對北約標準中可用度經驗公式的研究

劉玉明

（中國船舶重工集團公司第707研究所，天津 300131）

0 引言

上世紀九十年代，北大西洋公約組織軍用標準化局（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）。該標準針對艦船系統提出了一個特定的可用度術語及其計算經驗公式。使用中有人將特定的可用度術語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要求時，曾想推廣應用此經驗公式，卻發現該術語未出現在我國標準中，且“有效可用度”的定義不為人們所了解。在尚未了解北約標準和可用度經驗公式的情況下，貿然將所謂的有效可用度作為合同指標下達給裝備承制單位，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”真正應用起來，究其原因，就是沒有認真分析研究北約標準和標準中的經驗公式。因此，認真分析研究北約標準及其可用度經驗公式，探討其應用的可行性是非常必要的。本文試圖對有效可用度及其經驗公式進行分析，研究其是否適應我國艦船的實際。

1 北約標準

1.1 北約標準的目的

《北約可靠性與維修性要求文件編寫指南》的引言明確指出，標準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，幫助采辦當局將這些要求轉換成能接受的合同性規范”。這說明該標準是提供給訂購方（使用方）應用的，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，北約軍用標準化局（MAS）在頒布這個標準的通知的最后，提出了“允許并鼓勵向承包商和供應商提供本標準”。

1.2 關于可靠性與維修性要求

該標準強調:1）應確認可靠性與維修性的要求正確適用，從壽命周期費用角度考慮，在技術和經濟上是可行的。2）該標準中采用的術語，如可用性、任務成功性、維修人力和后勤保障等，一般不宜直接提供給承制方。應經過全面權衡，轉換成可用于設計、驗證的合同指標才能提供給承制方。3）采用可靠性與維修性的定量要求是非常重要的。這就說明該標準是為使用方（訂購方）作指南的，不能直接用標準中的術語作為可靠性與維修性要求提供給承制方。

1.3 關于可用性

該標準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。同時該標準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。標準指出，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）”。標準指出，固有可用性指“在規定條件下使用的系統或設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，因為“active”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。根據定義中的時間說明，筆者認為將“active repair time”譯成“實用修理時間”或“直接修理時間”比較合適。因為固有可用度的表達式為:

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

北約標準也采用美國軍用標準的術語，如ARMP-4標準中多次提到MTBF，MTTR等。

根據美國軍用標準和我國軍用標準，固有可用度的表達式如下:

式中MTTR為平均修復時間，是不考慮管理和后勤延誤時間的修復性維修的實際時間。

比較（1）式與（2）式，（1）式表示的是使用的系統或設備的固有可用度或任務期間的固有可用度，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修訂版標準中，將（1）式中Ai改成了Di。

標準還列出了使用可用度（Ao）的定義和表達式，特別指出了不單獨采用Ao（或者其他任何類型的可用度）來規定可靠性與維修性的原因，具體如下:

1）作為一種指標，Ao對可靠性與維修性參數的變化不敏感；

2）Ao值的決定因素很多，如人員、訓練和供應等。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的設計十分困難，因為許多因素（如備件的供應）是設計人員無法控制的；

4）Ao通常只能在外場得到驗證。

因此，通常只用Ai來規定可靠性與維修性指標，但Ai只取決于MART與MTBF的比值，且同樣的Ai值可由無數的MART和MTBF的組合產生。因而，只規定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時，通常根據AI來確定MTBF和MTTR，再根據任務時間和任務可靠度，確定MTBCF。對于維修性的其他參數則沒有多考慮。而北約標準針對艦船系統，提出了一個特定的可用度術語，即“Effective Availability”，從而可以確定MTBCF、MTTCF、MART、MP等可靠性與維修性指標，這是考慮到艦船裝備在其任務期間可以進行維修以及存在海上可修和不可修的情況。標準定義“Effective Availability”為:“艦船系統在最大的使用周期內的任意時刻處于可用狀態的概率，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防性維修。”

將“Effective Availability”翻譯成“有效可用度”也是不確切的。根據“Effective Availability”的定義，它是任務期間的實在的或實際的可用度，其維修時間不計管理和后勤延誤時間，是實在的直接維修時間。因此，應將其譯成“任務期間實用可用度”或簡稱為“任務可用度”。“Availability”最早被譯成有效度，若將“Effective”譯成“有效的”，則該術語譯為“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，因為這里的可用度不能用有效或無效來描述。因此，應將“Effective Availability”譯成“實用可用度”或“任務可用度”。

