便攜式AUV通用質量特性參數指標分析

張志強，王勝兵，楊 波

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

0 引言

裝備的通用質量特性即可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性及環境適應性，是影響裝備作戰效能的重要因素，在裝備研制過程中起著重要作用[1]。便攜式AUV通常指的是1～2人可搬運的、重量不大于80 kg的小型AUV，典型型號為美國REMUS100、冰島GAVIA等。便攜式AUV系統通常由航行體、控制器、探測設備、作業設備和保障設備等組成[2]。這類AUV除具備自主航行、自主探測的AUV常見功能之外，還具有體積小、重量輕、模塊化等特點，在基本型航行器的基礎上，可快速加裝不同的任務載荷，滿足多種任務需求，但在使用保障方面對通用質量特性帶來了更高的要求。常見的通用質量特性定量要求主要有綜合參數指標、可靠性參數指標、維修性參數指標、測試性參數指標、保障性參數指標、安全性及環境適應性參數指標等[3]。

1 綜合參數指標

根據便攜式AUV組成結構、使用方式和任務剖面，綜合考慮兼顧描述工作狀態的RMS特性以及描述非工作狀態的RMS特性，可以選擇戰備完好性參數作為便攜式AUV的綜合參數。戰備完好性主要表征便攜式AUV日常貯存、攜行等非工作狀態的可用性，在軍用領域通常使用戰備完好性對裝備的性能進行刻畫[4]。表征戰備完好性的參數指標主要有戰備完好率和任務成功概率，戰備完好率能充分描述非連續工作系統的可用性，而任務成功概率更適合用于描述連續工作系統的可用性[5-6]。

1.1 戰備完好率

戰備完好率是指便攜式AUV接到技術準備命令后，貯存狀態的裝備系統，經技術準備后能在各類平臺投入使用的概率。

若便攜式AUV自技術陣地經技術準備后直接裝載到攜行平臺，那么技術準備完好率指標就等同于戰備完好率指標，其數學模型為

式中：RS(tS)為航行器貯存tS時間的貯存可靠度，根據表征需要，通常tS可在 0.5～3 a內取值；M(td)為在規定的維修條件和保障條件下，在規定時間內完成修復故障航行器任務的概率，即維修度；td為修理允許延誤時間，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間，它小于接到準備航行器指令到發往平臺裝載的間隔時間。

1.2 任務成功概率

便攜式AUV成功執行任務包括成功實施水下探測或者成功實施水下作業，實施水下探測和實施水下作業的比例約為2∶1。根據該類AUV典型任務分析，便攜式AUV的任務成功概率為

式中：PM(t)為便攜式AUV的任務成功概率；Ai為便攜式AUV在儲存狀態下的戰備完好率；Aq為便攜式AUV的正常工作概率，由于其在使用過程中無法進行維修，因此，其正常工作概率即為便攜式AUV的任務可靠度；PT為便攜式 AUV的探測成功概率；Pj為便攜式AUV的成功接近目標概率；Pz為便攜式AUV的成功作業概率。

2 可靠性參數及指標

根據上述討論和典型任務剖面，選擇探測任務可靠度與作業任務可靠度為系統任務可靠性參數；選擇貯存可靠度表征非工作狀態可靠性水平；選擇實航工作可靠度表征航行可靠性水平；選擇任務可靠度表征搭載平臺上控制設備的可靠性水平；選擇設備的平均故障間隔時間MTBF表征其工作狀態下可靠性。根據便攜式AUV壽命期使用保障規劃、使用需求以及綜合參數的分解，還要對系統提出使用壽命要求，因此實際推薦使用的可靠性參數見表1。

根據便攜式 AUV的任務剖面，其探測階段參與工作的包括搭載平臺控制設備、航行體、載荷系統設備。考慮到航行體執行任務時，這些系統需同時協調工作，其對應的系統任務可靠性RT模型為

式中：R1(t)為搭載平臺控制設備可靠度；R2(t)為航行體可靠度；R31(t)為載荷系統設備可靠度；t1為任務時間。

3 維修性參數指標

由于便捷式AUV是高度集成的機電一體化設備，基層級維修活動以換件維修為主，尤其是在系統發生故障時，主要是利用配置的備品備件進行更換。從這個意義上來說，選擇修復概率作為該系統的維修性參數，可以客觀反映維修此類設備的難易程度。

裝備的修復概率可以使用平均修復時間（MTTR）來進行計算，修復概率模型為

式中：td是修理允許延誤時間；tMLD是平均保障資源延誤時間。

平均修復時間是指在便捷式AUV發生故障情況下，由艦員利用配置的維修與檢測設備、修理工具等，對故障進行診斷與定位、裝備拆卸、更換故障件、性能檢測、裝備恢復等活動所花費的平均時間，但不包括因其它原因造成的維修延誤（如等待器材）等時間。

