RMS一体化设计及其验证方法

丁定浩

（中国电子科技集团公司电子科学研究院， 北京 100041）

RMS一体化设计及其验证方法

丁定浩

（中国电子科技集团公司电子科学研究院， 北京 100041）

应该将当前可靠性、 维修性、 保障性（RMS）各自独立的单项设计改进为一体化设计。 指出 RMS 一体化设计的基础， 就是建造以RMS为参数的顶层理论模型， 并提出了在模型的建造中不要盲从国外理论模型的观点。 可以证明， 国外在 RMS顶层模型、 维修性模型和备件保障模型中存在一些错误模型。 同时给出了 RMS顶层设计的3类可以实际分析操作的理论模型，并提出取消对基本可靠性指标的控制和对顶层指标进行试验验证方法。

可靠性、维修性、保障性；战备完好率；维修保障；备件保障

0 引言

可靠性、维修性、资源保障性设计的目的，在于按要求的高概率来保障军用装备的作战性能在全寿命周期中得到持续的保持。可靠性、维修性、资源保障性的单项参数是无法实现的，缺少任一单项参数也是不能实现的。

上述要求的保障概率就是可靠性、维修性、资源保障性的一体化设计的目标，安全性是可靠性中的组成部分，是涉及机毁人亡而要求更高的可靠性；测试性除了性能检测的功能，主要是维修性设计的关键部分，是实现故障检测和故障定位的功能。资源保障设计的重点是现场、库房、中继站点更换模块的备件配置设计。此处突出备件保障设计，决不是忽视其他资源保障，任一应该配备的资源是不容缺少的。问题在于其他资源保障是精确计划和科学管理的，不存在理论和设计问题，而各级更换模块的配置，多配积压浪费，少配延误战机；在已知更换模块的失效率和修复率的基础上，它完全取决于正确的理论模型和科学的工程设计。

一体化设计的内涵，就是对可靠性、维修性、备件保障性的优化设计。优化设计的内容和目标，就是设计分配确定的可靠性、维修性、备件保障性的定量指标，能够达到技术上可行，研制周期最短，寿命周期费用最低的目的。

当前的可靠性、维修性、测试性、安全性和保障性设计要求，都是单项各自提出的。它们不能说明装备的作战性能的实现能保障多高的概率，更谈不上这些参数之间的优化设计。

十分清楚，实现可靠性、维修性、备件保障性一体化设计，必要的条件是建造由可靠性、维修性、备件保障性参数组成的顶层理论模型。

1 不要盲从国外理论

认真学习国外理论是必须的，但不要盲从。在求解可靠性、 维修性、 保障性（RMS）顶层理论模型时， 国内不约而同地试图运用美国 MIL-HDBK-338 手册中的 “效能（Effectiveness）” 参数。 效能参数包含了任务可靠概率（Mission Reliability Probability）、 战 备 完 好 概 率（ Operational Readiness Probability）和能力（Design Adequacy Probability）3个参数。

前两个参数是众所周知的，即任务可靠度和战备完好率， 第三个 “能力” 参数是指什么， 迄今尚未见到具体的解读，因而如何引入这一参数似乎成了难题。 本文认为， “能力” 参数是指只能用概率表达的性能参数。例如：对火炮、导弹来说，它指的是命中率；对雷达来说，它指的是对探测目标的发现概率等。这些性能参数，完全是由性能设计确定的，与可靠性、维修性、备件保障性设计没有直接的关联。 因此， 在RMS设计中无需涉及用概率表达的性能参数。

由此可见，任务可靠度与战备完好率的乘积符合全寿命周期持续保持要求的正常使用的概率的定义，可以作为一体化设计的一项顶层理论模型。但顶层模型还有其他类别。

问题在于上列手册中虽仍保留战备完好率模型， 但从上世纪90年代起， 文献中已经不再引用。手册中的战备完好率模型为：

式中： ts——装备每次执行任务的持续工作时间；

tm——修复一次故障的时间；td——装备再次出动准备时间；

R（ts）——装备在每次任务持续工作的时间内无故障发生的概率；

M（tm＜td）——在再次出动时间内故障得到修复的概率。

一个显而易见的原因，就是这一模型中没有备件保障因子。在当前现场更换单元由电路模块取代元器件的今天，没有备件因子的战备完好率模型是不可想象的。因此，国内得到国家自然科学基金资助的多篇文献，试图在上列战备完好率框架模型的基础上加进备件因子来修正战备完好率模型。但模型中有关备件因子，都是定性说明，无法进行操作， 因而影响不大。 但文献 [1] 给出了贮存导弹的战备完好率模型为：

