对北约标准中可用度经验公式的研究

刘玉明

（中国船舶重工集团公司第707研究所，天津 300131）

0 引言

上世纪九十年代，北大西洋公约组织军用标准化局（MAS）颁布了《北约可靠性与维修性要求文件编写指南》（ARMP-4），如今已颁布了第4修订版（2008年8月）。该标准针对舰船系统提出了一个特定的可用度术语及其计算经验公式。使用中有人将特定的可用度术语Effective Availability译成“有效可用度”。

海军装备部门在确定装备的可靠性与维修性指标要求时，曾想推广应用此经验公式，却发现该术语未出现在我国标准中，且“有效可用度”的定义不为人们所了解。在尚未了解北约标准和可用度经验公式的情况下，贸然将所谓的有效可用度作为合同指标下达给装备承制单位，将给承制单位带来困惑。多年来装备使用部门一直没有把“有效可用度”真正应用起来，究其原因，就是没有认真分析研究北约标准和标准中的经验公式。因此，认真分析研究北约标准及其可用度经验公式，探讨其应用的可行性是非常必要的。本文试图对有效可用度及其经验公式进行分析，研究其是否适应我国舰船的实际。

1 北约标准

1.1 北约标准的目的

《北约可靠性与维修性要求文件编写指南》的引言明确指出，标准主要是供使用方和订购方使用，其目的是“说明影响制定可靠性与维修性要求的各种概念和因素，帮助使用要求部门制定基本可靠性与维修性要求，帮助采办当局将这些要求转换成能接受的合同性规范”。这说明该标准是提供给订购方（使用方）应用的，是为订购方（使用方）在编制可靠性与维修性要求文件时提供的指南。为使承制方更好地了解可靠性与维修性要求，北约军用标准化局（MAS）在颁布这个标准的通知的最后，提出了“允许并鼓励向承包商和供应商提供本标准”。

1.2 关于可靠性与维修性要求

该标准强调:1）应确认可靠性与维修性的要求正确适用，从寿命周期费用角度考虑，在技术和经济上是可行的。2）该标准中采用的术语，如可用性、任务成功性、维修人力和后勤保障等，一般不宜直接提供给承制方。应经过全面权衡，转换成可用于设计、验证的合同指标才能提供给承制方。3）采用可靠性与维修性的定量要求是非常重要的。这就说明该标准是为使用方（订购方）作指南的，不能直接用标准中的术语作为可靠性与维修性要求提供给承制方。

1.3 关于可用性

该标准在论述影响制定可靠性与维修性要求的各种概念和因素时指出:可用性是影响可靠性与维修性要求的重要因素。同时该标准还论述了可用性在确定可靠性与维修性要求时存在的问题和困难。标准指出，可用性有几种类型，最常用的是“固有可用性（Ai）”和“使用可用性（Ao）”。标准指出，固有可用性指“在规定条件下使用的系统或设备在任意时刻能完好使用的概率，这里考虑的时间是使用时间和active repair time”，固有可用性剔除了所有空余时间、预防性维修、贮存时间、管理和后勤延误时间。

将“Active repair time”翻译成“有效修理时间”欠妥，因为“active”没有“有效”的意思，而且这里的修理时间也不需用有效或无效来描述。根据定义中的时间说明，笔者认为将“active repair time”译成“实用修理时间”或“直接修理时间”比较合适。因为固有可用度的表达式为:

式中，MART为Mean Active Repair Time被称为平均实用修理时间，这显然与上述固有可用度的定义是相关的。

北约标准也采用美国军用标准的术语，如ARMP-4标准中多次提到MTBF，MTTR等。

根据美国军用标准和我国军用标准，固有可用度的表达式如下:

式中MTTR为平均修复时间，是不考虑管理和后勤延误时间的修复性维修的实际时间。

比较（1）式与（2）式，（1）式表示的是使用的系统或设备的固有可用度或任务期间的固有可用度，而（2）式表示的是整个寿命周期的固有可用度。故在2008年8月的第4修订版标准中，将（1）式中Ai改成了Di。

