便攜式AUV通用質量特性參數(shù)指標分析

張志強，王勝兵，楊 波

（1.海軍工程大學 兵器工程學院，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍 92815部隊，浙江 寧波 315717）

0 引言

裝備的通用質量特性即可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性及環(huán)境適應性，是影響裝備作戰(zhàn)效能的重要因素，在裝備研制過程中起著重要作用[1]。便攜式AUV通常指的是1～2人可搬運的、重量不大于80 kg的小型AUV，典型型號為美國REMUS100、冰島GAVIA等。便攜式AUV系統(tǒng)通常由航行體、控制器、探測設備、作業(yè)設備和保障設備等組成[2]。這類AUV除具備自主航行、自主探測的AUV常見功能之外，還具有體積小、重量輕、模塊化等特點，在基本型航行器的基礎上，可快速加裝不同的任務載荷，滿足多種任務需求，但在使用保障方面對通用質量特性帶來了更高的要求。常見的通用質量特性定量要求主要有綜合參數(shù)指標、可靠性參數(shù)指標、維修性參數(shù)指標、測試性參數(shù)指標、保障性參數(shù)指標、安全性及環(huán)境適應性參數(shù)指標等[3]。

1 綜合參數(shù)指標

根據(jù)便攜式AUV組成結構、使用方式和任務剖面，綜合考慮兼顧描述工作狀態(tài)的RMS特性以及描述非工作狀態(tài)的RMS特性，可以選擇戰(zhàn)備完好性參數(shù)作為便攜式AUV的綜合參數(shù)。戰(zhàn)備完好性主要表征便攜式AUV日常貯存、攜行等非工作狀態(tài)的可用性，在軍用領域通常使用戰(zhàn)備完好性對裝備的性能進行刻畫[4]。表征戰(zhàn)備完好性的參數(shù)指標主要有戰(zhàn)備完好率和任務成功概率，戰(zhàn)備完好率能充分描述非連續(xù)工作系統(tǒng)的可用性，而任務成功概率更適合用于描述連續(xù)工作系統(tǒng)的可用性[5-6]。

1.1 戰(zhàn)備完好率

戰(zhàn)備完好率是指便攜式AUV接到技術準備命令后，貯存狀態(tài)的裝備系統(tǒng)，經(jīng)技術準備后能在各類平臺投入使用的概率。

若便攜式AUV自技術陣地經(jīng)技術準備后直接裝載到攜行平臺，那么技術準備完好率指標就等同于戰(zhàn)備完好率指標，其數(shù)學模型為

式中：RS(tS)為航行器貯存tS時間的貯存可靠度，根據(jù)表征需要，通常tS可在 0.5～3 a內取值；M(td)為在規(guī)定的維修條件和保障條件下，在規(guī)定時間內完成修復故障航行器任務的概率，即維修度；td為修理允許延誤時間，這里可理解為從接到修理指令到完成航行器維修所允許的最大時間，它小于接到準備航行器指令到發(fā)往平臺裝載的間隔時間。

1.2 任務成功概率

便攜式AUV成功執(zhí)行任務包括成功實施水下探測或者成功實施水下作業(yè)，實施水下探測和實施水下作業(yè)的比例約為2∶1。根據(jù)該類AUV典型任務分析，便攜式AUV的任務成功概率為

式中：PM(t)為便攜式AUV的任務成功概率；Ai為便攜式AUV在儲存狀態(tài)下的戰(zhàn)備完好率；Aq為便攜式AUV的正常工作概率，由于其在使用過程中無法進行維修，因此，其正常工作概率即為便攜式AUV的任務可靠度；PT為便攜式 AUV的探測成功概率；Pj為便攜式AUV的成功接近目標概率；Pz為便攜式AUV的成功作業(yè)概率。

2 可靠性參數(shù)及指標

根據(jù)上述討論和典型任務剖面，選擇探測任務可靠度與作業(yè)任務可靠度為系統(tǒng)任務可靠性參數(shù)；選擇貯存可靠度表征非工作狀態(tài)可靠性水平；選擇實航工作可靠度表征航行可靠性水平；選擇任務可靠度表征搭載平臺上控制設備的可靠性水平；選擇設備的平均故障間隔時間MTBF表征其工作狀態(tài)下可靠性。根據(jù)便攜式AUV壽命期使用保障規(guī)劃、使用需求以及綜合參數(shù)的分解，還要對系統(tǒng)提出使用壽命要求，因此實際推薦使用的可靠性參數(shù)見表1。

