張志強(qiáng)，王勝兵，楊 波

（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.中國(guó)人民解放軍 92815部隊(duì)，浙江 寧波 315717）

0 引言

裝備的通用質(zhì)量特性即可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性，是影響裝備作戰(zhàn)效能的重要因素，在裝備研制過(guò)程中起著重要作用[1]。便攜式AUV通常指的是1～2人可搬運(yùn)的、重量不大于80 kg的小型AUV，典型型號(hào)為美國(guó)REMUS100、冰島GAVIA等。便攜式AUV系統(tǒng)通常由航行體、控制器、探測(cè)設(shè)備、作業(yè)設(shè)備和保障設(shè)備等組成[2]。這類AUV除具備自主航行、自主探測(cè)的AUV常見(jiàn)功能之外，還具有體積小、重量輕、模塊化等特點(diǎn)，在基本型航行器的基礎(chǔ)上，可快速加裝不同的任務(wù)載荷，滿足多種任務(wù)需求，但在使用保障方面對(duì)通用質(zhì)量特性帶來(lái)了更高的要求。常見(jiàn)的通用質(zhì)量特性定量要求主要有綜合參數(shù)指標(biāo)、可靠性參數(shù)指標(biāo)、維修性參數(shù)指標(biāo)、測(cè)試性參數(shù)指標(biāo)、保障性參數(shù)指標(biāo)、安全性及環(huán)境適應(yīng)性參數(shù)指標(biāo)等[3]。

1 綜合參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)便攜式AUV組成結(jié)構(gòu)、使用方式和任務(wù)剖面，綜合考慮兼顧描述工作狀態(tài)的RMS特性以及描述非工作狀態(tài)的RMS特性，可以選擇戰(zhàn)備完好性參數(shù)作為便攜式AUV的綜合參數(shù)。戰(zhàn)備完好性主要表征便攜式AUV日常貯存、攜行等非工作狀態(tài)的可用性，在軍用領(lǐng)域通常使用戰(zhàn)備完好性對(duì)裝備的性能進(jìn)行刻畫(huà)[4]。表征戰(zhàn)備完好性的參數(shù)指標(biāo)主要有戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功概率，戰(zhàn)備完好率能充分描述非連續(xù)工作系統(tǒng)的可用性，而任務(wù)成功概率更適合用于描述連續(xù)工作系統(tǒng)的可用性[5-6]。

1.1 戰(zhàn)備完好率

戰(zhàn)備完好率是指便攜式AUV接到技術(shù)準(zhǔn)備命令后，貯存狀態(tài)的裝備系統(tǒng)，經(jīng)技術(shù)準(zhǔn)備后能在各類平臺(tái)投入使用的概率。

若便攜式AUV自技術(shù)陣地經(jīng)技術(shù)準(zhǔn)備后直接裝載到攜行平臺(tái)，那么技術(shù)準(zhǔn)備完好率指標(biāo)就等同于戰(zhàn)備完好率指標(biāo)，其數(shù)學(xué)模型為

式中：RS(tS)為航行器貯存tS時(shí)間的貯存可靠度，根據(jù)表征需要，通常tS可在 0.5～3 a內(nèi)取值；M(td)為在規(guī)定的維修條件和保障條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)故障航行器任務(wù)的概率，即維修度；td為修理允許延誤時(shí)間，這里可理解為從接到修理指令到完成航行器維修所允許的最大時(shí)間，它小于接到準(zhǔn)備航行器指令到發(fā)往平臺(tái)裝載的間隔時(shí)間。

1.2 任務(wù)成功概率

便攜式AUV成功執(zhí)行任務(wù)包括成功實(shí)施水下探測(cè)或者成功實(shí)施水下作業(yè)，實(shí)施水下探測(cè)和實(shí)施水下作業(yè)的比例約為2∶1。根據(jù)該類AUV典型任務(wù)分析，便攜式AUV的任務(wù)成功概率為

式中：PM(t)為便攜式AUV的任務(wù)成功概率；Ai為便攜式AUV在儲(chǔ)存狀態(tài)下的戰(zhàn)備完好率；Aq為便攜式AUV的正常工作概率，由于其在使用過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行維修，因此，其正常工作概率即為便攜式AUV的任務(wù)可靠度；PT為便攜式 AUV的探測(cè)成功概率；Pj為便攜式AUV的成功接近目標(biāo)概率；Pz為便攜式AUV的成功作業(yè)概率。

2 可靠性參數(shù)及指標(biāo)

