艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估的問題及對策探討

魯雪峰，孫煜博，蔣鑫，徐君軍

（1.湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計所，武漢 430048； 2.火箭軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室，鄭州 450000）

引言

艦艇作為海軍裝備體系中擔(dān)負(fù)作戰(zhàn)使命的重要組成，具有體積龐大、功能復(fù)雜、設(shè)備組成多等特點，其各組成分系統(tǒng)大多呈現(xiàn)出復(fù)雜巨系統(tǒng)的特征。可靠性作為裝備的通用質(zhì)量特性之一，對裝備完成作戰(zhàn)使命具有重要影響[1]。隨著裝備試驗鑒定體制的變革，海軍裝備研制工作更加注重實戰(zhàn)化考慮，訂購方對可靠性的重視程度也在不斷增強(qiáng)。

可靠性指標(biāo)驗證是艦載裝備試驗鑒定中的重要工作。一般情況下，單機(jī)設(shè)備均按照GJB 899A的規(guī)定開展可靠性鑒定試驗[2]，依據(jù)試驗結(jié)果給出可靠性指標(biāo)是否符合的結(jié)論。但艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)顯然無法依據(jù)GJB 899A的方法來開展試驗箱綜合環(huán)境試驗，其可靠性指標(biāo)的驗證必然要采用可靠性評估的方式來完成。本文從復(fù)雜巨系統(tǒng)的產(chǎn)品特點及可靠性指標(biāo)特點出發(fā)，對其可靠性指標(biāo)驗證存在的問題進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的解決措施。

1 艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)特點

1.1 艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)產(chǎn)品特點

艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)，顧名思義就是具有產(chǎn)品組成復(fù)雜、功能多樣、分布式布置等特點的大系統(tǒng)。作為軍事裝備，艦艇一般由動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等多個復(fù)雜巨系統(tǒng)組成[3]。其產(chǎn)品特點如下：

1）產(chǎn)品組成復(fù)雜。以電子對抗系統(tǒng)為例，其產(chǎn)品組成包括電子偵察設(shè)備、雷達(dá)對抗、通信對抗、水聲對抗以及光電對抗；以通信系統(tǒng)為例，其產(chǎn)品組成包括短波通信系統(tǒng)、超短波無線電通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、內(nèi)部通信系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈等。這些分系統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備在組成上涵蓋了機(jī)械、電子、光電等不同類型的產(chǎn)品。

2）功能多樣。根據(jù)艦船任務(wù)剖面（如圖1所示）組成，其一般分為備戰(zhàn)備航、航渡、作戰(zhàn)、返航等多個階段[4]；根據(jù)作戰(zhàn)對象的不同，一般分為對空作戰(zhàn)、對海作戰(zhàn)、對岸作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)等多個作戰(zhàn)任務(wù)。因此，艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的功能必然是多樣的。

圖1 艦船典型任務(wù)剖面示意圖

3）分布式布置。艦載最復(fù)雜系統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備組成需要二十多個艙室來容納，不可能按照系統(tǒng)劃分來全部裝進(jìn)一個艙室；同時，由于艦船設(shè)計上采用多層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)劃分為多個艙室，每個艙室擔(dān)負(fù)的功能又不一樣。因此，絕大部分艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)均采用分布式布置，通過艦載信息網(wǎng)協(xié)同完成相應(yīng)的任務(wù)。

1.2 艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性指標(biāo)特點

可靠性指標(biāo)作為裝備的重要指標(biāo)，嚴(yán)格遵循的原則包括：①與裝備的產(chǎn)品組成是一一對應(yīng)的，即在裝備研制要求中規(guī)定其可靠性指標(biāo)時，必須明確相應(yīng)的產(chǎn)品組成；②體現(xiàn)裝備特點，即裝備的可靠性指標(biāo)應(yīng)考慮裝備的冗余設(shè)計、使用方式；③指標(biāo)驗證的可操作性，即裝備可靠性指標(biāo)驗證需具有可操作性；④與作戰(zhàn)需求相適應(yīng)，即從裝備作戰(zhàn)需求出發(fā)，提出可靠性指標(biāo)并不斷分解； ⑤考慮成本，即必須考慮裝備可靠性指標(biāo)驗證所帶來的成本問題；⑥是否允許維修，即可靠性指標(biāo)的前置條件是否允許維修；等等。

