基于RCM的某類多型導彈電子設備維修決策

王　朕，秦　亮

（海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺264001）

基于RCM的某類多型導彈電子設備維修決策

王朕，秦亮

（海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺264001）

針對應用傳統維修策略維修某類多型導彈電子設備的費時費力、代價高、效果差等缺點，分析了該類導彈電子設備的特點及故障規律，介紹了以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，RCM）分析過程和實施步驟，以該類中某型防空導彈測控機柜為對象開展基于RCM的預防性維修，并取得了較好的效果，其方法步驟對其他導彈電子設備的預防性維修具有很好的借鑒意義。

電子設備；故障規律；RCM；預防維修

軍事裝備是軍隊戰斗力的重要組成部分，裝備維修是保持、恢復乃至提高戰斗力的重要因素。隨著作訓強度的增加、裝備運用時間的增長，武器裝備會逐漸進入故障高發期，傳統的“隨壞隨修”和“定時維修”策略已不能滿足裝備的作戰訓練需求。近年來，基于可靠性的維修、基于狀態的維修等新型預防性維修策略在軍事裝備維修中應運而生，實踐也證明了預防性維修的有效性。以可靠性為中心的維修是以故障模式和故障影響分析為基礎，以維修工作的適用性、有效性和經濟性為決斷準則，通過邏輯決斷分析來確定設備的各種部件是否需要進行預防性維修工作，并確定工作類型、間隔期和維修級別。本文從基于可靠性的角度探討對某類多型導彈電子設備開展預防性維修的策略及實施步驟。

1　RCM的發展及某型導彈電子設備特點

1.1RCM的發展

20世紀70年代中葉以來，軍用電子設備的復雜化、自動化、大型化及信息化導致傳統的“隨壞隨修”和“定期維修”在設備故障后果及經濟影響后果上越來越不可接受。從20世紀60年代起，許多國家，特別是美國民航界運用現代科學技術，對飛機維修的基本規律進行了研究，逐漸形成了以可靠性為中心的維修理論。20世紀70年代后期，美國聯合航空公司通過對可靠性與拆修間隔期之間的關系研究發現，89%的設備故障根本不需要做定時拆修，從而嚴重動搖了傳統維修思想的基礎。1978年，美國聯合航空公司諾蘭等發表了專著《以可靠性為中心的維修》，標志著建立在邏輯決斷分析基礎上的以可靠性為中心的維修更加理論化和系統化。20世紀80和90年代，RCM（Reliability Centered Maintenance）理論在實踐上趨于成熟和完善。如今，國外典型的RCM邏輯決斷圖有4種：諾蘭的RCM、MSG-3、RCMⅡ和美國海軍的MILSTD-2173（AS），它們基本原理類似，但又各具特色，適用于不同的領域[1]。我軍20世紀70年代后期引進以可靠性為中心的維修，1992年發布了GJB 1378《裝備預防性維修大綱的制定要求與方法》，標志著RCM正式成為我軍裝備維修的重要理論之一[2-4]。

1.2某類多型導彈電子設備特點

該類導彈設備設計生產于20世紀70年代，受當時機械和電子器件制造工藝等條件所限，該類設備的特點：①電子設備體積普遍較大；②電子設備中的板卡以分立元件居多；③單個板卡的功能比較單一；④專用板卡較多，通用板卡較少；⑤系統集成技術較強。隨著這些裝備逐漸進入故障高發期或服役末期，在選擇合適的維修方式進行維修時，就須要綜合考慮作戰效力、維修效果和經濟代價等各種因素。

