張紅曉,王承紅

(北京電子工程總體研究所，北京　100854)

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地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度評估研究*

張紅曉,王承紅

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：使用可用度(Ao)既是影響裝備效能的重要參數(shù)，又是戰(zhàn)備完好性量化的根據(jù)。依據(jù)使用可用度度量方法，結(jié)合地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)任務(wù)要求及裝備使用、維修數(shù)據(jù)，提出了一種在役裝備使用可用度評估方法，給出了使用可用度置信下限的計算方法。

關(guān)鍵詞：地空導(dǎo)彈；武器系統(tǒng)；使用可用度評估

0引言

地空導(dǎo)彈武器是國土防空的重要武器裝備，常年擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班任務(wù)，要求其隨時處于良好的戰(zhàn)備狀態(tài)，因此，裝備的戰(zhàn)備完好性參數(shù)是極為重要的參數(shù)。戰(zhàn)備完好性是“裝備在平時和戰(zhàn)時使用條件下，能隨時開始執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力”[1]。

對一個完整的裝備系統(tǒng)在規(guī)定的實際使用環(huán)境下進(jìn)行的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性評估，除了可以驗證裝備系統(tǒng)是否達(dá)到規(guī)定的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求外，還可以驗證保障系統(tǒng)的保障能力和裝備的使用可靠性維修性水平[2]，根據(jù)地空導(dǎo)彈武器裝備戰(zhàn)備值班、作戰(zhàn)使用和維護(hù)維修的使用特點，地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性參數(shù)選取使用可用度AO。

在役裝備使用可用度評估，可為完善保障系統(tǒng)、裝備改型和新研提供重要信息。目前使用可用度的計算模型，主要是采用平均故障間隔時間與平均故障間隔時間、平均維修時間、平均延誤時間之和的比值簡化計算[3]，或考慮預(yù)防性維修總時間對使用可用度的影響因子計算[4-5]，用于論證階段使用可用度指標(biāo)預(yù)計、分配等工作；但在裝備使用階段，上述數(shù)據(jù)獲取、計算與部隊的使用、維修記錄不一致，如故障信息的時間記錄，部隊僅記錄了故障發(fā)生及修復(fù)的日期和時間，沒有按照理論上的延誤、修理時間分別記錄。為此，必須結(jié)合部隊實際情況，依據(jù)使用可用度度量方法，開展使用可用度評估。

1使用可用度定義及裝備時間分解

1.1使用可用度定義

可用性是產(chǎn)品在任一隨機(jī)時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度，可用性的概率度量稱可用度[5]。對于長期連續(xù)工作的裝備，瞬時可用度不便于反映其可用特性，需用穩(wěn)態(tài)可用度加以衡量。在地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工程實踐中，一般用使用可用度Ao來衡量，GJB451A-2005給出的使用可用度定義是：“與能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其一種度量方法為：產(chǎn)品的能工作時間與能工作時間、不能工作時間的和之比”。

1.2裝備時間分解

使用可用度與能工作時間和不能工作時間有關(guān)，因此，需要明確裝備服役后的時間劃分，裝備服役期各時間段總?cè)諝v時間的分布示意圖如圖1所示。

預(yù)防性維修時間不包括在裝備運行的同時所進(jìn)行的預(yù)防性維修活動的時間，在具體判定每個時間段是屬于能工作或不能工作的時間，要根據(jù)裝備的工作方式(如連續(xù)故障、間斷故障)和使用要求及特點進(jìn)行判斷，如裝備的某些預(yù)防性維修工作類型，一般性保養(yǎng)、檢查等時間是屬于能工作時間[6]。

預(yù)防性維修一般是事先準(zhǔn)備好各種保障資源后開展維修工作，造成裝備不能工作時間主要是預(yù)防性維修時間，管理延誤和保障延誤時間可以不用考慮；修復(fù)性維修工作，從故障發(fā)生到修復(fù)的時間，包括了修復(fù)性維修時間、管理延誤和保障延誤時間。所以裝備不能工作時間主要考慮預(yù)防性維修總時間和由于裝備故障導(dǎo)致的維修和延誤總時間。

