CN102103722A - 舰船可靠性定量要求论证方法 - Google Patents

Abstract

一种舰船可靠性定量要求论证方法，其步骤如下：1.确定舰船可靠性顶层参数指标；2.对舰船可靠性顶层参数指标进行分解；3.确定舰船可靠性参数门限值；4.对舰船可靠性参数指标和费用进行权衡；5.对舰船可靠性参数指标的技术经济可行性进行分析。本发明为舰船可靠性参数确定提供了一种符合我国国情、操作性强的舰船可靠性定量要求论证方法，指导了舰船可靠性定量要求论证工作，提高了舰船的可靠性水平。

Description

舰船可靠性定量要求论证方法

一、技术领域

本发明提供一种舰船可靠性定量要求论证方法，属于可靠性工程技术领域。

二、背景技术

舰船论证是以科学技术和经济发展水平为依据，以现有舰船的质量、规模为背景，以科学的理论及方法为手段进行的系统分析和设计过程。舰船论证是舰船发展过程中的首要环节，是舰船发展工作的基础。实践证明，凡论证充分的，项目确定比较客观，目标明确，所提要求和指标比较合理，研制出的舰船成功率高、周期短；反之，论证不充分的项目，或者舰船迟迟研制不出来，或者研制出来后不能有效使用，造成人力财力的极大浪费。因此，舰船论证在舰船发展中处于十分重要的地位。其中，舰船可靠性要求论证是舰船论证的重要组成部分，而舰船可靠性定量要求论证又是舰船可靠性要求论证中最重要的组成部分。

舰船可靠性要求论证，包括定量要求论证、定性要求论证、工作项目论证，定量要求论证包括可靠性参数的选择和定量指标的确定。舰船的研制在一定程度上开展了可靠性工作，论证中根据自己的需要和特点选用了可靠性参数，提出了各参数的指标值。但是从总体来说还存在一定的缺陷，如参数不完整、所提参数的概念不明确、参数的可行性不足等，另外论证技术、手段的缺乏也大大制约了可靠性工程在舰船研制中的开展。由于可靠性工程技术相对武器传统工程技术发展较晚，再加上传统观念，即重视作战性能，没有重视可靠性性能的存在(现在仍然不同程度的存在)，致使可靠性论证存在着不规范、不合理，论证手段科学性差的问题。针对上述问题，本发明研究并提供了一种符合我国国情、操作性强的舰船可靠性定量要求论证方法。

三、发明内容

(一)目的：

本发明的目的是提供一种舰船可靠性定量要求论证方法，它是针对舰船的特点和可靠性论证的需求以及现有技术的不足，在总结经验的基础上，从论证的程序、参数体系的形成、指标的确定、权衡优化等方面进行研究，提供一种符合我国国情、操作性强的舰船可靠性定量要求论证方法，指导舰船的可靠性定量要求论证工作，进而提高舰船的可靠性水平。

(二)技术方案：

本发明一种舰船可靠性定量要求论证方法，以舰船的基本信息为前提，这些基本信息包括立项背景及任务需求、舰船基本情况、使用方案、初始保障方案和国内外相似舰船可靠性水平信息。

本发明一种舰船可靠性定量要求论证方法，其步骤如下：

步骤1，确定舰船可靠性顶层参数指标：通过分析舰船的基本信息及影响舰船可靠性水平的因素，将舰船使用要求转化成舰船可靠性顶层参数的指标。该舰船可靠性顶层参数是指舰船订购方根据使用需求提出的影响舰船效能的可靠性参数，它包括有使用可用度、固有可用度和任务可靠度。使用可用度、固有可用度和任务可靠度的指标确定依据舰船使用要求及舰船结构特性可采用使用统计法、作战仿真法、可靠性系统仿真法、相似产品类比法、相似产品类比和德尔菲法相结合的方法、分解转换法、任务需求法中的一种或数种方法进行确定。

