装备可靠性工程与实践最新章节_方其庆著

2.2　可靠性定量要求论证

可靠性定量要求的确定包括参数的选择、参数的量化和权衡分析。可靠性定量要求的量化和权衡分析的依据是装备顶层使用要求的数学模型（如可用度数学模型）、寿命周期费用的数学模型、相似装备的可靠性水平和国内的设计水平约束。

可靠性定量要求贯穿于立项论证阶段和方案设计阶段，随论证工作的深入不断细化和完善。立项论证阶段论证提出的可靠性使用要求，应当通过装备作战、使用、保障、训练、研制等部门代表组成的专家队伍的评审，评审后的使用要求作为后续方案设计阶段论证的依据。方案设计阶段论证提出的可靠性合同要求，应当是经权衡分析的可靠性要求，是通过了由装备作战、使用、保障、训练、研制等部门代表组成的专家队伍的评审的要求。评审后的可靠性定量要求应当纳入最终要求文件与合同，作为承研单位开展装备可靠性设计、分析、试验、管理工作的依据。

（1）立项论证阶段

本阶段的主要工作是生产方（通常为承研单位）配合订购方进行战术技术指标、初步总体技术方案的论证，以及研制经费、保障条件、研制周期的预测，初步确定装备使用与环境要求，权衡研究装备战术技术性能、可靠性等通用质量特性与费用，形成立项综合论证报告。其主要可靠性定量要求确定工作内容包括：

①确定可靠性定量要求的依据，所选可靠性参数的适用性，寿命剖面、任务剖面的确认和故障判据，维修、保障的约束条件等。

②国内外同类装备现有可靠性水平的分析。

③考虑装备研制的特点、系统和设备构造特点，根据装备战备完好性及任务成功性要求经综合权衡后确定初步的可靠性定量要求。

④根据装备的可靠性定量要求、类型和特点、采用的新技术，初步确定采取的可靠性措施。

⑤根据可靠性定量要求等概算所需的经费和估算进度。

⑥组织对可靠性及战术技术指标的专题评审。

（2）方案设计阶段

本阶段的主要工作是开展系统方案设计，进行关键技术攻关，根据装备的特点和需要进行原理样机或模型样机（电子样机、物理样机）的研制与试验。在关键技术已解决、研制方案切实可行、保障条件已基本落实的基础上，配合订购方制订装备研制总要求。

该阶段在功能基线正式确认后进行硬件要求分析和软件需求分析。其主要可靠性定量要求确定工作内容包括：

①在装备方案论证时，生产力应进行可靠性定量要求论证，与订购方商定装备可靠性指标、寿命任务剖面、使用保障约束条件、实现要求的技术途径和保证措施等。

②生产力根据装备可靠性定量要求进行指标分配，并提出装备各分系统的可靠性定量要求。

③根据装备研制情况，建立装备可靠性或通用质量特性工作系统，确定装备可靠性工作组织机构和管理办法。

2.2.1　可靠性定量要求论证方法

可靠性定量要求论证的常用方法主要包括：类比法、解析法、仿真分析法、综合权衡法等，各方法都有相应的适用范围。

2.2.2.1　类比法

类比法是按同类事物或相似事物的发展规律相一致的原则，对预测目标事物加以对比分析，来推断预测目标事物未来发展趋势与可能的水平的一种预测方法。在这里，类比法就是参照同类或相似的旧型装备的各项可靠性要求，提出新研装备的可靠性要求。

（1）适用范围

有同类或相似的旧型装备可供参考，几乎可以应用于所有的可靠性定性要求和定量要求。

（2）类比流程

①选择一个或多个已有的相似装备作为基准比较系统。

②分析并确定装备可靠性定性要求和定量要求的主要影响因素。主要影响因素包括：

● 新装备的作战使用要求（适用范围、使用强度）；

● 新装备执行作战任务的时间；

● 新装备的复杂程度；

● 新装备的使用与维修要求；

● ……

③类比分析。对比新装备与相似装备之间的差异，对主要影响因素进行评价。例如利用专家评分法建立评分矩阵，对影响因素进行评价：

其中： μ 为影响因素，共 m 个，评价等级可分为数等，以5等为例（如上），则分别对应( δ 1 , δ 2 , δ 3 , δ 4 , δ 5 )分，分数 δ i 的量值由人工确定，但必须满足 δ 1 > δ 2 > δ 3 > δ 4 > δ 5 ，得到综合评分