根據(jù)便攜式 AUV的任務剖面，其探測階段參與工作的包括搭載平臺控制設備、航行體、載荷系統(tǒng)設備?？紤]到航行體執(zhí)行任務時，這些系統(tǒng)需同時協(xié)調工作，其對應的系統(tǒng)任務可靠性RT模型為

式中：R1(t)為搭載平臺控制設備可靠度；R2(t)為航行體可靠度；R31(t)為載荷系統(tǒng)設備可靠度；t1為任務時間。

3 維修性參數(shù)指標

由于便捷式AUV是高度集成的機電一體化設備，基層級維修活動以換件維修為主，尤其是在系統(tǒng)發(fā)生故障時，主要是利用配置的備品備件進行更換。從這個意義上來說，選擇修復概率作為該系統(tǒng)的維修性參數(shù)，可以客觀反映維修此類設備的難易程度。

裝備的修復概率可以使用平均修復時間（MTTR）來進行計算，修復概率模型為

式中：td是修理允許延誤時間；tMLD是平均保障資源延誤時間。

平均修復時間是指在便捷式AUV發(fā)生故障情況下，由艦員利用配置的維修與檢測設備、修理工具等，對故障進行診斷與定位、裝備拆卸、更換故障件、性能檢測、裝備恢復等活動所花費的平均時間，但不包括因其它原因造成的維修延誤（如等待器材）等時間。

假設便攜式AUV服從指數(shù)分布時，修復概率模型可簡化為

式中：ta表示維修時間；μ表示維修率。

4 測試性參數(shù)指標

便攜式 AUV的檢測工作主要是在非工作狀態(tài)下進行，在完成各設備的獨立檢測后進行聯(lián)調檢測。因此，便攜式AUV的測試性參數(shù)主要包括：

1）故障檢測率：由人員在裝備現(xiàn)場，利用機內BIT、配置的檢測設備或人工觀察等方式，對便攜式AUV故障進行檢測的比例。故障檢測方式包括BIT、ATE、人工或其組合等。

2）故障隔離率：由人員在裝備現(xiàn)場，利用機內 BIT、配置的檢測設備或人工觀察等方式，將便攜式 AUV的故障件隔離到現(xiàn)場可更換單元的比例。

3）虛警率：在裝備的配置現(xiàn)場，利用配置的維修、測試、保障設備，由現(xiàn)場保障人員實施的條件下，在規(guī)定時間內發(fā)生的虛警數(shù)與同一時間內故障指示總數(shù)之比。

5 保障性參數(shù)指標

根據(jù)便攜式AUV主要保障模式，其保障性參數(shù)指標主要有：

1）平均技術準備時間：便攜式 AUV在裝備的配置現(xiàn)場，利用配置的維修設施、測試設備、修理工具，由現(xiàn)場保障人員實施的條件下，按照規(guī)定的作業(yè)方法、程序和要求進行技術準備，使之達到上一級狀態(tài)所需平均時間的總合（不含轉運和吊裝時間）；

2）備件滿足率：便攜式AUV在裝備現(xiàn)場進行維修活動所需要的備件的滿足比例；

3）隨艦備件利用率：便攜式AUV在裝備現(xiàn)場進行維修活動所使用的備件所占比例。

6 安全性及環(huán)境適應性參數(shù)指標

根據(jù)便攜式AUV主要使用模式，其安全性及環(huán)境適應性參數(shù)指標有：

1）安全跌落高度：1級戰(zhàn)備等級狀態(tài)的便攜式AUV能滿足儲存、吊裝及運輸?shù)陌踩砸?，并在意外跌落時不燃不爆[7]；

2）環(huán)境適應性：主要包括使用和儲存溫度環(huán)境參數(shù)、振動與沖擊環(huán)境參數(shù)、耐腐蝕環(huán)境以及電磁環(huán)境4種典型環(huán)境。