2　電子設備故障規律分析

2.1電子設備故障模式分布

1）正態分布[5-6]。正態分布稱高斯分布，主要用于因磨損、老化、腐蝕而出現故障的設備故障統計分析。

電子設備故障概率密度函數為

式（1）中：σ為標準偏差；μ為均值或中位數。累積故障分布函數為

故障率函數為

2）威布爾分布[5-6]。通常電子設備中的繼電器、斷路器、開關、磁控管等元器件的故障服從威布爾分布。

故障密度函數為

累積故障分布函數為

故障率函數為

式（4）～（6）中：m為形狀函數，用來表征分布曲線的形狀；γ為位置函數，用來表征分布曲線的起始位置；t0為尺度參數，用來表征坐標的尺度。

3）指數分布[5-6]。指數分布是威布爾分布的特例，此時故障率函數為常數。在電子設備中，電路的短路、開路、機械結構的損傷所造成的故障都服從指數分布。

其故障率函數、累積故障分布函數和可靠度函數分別為：

2.2某類多型導彈電子設備故障規律分析

通過對狀態統計數據及維修經驗的分析總結，該類電子設備故障規律基本符合電子設備最經典的浴盆曲線故障規律，分為早期故障期、偶然故障期和損耗故障期。

通常，浴盆曲線不能用準確的函數關系表達，但在不同階段，可用適當的理論分布函數近似表達。通過數據分析及故障建模，可用形狀參數m≤1的威布爾分布來描述早期故障期設備故障；可用指數分布來描述偶然故障期設備故障；可用正態分布來描述損耗故障期設備故障。浴盆曲線的數學模型見式（10），示意圖見圖1。

式（10）中：λ(t)是設備總故障率；λ1(t)為早期故障率；λ2(t)為偶然期故障率；λ3(t)為耗損期故障率。

圖1　浴盆曲線組成Fig.1 Bath curve composing

浴盆曲線是3種故障率的綜合。通常，在設備早期故障期，λ3(t)較小可以忽略；在設備偶然故障期，λ1(t)和λ3(t)都較小、且變化趨勢相反，可以忽略；在設備耗損故障期，λ1(t)對設備故障率沒有較大意義，故可忽略。目前，某型導彈電子設備已經接近使用壽命的末期、處于耗損故障期，設備故障率隨時間遞增，可用λ(t)=λ2(t)+λ3(t)來描述其故障率，在開展基于RCM的維修時，可參考該數學模型。

3　RCM的分析過程及步驟

3.1RCM的分析過程

RCM的分析過程主要關心以下問題[7]：①在現行環境下，設備的功能及性能標準；②什么情況下設備無法實現其功能（即功能故障）；③引起各故障的原因（故障模式和原因）；④故障發生時出現的影響；⑤什么情況下各故障至關重要（故障后果）；⑥預防性維修工作是什么；⑦找不到核實的預防工作時的應急措施。

3.2RCM分析的步驟

1）確定重要功能產品。對于復雜、大型設備而言，其零部件數量很大，如果都要進行詳細的以可靠性為中心的維修分析，工作量太大，也無此必要。實際上，很多產品的故障，對裝備的使用來說其后果是可以容忍的，即不會帶來嚴重影響，這類產品可以不做預防性維修。確定重要功能產品，就是對裝備中的產品進行初步篩選，提出明顯不需要作預防性維修工作的產品。

2）進行故障模式和影響分析（FMEA）。RCM的第二步，就是對選定的重要功能產品進行故障模式及影響分析，確定其所有的功能故障、故障模式、故障原因和故障等級[8-9]，為下一步維修工作邏輯決斷分析提供所需信息。

3）進行邏輯決斷分析，確定維修類型。重要功能產品的邏輯決斷分析是以可靠性為中心的維修分析的核心，通常應用邏輯決斷圖確定對各重要功能產品須要做的預防性維修或其他處置，邏輯決斷圖如圖2所示。

圖2　RCM的邏輯決斷圖Fig.2 Graph of RCM logic decision

圖2中，第1層是確定重要產品的故障影響。根據故障模式和影響分析，將功能故障劃分為明顯的安全性、任務性、經濟性影響和隱蔽的安全性、任務性、經濟性影響。其中，問題2提到的對使用安全的直接有害影響是指某故障或它引起的二次損傷直接導致危害安全的事故發生，而不是與其他故障的結合才會導致危害安全的事故發生；第2層考慮功能故障的原因，選擇每個重要功能產品預防性維修工作類型。對明顯功能故障的產品，可選擇的維修類型包括保養、操作人員監控、功能檢測、定時拆修、定時報廢和綜合工作；對隱蔽功能故障的產品，可選擇的維修類型包括保養、使用檢查、功能檢測、定時拆修、定時報廢和綜合工作。

如果因為信息不足或其他原因導致不能確定維修類型，則設定暫定措施，保證裝備使用的安全性和任務能力。

4）進行統計分析，確定預防性維修的間隔期。預防性維修間隔期的確定比較復雜，一般根據類似產品以往的經驗、承制方對新產品維修間隔期的建議、統計分析建模和有經驗的工程人員的判斷進行確定。對單個板卡或模塊，可按照單個最優策略確定其預防性維修間隔期；如果是復雜裝備或成套裝備，則應采用組合維修或機會維修方式，使總體的工作效果最優，并盡量把維修工作對裝備影響相同的間隔安排在一起[10-11]。通常，對隱蔽性故障，要確定使用檢查間隔期；對產生安全性影響或裝備任務性影響的故障，要確定檢測間隔期；對有明顯耗損期的重要產品，要確定定時拆修與定時報廢間隔期。

