王 薇

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七研究院 北京 100192)

?

基于使用可用度的艦船電子信息系統(tǒng)RMS參數(shù)權(quán)衡方法*

王 薇

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七研究院 北京 100192)

艦船電子信息系統(tǒng)是艦船武器裝備重要組成,針對研制階段其可靠性、維修性、保障性參數(shù)(RMS參數(shù))的綜合權(quán)衡問題,以使用可用度為約束,以實(shí)現(xiàn)壽命周期費(fèi)用最低為目標(biāo),提出了基于使用可用度的RMS參數(shù)權(quán)衡方法,并給出了權(quán)衡方法中,基于RMS參數(shù)的使用可用度及壽命周期費(fèi)用的計算模型。

艦船電子信息系統(tǒng); RMS參數(shù)權(quán)衡; 使用可用度; 壽命周期費(fèi)用

Class Number TP182

1 引言

艦船電子信息系統(tǒng)是艦船裝備平臺上的重要系統(tǒng),其功能的發(fā)揮直接影響艦船裝備任務(wù)成功與安全,因此在方案與研制階段如何根據(jù)艦船電子信息系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn),提出可靠性、維修性、保障性參數(shù)(RMS參數(shù))要求,是確保其實(shí)現(xiàn)使用功能的重要工作之一[1～2]。

效能是裝備在規(guī)定的條件下達(dá)到規(guī)定使用目標(biāo)的能力,它能夠把眾多性能的指標(biāo)綜合為完成使命任務(wù)的能力,是衡量實(shí)際作戰(zhàn)能力的有效度量[3]。因而面向現(xiàn)代海軍軍事戰(zhàn)略需要,追求高的效能成為艦船武器裝備及其系統(tǒng)的研制和采購的重要目標(biāo)。但高效能的裝備往往對應(yīng)著相對高的壽命周期費(fèi)用。

RMS參數(shù)指標(biāo)對裝備系統(tǒng)的效能、全壽命周期費(fèi)用等有重要影響。因此在方案與研制階段應(yīng)全面考慮系統(tǒng)的效能與費(fèi)用因素,對RMS指標(biāo)進(jìn)行綜合權(quán)衡,將優(yōu)化后的RMS指標(biāo)用于工程設(shè)計,將可靠性、維修性、保障性等技術(shù)指標(biāo)落實(shí)到工程研制中去,實(shí)現(xiàn)費(fèi)效最佳[4～8]。

基于此,本文針對艦船電子信息系統(tǒng)任務(wù)期的使用與維修保障特點(diǎn),選取使用可用度為其實(shí)際作戰(zhàn)能力度量,提出RMS參數(shù)的權(quán)衡方法。

2 艦船電子信息系統(tǒng)RMS參數(shù)權(quán)衡方法

2.1 艦船電子信息系統(tǒng)費(fèi)用-使用可用度權(quán)衡過程

使用可用度是綜合全面地反映武器裝備任務(wù)階段的效能參數(shù),描述在給定保障計劃的保障條件下和在規(guī)定的作戰(zhàn)使用環(huán)境中,能夠在任一隨機(jī)時刻需要時可以方便和滿意地投入使用的預(yù)期時間百分比,是衡量裝備或系統(tǒng)的作戰(zhàn)適用性和實(shí)際作戰(zhàn)能力的度量參數(shù)。使用可用度為作戰(zhàn)部隊提供裝備在任務(wù)階段的任意隨機(jī)時刻能執(zhí)行任務(wù)的概率,為作戰(zhàn)決策提供參考依據(jù);也為訂購方與承制方制定裝備或系統(tǒng)研制合同、產(chǎn)品驗(yàn)收提供更為全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使其更能全面反映裝備或系統(tǒng)綜合效能。

基于此,在方案與研制階段確定艦船電子信息系統(tǒng)的RMS頂層參數(shù),應(yīng)在使用可用度與壽命周期費(fèi)用之間進(jìn)行綜合權(quán)衡評價并給出決策。通過基于使用可用度的RMS權(quán)衡分析,使系統(tǒng)的使用可用度AO達(dá)到規(guī)定區(qū)間,系統(tǒng)的效能得到最大限度的發(fā)揮,同時壽命周期費(fèi)用最少。