7 計算實例

以某型主要實施偵查和爆破任務的便攜式AUV為對象進行分析，作為執(zhí)行特殊任務的便攜式AUV，要求系統(tǒng)必須具有較高的可用性，以確保能夠以較大的概率完成偵察以及打擊等功能。因此，確定便攜式AUV的通用質量特性參數(shù)指標必須從以下2個方面考慮：1）能夠在配置專用裝備的情形下有效完成專業(yè)作戰(zhàn)任務包括偵察以及打擊；2）所確定的通用特性指標是可實現(xiàn)的，即可靠性、維修性和保障性指標的確定需要在先進與可行之間，與費用、進度、技術性能指標之間進行權衡[8]。

根據(jù)配套裝設備性能可以得出便攜式 AUV的探測成功概率、成功接近目標概率、成功爆破概率，結合式（2）可以得出便攜式AUV的任務成功概率，對于該型便攜式AUV，其成功概率為0.9（目標值），門限值為0.85。由于便攜式AUV工作環(huán)境較為惡劣，必須要求其較高的戰(zhàn)備完好率，即要求系統(tǒng)的可用性較高，綜合比較戰(zhàn)備完好率Ai與任務可靠度Aq，即Aq=Rm＜Ai?；谏鲜隼碛?，我們可以選擇戰(zhàn)備完好率Ai在 0.98～0.99之間。

為了合理地確定系統(tǒng)的可靠性、維修性和保障性指標，我們選擇了（TP,zP,iA）分別為（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），而任務可靠度Rm分別取為0.95、0.96、0.97、0.975、0.98?？梢缘玫奖銛y式 AUV的效能，其計算結果見表2。

表2 系統(tǒng)效能分析Table 2 Analysis of system effectiveness

從表2可以看出如下結論：

1）由于便攜式AUV水下爆破的成功概率已確定，因此，將系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好率、任務可靠度和探測成功概率提高，其效能的提高并不明顯。從表2的計算結果可以看出，該系統(tǒng)的最高效能為 0.886 1。

2）從表中效能計算結果可以看出，便攜式AUV系統(tǒng)的效能應取0.87左右，在探測成功概率取為 0.91、戰(zhàn)備完好率取為 0.99、任務可靠度為0.97時，其效能為0.87。在實際設計時，由于水下探測成功受很多隨機因素的影響，因此，要求探測成功概率達到 0.92是十分困難的，取探測成功概率為0.91是合適的。

3）由于該便攜式 AUV是在某獵雷系統(tǒng)的基礎上開發(fā)出來的，比照某獵雷系統(tǒng)，便攜式AUV的任務可靠度應在0.97～0.98之間，而其可用度應不大于0.98。

8 結束語

裝備的通用質量特性涵蓋了可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性及環(huán)境適應性各個方面?？煽啃灾笜酥饕筛髦饕M件的可靠度計算得出；維修性指標主要由統(tǒng)計和實驗得出的故障間隔時間、維修時間計算得出；測試性指標主要使用檢測實驗得出的檢測率、隔離率等進行定量描述；保障性指標主要使用保障實驗得出的技術準備時間、備件滿足率等進行定量描述；對于含有火工品的水中兵器來說，安全性主要考察安全跌落高度；環(huán)境適應性主要由環(huán)境實驗得出的使用和儲存溫度環(huán)境參數(shù)、振動與沖擊環(huán)境參數(shù)、耐腐蝕以及電磁適應性參數(shù)等進行定量描述。

對于裝備通用質量特性工作來說，一方面，不同裝備的通用質量特性并不能簡單照搬所謂的“模板”，而應該根據(jù)具體的系統(tǒng)組成、作戰(zhàn)使命及任務剖面合理選擇指標和計算方式，如便攜式 UUV和傳統(tǒng)用于海洋勘測的中大型 UUV就有很多不同；另一方面，在理論計算確定通用質量特性若干指標和計算方式后，還應根據(jù)試驗和部隊使用情況持續(xù)修改完善相應指標，裝備的通用質量特性工作要貫穿裝備研制全過程。