步骤2，对舰船可靠性顶层参数指标进行分解：在舰船总体层次将总体可靠性参数指标进行分配，一直分配到设备层次，在设备层次综合考虑后勤保障因素，再以设计指标进行权衡，计算出设备层次的平均故障间隔时间(MTBF)、平均修复时间(MTTR)和平均保障延误时间(MLDT)，最后预计并检验总体的任务可靠度是否满足要求。如果不满足，则需要重新进行步骤2对舰船可靠性顶层参数进行分解从而反复迭代得到一个满意的结果，即为可靠性参数目标值。舰船总体可靠性参数指标的分解根据实际情况可采用平均分配法、复杂度法、相似法、评分法、多因子评分系数分配法中的一种或数种方法进行分解。设备层次的平均修复时间采用经验类比法进行确定，设备层次的平均保障延误时间采用工程经验法进行确定，设备层次的平均故障时间依据设备层次的使用可用度、平均修复时间和平均保障延误时间进行确定。

步骤3，确定舰船可靠性参数门限值：根据步骤2得到的可靠性参数目标值采用杜安(Duane)模型确定舰船可靠性参数门限值。

步骤4，对舰船可靠性参数指标和费用进行权衡：本发明采用层次分析法或方案优序法或质量评价法对数个舰船可靠性参数指标方案进行指标和费用的权衡分析，从而确定最优的舰船可靠性参数指标方案。

步骤5，对舰船可靠性参数指标的技术经济可行性进行分析：(1)对舰船可靠性参数指标的技术可行性分析时首先应掌握该舰船所提的可靠性参数体系及其指标值，然后采用工程经验或相似产品类比的方法展开分析。(2)对舰船可靠性参数指标的经济可行性分析时逐个分析可靠性参数指标对寿命周期费用的影响，以确定所提出的可靠性参数指标是否在经济上可以承受。如果经过步骤5分析后认为舰船可靠性参数指标在技术或经济上缺乏可行性，则需要重新进行步骤1到步骤5的操作，直到得到满意的结果。

其中，所述的“基本信息”，是指本发明所述的方法是在下列基本信息基础上进行的，该基本信息包括有：

(1)立项背景及任务需求信息：是用于描述舰船的研制立项背景及任务信息；

(2)舰船基本情况信息：用于描述舰船的基本组成和主要功能；

(3)使用方案信息：是根据舰船研制的任务需求或者其假设的使用想定确定使用方案，明确具体使用要求，并在此基础上详细拟定寿命剖面，并且对任务周期、环境应力和处于各种环境中的时间给出定量数值；

(4)初始保障方案：是用于描述舰船基本的维修、保障方案；

(5)国内外相似舰船可靠性水平信息：是指开展深入的调研和分析工作，了解并掌握国内外同类型舰船的详细情况，经论证分析后，选择已有的相似舰船作为参考。

其中，在步骤1中所述的使用可用度、固有可用度和任务可靠度：是舰船的可靠性顶层参数。使用可用度是与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性参数，它的一种度量方法为：产品的能工作时间与能工作时间、不能工作时间的和之比。固有可用度是仅与工作时间和修复性维修时间有关的一种可用性参数，它的一种度量方法为：产品的平均故障间隔时间与平均故障间隔时间、平均修复时间的和之比。任务可靠度是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力的量度。

其中，在步骤1中所述的使用可用度、固有可用度和任务可靠度的指标确定方法：是指使用统计法、作战仿真法、可靠性系统仿真法、相似产品类比法、相似产品类比和德尔菲法相结合的方法、分解转换法和任务需求法中的一种或数种。这些方法的具体情况如下：

a)使用统计法：该方法是指结合舰船的实际使用情况对各种时间因素进一步明确，区分舰船的使用技术状态，对各种状态的时间进行统计以获取可靠性参数的计算式。

b)作战仿真法：该方法是指按照舰船的典型任务剖面和具体作战使用要求，由军方负责该舰船总体论证的人员，从舰船系统效能或作战效能的角度，给出能够反映该舰船任务需求的、同可靠性相关参数要求相关的、定量化的综合战技指标或相应的作战评估模型，根据对该舰船的实际作战要求或其综合战技指标要求，通过计算和分析得到可靠性参数要求的初始值。

