基于使用可用度的舰船电子信息系统RMS参数权衡方法*

王 薇

(中国船舶重工集团公司第七研究院 北京 100192)



基于使用可用度的舰船电子信息系统RMS参数权衡方法*

王 薇

(中国船舶重工集团公司第七研究院 北京 100192)

舰船电子信息系统是舰船武器装备重要组成,针对研制阶段其可靠性、维修性、保障性参数(RMS参数)的综合权衡问题,以使用可用度为约束,以实现寿命周期费用最低为目标,提出了基于使用可用度的RMS参数权衡方法,并给出了权衡方法中,基于RMS参数的使用可用度及寿命周期费用的计算模型。

舰船电子信息系统; RMS参数权衡; 使用可用度; 寿命周期费用

Class Number TP182

1 引言

舰船电子信息系统是舰船装备平台上的重要系统,其功能的发挥直接影响舰船装备任务成功与安全,因此在方案与研制阶段如何根据舰船电子信息系统的任务特点,提出可靠性、维修性、保障性参数(RMS参数)要求,是确保其实现使用功能的重要工作之一[1～2]。

效能是装备在规定的条件下达到规定使用目标的能力,它能够把众多性能的指标综合为完成使命任务的能力,是衡量实际作战能力的有效度量[3]。因而面向现代海军军事战略需要,追求高的效能成为舰船武器装备及其系统的研制和采购的重要目标。但高效能的装备往往对应着相对高的寿命周期费用。

RMS参数指标对装备系统的效能、全寿命周期费用等有重要影响。因此在方案与研制阶段应全面考虑系统的效能与费用因素,对RMS指标进行综合权衡,将优化后的RMS指标用于工程设计,将可靠性、维修性、保障性等技术指标落实到工程研制中去,实现费效最佳[4～8]。

基于此,本文针对舰船电子信息系统任务期的使用与维修保障特点,选取使用可用度为其实际作战能力度量,提出RMS参数的权衡方法。

2 舰船电子信息系统RMS参数权衡方法

2.1 舰船电子信息系统费用-使用可用度权衡过程

使用可用度是综合全面地反映武器装备任务阶段的效能参数,描述在给定保障计划的保障条件下和在规定的作战使用环境中,能够在任一随机时刻需要时可以方便和满意地投入使用的预期时间百分比,是衡量装备或系统的作战适用性和实际作战能力的度量参数。使用可用度为作战部队提供装备在任务阶段的任意随机时刻能执行任务的概率,为作战决策提供参考依据;也为订购方与承制方制定装备或系统研制合同、产品验收提供更为全面的技术标准,使其更能全面反映装备或系统综合效能。

基于此,在方案与研制阶段确定舰船电子信息系统的RMS顶层参数,应在使用可用度与寿命周期费用之间进行综合权衡评价并给出决策。通过基于使用可用度的RMS权衡分析,使系统的使用可用度AO达到规定区间,系统的效能得到最大限度的发挥,同时寿命周期费用最少。

如图1权衡过程所示,舰船电子信息系统RMS参数的费用-使用可用度权衡过程,是建立RMS参数与使用可用度以及费用之间的关系模型,使RMS参数能为使用可用度与费用间的“桥梁”,再依据所遵循的准则,对RMS参数进行选择。

图1 RMS参数权衡过程

2.2 舰船电子信息系统费用-使用可用度优化权衡方法

在分析舰船电子信息系统任务期使用与维修保障模式后,确定需要权衡的可靠性、维修性、保障性参数,分别以r,m,s代表,则使用可用度AO和寿命周期费用C可分别表示为r,m,s的函数,有:

AO=fAO(r,m,s)

C=fC(r,m,s)

其中,fAO(r,m,s)与fC(r,m,s)的计算模型分别在第3、4节推导,可靠性参数有MTBF,可靠度R,维修性参数有MTTR,预防性维修次数nPM。

以使用可用度AO为约束,以寿命周期费用C最低为目标,建立优化模型如下:

minC=fC(r,m,s)

s.t.AO=fAO(r,m,s)∈[AOL,AOH]

