基于任務需求的裝備RMST頂層指標設計與驗證

李 勇，王 坤，劉瑞起，韓朝帥

(軍事科學院 a.科研部; b.防化研究院, 北京 100091)

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

RMST一體化設計的目的，在于高概率滿足裝備使用保障的前提下技術難度和壽命周期費用最低，設計的內容主要包括合理分配各參數指標、優化配置維修保障和備件保障以及科學設置各功能更換模塊的級別和數量[1]。當前國內大多關注于RMST單項指標的論證設計和戰備完好率模型研究(文獻[2-7]所示)，關于一體化設計的理論、方法和技術研究相對都很少。丁定浩在文獻[8-9]中指出國內外一些研究成果和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計模型中。韓坤等[10]從系統效能的角度出發，構建裝甲裝備典型任務剖面下的戰備完好率模型和任務可信性模型，并提出對比分析和靈敏度分析的RMST權衡方法，雖然其在戰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用。徐永成等[11]提出通過分層加權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分和明確組合指標與設計指標間的作用關系，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設計與工程脫節、各性能指標間統籌考慮不夠的問題，提出將FMECA技術從原有可靠性設計增加維修工具模塊，進而拓展應用到維修和保障領域，該方法對促進RMS一體化設計具有一定的正向作用，但是過度側重維修相關的影響因素，缺少對裝備的結構設計和供應保障等方面的因素考慮。

對此，本文根據不同任務需求，將裝備系統分為連續工作型、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，進而設計一體化指標體系架構，并以我軍現行的現場、器材倉庫、供應站三點式供應體制為例，構建復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

RMST一體化指標體系是指為實現裝備系統質量特性整體最優，對RMST各種組合參數與單項參數之間的主從層次和相互關系進行的系列描述。當前常用的RMST單項參數包括平均故障間隔時間(MTBF)、平均修復時間(MTTR)、平均預防性維修時間(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。組合參數主要包括基本可靠度、任務可靠度、維修度、保障度等RMST單項能力指標參數和戰備完好率(POR)、使用可用度(AO)、任務成功率(PMS)、能執行任務率(MCR)等RMST綜合能力指標參數。本文通過分析不同裝備系統任務剖面特點，選取RMST指標體系的頂層參數并結合各參數之間的關系構建RMST一體化指標體系架構。

1.1 連續工作型裝備系統RMST頂層參數選擇

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

根據圖1可知，連續工作型裝備系統追求的是任務時間無限長，關注的是日歷時間的利用率和平均停機時間，無法用任務的成功與失敗來表達。所以，對于連續工作型裝備系統，應以使用可用度作為RMST頂層參數表達裝備系統的整體質量水平。

1.2 間斷工作型裝備系統RMST頂層參數選擇

間斷工作型裝備系統是指在壽命周期內處于工作、停機交替狀態的裝備系統，如通用車輛裝備整機系統、機載化學偵察系統等，其典型任務剖面如圖2所示。

根據圖2可知，間斷工作型裝備系統關注的核心是執行任務的成功或失敗概率，對于發生故障前工作時間為有效工作時間的裝備，則是要求任務時間內能執行時間的占比。所以，對于間斷工作型裝備系統，應以任務成功率和能執行任務率兩種參數作為RMST頂層參數來表達裝備系統的整體質量水平。

1.3 一次性使用裝備系統RMST頂層參數選擇

一次性使用裝備系統不同于連續工作型和間斷工作型裝備系統，其主要指平時須安全儲存和科學管理，戰時一次性消耗的裝備系統，如通用彈藥導彈、魚雷、特種彈藥導彈等，其典型任務剖面如圖3所示。

根據圖3可知，一次性使用裝備系統是具有長期儲存、燃爆特性的裝備，其關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，不需用任務成功率或能執行任務率來表達，以戰備完好率參數作為RMST頂層參數更能正確描述其質量水平。