c)可靠性系统仿真法：该方法通过可靠性系统仿真模型计算，得出舰船可靠性参数指标。

d)相似产品类比法：该方法是指通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船的可靠性参数指标。

e)相似产品类比和德尔菲法相结合的方法：该方法是指选用相似舰船作为相似产品，采用相似产品类比法和德尔菲法相结合的方法论证。德尔菲法对于解决那些不能通过解析法进行量化的问题十分有效。由于德尔菲法是建立在专家们的主观判断基础上，强调了专家主观判断的客观性，因而它特别适用于缺少确切数据的评估问题。是将所要评估的问题和必要的背景材料用通信的形式向专家们提出，得到答复后，把各种意见经过综合、归纳和整理在反馈给专家，进一步征询意见，在进行综合、整理和反馈，如此反复多次，直到评估的问题得到了较为满意的结果。

f)分解转换法：该方法是指通过分解转换模型，进行参数指标转换，建立与某些容易获得的舰船特性参数的关系，从而确定可靠性参数指标。

g)任务需求法：该方法通过对舰船的使命任务要求分析，得出满足使命任务要求的可靠性参数指标。

使用可用度、固有可用度和任务可靠度指标的确定采用的方法具体如下：

(1)舰船总体的使用可用度可采用相似产品类比和德尔菲法相结合的方法或使用统计法或分解转换法或作战仿真法或相似产品类比法进行确定，各方法的具体实施情况如下：

a)采用相似产品类比和德尔菲法相结合的方法：该相似产品类比和德尔菲法相结合的方法是选用相似舰船作为相似装备，采用相似产品类比和德尔菲法相结合的方法论证，其结果如下：

$A_O=1-(1-A_{\mathrm{OV}})\frac{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}50\·{\mathrm{\α}}_j}{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_j}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}\right)}$

其中，Ao为舰船使用可用度；Aov为相似舰船使用可用度；α_j为第j个因素的权重，Q_ij为第i个专家给第j个影响因素打的分数；k为影响舰船使用可用度因素的个数；n为打分专家的位数；i为第i个打分专家；j为第j个影响因素。

b)采用使用统计法：该使用统计法结合舰船的实际使用情况对各种时间因素进一步明确，区分舰船的使用技术状态，对各种状态的时间进行统计以获取使用可用度的计算式，计算式如下：

Ao＝T_CH/(T_CH+T_TH)

其中，Ao为舰船使用可用度；T_CH为可出航时间；T_TH为停航时间。

c)采用分解转换法：该分解转换法是通过建立与在航率的关系，由在航率计算得出使用可用度Ao，其结果如下：

Ao＝k_A×a＝Lse/(Lse-T_JHWX)×a

其中，Ao为舰船使用可用度；a为在航率；k_A为转换系数；Lse是为舰船使用寿命；T_JHWX为舰船总的计划维修时间。

d)采用作战仿真法：该作战仿真法是通过作战对抗仿真，分析舰船可靠性水平对作战的影响，得出满足作战需求的使用可用度。

e)采用相似产品类比法：该相似产品类比法是通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船的使用可用度指标。

(2)舰船总体的固有可用度可采用分解转换法或相似产品类比法或可靠性系统仿真法进行确定，各方法的具体实施情况如下：

a)采用分解转换法：该分解转换法通过建立与使用可用度的关系，由使用可用度计算得出固有可用度Ai，其结果如下：

$A_i=k\×A_O=(1+\frac{T_{\mathrm{ALT}}}{T_O+T_{\mathrm{CMT}}})\×\mathrm{Ao}$

其中，Ai为舰船的固有可用度；Ao为舰船的使用可用度；k为转换系数；T_O为能工作时间；T_ALT为管理和保障资源延误时间；T_CMT为修复性维修总时间。

b)采用相似产品类比法：该相似产品类比法是通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船的固有可用度指标。

c)采用可靠性系统仿真法：该可靠性系统仿真法是通过可靠性系统仿真模型计算，得出舰船总体固有可用度指标。

(3)舰船总体的任务可靠度可采用可靠性系统仿真法或相似产品类比法或作战仿真法或任务需求法进行确定，各方法的具体实施情况如下：

a)采用可靠性系统仿真法：该可靠性系统仿真法是通过可靠性系统仿真模型计算，得出舰船总体任务可靠度指标。

b)采用相似产品类比法：该相似产品类比法是通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船总体任务可靠度指标。

c)采用作战仿真法：该作战仿真法是通过作战对抗仿真，分析舰船可靠性水平对作战的影响，得出满足作战需求的舰船任务可靠度。

d)采用任务需求法：该任务需求法是通过对舰船的使命任务要求分析，得出满足使命任务要求的舰船任务可靠度。

其中，在步骤2中所述的舰船总体可靠性参数指标的分解：根据实际情况可采用平均分配法、复杂度法、相似法、评分法和多因子评分系数分配法中的一种或数种进行分解。这五种方法的具体情况如下：