根據(jù)艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的產(chǎn)品特點，其常用的可靠性指標(biāo)包括任務(wù)可靠度（R）、平均嚴(yán)重故障間隔時間（MTBCF）、平均故障間隔時間（MTBF）[5]。此外，很多時候會把使用可用度（AO）、固有可用度（Ai）也納入可靠性指標(biāo)驗證的范疇。其可靠性指標(biāo)主要存在如下特點：

1）指標(biāo)不唯一。由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)產(chǎn)品組成龐大，同一系統(tǒng)在不同任務(wù)剖面中可能使用的是不同的產(chǎn)品，故很難用單一的可靠性指標(biāo)來衡量產(chǎn)品。如某復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性指標(biāo)僅有一個MTBF指標(biāo)，則隨著可靠性指標(biāo)的分解，其設(shè)備的MTBF快速增長，最后在設(shè)計上幾乎不可能實現(xiàn)。因此，很多時候需要用兩個或更多指標(biāo)來描述，如某潛用動力系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)采用MTBF和MTBCF兩個指標(biāo)。

2）從產(chǎn)品功能角度來提可靠性指標(biāo)。比如某綜合通信系統(tǒng)，其可靠性指標(biāo)是按照通信鏈路來提的，即單個通信鏈路的MTBF；某導(dǎo)彈發(fā)射井系統(tǒng)，其可靠性指標(biāo)是按照發(fā)射任務(wù)可靠性提的發(fā)射任務(wù)可靠度R。

3）指標(biāo)僅考慮作戰(zhàn)階段。艦船在不同任務(wù)階段的要求不一樣，一般作戰(zhàn)階段不允許維修，加上產(chǎn)品組成復(fù)雜，故部分復(fù)雜巨系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)僅考慮作戰(zhàn)階段，只提作戰(zhàn)任務(wù)可靠度R的指標(biāo)。

4）指標(biāo)僅考慮產(chǎn)品的部分組成。部分單位為了指標(biāo)分解及驗證的方便，將可靠性指標(biāo)按照產(chǎn)品組成分別描述，如某型潛用減震降噪裝置可靠性指標(biāo)由電子產(chǎn)品MTBF和機(jī)械產(chǎn)品MTBF兩部分組成。

1.3 艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)產(chǎn)品研制階段特點

傳統(tǒng)上，裝備的研制一般分為立項論證階段、方案階段、工程研制階段、設(shè)計鑒定階段等階段。而隨著裝備試驗鑒定體制的變化，其現(xiàn)在的研制階段一般劃分為早期工作、性能試驗、作戰(zhàn)試驗、在役考核等多個階段[6]。詳細(xì)如圖2所示。不同于其他軍事裝備，艦載裝備存在交船試驗，而交船試驗一般分為系泊試驗和航行試驗兩個階段，兩個階段交叉進(jìn)行。按照現(xiàn)行的試驗鑒定體制，交船試驗會在性能試驗后期、作戰(zhàn)試驗前期進(jìn)行。

圖2 艦載裝備一般研制工作流程

2 艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估的問題

可靠性評估就是充分利用裝備的各類試驗數(shù)據(jù)，包括下級分系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性試驗、陸上聯(lián)調(diào)試驗、系泊試驗和航行試驗數(shù)據(jù)等，利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可靠性評估方法，對裝備的可靠性指標(biāo)進(jìn)行評估的工作。作為裝備可靠性指標(biāo)驗證的重要手段，廣泛應(yīng)用于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)驗證。鑒于第1節(jié)所述的艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)特點，其可靠性評估工作主要面臨以下問題：