这一模型是从上述手册战备完好率模型中增添了备件保障因子（平均备件延误时间）作为早期战备完好率模型的修正。此外，这一模型在可靠性因子中增加了贮存可靠因子，这是根据导弹存在贮存状态所必须的。

问题在于手册中的战备完好率模型必须适应一个先决条件，即要求每次任务的初始状态都是战备完好的。但这一条件与客观实际是不相符合的。当任一任务的初始状态处于故障检修状态，这种初始状态是由于前次故障没有修复导致的。这种继续修理状态是客观存在的，但手册中模型对此却无法反映。因此，上述手册模型高估了实际的战备完好率。一个特例，即当这一装备不具备维修能力，则一旦出了故障，实际的战备完好率就为零，但手册模型在此情况下却给出战备完好率为装备不发生故障的概率。这与实际状态大相径庭。

顺便指出，上述修正的战备完好率模型中把备件延误时间作为单纯的指数分布也是不适当的。

美国的空军和海军运用修正的使用可用度作为战备完好率。模型的修正主要是对其中的平均工作时间乘上一个系数 k1（空军）和 k2（海军）， 其修正系数是：

实际上，战备完好率和使用可用度这两个定义完全不同，前者是成功出动率，后者是日历工作时间的利用率；两者的工作任务剖面不同，前者是任务剖面为间断工作状态，后者的任务剖面为连续工作状态；两者历经的状态也不同，前者是工作状态、故障检修状态和停机待命状态，后者不存在停机待命状态；两者包含的参数不同，前者除失效率、修复率、备件周转时间和备件数量配置外，还有任务持续工作时间 ts、 再次出动的准备时间 td，后者没有 ts、 td参数。 因此， 用一个系数对平均工作时间所作的修正，不可能消除其他状态和参数的显著不同。 文献 [2] 已经说明， 用使用可用度替代战备完好率， 除要求 td时间特别短促外， 在多数情况下，对维修保障和备件保障要求过高，为此将付出不必要的过高代价。

对于海军的舰上装备来说，其任务剖面属于连续工作状态的，其顶层参数应该直接运用使用可用度模型。但是，当前国内外运用的使用可用度模型，对于冗余结构，只能用于发生失效后停机检修状态的模型；在通常状态下，冗余结构的停机检修方式是不用的，因为停机检修方式，冗余结构的使用可用度反而低于相应串联结构的可用度。笔者对此作了修正[3]。

对于维修性设计模型，国外的模型也没有跟上工程的发展。在固态相控阵雷达中的射频收发模块和通信系统数据链通信模块，在一次任务结束后可能出现多个模块失效，这就涉及多维修通道同时维修或单维修通道等待维修的分析和设计。美国MIL-HDBK-338 给出的多通道同时维修的平均修复时间等同于单维修通道检修1个失效单元的平均修复时间。这是一个错误模型。手册也没有给出多个失效单元在有限维修通道条件下的平均修复时间模型。这是固定失效单元等待维修的状态，不能使用排队理论。 文献 [4] 给出了相应的模型。

对于有关备件保障模型， 国外文献有的[5]推导过程不严密， 有的[6]存在错误， 至今没有统一的系列模型，只有不交代理论依据的各种版本的商业软件，以使用可用度参数为目标给出的号称备件的优化配置。 据笔者对 OPUS 10 软件的检测， 给出的备件配置既不合理，更谈不上优化设计。

2 一体化设计的顶层理论模型

本文给出三类一体化设计的顶层理论模型[7]，适用于不同的任务剖面。适用于任务剖面为间断工作状态的有任务成功率 PMS模型和能执行任务率模型 MCR， 适用于任务剖面为连续工作状态的使用可用度AO模型。