根據(jù)上述討論和典型任務(wù)剖面，選擇探測(cè)任務(wù)可靠度與作業(yè)任務(wù)可靠度為系統(tǒng)任務(wù)可靠性參數(shù)；選擇貯存可靠度表征非工作狀態(tài)可靠性水平；選擇實(shí)航工作可靠度表征航行可靠性水平；選擇任務(wù)可靠度表征搭載平臺(tái)上控制設(shè)備的可靠性水平；選擇設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間MTBF表征其工作狀態(tài)下可靠性。根據(jù)便攜式AUV壽命期使用保障規(guī)劃、使用需求以及綜合參數(shù)的分解，還要對(duì)系統(tǒng)提出使用壽命要求，因此實(shí)際推薦使用的可靠性參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)便攜式 AUV的任務(wù)剖面，其探測(cè)階段參與工作的包括搭載平臺(tái)控制設(shè)備、航行體、載荷系統(tǒng)設(shè)備?？紤]到航行體執(zhí)行任務(wù)時(shí)，這些系統(tǒng)需同時(shí)協(xié)調(diào)工作，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)任務(wù)可靠性RT模型為

式中：R1(t)為搭載平臺(tái)控制設(shè)備可靠度；R2(t)為航行體可靠度；R31(t)為載荷系統(tǒng)設(shè)備可靠度；t1為任務(wù)時(shí)間。

3 維修性參數(shù)指標(biāo)

由于便捷式AUV是高度集成的機(jī)電一體化設(shè)備，基層級(jí)維修活動(dòng)以換件維修為主，尤其是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，主要是利用配置的備品備件進(jìn)行更換。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，選擇修復(fù)概率作為該系統(tǒng)的維修性參數(shù)，可以客觀反映維修此類設(shè)備的難易程度。

裝備的修復(fù)概率可以使用平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）來(lái)進(jìn)行計(jì)算，修復(fù)概率模型為

式中：td是修理允許延誤時(shí)間；tMLD是平均保障資源延誤時(shí)間。

平均修復(fù)時(shí)間是指在便捷式AUV發(fā)生故障情況下，由艦員利用配置的維修與檢測(cè)設(shè)備、修理工具等，對(duì)故障進(jìn)行診斷與定位、裝備拆卸、更換故障件、性能檢測(cè)、裝備恢復(fù)等活動(dòng)所花費(fèi)的平均時(shí)間，但不包括因其它原因造成的維修延誤（如等待器材）等時(shí)間。

假設(shè)便攜式AUV服從指數(shù)分布時(shí)，修復(fù)概率模型可簡(jiǎn)化為

式中：ta表示維修時(shí)間；μ表示維修率。

4 測(cè)試性參數(shù)指標(biāo)

便攜式 AUV的檢測(cè)工作主要是在非工作狀態(tài)下進(jìn)行，在完成各設(shè)備的獨(dú)立檢測(cè)后進(jìn)行聯(lián)調(diào)檢測(cè)。因此，便攜式AUV的測(cè)試性參數(shù)主要包括：

1）故障檢測(cè)率：由人員在裝備現(xiàn)場(chǎng)，利用機(jī)內(nèi)BIT、配置的檢測(cè)設(shè)備或人工觀察等方式，對(duì)便攜式AUV故障進(jìn)行檢測(cè)的比例。故障檢測(cè)方式包括BIT、ATE、人工或其組合等。

2）故障隔離率：由人員在裝備現(xiàn)場(chǎng)，利用機(jī)內(nèi) BIT、配置的檢測(cè)設(shè)備或人工觀察等方式，將便攜式 AUV的故障件隔離到現(xiàn)場(chǎng)可更換單元的比例。

3）虛警率：在裝備的配置現(xiàn)場(chǎng)，利用配置的維修、測(cè)試、保障設(shè)備，由現(xiàn)場(chǎng)保障人員實(shí)施的條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的虛警數(shù)與同一時(shí)間內(nèi)故障指示總數(shù)之比。

5 保障性參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)便攜式AUV主要保障模式，其保障性參數(shù)指標(biāo)主要有：

1）平均技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間：便攜式 AUV在裝備的配置現(xiàn)場(chǎng)，利用配置的維修設(shè)施、測(cè)試設(shè)備、修理工具，由現(xiàn)場(chǎng)保障人員實(shí)施的條件下，按照規(guī)定的作業(yè)方法、程序和要求進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備，使之達(dá)到上一級(jí)狀態(tài)所需平均時(shí)間的總合（不含轉(zhuǎn)運(yùn)和吊裝時(shí)間）；

2）備件滿足率：便攜式AUV在裝備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修活動(dòng)所需要的備件的滿足比例；

3）隨艦備件利用率：便攜式AUV在裝備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修活動(dòng)所使用的備件所占比例。

6 安全性及環(huán)境適應(yīng)性參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)便攜式AUV主要使用模式，其安全性及環(huán)境適應(yīng)性參數(shù)指標(biāo)有：

1）安全跌落高度：1級(jí)戰(zhàn)備等級(jí)狀態(tài)的便攜式AUV能滿足儲(chǔ)存、吊裝及運(yùn)輸?shù)陌踩砸?，并在意外跌落時(shí)不燃不爆[7]；

2）環(huán)境適應(yīng)性：主要包括使用和儲(chǔ)存溫度環(huán)境參數(shù)、振動(dòng)與沖擊環(huán)境參數(shù)、耐腐蝕環(huán)境以及電磁環(huán)境4種典型環(huán)境。