2系統(tǒng)組成和任務(wù)特點

2.1系統(tǒng)組成

地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是由導(dǎo)彈與維護(hù)、搜索跟蹤目標(biāo)、發(fā)射和引導(dǎo)導(dǎo)彈完成戰(zhàn)斗使命的各種設(shè)備和系統(tǒng)組成的一個獨立工作系統(tǒng)[7]。典型的地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)組成為：指揮控制車、搜索跟蹤雷達(dá)、制導(dǎo)雷達(dá)、若干發(fā)射車(一個發(fā)射車上裝配若干導(dǎo)彈)及供電電源組成。某型地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖如圖2所示。其中指揮控制車、搜索跟蹤雷達(dá)、制導(dǎo)雷達(dá)供電一般采用一主一備的非工作儲備，2輛發(fā)射車共用一電源供電，由于發(fā)射車可以編組，為保證q輛發(fā)射車正常工作，需要r個(q為偶數(shù)時，r=q/2；q為奇數(shù)時，r=(q+1)/2)電源為發(fā)射車供電即可，因此，可以認(rèn)為對發(fā)射車供電的D1，D2,…，Dn電源是多數(shù)表決系統(tǒng)。

圖1　裝備服役期總?cè)諝v時間分布示意圖Fig.1　Sketch map of calendar time during the weapon system service

2.2任務(wù)及維修特點

地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)主要承擔(dān)國土防空任務(wù)，在發(fā)射陣地開展戰(zhàn)備值班，期間可能根據(jù)上級要求，陣地轉(zhuǎn)移后開展其他任務(wù)。

地空導(dǎo)彈預(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)合的方法[8]，年維護(hù)每年一次，各裝備并行開展，期間影響裝備正常使用，日、周、月定期維護(hù)一般不影響裝備正常使用。為了保證導(dǎo)彈具有較高的可用度，定期對發(fā)射裝置上的導(dǎo)彈進(jìn)行維護(hù)和測試，若導(dǎo)彈參數(shù)不合格，則用合格的庫存彈及時替換。不定期維護(hù)，根據(jù)裝備使用情況，視情進(jìn)行維護(hù)。

修復(fù)性維修，主要對裝備日檢查或開機(jī)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。部隊級不能處理的故障，申請基地級技術(shù)支援，基地級及時派技術(shù)人員攜帶設(shè)備、器材等到現(xiàn)場排除故障。

3地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度算法

3.1地面裝備使用可用度算法

結(jié)合地空導(dǎo)彈武器裝備常年擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班的這一任務(wù)，且大部分時間武器系統(tǒng)處于可工作狀態(tài)，按照GJB451A-2005使用可用度的度量方法，簡單變換：

(1)

不工作時間包括年維護(hù)時間和裝備故障后影響武器系統(tǒng)擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備值班任務(wù)時間。筆者認(rèn)為，一些采取提高任務(wù)可靠性配備的冗余裝備，在其故障時因有冗余，只要能滿足武器系統(tǒng)任務(wù)要求，即武器系統(tǒng)通過備份通道能夠工作，其故障時間就不應(yīng)屬于武器系統(tǒng)不工作時間；同樣，裝備故障后不影響裝備執(zhí)行任務(wù)的非嚴(yán)重故障，如人員空調(diào)不制冷，液壓支腿油液輕微滲漏等，不應(yīng)計入武器系統(tǒng)不能工作時間。

3.2導(dǎo)彈貯存可用度算法

地空導(dǎo)彈是一種長期貯存，一次使用的產(chǎn)品，其主要壽命過程是在不工作環(huán)境中度過的。根據(jù)維修性的相關(guān)研究結(jié)果及地空導(dǎo)彈儲存維修性的特點，導(dǎo)彈的長期貯存可用度[7，9]為

(2)

式中：Am為導(dǎo)彈貯存可用度；λm為導(dǎo)彈貯存期間的故障率；τ為導(dǎo)彈測試周期；a=e-λτ。

3.3武器系統(tǒng)使用可用度的點估計算法

(3)

式中：s為值班導(dǎo)彈數(shù)；j為設(shè)計任務(wù)要求發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)。

圖2　地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面作戰(zhàn)裝備任務(wù)可靠性框圖Fig.2　Mission reliability block diagram for ground operation materiel　　　 of surface-to-air missile weapon system

3.4武器系統(tǒng)使用可用度的置信下限估計

假設(shè)地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面裝備的故障時間和維修時間服從指數(shù)分布[6]，可以證明，使用可用度的1-α的單側(cè)置信下限為[11-12]