其中,[AOL,AOH]是电子信息系统使用可用度的规定范围。

3 基于RMS参数的舰船电子信息系统使用可用度计算模型

根据舰船电子系统执行任务的连续性,可将其工作模式分为连续工作型、间歇工作型两类。根据其任务特点,定义,针对这两种工作模式的特点进行分析,对其时间因素进行划分,分别提出各自的使用可用度计算模型。

3.1 使用可用度度量方法

舰船电子信息系统的使用可用度定义为其任务期内能工作时间和不能工作时间与能工作时间之和的比值。采用任务期内系统总的工作时间、总维修时间、总保障及延误时间度量,有:

其中TU为系统能工作时间,TD为系统不能工作时间。系统能工作时间包含了系统工作时间TO与系统待命时间(能工作而不工作)TN,TALD为管理与保障延误时间。

3.2 连续工作型系统的使用可用度计算模型

连续工作型系统在使用、作战中一直处于工作运行状态,例如导航、指控系统。这类系统在舰船平台上有工作状态或故障状态这两种状态,平均故障间隔的日历时间与平均故障间隔时间相等,其日历时间就是它的有效使用时间。同时,连续工作型系统没有待命时间。

修复性维修时间为

其中,TCM为修复性维修总时间,nCM为修复性维修次数,MTBF为平均故障间隔时间,MTTR为平均维修时间。

预防性维修时间为

TPM=nPM·MPMT

其中,TPM为预防性维修总时间,nPM为预防性维修次数,MPMT为平均预防性维修时间。

假定预防性维修不会导致管理与保障延误,延误时间为

其中,TALD为保障延误总时间,MLDT为平均保障延误时间。

AO连续工作型=

3.3 间歇工作型系统的使用可用度计算模型

间歇工作型系统在任务期内可能处于任务状态或非任务状态。由于具备待命时间,其日历时间不等于有效使用时间[9]。引入平均故障间隔日历时间MCTBF,有:

其中,TN为能工作却不工作的时间。

修复性维修时间为

预防性维修时间为

TPM=nPM·MPMT

同样假定预防性维修不会导致管理与保障延误,则延误时间为

4 基于RMS参数的寿命周期费用计算模型

影响舰船电子信息系统RMS参数权衡的寿命周期费用C用由研制费用CR以及使用与保障费用COS两项相加构成。其中,参与权衡的使用与保障费用是修复性维修费用CCM、预防性维修费用CPM和保障延误相关费用CALD三部分之和。本节给出根据RMS参数构建的参与权衡的寿命周期费用模型。

4.1 研制费用CR的计算模型

研制费用与RMS参数中的可靠性参数相关,通过选取极端情形的可靠度R与研制费用,得出两者间的定性关联。结合历史数据,采用专家评分法给出n组(Ri,CRi),通过折线逼近的方式以分段函数的形式拟合CR=f(R)关系式[10]。

4.1.1 可靠度R与研制费用CR的定性关联

CR=f(R)=a[Φ(R)]b+c

其中,a,b,c为待定常数,Φ(R)是一个R的函数[8]。

广义上认为,如果要求舰船电子信息系统有很高的可靠度指标R,显然研制费用CR会增加很多,有:

其中,Ru是舰船系统可靠度的上限值,0

同时,如果舰船电子信息系统完成研制已经定型,却没有开展过任何可靠性相关工作,可靠性指标并没有被设计到产品中去,即使是这样,该产品也是存在一定可靠度水平的,尽管较低。此时,该产品研制费中与可靠性相关部分应该为0,有:

其中,Rb是舰船系统可靠度的下限值,0

因此,f(R)应满足以下条件:

得到最简单的满足以上条件的Φ(R)为

其中,K为待定常数,有:

CR=f(R)=a[Φ(R)]b+c

令a′=a·Kb,有

其中,a′,b,c均为待定常数。

图2 可靠度与研制费用的定性关联

至此,通过选取可靠性水平极高与极低两种极端情况下的费用,得到这种可靠度与研制费用的最简单的表达形式,该式描述了可靠度指标R与研制费用的定性关联如图2所示,研制费用随可靠度指标的增大呈增加趋势。

4.1.2 基于专家评分法的研制费用CR分段函数表示方法

以专家评分法获得每个Ri下的CRi值。计算方法如下:

从元器件选取因素、技术革新因素、设计投入因素、接口改型因素四方面对每个可靠度Ri下的费用进行打分。每一项的分值为1～10。

元器件选取因素中,对元器件的要求最低打分为1,最高打分为10。

技术革新因素中,对技术革新要求最低打分为1,最高打分为10。

设计投入因素中,对设计投入相对最少打分为1,相对投入最多打分为10。

接口改型因素中,对接口改型要求最低打分为1,最高打分为10。

以i=x和i=x+1时的(Rx,CRx),(Rx+1,CRx+1)为基准,其打分值为wx和wx+1,相比于(Rx,CRx),每增长1倍的wx,费用增加CRx的倍数用B来表示,有:

则i≠x且i≠x+1时有:

4.2 使用与保障费用COS的计算模型

舰船电子装备的使用与保障费用采用下式表示:

COS=CPM+CCM+CALD

任务期内的预防性维修费用与其预防性维修的次数和每次维修的花费有关。以舰船电子信息系统为对象,有:

CPM=nPM·CPPM

其中,CPPM为单次预防性维修费用,在计算时属于已知量。

修复性维修费用与故障次数、单次维修时间以及每小时维修费用有关,有:

其中,CPCM为每小时修复性维修费用,在计算时属于已知量。

舰船电子装备的保障费用指其任务期内的发生修复性维修时所产生的管理与保障延误带来的费用损失,该费用与故障次数、单次故障的延误时间以及每延误1小时损失的费用有关,有:

其中,CALD为每延误1小时损失的费用,在计算时属于已知量。

5 结语

本文依据舰船电子信息系统使用与维修保障模式与特点,得出基于RMS参数的使用可用度的计算模型与基于RMS参数的寿命周期费用计算方法。以使用可用度为约束条件,以寿命周期费用最低为目标,提出舰船电子信息系统RMS参数指标的权衡方法。为研制阶段的可靠性、维修性、保障性指标分配提供依据。

[1] 姜波,吴杰,陈继祥,等.鱼雷系统可靠性指标分配方法研究[J].舰船电子工程,2011,31(1):122-124.

[2] 彭文华,卫平凡,刘国光.基于效能的舰炮武器系统RMS指标设计方法研究[J].舰船电子工程,2010,30(1):172-174.

[3] 林武强,马绍力,郑凌宇.对舰船可用度指标的探讨[J].船舶工程,2003,25(5):67-71.

[4] 宇鸣,王威,黎放.舰船可靠性对维修费用的影响分析[J].海军工程学院学报,1999(3):66-70.

[5] 肖依永,常文兵.基于扩展型蒙特卡洛仿真的装备寿命周期费用与可靠性分析方法研究[J].装备质量,2012(6):25-32.

[6] 彭亮,岳冬梅.舰船装备全寿命周期费用估算方法研究[J].舰船电子工程,2013,33(5):126-129.

[7] 刘飞,张为华.基于费用函数的系统可靠性优化分析方法[J].机械设计与制造,2005,11:11-12.

[8] 史秀建,金家善,吴奕亮.寿命周期费用与可靠性关系分析模型研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2004,28(4):589-592.

[9] 操军.装备使用可用度模型研究[D].北京:北京航空航天大学,2012.

[10] 刘晓东,张恒喜.飞机可靠性与研制费用相关关系研究[J].空军工程大学学报(自然科学版),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,工程师,研究方向:舰船产品可靠性。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.028