装备保障特性综合研究

陈圣斌，丁 杰，郝宗敏，曾曼成

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

装备保障特性综合研究

陈圣斌，丁 杰，郝宗敏，曾曼成

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

保障特性；保障性；保障特性综合；旋翼航空器；现代装备

0 引言

众所周知，装备质量特性包括专用质量特性和通用质量特性，其中通用质量特性也称之为装备的保障特性，它是确保装备战术技术性能有效发挥的共有技术性能。如可靠性、维修性、保障性、测试性、耐久性等[1]。

在以往的型号设计中，例如直升机的研制中，通常利用与国内外相似的直升机来确定新研直升机保障特性的可靠性、维修性、保障性参数指标，这在一定程度上是可行的。或者做出几个备选方案，通过包括专用质量特性和保障特性的相互对比分析，选择可行的保障特性技术参数指标，这也是可行的，而且也是GJB1371、GJB450等国家军用标准推荐的方法。在备选方案的对比分析中，人们往往注重可靠性、维修性指标，这无疑也是对的，然而在这一过程中往往忽视了这些指标之间的权衡或指标之间的综合优化。例如某机在方案论证中，根据国外相似直升机的对比分析，将可靠性指标由相似机型的MTBF值4小时提高到4.8小时；维修性指标由相似机型的1.5小时降低为1小时，并要求使用可用度为0.8。如按：

(1)

那么ADT(后勤保障延误时间)为0.2小时，即为12分钟。这几乎是维修与保障之间为无缝隙连接了，在目前的保障条件下是难以实现的。因此，如何来确保装备保障特性相关参数的综合优化或者说参数先进性和现实性的问题,一直纠缠着设计人员。

经过多年的旋翼航空器的保障特性的研究得出上述A0的计算公式，它体现了装备可靠性、维修性及综合保障要求的相互关系，然而进一步研究发现，这一公式即A0，虽称为使用可用度，但并没有体现使用的含义，或者说没有与使用时间(或飞行时间)相联系，在某种程度上，仍是装备的固有特性。因此，它不是使用维修保障相关参数的计算、综合权衡或优化公式，通过许多文献[2][8-10]的研究发现，旋翼航空器的使用可用度的下述公式(2)能体现旋翼航空器的保障特性相关参数(可靠性、维修性、综合保障)和使用之间的关系，它是装备保障特性的综合参数。

(2)

正如文献[2]所述，这是旋翼航空器效能评估的四个要素之一。

因此，本文以旋翼航空器为例，首先论述了装备保障特性的相关参数，并对目前广泛应用的装备保障综合参数A0与本文推荐的A0′(为区别起见，用A0′表示推荐的使用可用度)进行分析对比，然后，对A0′相关参数使用时间、MTBF、MTTR及ADT对A0′的影响进行了分析，之后，对这些参数的使用时间(飞行日飞行时间)与A0′的综合协调或综合优化作进一步论述。最后，提出了装备保障特性综合或一体化的实施措施。

1 装备保障特性参数及参数综合或一体化分析

GJB1909对各种装备都提出了其保障特性相关的可靠性、维修性及综合保障等参数，对于航空装备如旋翼航空器的保障特性相关参数如表1所示[9-11]。

由上面旋翼航空器保障特性相关参数研究发现，A0与A0′都受可靠性、维修性、综合保障相关参数和要求的影响。尽管A0也称为使用可用度，但是在一定的程度上仍反应的是旋翼航空器的固有可用度。而A0′除了是有与A0相同的参数(MTBF、MTTR、ADT)之外，它还引入了使用时间，即每天或每个飞行日的飞行时间。正如后面所述，它作为A0′的一个参数或变量，旋翼航空器随FH/day 的增加A0′是减少的，它影响使用。然而A0并没有反映这种状态，因此A0′比A0更实用，关于A0′与A0的差别，后面将作进一步的说明。

在综合参数中还有一个出动架次率，它也反映了旋翼航空器的使用可用度。

(3)

