便携式AUV通用质量特性参数指标分析

张志强，王胜兵，杨 波

（1.海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430033；2.中国人民解放军 92815部队，浙江 宁波 315717）

0 引言

装备的通用质量特性即可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性及环境适应性，是影响装备作战效能的重要因素，在装备研制过程中起着重要作用[1]。便携式AUV通常指的是1～2人可搬运的、重量不大于80 kg的小型AUV，典型型号为美国REMUS100、冰岛GAVIA等。便携式AUV系统通常由航行体、控制器、探测设备、作业设备和保障设备等组成[2]。这类AUV除具备自主航行、自主探测的AUV常见功能之外，还具有体积小、重量轻、模块化等特点，在基本型航行器的基础上，可快速加装不同的任务载荷，满足多种任务需求，但在使用保障方面对通用质量特性带来了更高的要求。常见的通用质量特性定量要求主要有综合参数指标、可靠性参数指标、维修性参数指标、测试性参数指标、保障性参数指标、安全性及环境适应性参数指标等[3]。

1 综合参数指标

根据便携式AUV组成结构、使用方式和任务剖面，综合考虑兼顾描述工作状态的RMS特性以及描述非工作状态的RMS特性，可以选择战备完好性参数作为便携式AUV的综合参数。战备完好性主要表征便携式AUV日常贮存、携行等非工作状态的可用性，在军用领域通常使用战备完好性对装备的性能进行刻画[4]。表征战备完好性的参数指标主要有战备完好率和任务成功概率，战备完好率能充分描述非连续工作系统的可用性，而任务成功概率更适合用于描述连续工作系统的可用性[5-6]。

1.1 战备完好率

战备完好率是指便携式AUV接到技术准备命令后，贮存状态的装备系统，经技术准备后能在各类平台投入使用的概率。

若便携式AUV自技术阵地经技术准备后直接装载到携行平台，那么技术准备完好率指标就等同于战备完好率指标，其数学模型为

式中：RS(tS)为航行器贮存tS时间的贮存可靠度，根据表征需要，通常tS可在 0.5～3 a内取值；M(td)为在规定的维修条件和保障条件下，在规定时间内完成修复故障航行器任务的概率，即维修度；td为修理允许延误时间，这里可理解为从接到修理指令到完成航行器维修所允许的最大时间，它小于接到准备航行器指令到发往平台装载的间隔时间。

1.2 任务成功概率

便携式AUV成功执行任务包括成功实施水下探测或者成功实施水下作业，实施水下探测和实施水下作业的比例约为2∶1。根据该类AUV典型任务分析，便携式AUV的任务成功概率为

式中：PM(t)为便携式AUV的任务成功概率；Ai为便携式AUV在储存状态下的战备完好率；Aq为便携式AUV的正常工作概率，由于其在使用过程中无法进行维修，因此，其正常工作概率即为便携式AUV的任务可靠度；PT为便携式 AUV的探测成功概率；Pj为便携式AUV的成功接近目标概率；Pz为便携式AUV的成功作业概率。

2 可靠性参数及指标

根据上述讨论和典型任务剖面，选择探测任务可靠度与作业任务可靠度为系统任务可靠性参数；选择贮存可靠度表征非工作状态可靠性水平；选择实航工作可靠度表征航行可靠性水平；选择任务可靠度表征搭载平台上控制设备的可靠性水平；选择设备的平均故障间隔时间MTBF表征其工作状态下可靠性。根据便携式AUV寿命期使用保障规划、使用需求以及综合参数的分解，还要对系统提出使用寿命要求，因此实际推荐使用的可靠性参数见表1。

根据便携式 AUV的任务剖面，其探测阶段参与工作的包括搭载平台控制设备、航行体、载荷系统设备。考虑到航行体执行任务时，这些系统需同时协调工作，其对应的系统任务可靠性RT模型为

式中：R1(t)为搭载平台控制设备可靠度；R2(t)为航行体可靠度；R31(t)为载荷系统设备可靠度；t1为任务时间。

3 维修性参数指标

由于便捷式AUV是高度集成的机电一体化设备，基层级维修活动以换件维修为主，尤其是在系统发生故障时，主要是利用配置的备品备件进行更换。从这个意义上来说，选择修复概率作为该系统的维修性参数，可以客观反映维修此类设备的难易程度。

装备的修复概率可以使用平均修复时间（MTTR）来进行计算，修复概率模型为

式中：td是修理允许延误时间；tMLD是平均保障资源延误时间。

平均修复时间是指在便捷式AUV发生故障情况下，由舰员利用配置的维修与检测设备、修理工具等，对故障进行诊断与定位、装备拆卸、更换故障件、性能检测、装备恢复等活动所花费的平均时间，但不包括因其它原因造成的维修延误（如等待器材）等时间。

假设便携式AUV服从指数分布时，修复概率模型可简化为

式中：ta表示维修时间；μ表示维修率。

4 测试性参数指标

便携式 AUV的检测工作主要是在非工作状态下进行，在完成各设备的独立检测后进行联调检测。因此，便携式AUV的测试性参数主要包括：

1）故障检测率：由人员在装备现场，利用机内BIT、配置的检测设备或人工观察等方式，对便携式AUV故障进行检测的比例。故障检测方式包括BIT、ATE、人工或其组合等。