1）任務(wù)剖面定義不清晰、不全面。任務(wù)剖面是裝備執(zhí)行任務(wù)過程事件和環(huán)境的時序描述，包含裝備的時序使用情況，對于建立可靠性模型具有重要影響。部分研制單位在開展通用質(zhì)量特性要求論證時，裝備運(yùn)用的邏輯及時序不清晰，導(dǎo)致可靠性建模無法反映裝備的真實使用情況；或者僅考慮了作戰(zhàn)階段的裝備使用，而沒有考慮非作戰(zhàn)階段，造成任務(wù)剖面無法覆蓋復(fù)雜巨系統(tǒng)的全部設(shè)備組成。但在狀態(tài)鑒定時，又需要回答全部裝備的可靠性指標(biāo)，造成狀態(tài)鑒定工作的被動情況。

2）無法構(gòu)建精確的可靠性模型。可靠性模型是基于裝備任務(wù)剖面，針對設(shè)備使用情況的一種邏輯表述，包含可靠性框圖和可靠性數(shù)學(xué)模型。作為開展可靠性評估工作的重要工具，常用的可靠性模型有串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、表決模型、橋聯(lián)模型等。由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的設(shè)備組成多、功能多樣，往往無法用這些簡單的可靠性模型進(jìn)行表述，如艦載通信系統(tǒng)，其可靠性模型呈現(xiàn)的是邏輯復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)化的特點，不能用簡單的二維框圖來表示。

3）可靠性評估的數(shù)據(jù)不充分。受艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)系泊試驗和航行試驗的次數(shù)限制，同時每次試驗時，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備開機(jī)時間短，使得可用于裝備可靠性評估的數(shù)據(jù)往往達(dá)不到要求。

4）可靠性數(shù)據(jù)采集困難。由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)設(shè)備組成復(fù)雜，系統(tǒng)集成后往往是隨艦船其他系統(tǒng)一起開展試驗，這使得艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)無法開展專有的可靠性試驗；同時組成上的復(fù)雜性造成其設(shè)備開機(jī)時間不同步，試驗過程中的測試內(nèi)容也不協(xié)調(diào)，試驗記錄非常困難；復(fù)雜巨系統(tǒng)一般涉及多家配套單位，協(xié)調(diào)難度大；這些因素給可靠性數(shù)據(jù)的采集帶來了很多困難。

5）第三方監(jiān)督不方便。可靠性數(shù)據(jù)的真實性是艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。與可靠性鑒定試驗一般采用第三方試驗相同，復(fù)雜巨系統(tǒng)的可靠性評估也多是由第三方負(fù)責(zé)。但第三方單位由于不是艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的研制單位，一般不具備參與系泊試驗和航行試驗的資格，這給第三方監(jiān)督下的數(shù)據(jù)采集造成了諸多管理上的困難。

6）故障難以界定。由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估采用的試驗數(shù)據(jù)大多是系泊和航行試驗數(shù)據(jù)，而這些試驗過程中本身就是在不斷對裝備進(jìn)行調(diào)試，在發(fā)生故障后，往往很難界定是由于設(shè)備本身原因造成的故障，還是由于其他設(shè)備調(diào)試所導(dǎo)致的故障。

7）評估結(jié)果難以反映產(chǎn)品實際可靠性水平。由于系泊試驗和航行試驗的試驗?zāi)康闹饕菍ρb備的聯(lián)合運(yùn)用進(jìn)行調(diào)試和驗證，工作應(yīng)力施加強(qiáng)度較低，很多時候都只是單機(jī)設(shè)備開機(jī)自檢。因此其評估結(jié)果難以反映裝備的可靠性真實水平。

3 艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估問題的解決對策

在艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)試驗鑒定中，鑒于可靠性評估的諸多問題給研制單位帶來的困擾，為了順利推進(jìn)試驗鑒定工作，亟待從管理、設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)化等多角度系統(tǒng)性解決這些問題，重點做好以下工作：