式中：TFL—旋翼航空器每天能飞行的小时数；TDU—直升机平均持续时间；TGR—直升机地面滑行时间；TTA—直升机再次出动准备时间；TUM—每次出动的非计划维修时间；TAB—每出动架次战伤修理时间；TAT—每出动架次的保障延误时间。

其中，TFL反映了旋翼航空器的使用时间，TDU一定程度反映了旋翼航空器的可靠性水平，而TTA和TUM、TAB反映维修性水平，TAT反映了旋翼航空器的保障要求。

基于上面的分析，本文未作进一步研究。

2 A0与A0′的对比分析

表1所示为两种典型直升机的保障性要求。

表1 AH-64和LHX保障性要求

对表1的参数作进一步的分析，可以看出：

美国AH-64“阿帕奇”直升机在其方案论证及设计评审的确认/验证中都使用这一公式来表示其可用度[2]。

下面通过美国的AH-64“阿帕奇”直升机和南非的“茶隼”武装直升机两个实例进一步说明A0′比A0表述使用可用度更合理。

1)AH-64“阿帕奇”直升机

已知数据[3]：MTBF=3.5(MFHBF=2.8，按运行比1.2)；MTTR=0.9；FH/ day=3.75[4]。

可得ADT=4.7小时；

可得ADT=0.15小时=9分钟。

显然，按(1)式算得的ADT=0.15小时=9分钟。即后勤保障延误时间仅9分钟，这就是说维修和保障之间几乎为无缝连接。这在目前的维修保障的技术条件下是无法满足这要求的。

目前的维修保障过程是：首先通过故障检测诊断，将故障隔离下来，之后告诉地面保障人员提取备件，并运到现场，有时现场的保障库房中未必一定有需更换备件，无疑要等待……。显然，即便正常情况，9分钟也不能实现备件及时到位，况且还有没有备件情况的出现。

而按A0′的公式(2)算得的ADT及后勤保障延误时间，应该是在缺件情况都考虑的情况下的。比A0算得的9分钟更合情理。

AH-64在方案论证和评审[2]中，也是按MTBF=4，MTTR=1，ADT=4小时来评估其可用度A0′=0.8。

2)南非“茶隼”武装直升机

已知数据[5]：Ai=0.97 ；FH/Per day=3.75小时；A0=0.9； MTBF=4.66。

可得MTTR=0.14小时=8分钟。

求得ADT=0.35小时=21分钟；

求得ADT=2.56小时。

按前面分析，由A0′求得的ADT比由A0求得的ADT更为合理。

由上分析，用A0′表述旋翼航空器的使用可用度比用A0更为合理。

3 保障特性对装备效能的影响

前面详细地说明了装备保障特性的各种相关参数(以旋翼航空器为例)，并论述了能全面反映装备使用维修保障水平的综合参数A0′(A0)，这里进一步讨论使用可用度对装备效能的影响，即使用可用度的作用。

在装备的总体方案论证及设计评审的确认/验证中，常常要研究装备的效能及各种要素对效能的影响。例如，美国在研究旋翼航空器(RAH-66)的论证中，应用下式：

效能=性能×取胜率×使用可用度×库存因素

(4)

来评估其效能以及各个要素改变对效能的影响，评估时，使用可用度的权值为18%，性能为11%，它远高于性能的权值。

显然，评估时保障特性和性能等其他要素都处于相同的地位。

通过效能及各种特性参数对效能的影响分析，以便在强调某一要求时(如RAH-66为满足全球使用要求和作战效能，它特别强调保障特性)降低其他某些要求，从而达到降低费用、减少风险且不影响整个装备的效能的目的[6]。

4 保障特性相关参数对A0′的影响

其次，标准化猪舍是规模化养猪的必备条件。选择与饲养规模相适应的设备设施，是提高生猪生产水平和养猪效益的关键。一定要根据种公猪、繁殖母猪、仔猪、育肥猪的生理特点，建造科学合理的猪舍。在施工过程中可根据不同地形、地质情况、建筑材料等适当调整，做到科学合理、经济适用。

