對北約標(biāo)準(zhǔn)中可用度經(jīng)驗(yàn)公式的研究

劉玉明

（中國船舶重工集團(tuán)公司第707研究所，天津 300131）

0 引言

上世紀(jì)九十年代，北大西洋公約組織軍用標(biāo)準(zhǔn)化局（MAS）頒布了《北約可靠性與維修性要求文件編寫指南》（ARMP-4），如今已頒布了第4修訂版（2008年8月）。該標(biāo)準(zhǔn)針對艦船系統(tǒng)提出了一個特定的可用度術(shù)語及其計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。使用中有人將特定的可用度術(shù)語Effective Availability譯成“有效可用度”。

海軍裝備部門在確定裝備的可靠性與維修性指標(biāo)要求時，曾想推廣應(yīng)用此經(jīng)驗(yàn)公式，卻發(fā)現(xiàn)該術(shù)語未出現(xiàn)在我國標(biāo)準(zhǔn)中，且“有效可用度”的定義不為人們所了解。在尚未了解北約標(biāo)準(zhǔn)和可用度經(jīng)驗(yàn)公式的情況下，貿(mào)然將所謂的有效可用度作為合同指標(biāo)下達(dá)給裝備承制單位，將給承制單位帶來困惑。多年來裝備使用部門一直沒有把“有效可用度”真正應(yīng)用起來，究其原因，就是沒有認(rèn)真分析研究北約標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗(yàn)公式。因此，認(rèn)真分析研究北約標(biāo)準(zhǔn)及其可用度經(jīng)驗(yàn)公式，探討其應(yīng)用的可行性是非常必要的。本文試圖對有效可用度及其經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，研究其是否適應(yīng)我國艦船的實(shí)際。

1 北約標(biāo)準(zhǔn)

1.1 北約標(biāo)準(zhǔn)的目的

《北約可靠性與維修性要求文件編寫指南》的引言明確指出，標(biāo)準(zhǔn)主要是供使用方和訂購方使用，其目的是“說明影響制定可靠性與維修性要求的各種概念和因素，幫助使用要求部門制定基本可靠性與維修性要求，幫助采辦當(dāng)局將這些要求轉(zhuǎn)換成能接受的合同性規(guī)范”。這說明該標(biāo)準(zhǔn)是提供給訂購方（使用方）應(yīng)用的，是為訂購方（使用方）在編制可靠性與維修性要求文件時提供的指南。為使承制方更好地了解可靠性與維修性要求，北約軍用標(biāo)準(zhǔn)化局（MAS）在頒布這個標(biāo)準(zhǔn)的通知的最后，提出了“允許并鼓勵向承包商和供應(yīng)商提供本標(biāo)準(zhǔn)”。

1.2 關(guān)于可靠性與維修性要求

該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào):1）應(yīng)確認(rèn)可靠性與維修性的要求正確適用，從壽命周期費(fèi)用角度考慮，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的。2）該標(biāo)準(zhǔn)中采用的術(shù)語，如可用性、任務(wù)成功性、維修人力和后勤保障等，一般不宜直接提供給承制方。應(yīng)經(jīng)過全面權(quán)衡，轉(zhuǎn)換成可用于設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的合同指標(biāo)才能提供給承制方。3）采用可靠性與維修性的定量要求是非常重要的。這就說明該標(biāo)準(zhǔn)是為使用方（訂購方）作指南的，不能直接用標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語作為可靠性與維修性要求提供給承制方。

1.3 關(guān)于可用性

該標(biāo)準(zhǔn)在論述影響制定可靠性與維修性要求的各種概念和因素時指出:可用性是影響可靠性與維修性要求的重要因素。同時該標(biāo)準(zhǔn)還論述了可用性在確定可靠性與維修性要求時存在的問題和困難。標(biāo)準(zhǔn)指出，可用性有幾種類型，最常用的是“固有可用性（Ai）”和“使用可用性（Ao）”。標(biāo)準(zhǔn)指出，固有可用性指“在規(guī)定條件下使用的系統(tǒng)或設(shè)備在任意時刻能完好使用的概率，這里考慮的時間是使用時間和active repair time”，固有可用性剔除了所有空余時間、預(yù)防性維修、貯存時間、管理和后勤延誤時間。