(4)

4算例

假設(shè)某地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的戰(zhàn)備值班任務(wù)可靠性框圖如圖2所示，圖中n=3,r=2,m=6,q=3。每個發(fā)射車上裝備4發(fā)導(dǎo)彈，系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)是發(fā)射2發(fā)導(dǎo)彈攻擊1個目標(biāo)，即：s=12，j=2；裝備年維護(hù)解除戰(zhàn)備值班時間6 d，其他日、周、月定期維護(hù)不影響武器系統(tǒng)正常工作；導(dǎo)彈的測試周期為180 d，導(dǎo)彈貯存期間平均故障間隔時間MTBFM=50 000 h，2013年某型武器裝備嚴(yán)重故障的信息見表1。

4.1計算地面裝備使用可用度

2013年全年365 d，合計8 760 h，地面裝備不能工作時間包括年維護(hù)時間144 h和裝備故障影響戰(zhàn)備值班任務(wù)時間t。

從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電源A1和電源A2故障時間無重合，保證了對指揮控制車的正常供電，指揮控制車全年故障時間是35 h；電源B1和電源B2故障時間無重合，保證了對搜索雷達(dá)的正常供電，搜索跟蹤雷達(dá)全年故障時間56.5 h；電源C1和電源C2故障重合時間2 h，說明有2 h無法為制導(dǎo)雷達(dá)正常供電；制導(dǎo)雷達(dá)全年故障時間31 h，但其中有1 h故障時間與搜索跟蹤雷達(dá)重合， 在計算地面裝備不能工作時間時需扣除；電源D1，D2，D3故障時間無重合，6輛發(fā)射車未同時出現(xiàn)3輛以上故障。所以地面裝備因故障不能工作時間為

表1　某地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)地面裝備故障信息統(tǒng)計表

t=0+35+0+56.5+2+31-1+0+0=123.5(h).

地面裝備全年不能工作時間為

144+123.5=267.5(h).

根據(jù)式(1),地面裝備的使用可用度為

4.2計算導(dǎo)彈貯存可用度

a=e-λmτ=e-2×10-5×180×24≈0.917 2.

根據(jù)式(2)，導(dǎo)彈的貯存可用度為

0.958 0.

4.3計算武器系統(tǒng)使用可用度點估計值

根據(jù)式(3),地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度為

可見，在任務(wù)設(shè)計發(fā)射少量導(dǎo)彈，而擔(dān)負(fù)值班導(dǎo)彈數(shù)量較大時，整個值班導(dǎo)彈的貯存可靠度趨近1，這與一些文獻(xiàn)中不考慮導(dǎo)彈的貯存可靠度，或?qū)?dǎo)彈貯存可靠度視為1是相通的。

4.4計算武器系統(tǒng)使用可用度置信下限估計值

表1中武器系統(tǒng)故障數(shù)k=18,取α=0.05，F(xiàn)0.05(36，36)=1.76，由式(4)得

Ao-L=0.947 5。

即某地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度的95%置信度的單側(cè)下限為0.947 5。

5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)，對可靠性、維修性、保障性指標(biāo)論證起到關(guān)鍵作用。本文結(jié)合導(dǎo)彈貯存可用度和地面裝備使用可用度計算方法，提出了地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用可用度計算模型，并結(jié)合某型號地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù)，給出了算例，為開展地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用階段使用可用度評估提供了一種工程實踐嘗試。

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Operational Availability of Surface to Air Missile

ZHANG Hong-xiao， WANG Cheng-hong

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Abstract:Operational availability (Ao) is one of the important parameters of materiel effectiveness and is also a measurement of operational readiness. Based on the evaluation method of operational availability, the mission requirements and the data of operation & maintenance of surface to air missile weapon system, a method to assess operational availability of low limit confidence is put forward.

Key words:surface to air missile；weapon system；operational availability evaluation

中圖分類號：TJ762.1+3;E927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0129-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.022

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：zhanghongxiaobj@163.com

作者簡介：張紅曉(1971-)，男，河南禹州人。工程師，碩士，研究方向為武器裝備綜合保障。

基金項目：有

收稿日期：2014-05-06；
修回日期：2014-07-20