1.4 RMST一體化指標體系架構

根據3種工作狀態下裝備系統RMST體系頂層參數的選擇，構建RMST一體化指標體系架構，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、測試性參數有機組合而成，是裝備系統在整個壽命周期內持續保持成功使用的概率表達，其中戰備完好率不僅是一次性使用裝備系統的重要表達指標，同時也是任務成功率和能執行任務率指標實現的前提；第2層是可靠性、維修性、保障性、測試性參數的技術指標，是裝備系統各單項能力特性的體現；第3層是可靠性、維修性、保障性、測試性參數的工程設計指標，是可以在裝備研制設計中直接實現的，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一進行試驗和評價。

2 RMST頂層指標模型設計與驗證

根據RMST一體化指標體系，只要構建符合工程設計實際要求的裝備頂層參數數學模型和驗證方法，便可將頂層參數指標合理分配到各個RMST設計指標中，進而有效融入裝備系統及各子系統的結構設計和技術使用中，最終達到整個裝備系統質量的最優。因此，本文以我軍現行器材備件供應保障體制為基礎，分別構建復雜系統使用可用度、任務成功率、能執行任務率和戰備完好率的數學模型，并提出切實可行的驗證方法，裝備設計研制人員可在此基礎上搭建特定裝備或系統的設計模型。復雜系統一般結構模型如圖5所示。

另外，在構建數學模型時，統一命名c為串聯結構的標識，b為并聯結構的標識，y為預防性維修的標識， 1為三級備件供應體制中修理機構一級的標識，2為備件倉庫一級的標識，3為供應站一級的標識。

2.1 使用可用度指標模型

使用可用度適用于連續工作型裝備系統，基本參數可分為兩類：一是工作時間參數，二是停機時間參數。考慮現代裝備系統的模塊化、集成化程度較高，冗余設計較多，工作時間參數通常只有MTBF一種，停機時間參數主要包括平均修復時間MTTR、MMDT、MLDT和MTTPM四種。復雜系統結構下，連續工作型裝備系統使用可用度模型如下：

(1)

其中，MDTi為復雜系統第i個結構或單元的工作時間；MUTi為復雜系統第i個結構或單元的停機時間；nb為復雜系統中并聯結構的數量；ny為復雜系統預防性維修項目數；對于連續工作型裝備系統，并聯結構維修基本采用聯機檢修的模式進行，故不考慮其維修延誤時間；MTTRc和MTTRbi分別為復雜系統串聯結構和第i個并聯結構的平均修復時間，其余參數同義；tfg為第g個維修項目實際維修時間；TFg為第g個維修項目預防性維修周期。

其中，oi為第i個模塊中單元的數量；ki為第i個并聯結構中表決單元數量；λi為第i個并聯結構中子單元的故障率；μi為第i個并聯結構中子單元的拆裝修復率；Tkbi=φkitbi+(1-φki)twi，為第i個并聯結構的平均故障隔離時間；其他參數同上。

2.2 任務成功率指標模型

任務成功率是指間斷工作型裝備系統在整個壽命周期內，持續保持在規定的條件下和規定的任務持續時間內完成規定功能任務的概率，主要包含成功出動的概率和成功出動基礎上規定時間完成規定任務的概率。復雜系統結構下，間斷工作型裝備系統任務成功率模型如下：

(2)

fci(ts)=1-e-λits

其中，TFi為第i個子模塊的預防性維修周期；tm(j,l,μi,φki,td)為故障單元數為j、維修設施數為l、拆裝修復率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；其他參數同上。

2.3 能執行任務率指標模型

能執行任務率與連續工作型裝備的使用可用度相當，都是能執行任務時間與任務規定時間之比，區別是使用可用度采用的日歷時間，能執行任務率須在日歷時間中減去所有停機時間。復雜系統結構下，間斷工作型裝備系統能執行任務成功率模型如下：

(3)

其中，式中參數同上。

2.4 戰備完好率指標模型

對于一次性使用裝備系統，戰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檢測和任務準備階段可實施規定范圍的預防性維修和修復性維修。復雜系統結構下，一次性使用裝備系統戰備完好率模型如下：

(4)

其中，式中參數同上。

2.5 驗證方法

隨著裝備系統的復雜程度不斷提高，其工作時間和故障規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工程設計的四種參數指標驗證方法。