將“Active repair time”翻譯成“有效修理時間”欠妥，因?yàn)椤癮ctive”沒有“有效”的意思，而且這里的修理時間也不需用有效或無效來描述。根據(jù)定義中的時間說明，筆者認(rèn)為將“active repair time”譯成“實(shí)用修理時間”或“直接修理時間”比較合適。因?yàn)楣逃锌捎枚鹊谋磉_(dá)式為:

式中，MART為Mean Active Repair Time被稱為平均實(shí)用修理時間，這顯然與上述固有可用度的定義是相關(guān)的。

北約標(biāo)準(zhǔn)也采用美國軍用標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語，如ARMP-4標(biāo)準(zhǔn)中多次提到MTBF，MTTR等。

根據(jù)美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和我國軍用標(biāo)準(zhǔn)，固有可用度的表達(dá)式如下:

式中MTTR為平均修復(fù)時間，是不考慮管理和后勤延誤時間的修復(fù)性維修的實(shí)際時間。

比較（1）式與（2）式，（1）式表示的是使用的系統(tǒng)或設(shè)備的固有可用度或任務(wù)期間的固有可用度，而（2）式表示的是整個壽命周期的固有可用度。故在2008年8月的第4修訂版標(biāo)準(zhǔn)中，將（1）式中Ai改成了Di。

標(biāo)準(zhǔn)還列出了使用可用度（Ao）的定義和表達(dá)式，特別指出了不單獨(dú)采用Ao（或者其他任何類型的可用度）來規(guī)定可靠性與維修性的原因，具體如下:

1）作為一種指標(biāo)，Ao對可靠性與維修性參數(shù)的變化不敏感；

2）Ao值的決定因素很多，如人員、訓(xùn)練和供應(yīng)等。這些因素對Ao的影響超過可靠性與維修性對Ao的影響，如后勤延誤時間；

3）對Ao的設(shè)計(jì)十分困難，因?yàn)樵S多因素（如備件的供應(yīng)）是設(shè)計(jì)人員無法控制的；

4）Ao通常只能在外場得到驗(yàn)證。

因此，通常只用Ai來規(guī)定可靠性與維修性指標(biāo)，但Ai只取決于MART與MTBF的比值，且同樣的Ai值可由無數(shù)的MART和MTBF的組合產(chǎn)生。因而，只規(guī)定Ai也是不明智的。

我們在確定海軍裝備的可靠性與維修性指標(biāo)時，通常根據(jù)AI來確定MTBF和MTTR，再根據(jù)任務(wù)時間和任務(wù)可靠度，確定MTBCF。對于維修性的其他參數(shù)則沒有多考慮。而北約標(biāo)準(zhǔn)針對艦船系統(tǒng)，提出了一個特定的可用度術(shù)語，即“Effective Availability”，從而可以確定MTBCF、MTTCF、MART、MP等可靠性與維修性指標(biāo)，這是考慮到艦船裝備在其任務(wù)期間可以進(jìn)行維修以及存在海上可修和不可修的情況。標(biāo)準(zhǔn)定義“Effective Availability”為:“艦船系統(tǒng)在最大的使用周期內(nèi)的任意時刻處于可用狀態(tài)的概率，這里考慮了所有的致命故障，包括海上可修和不可修的以及預(yù)防性維修?！?/p>

將“Effective Availability”翻譯成“有效可用度”也是不確切的。根據(jù)“Effective Availability”的定義，它是任務(wù)期間的實(shí)在的或?qū)嶋H的可用度，其維修時間不計(jì)管理和后勤延誤時間，是實(shí)在的直接維修時間。因此，應(yīng)將其譯成“任務(wù)期間實(shí)用可用度”或簡稱為“任務(wù)可用度”?！癆vailability”最早被譯成有效度，若將“Effective”譯成“有效的”，則該術(shù)語譯為“有效有效度”或“有效可用度”，這無論是從中文角度還是意思層面上均講不通，因?yàn)檫@里的可用度不能用有效或無效來描述。因此，應(yīng)將“Effective Availability”譯成“實(shí)用可用度”或“任務(wù)可用度”。