标准还列出了使用可用度（Ao）的定义和表达式，特别指出了不单独采用Ao（或者其他任何类型的可用度）来规定可靠性与维修性的原因，具体如下:

1）作为一种指标，Ao对可靠性与维修性参数的变化不敏感；

2）Ao值的决定因素很多，如人员、训练和供应等。这些因素对Ao的影响超过可靠性与维修性对Ao的影响，如后勤延误时间；

3）对Ao的设计十分困难，因为许多因素（如备件的供应）是设计人员无法控制的；

4）Ao通常只能在外场得到验证。

因此，通常只用Ai来规定可靠性与维修性指标，但Ai只取决于MART与MTBF的比值，且同样的Ai值可由无数的MART和MTBF的组合产生。因而，只规定Ai也是不明智的。

我们在确定海军装备的可靠性与维修性指标时，通常根据AI来确定MTBF和MTTR，再根据任务时间和任务可靠度，确定MTBCF。对于维修性的其他参数则没有多考虑。而北约标准针对舰船系统，提出了一个特定的可用度术语，即“Effective Availability”，从而可以确定MTBCF、MTTCF、MART、MP等可靠性与维修性指标，这是考虑到舰船装备在其任务期间可以进行维修以及存在海上可修和不可修的情况。标准定义“Effective Availability”为:“舰船系统在最大的使用周期内的任意时刻处于可用状态的概率，这里考虑了所有的致命故障，包括海上可修和不可修的以及预防性维修。”

将“Effective Availability”翻译成“有效可用度”也是不确切的。根据“Effective Availability”的定义，它是任务期间的实在的或实际的可用度，其维修时间不计管理和后勤延误时间，是实在的直接维修时间。因此，应将其译成“任务期间实用可用度”或简称为“任务可用度”。“Availability”最早被译成有效度，若将“Effective”译成“有效的”，则该术语译为“有效有效度”或“有效可用度”，这无论是从中文角度还是意思层面上均讲不通，因为这里的可用度不能用有效或无效来描述。因此，应将“Effective Availability”译成“实用可用度”或“任务可用度”。

1.4 可靠性与维修性参数的选择

北约标准在规定可靠性与维修性参数选择时指出:1）可靠性与维修性影响到使用和保障的很多方面，如可用性、任务成功性、维修和后勤保障等，因此，在编制可靠性与维修性要求文件时，应包含对这类特性的要求；2）应根据系统和设备的具体情况选择可靠性与维修性的参数，应根据经济性、进度等条件进行权衡分析，以保证提供给承制方的可靠性与维修性各参数是协调一致的。因此，不能直接把标准中的可用度经验公式交予承制方应用，也不能将可用度单独作为一个指标下发给承制方。可用度不是一个承制方可以设计和验证的合同指标，可用度必须转化为可靠性与维修性参数指标，承制方可应用。可用度经验公式是订购方在确定可靠性与维修性要求时可用的一个公式，通常由使用方确定一个实用可用度，再根据其经验公式和相关约束条件，计算出有关可靠性与维修性指标，作为向承制方提出的要求。目前，有效可用度未列入我国军用标准术语，其定义也不为大多数设计人员了解，故在当前的装备研制任务书或技术规格书中出现所谓有效可用度的指标要求是错误的，易令人困惑。

2 可用度经验公式

2.1 AE的经验公式

北约标准根据利用固有可用度公式（2）确定可靠性与维修性参数存在的问题，以及舰船在任务期间可进行维修或不可维修的情况，提出了一个新术语，即任务期间实用可用度（AE），计算AE的经验公式是:

式中:MART为平均任务期间实用修理时间；MTBCF为平均致命故障间隔时间；PMdowntime为总的预防性维修任务停机时间；MTTCFnr为平均致命故障前时间；Missiontime为任务时间。

2.2 对经验公式的分析

2.2.1 任务期间实用可用度（AE）

对任务期间实用可用度及其经验公式进行分析研究是本文的主题。标准定义AE为:“舰船系统在最大的使用周期内的任意时刻处于可用状态的概率。这里考虑了所有的致命故障，包括海上可修和不可修的以及预防性维修”。即定义AE为:

1）连续工作的舰船系统在最大使用周期内的可用度，也就是任务期间的可用度，可简称为任务可用度；

2）考虑了所有的致命故障，即计算工作时间用MTBCF，而不是MTBF；

3）考虑了海上可修和不可修以及预防性维修，即不能工作时间包括致命性故障在海上可修的修复性维修时间和预防性维修时间以及不可修故障时间；

4）修复性维修时间和预防性维修时间都不包括维修管理与后勤延误时间，即只计直接维修的实际时间。

因此我们称AE为任务期间的实用可用度，而不能叫“有效可用度”。目前该术语尚未列入我国标准，不被人们认识，使用部门也没有积累相关的信息和数据。

2.2.2 AE经验公式

根据（3）式，可以认为:

1）这是一个符合“可用度=1-不可用度”的概率计算基本公式；

2）该公式将不可用度分为三部分:

由于致命性故障不是100%海上不可修，因此取一经验系数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计:

（1）根据MTBCF/MTTCFnr/MART/Missiontime/PMdowntime等参数的量值范围估计，由于MTBCF/MTTCFnr＞＞Missiontime且Missiontime＞＞PMdowntime/MART，其不可用度的量值:固有不可用度＜＜预防性维修不可用度＜＜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，因此系统的实际可用度主要取决于海上不可修的不可用度，也就是要大大提高MTTCFnr才能保证足够高的可用度。

4）关于MART

（1）根据MART的定义，MART是任务期间致命性故障的平均修复时间，与平均修复时间MTTR是不一样的。MTTR为在规定的条件下和规定的时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比。这里的修复性维修总时间不含管理和后勤延误时间，是直接用于维修的实际时间。由此可知，MART是MTTR的一个特例，它规定的时间是任务期间，规定的维修故障是影响任务完成的致命性故障。在我国标准中没有规定MART这个参数，只有MTTR。因此，目前我国对MART的量值不了解，也未累积相关数据和信息。

（2）对于舰船系统来说，MART与对应的MTTR（任务期间舰员级维修的MTTR）的不同在于MTTR包括致命故障和非致命故障的修复，而MART只是致命故障的修复，在平均修复时间上应无大的差别。

5）关于PMdowntime

PMdowntime是任务期间致命性故障预防维修总的任务停机时间。根据北约标准，预防性维修安排在正常使用周期以外进行，任务期间的预防维修次数应很少，且一次任务停机时间不能太长，例如对任务时间为45天的舰船系统，一次任务停机时间不能超过1 h，总的（任务期间累计的）停机时间也不能超过20 h。

6）关于Missiontime

Missiontime是最大的任务周期时间（任务时间），由舰船的使命任务要求确定，与舰船的自持力设计相关。通常，由舰船总体设计确定后不再改变，其在经验公式（3）中是一个常数。当前不同舰船的任务时间Missiontime分别为:15天（360 h）、30天（720 h）、45天（1080 h）、90天（2160 h）等。

3 公式应用及存在问题分析

3.1 根据北约标准示例数据的应用

根据北约标准附录A中舰船可靠性、可用性、维修性要求的示例，取MTBCFnr=750 h，MART=1 h（北约标准示例MART为35min～150 min），MTTCFnr=54000 h，Missiontime =45天（1080 h），PMdowntime=20 h，代入经验公式（3）为:

3.2 经验公式对我国舰船系统的应用

根据我国目前某舰船系统的可靠性与维修性数据，取 MTBCF=1500 h，MTTCFnr=2000 h，Missiontime=360 h，PMdowntime=20 h（估计值），MART=2 h（估计值），代入经验公式为:

由此可知，某舰船系统的任务期间的实用可用度AE不是很高，不会满足使用方的要求。

1）若按北约标准的示例要求AE=0.98，则应提高 MTTCFnr、MTBCF，降低PMdowntime、MART。 根据可能，取MTTCFnr=3000 h，MTBCF=2500 h，PMdowntime=10 h，MART=1 h，则:

计算结果表明，AE仍然达不到北约标准的示例要求。

2）若将可靠性与维修性提高到一个相当的高度，例如，MTTCFnr=20000 h（北约标准示例:在1080 h的任务时间内，不发生致命性故障的生存概率必须大于98%。经计算，相应的MTTCFnr大于54000 h。在360 h的任务时间内，相应的MTTCFnr为 18000 h），PMdowntime=5 h（北约标准示例:在1080 h的任务时间内，PMdowntime不超过20 h，则在360 h任务时间内，PMdowntime应不超过7 h），则经计算，AE=0.9767～0.98。这说明，在360 h的任务时间内，为达到98%的可用度，必须有20000 h以上的高可靠性（MTTCFnr）以及极短的预防维修停机时间（PMdowntime=5 h）。

3.3 存在问题分析

根据以上经验公式的应用和分析，可以看到经验公式存在以下问题:

1）对于一个舰船系统，例如某种雷达系统、通信系统、导航系统等，其任务期间的实用可用度要求达到98%，不是一个过高的要求，但要求其MTTCFnr达到数万小时，却是非常困难的。当任务时间长达90天时，MTTCFnr要高达数十万小时，对于一个单套的复杂的舰船系统几乎是不可能的，除非采取多重系统级备份。因此，笔者对经验公式的实用性提出质疑。通常，单套舰船系统的MTTCFnr只有数百到一千多小时，如果采用两套系统动态备份设计，按马尔科夫过程模型:

由此可知，舰船系统只有采用系统级动态备份设计才可能达到可用度的要求。但是，很多舰船系统和设备是难以实现系统级冗余的。

2）任务期间的可靠性通常是使用方首要的关注点，但过高的可靠性不但达不到，而且是不适合实际情况的。将MTBCF和MTTCFnr提高到数万或数十万小时，这会迫使设计者在任务可靠性上下大功夫，大量采用冗余设计，多重备分。这将会极大地加大研制成本和维修费用，大大降低装备的效能。所以，在提可靠性、维修性要求时，不能只提任务可靠性要求，特别不能提过高的任务可靠性要求。由此可知，该经验公式计算的MTBCF等太高，是不适宜的，不能作为提供可靠性与维修性要求的唯一公式，其所确定的任务可靠性指标应与基本可靠性、维修性、成本等权衡，进行修订。

3）经验公式目前尚不能在我国应用。我国尚未将AE、MART、PMdowntime等参数列入标准，设计人员不了解这些参数的定义，更没有这些参数的指标要求和信息数据的统计。目前，我国舰船装备可靠性与维修性要求的确定主要采用固有可用度公式，确定MTBF、MTTR，再根据任务可靠度确定MTBCF。其存在的问题是没有考虑任务期间的维修性参数，包括预防性维修参数。虽然MTBF与MTTR存在多种组合的不确定性，但这种确定可靠性与维修性要求的方法还是一个较好的方法，它既能给出基本可靠性（MTBF）要求，又能给出任务可靠性要求。因此，在当前情况下，使用部门除了没有应用北约经验公式的条件外，也没有应用北约经验公式的必要。

4 结论

综上分析表明:北约标准中提出的所谓有效可用度AE、有效修理时间MART等参数术语没有列入我国军用标准，其定义不被设计人员了解，更没有这些参数的信息和数据；所谓有效可用度经验计算公式的可行性和实用性也存在问题。因此，北约标准的可用度及其计算经验公式是不适宜在我国推广应用的，更不应该将所谓的有效可用度作为可靠性指标要求下达给承制方。

[1]GJB451A-2005, 可靠性维修性术语[S].

[2]GJB1909A-2009, 装备可靠性维修性保障性要求论证[S].

[3]北约可靠性与维修性要求文件编写指南 ARMP-4(2版)[S].2001.

[4]北约可靠性与维修性要求文件编写指南 ARMP-4(4版)[S].2008.