4　應用實例

本文用RCM理論對該類導彈中的某型防空導彈測控機柜部分進行分析，并得出了該機柜合理的預防性維修大綱，在實際維修中取得了較好效果。

4.1確定重要功能產品

該機柜在主要完成測試指令或測試數據的傳輸及轉換、高頻信號源的產生及各功能模塊的多路供電功能，產品的功能樹如圖3所示[12]。通過對測控機柜長期狀態監控數據、電子器件故障規律及實際維修記錄分析表明，高頻信號源模塊、電壓/時間和電壓/頻率轉換模塊、多路信號開關轉換模塊、串行碼形成模塊一般不會發生故障，故不對其作RCM分析，只對其他模塊進行分析。

圖3　某型防空導彈測控機柜產品“功能樹”Fig.3“Function tree”of certain defence air-raid missile testing equipment

4.2FMEA分析

圖3中的電源模塊、繼電器指令形成模塊和多路信號開關轉換模塊主要有電阻、電容、電感、繼電器、數字芯片等器件組成，其故障主要由器件老化、短路、開路等原因引起，符合2.2中的故障規律分布。針對這些故障特點進行FMEA分析記錄并將結果填入FMEA分析記錄表，見表1。

表1　故障模式和故障影響分析記錄表Tab.1 Analysis record sheet of fault mode and fault effects

4.3邏輯決斷分析

測控機柜的重要功能產品的故障模式與故障原因一旦確定，就要對每個故障原因按圖2所示的邏輯決斷圖進行分析決斷，產生的故障影響主要有安全性、任務性和經濟性影響。由于重要產品的故障主要有元器件老化、開路、短路等原因引起，此類故障不會產生重大經濟影響，因此，只分析安全性和任務性影響。

測控機柜的RCM分析記錄如表2所示。

4.4根據邏輯決斷表制定預防性維修大綱

測控機柜的預防性維修大綱是規定測控機柜預防性維修需求的匯總文件，制定預防性維修大綱要根據RCM邏輯決斷表來完成，預防性維修大綱包括產品項目、實施維修工作的類型、方式、維修間隔期、維修級別。為提高維修工作效率，還需要把維修時間間隔各不相同、工作類型相同的維修工作組合在一起，從而形成預防性維修大綱。

測控機柜的RCM維修大綱如表3所示。

表2　測控機柜的RCM分析記錄表Tab.2 RCM analysis record sheet of testing equipment

表3　測控機柜的RCM維修大綱Tab.3 RCM maintenance conspectus of testing equipment

5　結束語

RCM分析法是一種邏輯性非常強的裝備管理模式方法，簡單實用、易于操作，依據RCM邏輯決斷制定的預防性維修策略能顯著減少裝備維修中普遍存在的維修過剩、耗時過長、經費過多、效率地下、資源浪費等問題。由于某類導彈電子設備型號種類多、單套數量少、備品備件少，傳統維修方式費時費力且不能保障裝備的完好率。本文在分析該類導彈電子設備故障規律特點的基礎上，應用RCM理論對該類中某型導彈測控機柜開展預防性維修，在實際應用中取得良好成效，有力保證了該型裝備戰斗力的發揮，其方法也可推廣至其他電子裝備。

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Maintenance Decision of Certain Kind Polytypes of Missile Electronic Equipment Based on RCM

WANG Zhen,QIN Liang
（Department of Control Engineering,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

The traditional maintenance decision applied certain kind polytypes of missile electronic equipment has disad?vantages of undesirable effects,large cost,consuming time,etc.The characteristics and failure laws of the missile electron?ics were analyzed in this paper,the analyzing and applying procedurals of RCM was introduced.Then preventive mainte?nance based on RCM was applied to the testing device of one missile electronic equipment,the effects of preventive main?tenance was successful,and the method and procedural was worthwhile for other electronic equipments applied preventive maintenance.

electronics equipment;failure law;RCM;preventive maintenance

TJ760.7

A

1673-1522（2016）01-0069-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.013

2015-10-09；

2015-12-21

王朕（1979-），男，講師，碩士。