④基于评价结果，确定可靠性定性要求或定量要求。对于已采用专家评分法完成主要影响因素评价的定量要求，可采用下式进行可靠性参数的确定

其中： C 是参数的综合评分； δ 3 是该参数评分矩阵中对应“相同”栏的分数值； Q 0 是相似装备对应参数的数值； m 是影响因素的总数。

2.2.2.2　解析法

解析法是通过建立可靠性数学模型来计算获得所需参数值的一种方法。

（1）适用范围

适用于可靠性定量要求，且定量要求的参数指标可以被解析为较为简单的数学模型。

（2）解析流程

①装备典型任务剖面和作战使用要求分析。

②装备可靠性定量要求参数影响因素分析及量化。

③简化约束条件，建立可靠性定量要求参数的数学模型。

④通过数学模型以及相应的参数值，计算获得可靠性定量要求。

以飞机出动架次率（SGR）为例，该参数受到作战任务、可靠性、维修性、再次出动准备、战伤修理、战时保障等多种因素的复杂影响，与战时要求直接相关，对平时训练没有意义。通过简化约束条件，对SGR进行解析，建立数学模型，其详细计算公式如下

式中： T FL —飞机每天能飞行的小时数（h）；

T DU —飞机平均每次飞行的小时数（h）；

T GM —飞机地面滑行时间（h）；

T TA —飞机再次出动准备时间（h）；

T CM —飞机每出动架次的平均修复性维修时间（h）；

T PM —飞机每出动架次的平均预防性维修时间（h）；

T AB —飞机每出动架次的平均战斗损伤修理时间（h）；

T SM —飞机每出动架次的平均补给时间（h）。

影响因素分析和简化说明：

①作战任务的影响：不同的任务决定了不同的任务时间和再次出动准备时间，所以在进行分析时需明确执行哪种任务或哪几种任务的组合，另外由于发生致命性故障、指挥等，可能造成本次飞行任务时间改变而给分析带来困难，因此计算时可以假定每次出动执行任务时间都是按预定计划完成的。

②飞机地面滑行时间可以根据经验简单估计。

③飞机再次出动架次准备时间：不同作战任务会导致不同的再次出动准备时间。此外单机、双机、四机、八机同时再次出动准备时，时间会变化，因而分析时仅考虑单机的再次出动准备。

④飞机每出动架次的平均修复性维修时间：由于战时和平时的维修条件与修复要求不一致，该值与飞机平时外场级的MTTR不同。

⑤飞机每出动架次的平均预防性维修时间：考虑到更换有寿件、定检、换季等预防性维修工作已在战争准备阶段完成，因此计算时仅考虑飞行前准备和飞行后准备时间。

⑥飞机每出动架次的平均战斗损伤修理时间：涉及战伤修理，分析时对该时间可不予考虑。

⑦飞机每出动架次的平均补给时间：由于缺乏战时保障统计数据，目前尚无法给出该时间，分析时暂不计该时间。

2.2.2.3　仿真分析法

仿真分析法是建立能复现实际系统本质过程的仿真模型，并通过系统模型的仿真试验来进行研究和分析的方法，可分为两大类：连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法。对于可靠性要求，一般采用离散事件系统的仿真方法。

（1）适用范围

适用于几乎所有的可靠性定量要求，特别适用于那些影响因素众多且复杂、难以解析或影响因素难以量化的可靠性定量要求参数。

（2）仿真分析流程

①装备典型任务剖面和作战使用要求分析；

②装备可靠性定量要求参数影响因素分析；

③可靠性定量要求参数仿真计算模型建立；

④仿真模型输入，运行仿真；

⑤仿真结果分析及输出。

同样以飞机出动架次率为例，由上可知SGR的影响因素众多而且较为复杂，简化约束条件后按前述公式计算仍然存在一定困难，因此利用简单的仿真模型进行估算也是一种有效的分析方法。SGR仿真模型如图2-2所示。

