維修延誤時間因子；其他參數(shù)同上。

2.3 能執(zhí)行任務(wù)率指標模型

能執(zhí)行任務(wù)率與連續(xù)工作型裝備的使用可用度相當，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時間。復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，間斷工作型裝備系統(tǒng)能執(zhí)行任務(wù)成功率模型如下：

(3)

其中，式中參數(shù)同上。

2.4 戰(zhàn)備完好率指標模型

對于一次性使用裝備系統(tǒng)，戰(zhàn)備完好率旨在反映其成功出動率，研究的是長期儲存階段的裝備可靠性及狀態(tài)檢測和任務(wù)準備階段可實施規(guī)定范圍的預(yù)防性維修和修復(fù)性維修。復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，一次性使用裝備系統(tǒng)戰(zhàn)備完好率模型如下：

(4)

其中，式中參數(shù)同上。

2.5 驗證方法

隨著裝備系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高，其工作時間和故障規(guī)律的不確定性也隨之提升，以整機為對象進行考核試驗顯然已很難科學(xué)合理地驗證其頂層指標。而當前的RMST試驗中，仍是以整個裝備系統(tǒng)或大的部組件為對象來進行的[14]。下面給出適用于裝備系統(tǒng)工程設(shè)計的四種參數(shù)指標驗證方法。

1) 使用可用度指標驗證方法

使用可用度驗證的本質(zhì)，就是如何通過各個子系統(tǒng)的使用可用度來確定整機使用可用度。首先，對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分解，明確其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建結(jié)構(gòu)分解圖；其次，對各子系統(tǒng)或部件的RMST第3層參數(shù)進行考核驗證，確定其使用可用度；最后，通過各子系統(tǒng)或部件的使用可用度模型，得到整機的使用可用度，并與設(shè)計指標進行驗證。

2) 任務(wù)成功率指標驗證方法

由于裝備系統(tǒng)與子系統(tǒng)的任務(wù)成功率之間沒有明確的函數(shù)關(guān)系，所以無法采用分解驗證的方法。本文提出了一種根據(jù)設(shè)計的置信區(qū)間試驗得到裝備系統(tǒng)的任務(wù)成功率結(jié)果的方法。首先，根據(jù)設(shè)計的任務(wù)成功率檢驗上限PMSf0、下限PMSf1及相應(yīng)的風(fēng)險因子α和β(式(5))，確定試驗過程中任務(wù)總數(shù)n和允許失敗的最大次數(shù)r；其次，對裝備系統(tǒng)進行試驗，ts內(nèi)能夠持續(xù)完成任務(wù)則記錄成功一次，反之則記錄失敗一次，若出現(xiàn)故障后修復(fù)時間或備件周轉(zhuǎn)時間超出停機時間td，則需除以td算做失敗次數(shù)；最后，計算裝備系統(tǒng)的任務(wù)成功率，并與設(shè)計的任務(wù)成功率進行對比分析。

(5)

3) 能執(zhí)行任務(wù)率指標驗證方法

能執(zhí)行任務(wù)率的驗證與任務(wù)成功率驗證方法基本一致，區(qū)別在于其統(tǒng)計的是系統(tǒng)工作時間和任務(wù)總時間。首先，根據(jù)設(shè)計的能執(zhí)行任務(wù)率檢驗上限PMSf0和下限PMSf1、相應(yīng)的風(fēng)險因子α和β、任務(wù)時間ts(式(6))，確定試驗過程中任務(wù)總數(shù)n和允許正常執(zhí)行任務(wù)的平均最低時間t0；其次，對裝備系統(tǒng)進行試驗，記錄每次任務(wù)時間ts內(nèi)能夠正常執(zhí)行任務(wù)的時間，若出現(xiàn)故障后修復(fù)時間或備件周轉(zhuǎn)時間超出停機時間td，則需減去td算做任務(wù)期內(nèi)不能執(zhí)行任務(wù)時間；最后，計算裝備系統(tǒng)n次任務(wù)過程中能夠執(zhí)行任務(wù)的總時間，得出該系統(tǒng)的能執(zhí)行任務(wù)率，并與設(shè)計數(shù)值對比分析。