(1)平均分配法：该方法是对每一底层次部件分配同样的某可靠性参数值，当部件相似时用此方法最有效，其定义如下：

${\left(X\right)}_j=\sqrt[N]{{\left(X\right)}_s}$

其中，(X)_j为系统低一层次的第j个分系统的某可靠性参数值；(X)_s为系统的某可靠性参数值；N为系统低一层次的分系统的个数；j为系统低一层次的第j个分系统。

(2)复杂度法：该方法是通过加权来描述产品的复杂性，现采用部件记数的办法来加权，利用部件所含器件数作为复杂度的衡量，其定义如下：

${\left(X\right)}_j={\left(X\right)}_s^{k_j}={\left(X\right)}_s^{n_j/\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$

其中，k_j为复杂度；(X)_j为系统低一层次的第j个分系统的某可靠性参数值；(X)_s为系统的某可靠性参数值；n_j为第j个分系统的基本构成部件数；N为系统低一层次的分系统的个数；j为系统低一层次的第j个分系统。

(3)相似法：新设计的系统与老系统相似，且有老系统及其分系统某可靠性参数数据，可用相似法进行分配，其定义如下：

其中，X_s新为新设计系统的某可靠性参数值；X_s老老系统的某可靠性参数值；X_i新新设计系统低一层次第i个产品的分配的某可靠性参数值；X_i老老系统低一层次的第i个产品的某可靠性参数值；i为系统低一层次的第i个分系统。

(4)评分法：该方法是对底层次的分配依赖要分配层次的部件的设计成熟性(工艺状况)、复杂度、重要度和每个项目的环境条件、保障性等数据，其定义如下：

${\left(X\right)}_i={\left(X\right)}_s^{C_i},$ 且 $C_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{\ω}}=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{r}_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{r}_{\mathrm{ij}}$

其中，C_i为第i个分系统的评分系数；r_ij为第i个分系统第j个因素的评分系数；(X)_i为系统低一层次的第i个分系统的某可靠性参数值，(X)_s为系统的某可靠性参数值；ω_i为第i个分系统的评分数；ω为系统低一层次的所有分系统的评分数总和；n为分系统的个数；k为评分考虑的影响因素的个数；i为系统低一层次的第i个分系统；j为第j个影响因素。

(5)多因子评分系数分配法：该方法借用评分法思路，在确定各评分因子时，尽量减少专家评分的主观判断，而运用已有设计资料确定各评分因子，求出评分系数，按下式求出各分配单元分配值：

${\left(X\right)}_j={\left(X\right)}_s^{K_j}$

其中，(X)_j为系统低一层次的第j个分系统的某可靠性参数值，(X)_s为系统的某可靠性参数值；k_j为系统低一层次的第j个分系统的评分系数；j为系统低一层次的第j个分系统。

其中，在步骤2中所述的设备层次的平均修复时间：采用经验类比法进行确定。根据我国装备中电子设备与机电设备维修性的现有设计水平，设备的平均修复时间指标可参考表1确定。

表1电子设备与机电设备平均修复时间参考指标

其中，在步骤2中所述的设备层次的平均保障延误时间：可采用工程经验法进行确定。参照目前我国供应体制和维修体制，设备层次的平均保障延误时间可按照以下工程经验模型进行确定：

MLDT＝(1+α)k₁{p₁t₁+(1-p₁){p₂t₂+(1-p₂)t₃}}

其中，MLDT为平均保障延误时间；α为非主要因素(等待维修或技术人员、技术资料、保障设备，或其它因素)引起的延误时间按其占备件引起延误时间的百分比；k₁为设备出现故障时，需要备件的修复性维修活动的百分数；t₁为从库存得到一个备件需要的反应时间；t₂为供应部门供应备件的平均反应时间；t₃为获取临时订货备件的平均反应时间；p₁为备件满足率；p₂为仓库无法满足备件时供应部门能供应的备件满足率。