图2-2　SGR仿真模型

仿真模型中的输入包括：一天可用飞行的小时数、任务剖面及其比例、不同任务剖面对应的飞行前准备时间、再次出动准备时间、飞行后检查、飞机各系统的基本情况、飞机地面滑行时间等。仿真输出的是SGR的平均值。

2.2.2.4　综合权衡

综合权衡是指按所建立的相关模型，对装备不同设计方案的RMS（可靠性、维修性、保障性）指标、作战性能指标、费用指标进行计算或评估，按确定的权衡准则进行权衡分析，从而选出优化的RMS指标方案。

（1）权衡准则

由于装备可靠性参数与维修性、保障性参数之间存在着非常密切的联系，所以在确定装备的可靠性参数指标时，必须要考虑它们之间的协调性，包括：RMS要求与技术性能及费用的协调，RM（可靠性、维修性）要求与S（保障性）要求之间、可靠性与安全性要求之间、基本可靠性与任务可靠性之间、修复性维修与预防性维修之间的协调。

①RMS要求与技术性能及费用的协调。RMS要求是影响装备的性能及寿命周期费用的重要影响因素，因此必须考虑它们之间的协调性，一般通过效能与费用分析、备选方案分析以及寿命周期费用分析等工具实现。

②RM要求与S要求之间的协调。在确定RM的指标时，应根据战备完好性指标（如使用可靠度 A 0 ），采用保障性分析来导出RM的指标，或者通过建模与仿真方法对RMS指标进行权衡。如先由 A 0 导出固有可靠性并与平均修复时间（MTTR）进行权衡，同时，进一步根据MTBF、MTTR和 A 0 通过反复权衡最终得出协调的RMS指标。

③可靠性与安全性要求之间的协调。对于装备或某些安全关键系统来说，规定了装备或系统的损失概率或安全可靠度指标，为了保证达到这些安全性指标，通常需要采用冗余、容错、隔离、监控、告警、逃逸等安全性设计技术。这将降低这些装备或系统的可靠性水平，因此在规定安全性要求时，应进行权衡分析，来协调安全性与可靠性要求。

④基本可靠性与任务可靠性之间的协调。根据装备执行任务的要求以及保障费用的约束，在规定任务成功概率或平均致命性故障间隔时间（MTBCF）的要求时，应通过权衡分析来协调MTBF与MTBCF的要求。为了提高系统的任务可靠性，必须采用冗余技术，增加系统的零部件数目，这些措施降低了系统的基本可靠性MTBF，增加了备件数目和维修工作量，即提高了保障费用。通常应根据系统对完成任务的关键程度，在规定的保障费用约束下（规定的MTBF）来选择优化的MTBCF，或者在规定的MTBCF下来选择优化MTBF。

⑤修复性维修与预防性维修之间的协调。在规定装备的维修性要求时，应通过以可靠性为中心的维修分析（RCMA）并根据装备上机内测试系统的故障诊断能力，对修复性维修与预防性维修进行权衡。

（2）综合权衡流程

装备质量特性（包括RMS指标、效能、费用等）综合权衡的基本程序如图2-3所示。

图2-3　装备质量特性综合权衡的基本程序

①收集信息

分析之前应收集一切与分析有关的信息，包括现时各方面存在的和提出的问题（任务的、技术的、经济的）、任务需求，现有类似装备、效能信息等统计数据。

②明确权衡对象

通过分析任务需求明确权衡的对象。明确是单个装备还是装备的一个基本作战单元。其次应确定权衡对象的层次。一般应考虑进行权衡分析的层次包括：装备系统、装备以及装备中的关键系统、关键设备。因为对于不同层次的产品，由于其RMS指标参数之间存在制约关系，因此有必要对其进行权衡；同一层次产品，其RMS指标参数之间应如何分配，同样存在制约关系，也有必要对其进行权衡。故在实际进行权衡之前应指明权衡的对象层次。