显然A0′作为(4)式效能评估的一个特性，为旋翼航空器的效能指标评估提供量化值。A0′是概率值，不能超过100%。

下面讨论各个参数对A0′的影响。

4.1 MTBF对A0′的影响

MTBF对A0′的影响如图1所示。图1给出了旋翼航空器FH/day、MTTR、ADT典型值的情况下，MTBF与A0′的关系。

由图1可以看出，MTBF>5小时，不断增加MTBF后，对A0′的影响就很平缓了。

使用可用度A0′对MTBF影响的敏感性可用使用可用度A0′对MTBF的偏微分来表示：

图1 MTBF对A0′的影响随MTBF值的增长而趋缓

图2 A0′的相对变化率进一步地验证了A0′的变化随 MTBF值的增大而趋缓

4.2 MTBF和ADT对A0′的影响

MTTR对A0′的影响如图3所示，它对A0′的影响没有MTBF对A0′的影响强烈，但不能忽略。ADT对A0′的影响与MTTR的影响是相同的。

由图3可以看出，MTTR和ADT对A0′的影响是两根平行向右下倾的直线，他们之间的截距取决于MTTR与ADT的差值，差值越大，这两根向右下倾的平行线之间的截距越大，对A0′的影响差别越大。

图3 MTTR和ADT分别对A0′的影响

从理论上讲，希望这两个值(MTTR、ADT)尽可能小，但这两个值的减小无疑要提高可靠性、测试性，增加相应费用，这两个参数值选择，将在后面的讨论中进行综合优化。

4.3 FH/day对A0′的影响

FH/day对A0′的影响如图4所示。

图4 FH/day对A0′的影响

由图4可以看出FH/day对A0′的影响也是一条向右下倾的直线，就是说，随着每日或每个飞行日飞行时间的增大，A0′是逐渐下降的。

5 参数的综合优化

前面详细地分析了各个参数变化对A0′的影响，但是按系统工程的要求应对相关参数的同时变化对A0′的影响进行分析，从而找到在各个参数和使用可用度匹配、费用适中的兼容协调或综合优化的一组参数或系统方案。

由(2)式可以看出A0′是与MTBF、MTTR、ADT及FH/day相关的多变量参数，它可以表达为：

F(A0)=F(MTBF、MTTR、ADT、FH/day)=

(5)

由前面的分析可知，MTBF的增大可以提高A0′，MTTR和/或ADT的降低也能提高。但是这些参数的单独变化有可能大大增加相应费用，如果在增大MTBF的同时又减少MTTR、ADT的值，并选择合适的FH/day，那么便有可能在费用增大不多的情况下获得相同的一组合适的综合参数。

因此，必须对这些参数进行综合分析。然而正如(5)式所示，这是一多变量复变函数，复变函数偏导求解比较麻烦和复杂。这里试图在二维平行坐标上，通过不同组合的两个参数的变化来分析对A0′的影响，通过多组(这里为3组)的综合分析便能获得相应A0′的各种参数综合优化。