1) 使用可用度指標驗證方法

使用可用度驗證的本質，就是如何通過各個子系統的使用可用度來確定整機使用可用度。首先，對系統進行結構分解，明確其內部結構特點，構建結構分解圖；其次，對各子系統或部件的RMST第3層參數進行考核驗證，確定其使用可用度；最后，通過各子系統或部件的使用可用度模型，得到整機的使用可用度，并與設計指標進行驗證。

2) 任務成功率指標驗證方法

由于裝備系統與子系統的任務成功率之間沒有明確的函數關系，所以無法采用分解驗證的方法。本文提出了一種根據設計的置信區間試驗得到裝備系統的任務成功率結果的方法。首先，根據設計的任務成功率檢驗上限PMSf0、下限PMSf1及相應的風險因子α和β(式(5))，確定試驗過程中任務總數n和允許失敗的最大次數r；其次，對裝備系統進行試驗，ts內能夠持續完成任務則記錄成功一次，反之則記錄失敗一次，若出現故障后修復時間或備件周轉時間超出停機時間td，則需除以td算做失敗次數；最后，計算裝備系統的任務成功率，并與設計的任務成功率進行對比分析。

(5)

3) 能執行任務率指標驗證方法

能執行任務率的驗證與任務成功率驗證方法基本一致，區別在于其統計的是系統工作時間和任務總時間。首先，根據設計的能執行任務率檢驗上限PMSf0和下限PMSf1、相應的風險因子α和β、任務時間ts(式(6))，確定試驗過程中任務總數n和允許正常執行任務的平均最低時間t0；其次，對裝備系統進行試驗，記錄每次任務時間ts內能夠正常執行任務的時間，若出現故障后修復時間或備件周轉時間超出停機時間td，則需減去td算做任務期內不能執行任務時間；最后，計算裝備系統n次任務過程中能夠執行任務的總時間，得出該系統的能執行任務率，并與設計數值對比分析。

(6)

4) 戰備完好率指標驗證方法

戰備完好率指標的驗證本質在于統計能成功出動的裝備數和裝備總數之比。首先，根據設計的戰備完好率檢驗上限PORf0和下限PORf1、相應的風險因子α和β(式(7))，確定試驗裝備總數ns和試驗過程中要求成功出動的平均最低裝備數nr；其次，對裝備系統進行N次試驗，記錄規定儲存條件和周期T后保持完好的裝備數，若裝備出現故障后修復時間和備件周轉時間在任務準備時間td內，則統計在內；最后，計算ns個裝備在N次任務中能夠成功出動的裝備總數，進而得出該系統的戰備完好率，并與設計數值對比分析。

(7)

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

3 實例分析

由題意和表中數據可知，應選取任務成功率作為該系統RMST頂層參數，第5和第6個子系統為串聯結構模塊，其余4個子系統都是表決并聯結構模塊，可靠性框圖如圖6所示。

表1 A中子系統各參數和配置數據

1) 求解各子系統的故障概率、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子系統為例，其故障概率為

A1子系統的維修延誤時間因子為

A1子系統的備件延誤時間因子為

同理可得(計算過程省略)：

2) 求系統A的任務完成率。將(1)中所得數據代入式(2)，得：

由此可得，系統A的任務成功率為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子系統的故障概率過高，A2、A3、A4、A5、A6子系統的備件延誤因子均過高，同時A6子系統的維修延誤因子過高。因此，可通過調整優化系統內部結構布局、冗余單元數量、備件儲供數量和故障測試點分布等措施，進一步提高A1和A3子系統的可靠性、A2至A6子系統的保障性、A6子系統的維修性和測試性，達到提升系統整體質量的目的。

4 結論

本文針對當前裝備RMST工程設計中的現狀和不足，提出從一體化的角度開展設計和驗證工作。在此基礎上，根據不同任務剖面需求得到使用可用度、任務成功率、能執行任務率和戰備完好率4個能正確表達不同工作類型裝備系統RMST水平的頂層參數，構建了RMST一體化指標體系，并基于現行備件供應體制推導出復雜系統一般結構下的頂層參數設計模型和驗證方法。同時，本文在研究過程中沒有考慮虛警率參數對平均修復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之間的作用關系，有待進一步的研究。