7 計(jì)算實(shí)例

以某型主要實(shí)施偵查和爆破任務(wù)的便攜式AUV為對(duì)象進(jìn)行分析，作為執(zhí)行特殊任務(wù)的便攜式AUV，要求系統(tǒng)必須具有較高的可用性，以確保能夠以較大的概率完成偵察以及打擊等功能。因此，確定便攜式AUV的通用質(zhì)量特性參數(shù)指標(biāo)必須從以下2個(gè)方面考慮：1）能夠在配置專用裝備的情形下有效完成專業(yè)作戰(zhàn)任務(wù)包括偵察以及打擊；2）所確定的通用特性指標(biāo)是可實(shí)現(xiàn)的，即可靠性、維修性和保障性指標(biāo)的確定需要在先進(jìn)與可行之間，與費(fèi)用、進(jìn)度、技術(shù)性能指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡[8]。

根據(jù)配套裝設(shè)備性能可以得出便攜式 AUV的探測(cè)成功概率、成功接近目標(biāo)概率、成功爆破概率，結(jié)合式（2）可以得出便攜式AUV的任務(wù)成功概率，對(duì)于該型便攜式AUV，其成功概率為0.9（目標(biāo)值），門限值為0.85。由于便攜式AUV工作環(huán)境較為惡劣，必須要求其較高的戰(zhàn)備完好率，即要求系統(tǒng)的可用性較高，綜合比較戰(zhàn)備完好率Ai與任務(wù)可靠度Aq，即Aq=Rm＜Ai。基于上述理由，我們可以選擇戰(zhàn)備完好率Ai在 0.98～0.99之間。

為了合理地確定系統(tǒng)的可靠性、維修性和保障性指標(biāo)，我們選擇了（TP,zP,iA）分別為（0.9,0.9,0.98）、（0.9,0.9,0.985）、（0.9,0.9,0.99）、（0.91,0.9,0.98）、（0.91,0.9,0.985）、（0.91,9,0.99）、（0.92,0.9,0.98）、（0.92,0.9,0.985）、（0.92,0.9,0.99），而任務(wù)可靠度Rm分別取為0.95、0.96、0.97、0.975、0.98?？梢缘玫奖銛y式 AUV的效能，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)效能分析Table 2 Analysis of system effectiveness

從表2可以看出如下結(jié)論：

1）由于便攜式AUV水下爆破的成功概率已確定，因此，將系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好率、任務(wù)可靠度和探測(cè)成功概率提高，其效能的提高并不明顯。從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的最高效能為 0.886 1。

2）從表中效能計(jì)算結(jié)果可以看出，便攜式AUV系統(tǒng)的效能應(yīng)取0.87左右，在探測(cè)成功概率取為 0.91、戰(zhàn)備完好率取為 0.99、任務(wù)可靠度為0.97時(shí)，其效能為0.87。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于水下探測(cè)成功受很多隨機(jī)因素的影響，因此，要求探測(cè)成功概率達(dá)到 0.92是十分困難的，取探測(cè)成功概率為0.91是合適的。

3）由于該便攜式 AUV是在某獵雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，比照某獵雷系統(tǒng)，便攜式AUV的任務(wù)可靠度應(yīng)在0.97～0.98之間，而其可用度應(yīng)不大于0.98。

8 結(jié)束語(yǔ)

裝備的通用質(zhì)量特性涵蓋了可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性各個(gè)方面。可靠性指標(biāo)主要由各主要組件的可靠度計(jì)算得出；維修性指標(biāo)主要由統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)得出的故障間隔時(shí)間、維修時(shí)間計(jì)算得出；測(cè)試性指標(biāo)主要使用檢測(cè)實(shí)驗(yàn)得出的檢測(cè)率、隔離率等進(jìn)行定量描述；保障性指標(biāo)主要使用保障實(shí)驗(yàn)得出的技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間、備件滿足率等進(jìn)行定量描述；對(duì)于含有火工品的水中兵器來(lái)說(shuō)，安全性主要考察安全跌落高度；環(huán)境適應(yīng)性主要由環(huán)境實(shí)驗(yàn)得出的使用和儲(chǔ)存溫度環(huán)境參數(shù)、振動(dòng)與沖擊環(huán)境參數(shù)、耐腐蝕以及電磁適應(yīng)性參數(shù)等進(jìn)行定量描述。

對(duì)于裝備通用質(zhì)量特性工作來(lái)說(shuō)，一方面，不同裝備的通用質(zhì)量特性并不能簡(jiǎn)單照搬所謂的“模板”，而應(yīng)該根據(jù)具體的系統(tǒng)組成、作戰(zhàn)使命及任務(wù)剖面合理選擇指標(biāo)和計(jì)算方式，如便攜式 UUV和傳統(tǒng)用于海洋勘測(cè)的中大型 UUV就有很多不同；另一方面，在理論計(jì)算確定通用質(zhì)量特性若干指標(biāo)和計(jì)算方式后，還應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)和部隊(duì)使用情況持續(xù)修改完善相應(yīng)指標(biāo)，裝備的通用質(zhì)量特性工作要貫穿裝備研制全過(guò)程。