1）強(qiáng)化裝備的通用質(zhì)量特性要求論證工作

在立項論證階段，通用質(zhì)量特性要求論證是伴隨產(chǎn)品功能性能指標(biāo)論證一起的重要工作。從裝備的作戰(zhàn)使命出發(fā)，結(jié)合作戰(zhàn)對象、作戰(zhàn)地域、作戰(zhàn)體系，對裝備的壽命剖面、任務(wù)剖面進(jìn)行規(guī)劃，提出裝備可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、維修性等“六性”的定量和定性指標(biāo)要求。鑒于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)產(chǎn)品組成多、任務(wù)剖面多的情況，可以采取以下原則：①規(guī)劃多個任務(wù)剖面，盡量將艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的產(chǎn)品全部融入，避免出現(xiàn)沒有納入任務(wù)剖面的產(chǎn)品；②不同任務(wù)剖面可以提不同的可靠性指標(biāo)，每個任務(wù)剖面可以按照是否允許維修來提多個可靠性指標(biāo)，如任務(wù)剖面不包含作戰(zhàn)階段，可以采用使用可用度（AO）指標(biāo)來考核；若含有，則針對作戰(zhàn)階段提任務(wù)可靠度（R）指標(biāo)，對非作戰(zhàn)階段提使用可用度；③細(xì)化每個任務(wù)剖面中裝備的運(yùn)用時序及邏輯，重點是要體現(xiàn)冗余設(shè)備、冗余功能等。

2）把握好可靠性建模的顆粒度問題

由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)設(shè)備眾多，設(shè)備之間的運(yùn)用邏輯復(fù)雜，不可能構(gòu)建非常精確的可靠性模型。因此，在構(gòu)建可靠性模型的過程中，要特別注意可靠性建模的顆粒度問題。顆粒過細(xì)，會造成無法建立可靠性模型；顆粒過粗，則無法體現(xiàn)研制單位對裝備的冗余設(shè)計情況，并且會在可靠性評估時造成可靠性數(shù)據(jù)不充分的情況。因此，可以考慮：①在可靠性建模之前應(yīng)以信息流、能量流等為依據(jù)，描述產(chǎn)品的功能框圖，然后從鏈路冗余、設(shè)備冗余、功能冗余等多角度分析，建立相應(yīng)的可靠性模型；②產(chǎn)品使用過程中是否能做到同時開機(jī)、是否在同一個艙室布置、是否是同一個配套單位等，從數(shù)據(jù)采集的便捷性上設(shè)計可靠性模型；③采取謹(jǐn)慎保守的方式簡化可靠性模型，即盡量體現(xiàn)裝備冗余設(shè)計情況，同時做到便利數(shù)據(jù)采集、確保評估結(jié)果盡量趨于保守。

3）充分利用裝備研制過程中的各項試驗數(shù)據(jù)

艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)基本沒有專項的可靠性試驗規(guī)劃，大部分是隨交船試驗同步開展，而交船試驗一般時間較短且由于涉及到不同配套單位的協(xié)調(diào)，很多情況下無法收集到足夠多的數(shù)據(jù)用于可靠性評估工作。因此，需要充分利用艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)研制過程中的各項試驗數(shù)據(jù)，包括單機(jī)設(shè)備的可靠性鑒定試驗、全系統(tǒng)的陸上聯(lián)調(diào)試驗、系泊試驗和航線試驗等。

4）深刻領(lǐng)會并貫徹實施HJB 54-1993的相關(guān)要求

從上世紀(jì)90年代制定的標(biāo)準(zhǔn)HJB 54-1993可以看出，艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的驗證必然要采取可靠性評估的形式。這是由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)系統(tǒng)組成復(fù)雜、重量大，現(xiàn)有的可靠性試驗箱無法容納，或者是現(xiàn)有的振動臺無法按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定施加相應(yīng)的振動應(yīng)力。因此，艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)一般按照HJB 54-1993來開展可靠性評估工作。

在HJB 54-1993中，規(guī)定了可靠性評估程序、評估方法、評估大綱及評估報告的編制要求，對單機(jī)設(shè)備到復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性評估方法均有描述[7]。不足的地方包括：①對不同試驗數(shù)據(jù)相互折合的環(huán)境因子的確定方法沒有明確；②缺乏處理艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估工作時的管理要求；③與現(xiàn)在試驗鑒定工作的階段特點不適應(yīng)；④沒有充分分析不同艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的特點，有針對性的給出不同復(fù)雜巨系統(tǒng)可靠性評估方案。