其中，在步骤2中所述的设备层次的平均故障间隔时间：可依据设备层次的使用可用度、平均修复时间和平均保障延误时间进行确定。

对于连续使用的设备，其平均故障间隔时间计算公式如下：

$\mathrm{MTBF}=\frac{\mathrm{Ao}}{1-\mathrm{Ao}}\×(\mathrm{MTTR}+\mathrm{MLDT})$

对于连续使用的设备，其平均故障间隔时间计算公式如下：

$\mathrm{MTBF}=\frac{1}{K^{\′}\×(1-\mathrm{Ao})}\×(\mathrm{MTTR}+\mathrm{MLDT})$

其中，MTBF为设备的平均故障间隔时间；MTTR为设备的平均修复时间；MLDT为设备的平均保障延误时间；Ao为设备的使用可用度；K′为舰船工作时间与设备运行时间的比值。

其中，在步骤2中所述的目标值：是指期望装备达到的使用指标，它既能满足装备的使用需求，又可使装备达到最佳的效费比。

其中，在步骤3中所述的门限值：是指装备必须达到的使用指标，它能满足装备的使用需求。

其中，在步骤3中所述的杜安(Duane)模型是由美国J.T.Duane经大量试验提出：产品在可靠性增长试验中，累积故障率对于累积试验时间，在双对数坐标纸上趋近一条直线，即：

lnM(t)＝mlnt-lna

其中，M(t)为目标值；t为试验时间；a为门限值；m为增长率。

其中，在步骤4中所述的层次分析法、方案优序法、质量评价法，其具体情况如下：

(1)层次分析法：该方法是一种定性评价与定量评价相结合的综合评价方法。该方法通过建立层次结构、建立判断矩阵、进行综合权衡这三步实现对方案的权衡。建立层次结构时，根据所评价的对象，将所包含的因素分组，每一组作为一个层次。按照最高层，若干有关的中间层和最低层的形式排列起来。建立的判断矩阵是用于表示针对上一层次某元素，本层次有关元素间相对重要性的状况。进行综合权衡时首先进行单层次排序即根据判断矩阵计算对于上一层某元素而言，本层次与之有联系的元素重要性的权值，然后进行层次总排序即利用同一层次中所有层次单排序的结果，计算针对上一层次而言本层次所有元素重要性的权值。

(2)方案优序法：该方法是将所有方案针对每个评价指标进行一次优劣排序，再通过对其优序数的计算，进行综合权衡。

(3)质量评价法：该方法是通过分析每个方案对不同质量特性的属性值，然后计算各方案的相对效应值，继而进行方案的优劣权衡。

(三)本发明优点：

(1)本发明在考虑充分性、必要性、符合工程习惯、可论证性、可设计性、可验证性的原则基础上根据舰船的特点选取了较完整的舰船可靠性参数进行定量要求论证，改变了以往论证技术中参数不完整、所提参数的概念不明确的缺陷；

(2)本发明提供了多种可靠性参数顶层参数分解方法，完善了舰船可靠性参数分解技术；

(3)本发明针对舰船的特点，从舰船可靠性参数定量要求论证、参数体系的形成、指标的确定、优化等出发，提供了一种科学、规范化的舰船可靠性定量要求论证方法。

四、附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为××型舰船平台组成图；

图3为××型舰船总体组成图；

图4为舰船可靠性参数指标分解流程；

图5为××型舰船作战系统组成图；

图6为××型舰船使用寿命剖面图；

图7为××型舰船对空作战任务剖面；

图8为××型舰船动力系统组成图；

图2中符号说明如下：

Ao：使用可用度；

Rm：任务可靠度；

MTTR：平均修复时间；

MTBF：平均故障间隔时间；

MLDT：平均保障延误时间。

五、具体实施方式

本发明一种舰船可靠性定量要求论证方法以舰船的基本信息为前提，这些基本信息为立项背景及任务需求、舰船基本情况、使用方案、初始保障方案、国内外相似舰船可靠性水平信息。各方面信息包含的内容具体如下：