如圖1權(quán)衡過程所示,艦船電子信息系統(tǒng)RMS參數(shù)的費(fèi)用-使用可用度權(quán)衡過程,是建立RMS參數(shù)與使用可用度以及費(fèi)用之間的關(guān)系模型,使RMS參數(shù)能為使用可用度與費(fèi)用間的“橋梁”,再依據(jù)所遵循的準(zhǔn)則,對RMS參數(shù)進(jìn)行選擇。

圖1 RMS參數(shù)權(quán)衡過程

2.2 艦船電子信息系統(tǒng)費(fèi)用-使用可用度優(yōu)化權(quán)衡方法

在分析艦船電子信息系統(tǒng)任務(wù)期使用與維修保障模式后,確定需要權(quán)衡的可靠性、維修性、保障性參數(shù),分別以r,m,s代表,則使用可用度AO和壽命周期費(fèi)用C可分別表示為r,m,s的函數(shù),有:

AO=fAO(r,m,s)

C=fC(r,m,s)

其中,fAO(r,m,s)與fC(r,m,s)的計算模型分別在第3、4節(jié)推導(dǎo),可靠性參數(shù)有MTBF,可靠度R,維修性參數(shù)有MTTR,預(yù)防性維修次數(shù)nPM。

以使用可用度AO為約束,以壽命周期費(fèi)用C最低為目標(biāo),建立優(yōu)化模型如下:

minC=fC(r,m,s)

s.t.AO=fAO(r,m,s)∈[AOL,AOH]

其中,[AOL,AOH]是電子信息系統(tǒng)使用可用度的規(guī)定范圍。

3 基于RMS參數(shù)的艦船電子信息系統(tǒng)使用可用度計算模型

根據(jù)艦船電子系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的連續(xù)性,可將其工作模式分為連續(xù)工作型、間歇工作型兩類。根據(jù)其任務(wù)特點(diǎn),定義,針對這兩種工作模式的特點(diǎn)進(jìn)行分析,對其時間因素進(jìn)行劃分,分別提出各自的使用可用度計算模型。

3.1 使用可用度度量方法

艦船電子信息系統(tǒng)的使用可用度定義為其任務(wù)期內(nèi)能工作時間和不能工作時間與能工作時間之和的比值。采用任務(wù)期內(nèi)系統(tǒng)總的工作時間、總維修時間、總保障及延誤時間度量,有:

其中TU為系統(tǒng)能工作時間,TD為系統(tǒng)不能工作時間。系統(tǒng)能工作時間包含了系統(tǒng)工作時間TO與系統(tǒng)待命時間(能工作而不工作)TN,TALD為管理與保障延誤時間。

3.2 連續(xù)工作型系統(tǒng)的使用可用度計算模型

連續(xù)工作型系統(tǒng)在使用、作戰(zhàn)中一直處于工作運(yùn)行狀態(tài),例如導(dǎo)航、指控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)在艦船平臺上有工作狀態(tài)或故障狀態(tài)這兩種狀態(tài),平均故障間隔的日歷時間與平均故障間隔時間相等,其日歷時間就是它的有效使用時間。同時,連續(xù)工作型系統(tǒng)沒有待命時間。

修復(fù)性維修時間為

其中,TCM為修復(fù)性維修總時間,nCM為修復(fù)性維修次數(shù),MTBF為平均故障間隔時間,MTTR為平均維修時間。

預(yù)防性維修時間為

TPM=nPM·MPMT

其中,TPM為預(yù)防性維修總時間,nPM為預(yù)防性維修次數(shù),MPMT為平均預(yù)防性維修時間。

假定預(yù)防性維修不會導(dǎo)致管理與保障延誤,延誤時間為

其中,TALD為保障延誤總時間,MLDT為平均保障延誤時間。

AO連續(xù)工作型=

3.3 間歇工作型系統(tǒng)的使用可用度計算模型

間歇工作型系統(tǒng)在任務(wù)期內(nèi)可能處于任務(wù)狀態(tài)或非任務(wù)狀態(tài)。由于具備待命時間,其日歷時間不等于有效使用時間[9]。引入平均故障間隔日歷時間MCTBF,有:

其中,TN為能工作卻不工作的時間。

修復(fù)性維修時間為

預(yù)防性維修時間為

TPM=nPM·MPMT

同樣假定預(yù)防性維修不會導(dǎo)致管理與保障延誤,則延誤時間為

4 基于RMS參數(shù)的壽命周期費(fèi)用計算模型

影響艦船電子信息系統(tǒng)RMS參數(shù)權(quán)衡的壽命周期費(fèi)用C用由研制費(fèi)用CR以及使用與保障費(fèi)用COS兩項相加構(gòu)成。其中,參與權(quán)衡的使用與保障費(fèi)用是修復(fù)性維修費(fèi)用CCM、預(yù)防性維修費(fèi)用CPM和保障延誤相關(guān)費(fèi)用CALD三部分之和。本節(jié)給出根據(jù)RMS參數(shù)構(gòu)建的參與權(quán)衡的壽命周期費(fèi)用模型。

4.1 研制費(fèi)用CR的計算模型

研制費(fèi)用與RMS參數(shù)中的可靠性參數(shù)相關(guān),通過選取極端情形的可靠度R與研制費(fèi)用,得出兩者間的定性關(guān)聯(lián)。結(jié)合歷史數(shù)據(jù),采用專家評分法給出n組(Ri,CRi),通過折線逼近的方式以分段函數(shù)的形式擬合CR=f(R)關(guān)系式[10]。

4.1.1 可靠度R與研制費(fèi)用CR的定性關(guān)聯(lián)

CR=f(R)=a[Φ(R)]b+c

其中,a,b,c為待定常數(shù),Φ(R)是一個R的函數(shù)[8]。

廣義上認(rèn)為,如果要求艦船電子信息系統(tǒng)有很高的可靠度指標(biāo)R,顯然研制費(fèi)用CR會增加很多,有:

其中,Ru是艦船系統(tǒng)可靠度的上限值,0

同時,如果艦船電子信息系統(tǒng)完成研制已經(jīng)定型,卻沒有開展過任何可靠性相關(guān)工作,可靠性指標(biāo)并沒有被設(shè)計到產(chǎn)品中去,即使是這樣,該產(chǎn)品也是存在一定可靠度水平的,盡管較低。此時,該產(chǎn)品研制費(fèi)中與可靠性相關(guān)部分應(yīng)該為0,有:

其中,Rb是艦船系統(tǒng)可靠度的下限值,0

因此,f(R)應(yīng)滿足以下條件:

得到最簡單的滿足以上條件的Φ(R)為

其中,K為待定常數(shù),有:

CR=f(R)=a[Φ(R)]b+c

令a′=a·Kb,有

其中,a′,b,c均為待定常數(shù)。

圖2 可靠度與研制費(fèi)用的定性關(guān)聯(lián)

至此,通過選取可靠性水平極高與極低兩種極端情況下的費(fèi)用,得到這種可靠度與研制費(fèi)用的最簡單的表達(dá)形式,該式描述了可靠度指標(biāo)R與研制費(fèi)用的定性關(guān)聯(lián)如圖2所示,研制費(fèi)用隨可靠度指標(biāo)的增大呈增加趨勢。

4.1.2 基于專家評分法的研制費(fèi)用CR分段函數(shù)表示方法

以專家評分法獲得每個Ri下的CRi值。計算方法如下:

從元器件選取因素、技術(shù)革新因素、設(shè)計投入因素、接口改型因素四方面對每個可靠度Ri下的費(fèi)用進(jìn)行打分。每一項的分值為1～10。

元器件選取因素中,對元器件的要求最低打分為1,最高打分為10。

技術(shù)革新因素中,對技術(shù)革新要求最低打分為1,最高打分為10。

設(shè)計投入因素中,對設(shè)計投入相對最少打分為1,相對投入最多打分為10。

接口改型因素中,對接口改型要求最低打分為1,最高打分為10。

以i=x和i=x+1時的(Rx,CRx),(Rx+1,CRx+1)為基準(zhǔn),其打分值為wx和wx+1,相比于(Rx,CRx),每增長1倍的wx,費(fèi)用增加CRx的倍數(shù)用B來表示,有:

則i≠x且i≠x+1時有:

4.2 使用與保障費(fèi)用COS的計算模型

艦船電子裝備的使用與保障費(fèi)用采用下式表示:

COS=CPM+CCM+CALD

任務(wù)期內(nèi)的預(yù)防性維修費(fèi)用與其預(yù)防性維修的次數(shù)和每次維修的花費(fèi)有關(guān)。以艦船電子信息系統(tǒng)為對象,有:

CPM=nPM·CPPM

其中,CPPM為單次預(yù)防性維修費(fèi)用,在計算時屬于已知量。

修復(fù)性維修費(fèi)用與故障次數(shù)、單次維修時間以及每小時維修費(fèi)用有關(guān),有:

其中,CPCM為每小時修復(fù)性維修費(fèi)用,在計算時屬于已知量。

艦船電子裝備的保障費(fèi)用指其任務(wù)期內(nèi)的發(fā)生修復(fù)性維修時所產(chǎn)生的管理與保障延誤帶來的費(fèi)用損失,該費(fèi)用與故障次數(shù)、單次故障的延誤時間以及每延誤1小時損失的費(fèi)用有關(guān),有:

其中,CALD為每延誤1小時損失的費(fèi)用,在計算時屬于已知量。

5 結(jié)語

本文依據(jù)艦船電子信息系統(tǒng)使用與維修保障模式與特點(diǎn),得出基于RMS參數(shù)的使用可用度的計算模型與基于RMS參數(shù)的壽命周期費(fèi)用計算方法。以使用可用度為約束條件,以壽命周期費(fèi)用最低為目標(biāo),提出艦船電子信息系統(tǒng)RMS參數(shù)指標(biāo)的權(quán)衡方法。為研制階段的可靠性、維修性、保障性指標(biāo)分配提供依據(jù)。

[1] 姜波,吳杰,陳繼祥,等.魚雷系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配方法研究[J].艦船電子工程,2011,31(1):122-124.

[2] 彭文華,衛(wèi)平凡,劉國光.基于效能的艦炮武器系統(tǒng)RMS指標(biāo)設(shè)計方法研究[J].艦船電子工程,2010,30(1):172-174.

[3] 林武強(qiáng),馬紹力,鄭凌宇.對艦船可用度指標(biāo)的探討[J].船舶工程,2003,25(5):67-71.

[4] 宇鳴,王威,黎放.艦船可靠性對維修費(fèi)用的影響分析[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報,1999(3):66-70.

[5] 肖依永,常文兵.基于擴(kuò)展型蒙特卡洛仿真的裝備壽命周期費(fèi)用與可靠性分析方法研究[J].裝備質(zhì)量,2012(6):25-32.

[6] 彭亮,岳冬梅.艦船裝備全壽命周期費(fèi)用估算方法研究[J].艦船電子工程,2013,33(5):126-129.

[7] 劉飛,張為華.基于費(fèi)用函數(shù)的系統(tǒng)可靠性優(yōu)化分析方法[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2005,11:11-12.

[8] 史秀建,金家善,吳奕亮.壽命周期費(fèi)用與可靠性關(guān)系分析模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2004,28(4):589-592.

[9] 操軍.裝備使用可用度模型研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2012.

[10] 劉曉東,張恒喜.飛機(jī)可靠性與研制費(fèi)用相關(guān)關(guān)系研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,1(1):63-66.

Trade-off Method of Ship Electronic Information Systems RMS Parameters Based on Operational Availability

WANG Wei

(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100192)

Ship electronic information system is the important component in warship. Aiming at the comprehensive trade-off for reliability, maintainability and supportability(RMS) parameters of the ship electronic information system during the design process, this paper proposes the trade-off method of RMS parameters based on operational availability. In this trade-off method, the constraint is operational availability, and the objective function is minimizing the life cycle cost. And both the operational availability and life cycle cost model which are based on RMS parameter are presented in this trade-off method.

ship electronic information system, RMS parameters trade-off, operational availability, life cycle cost

2014年9月7日,

2014年10月26日

王薇,女,工程師,研究方向:艦船產(chǎn)品可靠性。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.028