假設便攜式AUV服從指數分布時，修復概率模型可簡化為

式中：ta表示維修時間；μ表示維修率。

4 測試性參數指標

便攜式 AUV的檢測工作主要是在非工作狀態下進行，在完成各設備的獨立檢測后進行聯調檢測。因此，便攜式AUV的測試性參數主要包括：

1）故障檢測率：由人員在裝備現場，利用機內BIT、配置的檢測設備或人工觀察等方式，對便攜式AUV故障進行檢測的比例。故障檢測方式包括BIT、ATE、人工或其組合等。

2）故障隔離率：由人員在裝備現場，利用機內 BIT、配置的檢測設備或人工觀察等方式，將便攜式 AUV的故障件隔離到現場可更換單元的比例。

3）虛警率：在裝備的配置現場，利用配置的維修、測試、保障設備，由現場保障人員實施的條件下，在規定時間內發生的虛警數與同一時間內故障指示總數之比。

5 保障性參數指標

根據便攜式AUV主要保障模式，其保障性參數指標主要有：

1）平均技術準備時間：便攜式 AUV在裝備的配置現場，利用配置的維修設施、測試設備、修理工具，由現場保障人員實施的條件下，按照規定的作業方法、程序和要求進行技術準備，使之達到上一級狀態所需平均時間的總合（不含轉運和吊裝時間）；

2）備件滿足率：便攜式AUV在裝備現場進行維修活動所需要的備件的滿足比例；

3）隨艦備件利用率：便攜式AUV在裝備現場進行維修活動所使用的備件所占比例。

6 安全性及環境適應性參數指標

根據便攜式AUV主要使用模式，其安全性及環境適應性參數指標有：

1）安全跌落高度：1級戰備等級狀態的便攜式AUV能滿足儲存、吊裝及運輸的安全性要求，并在意外跌落時不燃不爆[7]；

2）環境適應性：主要包括使用和儲存溫度環境參數、振動與沖擊環境參數、耐腐蝕環境以及電磁環境4種典型環境。

7 計算實例

以某型主要實施偵查和爆破任務的便攜式AUV為對象進行分析，作為執行特殊任務的便攜式AUV，要求系統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的通用質量特性參數指標必須從以下2個方面考慮：1）能夠在配置專用裝備的情形下有效完成專業作戰任務包括偵察以及打擊；2）所確定的通用特性指標是可實現的，即可靠性、維修性和保障性指標的確定需要在先進與可行之間，與費用、進度、技術性能指標之間進行權衡[8]。

根據配套裝設備性能可以得出便攜式 AUV的探測成功概率、成功接近目標概率、成功爆破概率，結合式（2）可以得出便攜式AUV的任務成功概率，對于該型便攜式AUV，其成功概率為0.9（目標值），門限值為0.85。由于便攜式AUV工作環境較為惡劣，必須要求其較高的戰備完好率，即要求系統的可用性較高，綜合比較戰備完好率Ai與任務可靠度Aq，即Aq=Rm＜Ai。基于上述理由，我們可以選擇戰備完好率Ai在 0.98～0.99之間。

為了合理地確定系統的可靠性、維修性和保障性指標，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），而任務可靠度Rm分別取為0.95、0.96、0.97、0.975、0.98。可以得到便攜式 AUV的效能，其計算結果見表2。

表2 系統效能分析Table 2 Analysis of system effectiveness

從表2可以看出如下結論：

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

2）從表中效能計算結果可以看出，便攜式AUV系統的效能應取0.87左右，在探測成功概率取為 0.91、戰備完好率取為 0.99、任務可靠度為0.97時，其效能為0.87。在實際設計時，由于水下探測成功受很多隨機因素的影響，因此，要求探測成功概率達到 0.92是十分困難的，取探測成功概率為0.91是合適的。

3）由于該便攜式 AUV是在某獵雷系統的基礎上開發出來的，比照某獵雷系統，便攜式AUV的任務可靠度應在0.97～0.98之間，而其可用度應不大于0.98。

8 結束語

裝備的通用質量特性涵蓋了可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性及環境適應性各個方面。可靠性指標主要由各主要組件的可靠度計算得出；維修性指標主要由統計和實驗得出的故障間隔時間、維修時間計算得出；測試性指標主要使用檢測實驗得出的檢測率、隔離率等進行定量描述；保障性指標主要使用保障實驗得出的技術準備時間、備件滿足率等進行定量描述；對于含有火工品的水中兵器來說，安全性主要考察安全跌落高度；環境適應性主要由環境實驗得出的使用和儲存溫度環境參數、振動與沖擊環境參數、耐腐蝕以及電磁適應性參數等進行定量描述。

對于裝備通用質量特性工作來說，一方面，不同裝備的通用質量特性并不能簡單照搬所謂的“模板”，而應該根據具體的系統組成、作戰使命及任務剖面合理選擇指標和計算方式，如便攜式 UUV和傳統用于海洋勘測的中大型 UUV就有很多不同；另一方面，在理論計算確定通用質量特性若干指標和計算方式后，還應根據試驗和部隊使用情況持續修改完善相應指標，裝備的通用質量特性工作要貫穿裝備研制全過程。