为了显示模型对实际工程设计分析的可操作性，给出的顶层模型均与系统中的现场更换模块的失效率、修复率、备件数相关联。下面给出相应的模型。

a）成功率模型

式（1）中， 大括号内是复杂系统的任务可靠度。 其中， ns1是串联结构的单元数； ns2-ns1是并联结构的单元数； ns-ns2是表决结构的单元数； ni是冗余结构中第 i个单元中的子单元数； Cjni是 ni子单元中取j个子单元的组合数；）是并联结构的任务可靠度；是 表决结构的任务可靠度，其中 λi是系统中第 i序号的单元失效率（串联结构）或子单元的失效率（冗余结构）， ts是任务持续工作时间。

b）能执行任务率模型

式中参数同上。

上列两式中的战备完好率模型为：

式（3）中： n——系统中现场更换模块的种类数；

λi——第 i序号的更换模块的失效率；

μi——第 i序号的更换模块的修复率；

tp（i）——取得第 i序号的更换模块的周转时间；

c）使用可用度模型

式（4）中： ns1——串联结构的单元数；

ns2——并联结构的单元数；

ns3——表决结构的单元数；

ns4——预防维修项目数；

nj——并联结构单元中的子单元数；

nk——表决结构单元中的子单元数， 备件延误时间；

3 基本可靠性不宜作为系统指标列入顶层参数之中

基本可靠性参数当前作为系统指标之一列入顶层参数之中，不利于系统顶层参数的优化设计。基本可靠性指标是控制系统发生故障的频率，目的是降低使用维修费用。但基本可靠性限制了能显著地提升任务可靠性中冗余设计的采用率，必须通过使用低失效率的元器件来实现。除非当前的军用元器件的失效率能够适应系统对基本可靠性的要求， 否则， 面临两个结果： 1）采用费用高昂的低失效率元器件，但这与降低全寿命周期费用的目的相违背； 2）短期无法得到需要的低失效率元器件，基本可靠性指标无法实现。

实际上，问题的实质在于两者费用高低的权衡，在满足任务可靠性的前提下，对采用由冗余设计而增加的设备费用和备件费用与采用低失效率元器件而增加的购置费用和相应的备件费用之间的权衡，而无须对基本可靠性要求进行定量的控制。

4 任务成功率指标的验证方法

当前实行的可靠性试验验证方法，局限于对系统基本可靠性指标的考核，除了提供系统发生故障频率的高低或平均故障间隔时间以外，对能否完成规定的任务，特别是规定的任务能否在全寿命周期内持续保持，没有提供可用的信息。

当我们考核任务成功率时，情况就完全改变。通过试验考核，在要求的置信概率条件下，可以对受试对象的任务成功率作出结论。方法是首先设定成功率检验上限 PMS0和下限 PMS1及其相应的风险概率α和β的条件，然后确定试验总次数和容许的失败数。由于成功与失效是两项分布，因而总的试验次数 n和容许的失败次数 r可以从下列方程解出：

确定成功、失败次数的计算规则，每次试验以规定的任务持续时间 ts为单元， 当在单元时间试验中，无任何故障发生，就记录1次成功；当发生招致任务失败的故障时，除记录1次失败外，还要增加对修复故障的复原时间超过规定再次出动准备时间 td的倍率数计为失败数。

这种验证试验，将大大促进对维修性的认真设计。试验中对因短缺备件而增加的失败次数，按相应取得备件的周转时间除以 td后记为失败次数。但这种延误造成试验对象拒收是不难改进的，只要增加相应的备件就能达到要求。

对于能执行任务率和使用可用度顶层指标的考核，涉及如何确定复杂系统工作时间的概率分布，是一个须要进一步研究的课题，然后才能确定相应的试验方案。

6 结束语

按照和全面落实文中提出的设计规范和试验验证方法，将使我国的RMS理论和设计技术处于领先水平，装备的使用有效性将耳目一新。

[1]阮永梅，王旭丽，邹细刚，等.基于作战效能的导弹武器 系 统 R MS 综 论 证 研 究 [J]. 装 备 质 量 ，2011 （12） ：17.