(6)

4) 戰(zhàn)備完好率指標驗證方法

戰(zhàn)備完好率指標的驗證本質(zhì)在于統(tǒng)計能成功出動的裝備數(shù)和裝備總數(shù)之比。首先，根據(jù)設(shè)計的戰(zhàn)備完好率檢驗上限PORf0和下限PORf1、相應(yīng)的風(fēng)險因子α和β(式(7))，確定試驗裝備總數(shù)ns和試驗過程中要求成功出動的平均最低裝備數(shù)nr；其次，對裝備系統(tǒng)進行N次試驗，記錄規(guī)定儲存條件和周期T后保持完好的裝備數(shù)，若裝備出現(xiàn)故障后修復(fù)時間和備件周轉(zhuǎn)時間在任務(wù)準備時間td內(nèi)，則統(tǒng)計在內(nèi)；最后，計算ns個裝備在N次任務(wù)中能夠成功出動的裝備總數(shù)，進而得出該系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好率，并與設(shè)計數(shù)值對比分析。

(7)

以上對使用可用度、任務(wù)成功率、能執(zhí)行任務(wù)率和戰(zhàn)備完好率的驗證方法，可以大大提高裝備研制設(shè)計者對可靠性、維修性、保障性、測試性設(shè)計的重視程度，進而確保裝備的質(zhì)量得到較好的保證。另外，實際工程設(shè)計中還可采用比較分析和靈敏度分析等方法來進行RMST設(shè)計的驗證工作。

3 實例分析

由題意和表中數(shù)據(jù)可知，應(yīng)選取任務(wù)成功率作為該系統(tǒng)RMST頂層參數(shù)，第5和第6個子系統(tǒng)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊，其余4個子系統(tǒng)都是表決并聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊，可靠性框圖如圖6所示。

表1 A中子系統(tǒng)各參數(shù)和配置數(shù)據(jù)

1) 求解各子系統(tǒng)的故障概率、維修延誤時間因子和備件延誤時間因子。

通過Matlab算法進行計算，以A1子系統(tǒng)為例，其故障概率為

A1子系統(tǒng)的維修延誤時間因子為

A1子系統(tǒng)的備件延誤時間因子為

同理可得(計算過程省略)：

2) 求系統(tǒng)A的任務(wù)完成率。將(1)中所得數(shù)據(jù)代入式(2)，得：

由此可得，系統(tǒng)A的任務(wù)成功率為0.598 975，還有一定的提升空間，通過分析可知影響因素主要在于A1和A3子系統(tǒng)的故障概率過高，A2、A3、A4、A5、A6子系統(tǒng)的備件延誤因子均過高，同時A6子系統(tǒng)的維修延誤因子過高。因此，可通過調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局、冗余單元數(shù)量、備件儲供數(shù)量和故障測試點分布等措施，進一步提高A1和A3子系統(tǒng)的可靠性、A2至A6子系統(tǒng)的保障性、A6子系統(tǒng)的維修性和測試性，達到提升系統(tǒng)整體質(zhì)量的目的。

4 結(jié)論

本文針對當前裝備RMST工程設(shè)計中的現(xiàn)狀和不足，提出從一體化的角度開展設(shè)計和驗證工作。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同任務(wù)剖面需求得到使用可用度、任務(wù)成功率、能執(zhí)行任務(wù)率和戰(zhàn)備完好率4個能正確表達不同工作類型裝備系統(tǒng)RMST水平的頂層參數(shù)，構(gòu)建了RMST一體化指標體系，并基于現(xiàn)行備件供應(yīng)體制推導(dǎo)出復(fù)雜系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)下的頂層參數(shù)設(shè)計模型和驗證方法。同時，本文在研究過程中沒有考慮虛警率參數(shù)對平均修復(fù)時間和平均維修延誤時間因子的影響，如何在不降低故障隔離率的情況下合理降低虛警率，進而分析其與頂層參數(shù)之間的作用關(guān)系，有待進一步的研究。