1.4 可靠性與維修性參數(shù)的選擇

北約標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定可靠性與維修性參數(shù)選擇時指出:1）可靠性與維修性影響到使用和保障的很多方面，如可用性、任務(wù)成功性、維修和后勤保障等，因此，在編制可靠性與維修性要求文件時，應(yīng)包含對這類特性的要求；2）應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備的具體情況選擇可靠性與維修性的參數(shù)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、進(jìn)度等條件進(jìn)行權(quán)衡分析，以保證提供給承制方的可靠性與維修性各參數(shù)是協(xié)調(diào)一致的。因此，不能直接把標(biāo)準(zhǔn)中的可用度經(jīng)驗(yàn)公式交予承制方應(yīng)用，也不能將可用度單獨(dú)作為一個指標(biāo)下發(fā)給承制方。可用度不是一個承制方可以設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的合同指標(biāo)，可用度必須轉(zhuǎn)化為可靠性與維修性參數(shù)指標(biāo)，承制方可應(yīng)用?？捎枚冉?jīng)驗(yàn)公式是訂購方在確定可靠性與維修性要求時可用的一個公式，通常由使用方確定一個實(shí)用可用度，再根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)約束條件，計(jì)算出有關(guān)可靠性與維修性指標(biāo)，作為向承制方提出的要求。目前，有效可用度未列入我國軍用標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語，其定義也不為大多數(shù)設(shè)計(jì)人員了解，故在當(dāng)前的裝備研制任務(wù)書或技術(shù)規(guī)格書中出現(xiàn)所謂有效可用度的指標(biāo)要求是錯誤的，易令人困惑。

2 可用度經(jīng)驗(yàn)公式

2.1 AE的經(jīng)驗(yàn)公式

北約標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)利用固有可用度公式（2）確定可靠性與維修性參數(shù)存在的問題，以及艦船在任務(wù)期間可進(jìn)行維修或不可維修的情況，提出了一個新術(shù)語，即任務(wù)期間實(shí)用可用度（AE），計(jì)算AE的經(jīng)驗(yàn)公式是:

式中:MART為平均任務(wù)期間實(shí)用修理時間；MTBCF為平均致命故障間隔時間；PMdowntime為總的預(yù)防性維修任務(wù)停機(jī)時間；MTTCFnr為平均致命故障前時間；Missiontime為任務(wù)時間。

2.2 對經(jīng)驗(yàn)公式的分析

2.2.1 任務(wù)期間實(shí)用可用度（AE）

對任務(wù)期間實(shí)用可用度及其經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析研究是本文的主題。標(biāo)準(zhǔn)定義AE為:“艦船系統(tǒng)在最大的使用周期內(nèi)的任意時刻處于可用狀態(tài)的概率。這里考慮了所有的致命故障，包括海上可修和不可修的以及預(yù)防性維修”。即定義AE為:

1）連續(xù)工作的艦船系統(tǒng)在最大使用周期內(nèi)的可用度，也就是任務(wù)期間的可用度，可簡稱為任務(wù)可用度；

2）考慮了所有的致命故障，即計(jì)算工作時間用MTBCF，而不是MTBF；

3）考慮了海上可修和不可修以及預(yù)防性維修，即不能工作時間包括致命性故障在海上可修的修復(fù)性維修時間和預(yù)防性維修時間以及不可修故障時間；

4）修復(fù)性維修時間和預(yù)防性維修時間都不包括維修管理與后勤延誤時間，即只計(jì)直接維修的實(shí)際時間。

因此我們稱AE為任務(wù)期間的實(shí)用可用度，而不能叫“有效可用度”。目前該術(shù)語尚未列入我國標(biāo)準(zhǔn)，不被人們認(rèn)識，使用部門也沒有積累相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)。

2.2.2 AE經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)（3）式，可以認(rèn)為:

1）這是一個符合“可用度=1-不可用度”的概率計(jì)算基本公式；

2）該公式將不可用度分為三部分:

由于致命性故障不是100%海上不可修，因此取一經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.5，即假定50%的致命性故障是海上不可修的。

3）三部分不可用度的量值估計(jì):

（1）根據(jù)MTBCF/MTTCFnr/MART/Missiontime/PMdowntime等參數(shù)的量值范圍估計(jì)，由于MTBCF/MTTCFnr＞＞Missiontime且Missiontime＞＞PMdowntime/MART，其不可用度的量值:固有不可用度＜＜預(yù)防性維修不可用度＜＜海上不可修的不可用度；

（2）由于固有不可用度很小，而致命性故障海上不可修的不可用度很大，因此系統(tǒng)的實(shí)際可用度主要取決于海上不可修的不可用度，也就是要大大提高M(jìn)TTCFnr才能保證足夠高的可用度。