5）做好試驗數(shù)據(jù)采集的頂層策劃

試驗數(shù)據(jù)采集是可靠性評估的源頭工作，關(guān)系到可靠性評估工作的成敗。研制單位應(yīng)在試驗總案編制階段，提前邀請第三方試驗單位介入，做好以下工作：①按照艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)產(chǎn)品組成、配套單位組成、產(chǎn)品布置情況以及可靠性建模的顆粒度，確定好試驗數(shù)據(jù)采集的責(zé)任單位、劃分好試驗數(shù)據(jù)采集的產(chǎn)品單元；②制定可操作性強(qiáng)的試驗數(shù)據(jù)記錄表格，在全面反映產(chǎn)品使用情況基礎(chǔ)上，力求盡量簡化以方便現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集；③確定好產(chǎn)品可靠性評估的方法，提前規(guī)劃好試驗數(shù)據(jù)的起始時間、終止時間，以及各數(shù)據(jù)采集單元的最低試驗數(shù)據(jù)量要求。

6）以制度確保多方協(xié)同配合

艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的可靠性評估工作涉及的單位主要包括研制單位（包括上級系統(tǒng)總體及裝備的責(zé)任單位）、訂購方和第三方試驗單位，故其可靠性評估工作的開展也將需要多個單位協(xié)同配合。當(dāng)前的可靠性評估工作主要依靠可靠性評估大綱來明確各方責(zé)任，但由于各方對可靠性評估工作的認(rèn)識不統(tǒng)一，在責(zé)任劃分上缺乏相應(yīng)的指導(dǎo)規(guī)范，造成了實際執(zhí)行時責(zé)任缺位的情況。因此，亟待制定相應(yīng)的頂層規(guī)范，以制度促協(xié)同。

7）細(xì)化故障的界定準(zhǔn)則，并考慮故障的分類定級

艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的可靠性評估不同于單機(jī)設(shè)備的可靠性鑒定試驗，其故障的界定涉及到不同單位的責(zé)任問題，因此需要明確而清晰的故障界定準(zhǔn)則，避免出現(xiàn)推諉責(zé)任的情況。同時，在交船試驗過程中，很多設(shè)備都在調(diào)試，很容易發(fā)生單機(jī)設(shè)備軟件故障、不同設(shè)備的協(xié)議不一致造成故障以及其他設(shè)備調(diào)試造成故障等，需要按照對任務(wù)的影響程度對故障進(jìn)行分級[8]，并賦予一定的權(quán)重，具體可參考GJB 1621.8A-2006。

8）充分認(rèn)識可靠性評估工作的階段性

由于艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)研制工作的階段性特點，其可靠性指標(biāo)的驗證也必然呈現(xiàn)階段性。可靠性評估工作的相關(guān)單位應(yīng)充分認(rèn)識到這一點，并從階段性特點角度出發(fā)，提出每個階段可靠性評估工作的要求，包括數(shù)據(jù)來源、責(zé)任單位、評估方法、評估目標(biāo)等。

4 結(jié)束語

無論是艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的研制單位，還是訂購方或第三方試驗單位，均應(yīng)深刻認(rèn)識到可靠性評估是一項系統(tǒng)性工作，而不是簡簡單單的“湊數(shù)據(jù)”。它是貫穿裝備研制全過程的一項工作，從裝備的立項論證階段就應(yīng)充分考慮，包括裝備的任務(wù)剖面、可靠性指標(biāo)選擇及運(yùn)用邏輯、試驗規(guī)劃等。本文結(jié)合艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)試驗鑒定中面臨的問題，從艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)特點出發(fā)，重點分析了其可靠性評估的問題及相應(yīng)的解決對策，可以為艦載復(fù)雜巨系統(tǒng)的可靠性評估工作提供借鑒。