1)立项背景及任务需求描述舰船的研制立项背景及使命任务；

2)舰船基本情况描述舰船的基本组成和主要功能；

3)使用方案信息是根据舰船研制的任务需求或者其假设的作战想定确定使用方案，明确具体使用要求，并在此基础上详细拟定寿命剖面，并且对任务周期、环境应力和处于各种环境中的时间给出定量数值。由于舰船在寿命期内担负多种任务，必须要制定详细的典型任务剖面。制定任务剖面时应选择最具代表性的几项任务进行描述，这几项任务应尽可能覆盖舰船系统的各种功能。在描述典型任务剖面时应将完成任务整个过程中的各种事件的时序、整个过程环境变化等交待清楚；

4)初始保障方案描述舰船基本的维修、保障方案；

5)国内外相似舰船可靠性参数水平是指开展深入的调研和分析工作，了解并掌握国内外同类型舰船的详细情况，经论证分析后，选择相似舰船作为参考。

如图1所示，本发明一种舰船可靠性定量要求论证方法，其步骤如下：

步骤1，确定舰船可靠性顶层参数指标：通过分析舰船的基本信息及影响舰船可靠性水平的因素，将舰船使用要求转化成舰船可靠性顶层参数的指标。本发明中舰船可靠性顶层参数采用使用可用度(Ao)、固有可用度(Ai)和任务可靠度(Rm)。舰船可靠性顶层参数指标的确定采用使用统计法、作战仿真法、相似产品类比法、相似产品类比和德尔菲法相结合的方法、分解转换法任务需求法中的一种或数种方法实现的。本发明中舰船总体使用可用度可采用相似产品类比和德尔菲法相结合的方法或使用统计法或分解转换法或作战仿真法或相似产品类比法进行确定；舰船总体固有可用度可采用使用可用度转换法或相似产品类比法或可靠性系统仿真法进行确定；舰船总体任务可靠度可采用可靠性系统仿真法或相似产品类比法或作战仿真法或任务需求法进行确定。

步骤2，对舰船可靠性顶层参数指标进行分解：在总体层次将使用要求进行分配，一直分配到设备层次，在设备层次综合考虑后勤保障因素，再以设计指标进行权衡，计算出设备的平均故障间隔时间、平均修复时间和平均保障延误时间，最后预计并检验总体的任务可靠度是否满足要求。如果不满足，则需要重复步骤2对舰船可靠性顶层参数进行分解从而反复迭代得到一个满意的结果，即为可靠性参数目标值。该步骤的具体流程如图4所示。舰船总体可靠性参数指标的分解根据实际情况可采用平均分配法、复杂度法、相似法、评分法、多因子评分系数分配法中的一种或数种方法进行分解。设备层次的平均修复时间采用经验类比法进行确定，设备层次的平均保障延误时间采用工程经验法进行确定，设备层次的平均故障时间依据设备层次的使用可用度、平均修复时间和平均保障延误时间进行确定。

步骤3，确定舰船可靠性参数门限值：舰船的可靠性参数门限值是舰船必须达到的使用指标，它能满足装备的使用要求，是确定最低可接收值的依据。根据步骤2得到的可靠性参数目标值采用杜安(Duane)模型确定舰船可靠性参数门限值。基于杜安(Duane)模型的可靠性指标门限值的确定需要进行以下五个步骤操作：(1)确定新研制舰船成熟期。舰船从设计定型到成熟期有相当长的一段时间，这段时间因不同舰船而长短不一，可以根据工程经验确定；(2)确定影响舰船可靠性增长率的因素。影响舰船的可靠性增长率的因素包括：舰船的复杂程度、进度要求、技术能力、技术成熟度、研制经费、部队使用后改进经费投入、部队使用强度、研制阶段试验强度等；(3)采用简单评分法或层次分析法计算各因素对于可靠性增长的权重系数；(4)利用评判法对影响因素的进行综合评判并计算增长率；(5)利用杜安(Duane)模型式计算门限值。

步骤4，对舰船可靠性参数指标和费用进行权衡：本发明提供三种不同的方法进行权衡，对多个舰船可靠性参数指标方案进行指标和费用的权衡分析，从而确定最优方案。这三种方法分别为：层次分析法、方案优序法和质量评价法。其中，(1)层次分析法进行方案的权衡分为三个步骤：建立层次结构、建立判断矩阵、进行综合权衡；(2)方案优序法是将所有方案针对每个评价指标进行一次优劣排序，再通过对其优序数的计算，进行综合权衡；(3)质量评价法是通过分析每个方案对不同质量特性的属性值，然后计算各方案的相对效应值，继而进行方案的优劣权衡。