4）關(guān)于MART

（1）根據(jù)MART的定義，MART是任務(wù)期間致命性故障的平均修復(fù)時間，與平均修復(fù)時間MTTR是不一樣的。MTTR為在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品在任一規(guī)定的維修級別上，修復(fù)性維修總時間與在該級別上被修復(fù)產(chǎn)品的故障總數(shù)之比。這里的修復(fù)性維修總時間不含管理和后勤延誤時間，是直接用于維修的實(shí)際時間。由此可知，MART是MTTR的一個特例，它規(guī)定的時間是任務(wù)期間，規(guī)定的維修故障是影響任務(wù)完成的致命性故障。在我國標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定MART這個參數(shù)，只有MTTR。因此，目前我國對MART的量值不了解，也未累積相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。

（2）對于艦船系統(tǒng)來說，MART與對應(yīng)的MTTR（任務(wù)期間艦員級維修的MTTR）的不同在于MTTR包括致命故障和非致命故障的修復(fù)，而MART只是致命故障的修復(fù)，在平均修復(fù)時間上應(yīng)無大的差別。

5）關(guān)于PMdowntime

PMdowntime是任務(wù)期間致命性故障預(yù)防維修總的任務(wù)停機(jī)時間。根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)防性維修安排在正常使用周期以外進(jìn)行，任務(wù)期間的預(yù)防維修次數(shù)應(yīng)很少，且一次任務(wù)停機(jī)時間不能太長，例如對任務(wù)時間為45天的艦船系統(tǒng)，一次任務(wù)停機(jī)時間不能超過1 h，總的（任務(wù)期間累計(jì)的）停機(jī)時間也不能超過20 h。

6）關(guān)于Missiontime

Missiontime是最大的任務(wù)周期時間（任務(wù)時間），由艦船的使命任務(wù)要求確定，與艦船的自持力設(shè)計(jì)相關(guān)。通常，由艦船總體設(shè)計(jì)確定后不再改變，其在經(jīng)驗(yàn)公式（3）中是一個常數(shù)。當(dāng)前不同艦船的任務(wù)時間Missiontime分別為:15天（360 h）、30天（720 h）、45天（1080 h）、90天（2160 h）等。

3 公式應(yīng)用及存在問題分析

3.1 根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)示例數(shù)據(jù)的應(yīng)用

根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)附錄A中艦船可靠性、可用性、維修性要求的示例，取MTBCFnr=750 h，MART=1 h（北約標(biāo)準(zhǔn)示例MART為35min～150 min），MTTCFnr=54000 h，Missiontime =45天（1080 h），PMdowntime=20 h，代入經(jīng)驗(yàn)公式（3）為:

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式對我國艦船系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)我國目前某艦船系統(tǒng)的可靠性與維修性數(shù)據(jù)，取 MTBCF=1500 h，MTTCFnr=2000 h，Missiontime=360 h，PMdowntime=20 h（估計(jì)值），MART=2 h（估計(jì)值），代入經(jīng)驗(yàn)公式為:

由此可知，某艦船系統(tǒng)的任務(wù)期間的實(shí)用可用度AE不是很高，不會滿足使用方的要求。

1）若按北約標(biāo)準(zhǔn)的示例要求AE=0.98，則應(yīng)提高 MTTCFnr、MTBCF，降低PMdowntime、MART。 根據(jù)可能，取MTTCFnr=3000 h，MTBCF=2500 h，PMdowntime=10 h，MART=1 h，則:

計(jì)算結(jié)果表明，AE仍然達(dá)不到北約標(biāo)準(zhǔn)的示例要求。

2）若將可靠性與維修性提高到一個相當(dāng)?shù)母叨龋?，MTTCFnr=20000 h（北約標(biāo)準(zhǔn)示例:在1080 h的任務(wù)時間內(nèi)，不發(fā)生致命性故障的生存概率必須大于98%。經(jīng)計(jì)算，相應(yīng)的MTTCFnr大于54000 h。在360 h的任務(wù)時間內(nèi)，相應(yīng)的MTTCFnr為 18000 h），PMdowntime=5 h（北約標(biāo)準(zhǔn)示例:在1080 h的任務(wù)時間內(nèi)，PMdowntime不超過20 h，則在360 h任務(wù)時間內(nèi)，PMdowntime應(yīng)不超過7 h），則經(jīng)計(jì)算，AE=0.9767～0.98。這說明，在360 h的任務(wù)時間內(nèi)，為達(dá)到98%的可用度，必須有20000 h以上的高可靠性（MTTCFnr）以及極短的預(yù)防維修停機(jī)時間（PMdowntime=5 h）。