1.4 可靠性與維修性參數的選擇

北約標準在規定可靠性與維修性參數選擇時指出: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，應包含對這類特性的要求；2）應根據系統和設備的具體情況選擇可靠性與維修性的參數，應根據經濟性、進度等條件進行權衡分析，以保證提供給承制方的可靠性與維修性各參數是協調一致的。因此，不能直接把標準中的可用度經驗公式交予承制方應用，也不能將可用度單獨作為一個指標下發給承制方。可用度不是一個承制方可以設計和驗證的合同指標，可用度必須轉化為可靠性與維修性參數指標，承制方可應用。可用度經驗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用可用度，再根據其經驗公式和相關約束條件，計算出有關可靠性與維修性指標，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準術語，其定義也不為大多數設計人員了解，故在當前的裝備研制任務書或技術規格書中出現所謂有效可用度的指標要求是錯誤的，易令人困惑。

2 可用度經驗公式

2.1 AE的經驗公式

北約標準根據利用固有可用度公式（2）確定可靠性與維修性參數存在的問題，以及艦船在任務期間可進行維修或不可維修的情況，提出了一個新術語，即任務期間實用可用度（AE），計算AE的經驗公式是:

式中:MART為平均任務期間實用修理時間；MTBCF為平均致命故障間隔時間；PMdowntime為總的預防性維修任務停機時間；MTTCFnr為平均致命故障前時間；Missiontime為任務時間。

2.2 對經驗公式的分析

2.2.1 任務期間實用可用度（AE）

對任務期間實用可用度及其經驗公式進行分析研究是本文的主題。標準定義AE為:“艦船系統在最大的使用周期內的任意時刻處于可用狀態的概率。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防性維修”。即定義AE為:

1）連續工作的艦船系統在最大使用周期內的可用度，也就是任務期間的可用度，可簡稱為任務可用度；

2）考慮了所有的致命故障，即計算工作時間用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性維修時間和預防性維修時間以及不可修故障時間；

4）修復性維修時間和預防性維修時間都不包括維修管理與后勤延誤時間，即只計直接維修的實際時間。

因此我們稱AE為任務期間的實用可用度，而不能叫“有效可用度”。目前該術語尚未列入我國標準，不被人們認識，使用部門也沒有積累相關的信息和數據。

2.2.2 AE經驗公式

根據（3）式，可以認為:

1）這是一個符合“可用度=1-不可用度”的概率計算基本公式；

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，因此取一經驗系數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:

（1）根據MTBCF/MTTCFnr/MART/Missiontime/PMdowntime等參數的量值范圍估計，由于MTBCF/MTTCFnr＞＞Missiontime且Missiontime＞＞PMdowntime/MART，其不可用度的量值:固有不可用度＜＜預防性維修不可用度＜＜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，因此系統的實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MTTCFnr才能保證足夠高的可用度。

4）關于MART

（1）根據MART的定義，MART是任務期間致命性故障的平均修復時間，與平均修復時間MTTR是不一樣的。MTTR為在規定的條件下和規定的時間內，產品在任一規定的維修級別上，修復性維修總時間與在該級別上被修復產品的故障總數之比。這里的修復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際時間。由此可知，MART是MTTR的一個特例，它規定的時間是任務期間，規定的維修故障是影響任務完成的致命性故障。在我國標準中沒有規定MART這個參數，只有MTTR。因此，目前我國對MART的量值不了解，也未累積相關數據和信息。

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

5）關于PMdowntime

PMdowntime是任務期間致命性故障預防維修總的任務停機時間。根據北約標準，預防性維修安排在正常使用周期以外進行，任務期間的預防維修次數應很少，且一次任務停機時間不能太長，例如對任務時間為45天的艦船系統，一次任務停機時間不能超過1 h，總的（任務期間累計的）停機時間也不能超過20 h。

6）關于Missiontime

Missiontime是最大的任務周期時間（任務時間），由艦船的使命任務要求確定，與艦船的自持力設計相關。通常，由艦船總體設計確定后不再改變，其在經驗公式（3）中是一個常數。當前不同艦船的任務時間Missiontime分別為:15天（360 h）、30天（720 h）、45天（1080 h）、90天（2160 h）等。