[2]丁定浩.战备 完好 率和 使 用可 用度 参 数述 评 [J].军用 标准化，2012 （2）： 40-43.

[3]丁定 浩. 联 机 检 修 的 冗 余 结 构 使 用 可 用 度 模 型 修 正 [J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30 （5）： 1-5.

[4]丁定 浩 ，陆 军.维 修 时 间 新 参 数 和 维 修 性 设 计 新 进 展[J].中国电子科学院学报，2010 （4）： 381-384.

[5]OMALLEY T J.The aircraft availabilitymodel：Conceptual framewor mathematies，contract No.MDA903-81-C-0166.Bethesda[R].MD： Logistics Management Institute，1983.

[6]BLUVBAND Z，SHAHAF S.Sparing criteria，Clear Management Approach[C]//Proceeding Annual Reliability& Maintainability Symposium.1994： 449-451.

[7]丁定浩，陆军.装备寿命周期使用保障的理论模型和设计技术 [M].北京： 电子工业出版社，2011.

美研制间谍卫星之王：可覆盖 40%地表区域

据报道，美国五角大楼正在研制一颗巨型间谍卫星，名为 “薄膜型光学即时成像器” （MOIRE），一次可覆盖 40%的地表区域，能够在任何时间传输世界上任何地点的实时高清晰影像。 与堪称 “间谍卫星之王” 的 MOIRE 相比，迄今为止发射的其他任何间谍卫星都要黯然失色。

美国 《连线》 杂志报道称，MOIRE 卫星由国防高级研究计划局设计，所采用的技术能够让太空望远镜的性能和精确度翻几倍，同时降低制造成本。 MOIRE 卫星利用巨型膜，发射时折叠在一起，进入轨道后展开，展开后的直径达到21 m 左右。这是迄今为止制造的最大的地面望远镜之一，被称为詹姆斯-韦伯太空望远镜，目前，体积最大的地面望远镜的口径大约是这一尺寸的一半，哈勃太空望远镜的口径比它小 2.4m 左右。 这种膜的厚度与家用保鲜膜相当，作用是让光线发生衍射而不是反射。相比之下，传统的光学镜片让光线发生反射。

直到现在，太空望远镜的性能和精确度仍受制于镜头的尺寸。目前，望远镜镜头的重量和成本快速地增加，将超出运载能力最大的火箭的运载能力。 MOIRE 卫星项目负责人拉里-古恩中校说：“光学膜能够让将体积更大、 解析度更高的望远镜装入更小、更轻的包裹中。通过这种方式，我们能够打破使用传统材料设计制造光学装置时遭遇的‘玻璃顶’。”

MOIRE 卫星的制造和部署成本更低，因为这一设计不需要使用高品质的玻璃。国防高级研究计划局已经对 MOIRE 卫星原型进行地面测试，即将进入这一项目的最后阶段。 MOIRE 卫星项目的竣工日期尚是一个未知数，詹姆斯-韦伯太空望远镜计划于 2018 年发射升空。

（摘自腾讯科技）

RMS Integrated Design and its Demonstration

DING Ding-hao
（China Academy of Electronics and Information Technology of CETC， Beijing 100041， China）

RMS； operational readiness； maintenance support； spares support

TB 114.3

:A

:1672-5468（2014）01-0001-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.001

2013-04-01

丁定浩（1929-）， 男， 江苏吴江人， 中国电子科技集团公司电子科学研究院研究员， 上海大学、 南京航空航天大学兼职教授，长期从事系统可靠性、维修性、保障性理论和工程设计研究工作。

bstract： he individual design for reliability,maintainability and supportability（RMS）should be improved into the integrated design.The basis of RMS integrated design is the development of the top-level theoreticalmodelwith RMS parameters.It is shown that there are some problems among the top-level RMS models， maintainability models and spares support models abroad， which should not be followed blindly for developingmodels.Three kinds of practical theoreticalmodels for the top-level design for RMS are presented.The demonstration test for toplevel parameters is proposed.