3.3 存在問題分析

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用和分析，可以看到經(jīng)驗(yàn)公式存在以下問題:

1）對于一個艦船系統(tǒng)，例如某種雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等，其任務(wù)期間的實(shí)用可用度要求達(dá)到98%，不是一個過高的要求，但要求其MTTCFnr達(dá)到數(shù)萬小時，卻是非常困難的。當(dāng)任務(wù)時間長達(dá)90天時，MTTCFnr要高達(dá)數(shù)十萬小時，對于一個單套的復(fù)雜的艦船系統(tǒng)幾乎是不可能的，除非采取多重系統(tǒng)級備份。因此，筆者對經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)用性提出質(zhì)疑。通常，單套艦船系統(tǒng)的MTTCFnr只有數(shù)百到一千多小時，如果采用兩套系統(tǒng)動態(tài)備份設(shè)計(jì)，按馬爾科夫過程模型:

由此可知，艦船系統(tǒng)只有采用系統(tǒng)級動態(tài)備份設(shè)計(jì)才可能達(dá)到可用度的要求。但是，很多艦船系統(tǒng)和設(shè)備是難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級冗余的。

2）任務(wù)期間的可靠性通常是使用方首要的關(guān)注點(diǎn)，但過高的可靠性不但達(dá)不到，而且是不適合實(shí)際情況的。將MTBCF和MTTCFnr提高到數(shù)萬或數(shù)十萬小時，這會迫使設(shè)計(jì)者在任務(wù)可靠性上下大功夫，大量采用冗余設(shè)計(jì)，多重備分。這將會極大地加大研制成本和維修費(fèi)用，大大降低裝備的效能。所以，在提可靠性、維修性要求時，不能只提任務(wù)可靠性要求，特別不能提過高的任務(wù)可靠性要求。由此可知，該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的MTBCF等太高，是不適宜的，不能作為提供可靠性與維修性要求的唯一公式，其所確定的任務(wù)可靠性指標(biāo)應(yīng)與基本可靠性、維修性、成本等權(quán)衡，進(jìn)行修訂。

3）經(jīng)驗(yàn)公式目前尚不能在我國應(yīng)用。我國尚未將AE、MART、PMdowntime等參數(shù)列入標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員不了解這些參數(shù)的定義，更沒有這些參數(shù)的指標(biāo)要求和信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。目前，我國艦船裝備可靠性與維修性要求的確定主要采用固有可用度公式，確定MTBF、MTTR，再根據(jù)任務(wù)可靠度確定MTBCF。其存在的問題是沒有考慮任務(wù)期間的維修性參數(shù)，包括預(yù)防性維修參數(shù)。雖然MTBF與MTTR存在多種組合的不確定性，但這種確定可靠性與維修性要求的方法還是一個較好的方法，它既能給出基本可靠性（MTBF）要求，又能給出任務(wù)可靠性要求。因此，在當(dāng)前情況下，使用部門除了沒有應(yīng)用北約經(jīng)驗(yàn)公式的條件外，也沒有應(yīng)用北約經(jīng)驗(yàn)公式的必要。

4 結(jié)論

綜上分析表明:北約標(biāo)準(zhǔn)中提出的所謂有效可用度AE、有效修理時間MART等參數(shù)術(shù)語沒有列入我國軍用標(biāo)準(zhǔn)，其定義不被設(shè)計(jì)人員了解，更沒有這些參數(shù)的信息和數(shù)據(jù)；所謂有效可用度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的可行性和實(shí)用性也存在問題。因此，北約標(biāo)準(zhǔn)的可用度及其計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式是不適宜在我國推廣應(yīng)用的，更不應(yīng)該將所謂的有效可用度作為可靠性指標(biāo)要求下達(dá)給承制方。

[1]GJB451A-2005, 可靠性維修性術(shù)語[S].

[2]GJB1909A-2009, 裝備可靠性維修性保障性要求論證[S].

[3]北約可靠性與維修性要求文件編寫指南 ARMP-4(2版)[S].2001.

[4]北約可靠性與維修性要求文件編寫指南 ARMP-4(4版)[S].2008.