在下面的分析中，选择如下特定的使用维修及后勤保障参数进行综合分析：

MTBF=4小时，MTTR=1小时，ADT=4小时，FH/day=4小时。

5.1 MTBF和MTTR变化与A0′的关系

在下列给定的条件下，即当：ADT=4小时，FH/day=4小时，MTBF和MTTR变化对A0′的影响如表2及图5 的数据所示。

如果设定A0′=0.8，那么，可以得到三组不同的MTBF和MTTR值，即：

MTBF=3.8 MTTR=0.5

MTBF=4.5 MTTR=1.5

MTBF=5.5 MTTR=2.5

亦即如下三组不同的状态组合：

A0′=0.8时，

采用相同的分析方法可以得到A0′=0.7，A0′=0.85等各种不同A0′时的其他相应状态组合的数组。

表2 MTBF和MTTR变化与A0′的关系

图5 在FH/day=4小时，ADT=4小时，MTBF和

由图5及表2的数据可以看出：

1) 在相同MTBF的情况下，A0′随着MTTR的增大而减小，反之亦然；

2) 在相同MTTR的情况下，A0′随着MTBF的增大而增大；

3) 在相同A0′的情况下，MTTR随着MTBF的增大而增大；

4) 同时，也可以看出在MTBF>4小时之后，无论MTTR值如何增大，它对A0′的影响便趋于平缓。

MTTR的变化对A0′的影响，在MTBF<4小时时，它没有MTBF对A0′的影响那么强烈。或者说在MTBF<4小时时，MTTR对A0′的影响没有MTBF明显。

这与前面图1- 图3的分析是相同的。

5.2 MTBF和ADT变化与A0′的关系

在下列给定的条件下，即当：MTTR=1.5小时，FH/day=4小时，MTBF和ADT变化对A0′的影响如表3及图6所示。

如果设定A0′=0.8，那么可以得到四组不同的MTBF和ADT值：

MTBF=2.2 ADT=1

MTBF=2.8 ADT=2

MTBF=4.0 ADT=3

MTBF=4.8 ADT=4

四种不同状态组合。

A0′=0.8时，

同样，可以得到A0′=0.7，A0′=0.85等各种不同A0′时的其他相应状态组合的数值。

由于在(2)中MTTR与ADT是相加的关系，它们的变化对A0′的影响及与MTBF的关系是相同的，因此由图6及表3数据得出的分析结果与5.1节是相同的，这里便不多述了。

表3 MTBF和ADT变化对A0′的影响

图6 FH/day=4、MTTR=1.5情况下MTBF

5.3 MTBF和FH/day变化与A0′的关系

在下列给定的条件下，即当：MTTR=1.5小时，ADT=4小时，MTBF和FH/day变化对A0′的影响如表4和图7所示。

如果设定A0′=0.8，那么可以得到5组不同的MTBF和ADT值，即：

MTBF=1.1小时 FH/day=1小时/每天

MTBF=2.2小时 FH/day=2小时/每天

MTBF=3.4小时 FH/day=3小时/每天

MTBF=4.7小时 FH/day=4小时/每天

MTBF=5.8小时 FH/day=5小时/每天

亦即5种不同的状态组合,A0′=0.8时，

表4 MTBF和FH/day的变化对A0′的影响

MTBFFH/day=1FH/day=2FH/day=3FH/day=4FH/day=5A01'A02'A03'A04'A05'10.770.540.310.0820.880.770.660.540.4330.920.850.770.690.6240.940.880.830.770.7150.950.910.860.810.7760.960.920.890.830.8170.970.930.900.870.8480.970.940.910.890.86

图7 MTTR=1.5 ADT=4情况下，MTBF和

由图7和表4的数据可以得出：

1) 在相同的MTBF的情况下，A0′随着FH/day的增大而减小。

2) 在相同FH/day情况下，A0′随着MTBF的增大而增大。

3) 在相同A0′的情况下，FH/day随着MTBF增大而增大。

4) 同样，也可以得出，在MTBF>4小时或5小时之后，无论FH/day如何增大，它对A0′的影响也趋平缓。

FH/day的变化对A0′的影响也如同MTTR一样，在MTBF<4小时时，也没有MTBF对A0′的影响那么强烈，或者说，MTBF<4时，FH/day对A0′的影响没有MTBF大。

通过上面的分析可以得出：

1) 无论是MTBF、MTTR、ADT、FH/day它们本身还是它们不同组合对A0′影响的分析，随着MTBF的增大，A0′是增大的，在MTBF>4小时之后，它对A0′的影响便趋平缓了，或者对A0′的增大不明显了。