2）故障隔离率：由人员在装备现场，利用机内 BIT、配置的检测设备或人工观察等方式，将便携式 AUV的故障件隔离到现场可更换单元的比例。

3）虚警率：在装备的配置现场，利用配置的维修、测试、保障设备，由现场保障人员实施的条件下，在规定时间内发生的虚警数与同一时间内故障指示总数之比。

5 保障性参数指标

根据便携式AUV主要保障模式，其保障性参数指标主要有：

1）平均技术准备时间：便携式 AUV在装备的配置现场，利用配置的维修设施、测试设备、修理工具，由现场保障人员实施的条件下，按照规定的作业方法、程序和要求进行技术准备，使之达到上一级状态所需平均时间的总合（不含转运和吊装时间）；

2）备件满足率：便携式AUV在装备现场进行维修活动所需要的备件的满足比例；

3）随舰备件利用率：便携式AUV在装备现场进行维修活动所使用的备件所占比例。

6 安全性及环境适应性参数指标

根据便携式AUV主要使用模式，其安全性及环境适应性参数指标有：

1）安全跌落高度：1级战备等级状态的便携式AUV能满足储存、吊装及运输的安全性要求，并在意外跌落时不燃不爆[7]；

2）环境适应性：主要包括使用和储存温度环境参数、振动与冲击环境参数、耐腐蚀环境以及电磁环境4种典型环境。

7 计算实例

以某型主要实施侦查和爆破任务的便携式AUV为对象进行分析，作为执行特殊任务的便携式AUV，要求系统必须具有较高的可用性，以确保能够以较大的概率完成侦察以及打击等功能。因此，确定便携式AUV的通用质量特性参数指标必须从以下2个方面考虑：1）能够在配置专用装备的情形下有效完成专业作战任务包括侦察以及打击；2）所确定的通用特性指标是可实现的，即可靠性、维修性和保障性指标的确定需要在先进与可行之间，与费用、进度、技术性能指标之间进行权衡[8]。

根据配套装设备性能可以得出便携式 AUV的探测成功概率、成功接近目标概率、成功爆破概率，结合式（2）可以得出便携式AUV的任务成功概率，对于该型便携式AUV，其成功概率为0.9（目标值），门限值为0.85。由于便携式AUV工作环境较为恶劣，必须要求其较高的战备完好率，即要求系统的可用性较高，综合比较战备完好率Ai与任务可靠度Aq，即Aq=Rm＜Ai。基于上述理由，我们可以选择战备完好率Ai在 0.98～0.99之间。

为了合理地确定系统的可靠性、维修性和保障性指标，我们选择了（TP,zP,iA）分别为（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），而任务可靠度Rm分别取为0.95、0.96、0.97、0.975、0.98。可以得到便携式 AUV的效能，其计算结果见表2。

表2 系统效能分析Table 2 Analysis of system effectiveness

从表2可以看出如下结论：

1）由于便携式AUV水下爆破的成功概率已确定，因此，将系统的战备完好率、任务可靠度和探测成功概率提高，其效能的提高并不明显。从表2的计算结果可以看出，该系统的最高效能为 0.886 1。

2）从表中效能计算结果可以看出，便携式AUV系统的效能应取0.87左右，在探测成功概率取为 0.91、战备完好率取为 0.99、任务可靠度为0.97时，其效能为0.87。在实际设计时，由于水下探测成功受很多随机因素的影响，因此，要求探测成功概率达到 0.92是十分困难的，取探测成功概率为0.91是合适的。

3）由于该便携式 AUV是在某猎雷系统的基础上开发出来的，比照某猎雷系统，便携式AUV的任务可靠度应在0.97～0.98之间，而其可用度应不大于0.98。

8 结束语

装备的通用质量特性涵盖了可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性及环境适应性各个方面。可靠性指标主要由各主要组件的可靠度计算得出；维修性指标主要由统计和实验得出的故障间隔时间、维修时间计算得出；测试性指标主要使用检测实验得出的检测率、隔离率等进行定量描述；保障性指标主要使用保障实验得出的技术准备时间、备件满足率等进行定量描述；对于含有火工品的水中兵器来说，安全性主要考察安全跌落高度；环境适应性主要由环境实验得出的使用和储存温度环境参数、振动与冲击环境参数、耐腐蚀以及电磁适应性参数等进行定量描述。

对于装备通用质量特性工作来说，一方面，不同装备的通用质量特性并不能简单照搬所谓的“模板”，而应该根据具体的系统组成、作战使命及任务剖面合理选择指标和计算方式，如便携式 UUV和传统用于海洋勘测的中大型 UUV就有很多不同；另一方面，在理论计算确定通用质量特性若干指标和计算方式后，还应根据试验和部队使用情况持续修改完善相应指标，装备的通用质量特性工作要贯穿装备研制全过程。