③拟订备选方案

备选方案主要是针对装备的顶层战技指标、所选RMS指标参数、费用约束、效能约束等所做出的不同决策。供选择的方案可以是预先确定的，也可以是为分析而专门制订的。各个备选方案中主要包含以下内容：

● 战备完好性指标（目标值）；

● 任务成功性指标（目标值）；

● 装备RMS指标；

● 假设及约束条件。

④效能分析

效能分析是指对备选方案的效能进行量化研究，以便权衡比较。根据系统的特点和分析的目的，分析效能的主要因素，确定合理的效能度量，选用或建立合适的效能模型，并运用模型计算各备选方案的效能。效能分析过程中所需的一些参数值可以由仿真得到。

⑤费用分析

费用分析首先要根据装备的特点和分析目的，将装备应发生的费用的各组成部分逐层分解至所需要细化的层次，建立各费用单元的估算关系式，以便估算出各备选方案的费用。在此基础上，还可分析主要费用单元及其影响因素等。应注意估算出的费用并不一定是备选系统将发生的全部费用的数值，根据分析的目的，可以只估算各备选方案有差别的费用值，得出的是相对费用。费用分析过程中所需的一些参数值也可以由仿真结果得到。

⑥建立权衡准则及评价参数集

在效能分析及费用分析结束后，需要对各方案进行权衡，以选取最优方案。那么首先应明确权衡的评价准则及评价参数集。

综合权衡评价准则是确定方案优劣的标准或尺度。在综合权衡中常用的决策准则是：

● 等费用准则。在满足给定费用约束的条件下，获得最大的效能；

● 等效能准则。在满足给定效能约束的条件下，所需费用最少；

● 效费比准则。使方案的效能与费用之比最大。

建立典型装备系统RMS要求论证相关的作战效果参数集，这些参数应该能够直接反映装备作战性能水平和任务持续能力，可分为两类：

第一类：与作战效果直接相关的参数（如导弹发射后的击毁概率等）；

第二类：装备及系统的战备完好性参数（如飞机出动架次率）和任务成功性参数（如导弹的武器系统战斗工作可靠度）。

⑦权衡备选方案

权衡备选方案实际上就是根据效能模型、费用模型和进度模型，对各个备选方案进行计算，按照确定的决策准则对备选方案进行判断，比较各方案的优劣。如果各方案的差别很大，权衡分析是不困难的；如果各方案的差别不大，则应进一步补充信息、数据，甚至方案，在进行了灵敏度分析之后，再确定最优的方案。

⑧分析风险与灵敏度

进行风险分析是为了发现方案实现过程中是否存在不确定性和风险较大的技术难点，确保得到的方案在实现上具有较低风险。进行灵敏度分析是为了检验权衡的结果，以便向决策者提供合理的决策依据。特别是在各个备选方案的效费比值比较接近时，任何一个方案的效能、费用或进度估计稍有变化，就有可能改变方案间的效费比值的优选顺序，从而影响决策。因此，必须对初选的方案进行灵敏度分析，指出被评估方案的性能、可用性、任务成功性在一定范围内变动时对效能、费用、效费比的影响。此外，通过权衡得出的初步中选方案是在一定的约束条件下做出的，当这些条件发生变化时，选中的方案就未必是最优的。灵敏度分析就是检查权衡结果在约束条件发生变化时的敏感性。如果在约束条件的全部可能变化范围内，发现中选方案并非最优，则应采取必要的措施，包括制订应急措施以便在约束条件发生变化时采用。

⑨评价与反馈

通过分析进行评价，并对评价分析的结果进行信息反馈。反馈的信息包括：修改已有方案或拟订新的备选方案、修正模型和参数。通过不断地进行分析和信息反馈，从而确保费用-效能分析目标的实现。

⑩输出结果

综合权衡的结果和建议应以报告的形式提供。报告内容包括：备选方案的描述，其RMS指标和参数、费用、效能及方案选优的顺序；分析风险及不确定性的结果；综合权衡的基本过程、所采用的效能模型、费用模型、决策准则等。