3 公式應用及存在問題分析

3.1 根據北約標準示例數據的應用

根據北約標準附錄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（北約標準示例MART為35min～150 min），MTTCFnr=54000 h，Missiontime =45天（1080 h），PMdowntime=20 h，代入經驗公式（3）為:

3.2 經驗公式對我國艦船系統的應用

根據我國目前某艦船系統的可靠性與維修性數據，取 MTBCF=1500 h，MTTCFnr=2000 h，Missiontime=360 h，PMdowntime=20 h（估計值），MART=2 h（估計值），代入經驗公式為:

由此可知，某艦船系統的任務期間的實用可用度AE不是很高，不會滿足使用方的要求。

1）若按北約標準的示例要求AE=0.98，則應提高 MTTCFnr、MTBCF，降低PMdowntime、MART。 根據可能，取MTTCFnr=3000 h，MTBCF=2500 h，PMdowntime=10 h，MART=1 h，則:

計算結果表明，AE仍然達不到北約標準的示例要求。

2）若將可靠性與維修性提高到一個相當的高度，例如，MTTCFnr=20000 h（北約標準示例:在1080 h的任務時間內，不發生致命性故障的生存概率必須大于98%。經計算，相應的MTTCFnr大于54000 h。在360 h的任務時間內，相應的MTTCFnr為 18000 h），PMdowntime=5 h（北約標準示例:在1080 h的任務時間內，PMdowntime不超過20 h，則在360 h任務時間內，PMdowntime應不超過7 h），則經計算，AE=0.9767～0.98。這說明，在360 h的任務時間內，為達到98%的可用度，必須有20000 h以上的高可靠性（MTTCFnr）以及極短的預防維修停機時間（PMdowntime=5 h）。

3.3 存在問題分析

根據以上經驗公式的應用和分析，可以看到經驗公式存在以下問題:

1）對于一個艦船系統，例如某種雷達系統、通信系統、導航系統等，其任務期間的實用可用度要求達到98%，不是一個過高的要求，但要求其MTTCFnr達到數萬小時，卻是非常困難的。當任務時間長達90天時，MTTCFnr要高達數十萬小時，對于一個單套的復雜的艦船系統幾乎是不可能的，除非采取多重系統級備份。因此，筆者對經驗公式的實用性提出質疑。通常，單套艦船系統的MTTCFnr只有數百到一千多小時，如果采用兩套系統動態備份設計，按馬爾科夫過程模型:

由此可知，艦船系統只有采用系統級動態備份設計才可能達到可用度的要求。但是，很多艦船系統和設備是難以實現系統級冗余的。

2）任務期間的可靠性通常是使用方首要的關注點，但過高的可靠性不但達不到，而且是不適合實際情況的。將MTBCF和MTTCFnr提高到數萬或數十萬小時，這會迫使設計者在任務可靠性上下大功夫，大量采用冗余設計，多重備分。這將會極大地加大研制成本和維修費用，大大降低裝備的效能。所以，在提可靠性、維修性要求時，不能只提任務可靠性要求，特別不能提過高的任務可靠性要求。由此可知，該經驗公式計算的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，其所確定的任務可靠性指標應與基本可靠性、維修性、成本等權衡，進行修訂。

3）經驗公式目前尚不能在我國應用。我國尚未將AE、MART、PMdowntime等參數列入標準，設計人員不了解這些參數的定義，更沒有這些參數的指標要求和信息數據的統計。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，再根據任務可靠度確定MTBCF。其存在的問題是沒有考慮任務期間的維修性參數，包括預防性維修參數。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，又能給出任務可靠性要求。因此，在當前情況下，使用部門除了沒有應用北約經驗公式的條件外，也沒有應用北約經驗公式的必要。

4 結論

綜上分析表明:北約標準中提出的所謂有效可用度AE、有效修理時間MART等參數術語沒有列入我國軍用標準，其定義不被設計人員了解，更沒有這些參數的信息和數據；所謂有效可用度經驗計算公式的可行性和實用性也存在問題。因此，北約標準的可用度及其計算經驗公式是不適宜在我國推廣應用的，更不應該將所謂的有效可用度作為可靠性指標要求下達給承制方。

[1]GJB451A-2005, 可靠性維修性術語[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.