2) 无论是MTBF、MTTR、ADT、FH/day它们本身还是它们不同组合对A0′影响的分析，MTTR、ADT、 FH/day对A0′的影响不如MTBF那么强烈，它们对A0′的影响是随着它们的增大而缓慢下降的。

就是说上面各个参数中，MTBF对A0′的影响大，而其余3个相对小。

3) 上面以A0′=0.8作为分析的基础，这是目前旋翼航空器技术水平的典型状态。随着技术水平的发展，尤其是维修保障的空地一体化，A0′可得到提升，此时可以对A0′>0.8所要求的值进行相似分析，找到各个参数综合优化。

4) 在这一综合分析中，不难发现，A0′在=0.8，MTBF在4～5小时、MTTR在1～2.5小时、FH/day、为3～5小时，ADT为3～5小时，其中ADT这一时间偏大，即后勤保障时间有很大的改进空间。美国陆军航空定司令部在2010年提出要割断这一后勤保障的尾巴，通过维修保障之间的空地一体化，减少ADT时间[7]。

由表2可以看出，如果MTBF=5小时、MTTR=1.5小时、FH/day=4小时，那么当ADT=1小时，A0′=0.92； ADT=2小时，A0′=0.85。

显然，使用可用度A0′获得了较大的提高。

6 保障特性综合优化的实施措施

为了做好保障特性综合优化，建议采取如下措施：

1)明确保障特性相关参数综合优化的作用和意义。

正如前文所述，保障特性(使用可用度A0′)是装备效能评估的一个重要要素，因此，通过权衡分析确保装备所要求的使用可用度，对确保整个装备效能是很有意义的。

另外，通过保障特性相关参数的综合优化，便能掌握或控制MTBF对A0′的贡献，正如分析所见，MTBF增大到一定程度之后，它对A0′的贡献便不明显了，选择一个合适的MTBF值，在不太增加相应费用的情况，满足装备相应A0′的要求。

2)将保障特性相关参数的综合分析视为论证保障特性参数的一种重要方法。

在以往型号的论证中，通常使用相似产品法和/或多个备选方案的对比分析法来确定新装备保障特性或相关参数，这是可行的。但是这些指标之间是否兼容或者综合优化往往不得而知，否则就不会出现前面所说的ADT(后勤保障延误时间)在同样技术条件下为0.2小时(12分钟)这样一种几乎维修保障无缝链接的窘境。

因此，在装备保障特性相关参数初步确立之后，应按(2)式或者其他方法[8]对这些参数进行综合优化，使这些参数之间协调兼容。

3)将保障设备特性综合到整个装备的研制管理之中，以便将保障特性的相关参数转化为相应的设计措施。

人们说，装备的保障特性相关参数(可靠性、维修性、保障性)是设计出来的，但更是管理出来的[8]，正因为如此，现在西方的许多国家，在型号研制中，他们是真正地将装备保障特性与装备性能费用和进度以同等的重要性置于型号管理之下。例如，美国在研发LHX直升机时，就将保障性置于型号管理模式下，见参考文献[11]。

4)保障特性的论证和综合优化中实现“三结合”。

为了确保装备保障特性和综合优化的合理性和可行性，必须实现上级机关(顶层)、研制方(设计和制造以及使用部门)、基层使用维修人员之间的“三结合”。由上级机关根据需要提出相应要求之后，“三方”进行共同研究，以确保指标的前瞻性、先进性、可行性，且实现各参数指标的综合优化。最终，在确保装备效能的情况下，以最小费用代价实现保障特性的综合优化。

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Analysis and Research of the Supportability Integration for the Modern Materials

CHEN Shengbin，DING Jie，HAOZongmin，ZENG Mancheng

(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

supportability attributes; supportability integration; rotorcraft; modern materials

2015-07-17 作者简介：陈圣斌(1944-)，男，江西永新人，研究员，主要研究方向：直升机可靠性维修性保障性。

1673-1220(2016)01-028-09

V267

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