2.2.2　可靠性定量要求论证流程

通过对立项阶段和方案设计阶段各项论证工作之间数据依赖关系的分析，综合考虑定量要求论证工作，形成可靠性定量要求确定工作流程。

主要流程包括：

①明确装备对象使用需求和初步技术方案；

②依据装备任务需求和订购方案，确定装备初步顶层通用质量特性指标要求；

③对装备初步通用质量特性指标要求进行分解分配，通过仿真/权衡分析，获得装备的目标值和门限值及细化的定性要求；

④对装备通用质量特性指标要求的技术可行性进行分析；

⑤将综合权衡分析后确定的装备通用质量特性指标的使用要求转化为合同要求。

2.2.3　可靠性定量要求确定的论证要点

可靠性定量要求确定的论证要点包括：

①可靠性定量要求与装备战术技术指标要求一样重要，在确定装备战术技术指标时应同步确定可靠性定量要求；

②可靠性定量要求确定应根据装备满足订购方要求的能力开展；

③可靠性定量要求确定应通过权衡分析实现与其他通用质量特性定量要求之间的相互协调；

④可靠性定量要求确定应自上而下，从总体/宏观到具体/详细，而且随着装备研制的进展，不断明确要求和细化要求；

⑤确定的可靠性定量要求应通过评审，并作为装备立项报告和可行性研究报告的一部分；

⑥确定可靠性定量要求时应同时明确寿命剖面、任务剖面、故障判别准则、使用和保障方案等。

2.2.4　某型飞机可靠性定量要求论证示例

以某型飞机的顶层RMS参数—使用可用度为输入，分解确定该型装备的可靠性定量要求。

（1）相似装备确定

选择相似装备，确定相似装备的顶层参数及指标。本处选取国外某型装备作为相似装备进行参考，其使用可用度为0.86，其余相关特性指标见表2-5。

表2-5　国外相似装备的RMS指标

（2）顶层参数及指标确定

据相似装备数据分析，采用相似装备对比法和专家评分法，确定该型装备的使用可用度要求，该型装备和国外相似装备的评分结果示例见表2-6。

表2-6　该型装备和国外相似装备的评分结果示例

续表

综合各影响因素及其评分，可计算得到该型装备的使用可用度要求，约为0.9。

（3）使用可用度分解

采用数值计算的方法进行的分解，做如下假定：

①分解目标 A 0 =0.9。

②该型装备年度训练250天，每天24h，则总使用时间 T T =6000h。

③单个装备年工作小时为180h，运行比 K 2 =1.2，则工作时间 T O =216h。

④修复性维修次数与总维修次数的比率。

⑤平均保障资源延误时间 T MLD =2.5h。

⑥分解用中间参数平均维修间隔时间MTBM（ T BM ）的变化范围为（0,10），计算步长为0.1。

⑦分解用中间参数平均维修时间MMT（ T M ）的变化范围为（2.4,5），MMT计算步长取0.15。可得到满足 A 0 =0.9的下列27个组合：（1.2313,2.4）、（1.2685,2.5）、…、（2.1613,4.9）、（2.1985,5）。

假设暂定（1.82,4）组合为初步分解结果，取 T BM =1.82h， T M =4h，并以此作为目标值，进行门限值的确定及转换等工作。若发现该组合不理想则应在上述分解结果中重新选择一组。

⑧将MTBM转化为MFHBF，MFHBF的计算公式为

其中： f p —预防性维修频率；

K 2 —运行比；

K e —环境因子。

已知，假设预防性维修频率取0.3h -1 ，取1.2，取1，可得，暂取3.3h。

（4）使用指标转换为合同指标

基于该型装备的使用指标进行进一步转换，形成该型装备的合同指标。该型装备可靠性使用参数有平均故障间隔飞行小时MFHBF、任务可靠度 R M 等，合同参数有平均故障间隔时间MTBF（ T BF ）、平均严重故障间隔时间MTBCF（ T BCF ）等，维修性使用参数有平均维修时间MMT，而平均修复时间MTTR既可作为使用参数又可作为合同参数。

①MTBF（ T BF ）与MFHBF（ T MFHBF ）转换

MTBF（ T BF ）与MFHBF（ T MFHBF ）之间的转换模型为