步骤5，对舰船可靠性参数指标的技术经济可行性进行分析：(1)对舰船可靠性参数指标的技术可行性分析时首先应掌握该武器装备所提的可靠性参数参数体系及其指标值，然后采用工程经验或相似装备类比的方法展开分析。(2)对舰船可靠性参数指标的经济可行性分析时逐个分析可靠性参数指标对寿命周期费用的影响，以确定所提出的可靠性参数指标是否在经济上可以承受。如果经过步骤5分析后认为舰船可靠性参数指标在技术或经济上缺乏可行性，则需要重复步骤1到步骤5的操作，直到得到满意的结果。

兹举实施案例如下：

本案例以××型舰船为例，陈述本发明一种舰船可靠性定量要求论证方法的应用。

该案例基本信息情况如下：

(1)立项背景及任务需求：

根据××型舰船论证工作的总体布置，开展××型舰船可靠性维修性保障性要求的论证工作。

该××型舰船主要作战对象有：飞机、舰艇、潜艇等。

该××型舰船主要使用作战要求有：(a)担负编队中程区域防空任务；(b)担负驱护编队作战指挥任务；(c)防空作战任务；(d)对海作战任务；(e)反潜、防潜作战任务。

该××型舰船经历的自然环境条件应与其他水面舰艇相似，要求××型舰船在九级海情下安全航行，在减摇鳍工作的情况下，能在五级海况使用舰炮、反潜武器和直升机，在六级海况下发射导弹武器。

(2)舰船基本情况：

××型舰船的总体组成如图3所示，××型舰船的平台组成如图2所示，××型舰船作战系统组成如图5所示。

(3)使用方案信息：

××型舰船使用寿命剖面图如图6所示，××型舰船对空作战任务剖面如图7所示。

(4)初始保障描述信息：

××型舰船的维修体制，与其他水面舰艇相同，根据规范和舰艇条件的规定，分为三级维修制度。其中：I级维修为舰员级维修，在舰上进行；II级维修为中继级维修，在舰船泊岸或海上进行；III级维修为基地级维修，一般均在船厂进行。

另外舰船要进行检修和计划性维修，主要完成日检、周检修、月检修和航行前检修规定的任务。

计划性维修完成坞修、小修和中修，其中：坞修主要对船体进行除污处理，同时修理和维护舰上设备；小修对已到期的设备进行更换改装；中修主要针对舰上大型机电设备的更换，同时结合武器电子设备的现代化改装。

(5)国内外相似舰船可靠性参数水平信息：

与××型舰船相似的有美军某型舰船，其部分可靠性参数水平如表2所示。

在以上××型舰船基本信息的基础上，进行××型舰船可靠性参数的确定工作。

案例实施流程为上述五个步骤。针对本案例，步骤一得到的舰船可靠性顶层参数指标为：舰船总体使用可用度为0.7，舰船总体固有可用度为0.75，舰船总体任务可靠度为0.6；通过步骤二、步骤三、步骤四后，得到了舰船可靠性参数权衡结果，以舰船的动力系统为例(舰船动力系统的结构如图8所示)，其平均故障间隔时间(MTBF)权衡结果如下表3所示；经过步骤五的技术经济可行性分析后，得到了舰船的总体可靠性参数指标以及各分系统和设备的可靠性参数指标，以舰船的动力系统为例，其最终可靠性参数指标数据如下表4所示，舰船的总体可靠性参数指标结果为：总体使用可用度Ao＝0.69；总体任务可靠度Rm＝0.6；总体固有可用度Ai＝0.73。

表2美军某型舰船各分系统固有可用性指标

表3动力系统平均故障间隔时间的权衡

表3中符号说明：MTBF为平均故障间隔时间。

表4动力系统设备RMS指标

表4中符号说明：MTBF为平均故障间隔时间；MTTR为平均修复时间；MLDT为平均保障延误时间。

Claims (10)

1.一种舰船可靠性定量要求论证方法，该方法是以舰船的基本信息为前提，这些基本信息包括立项背景及任务需求、舰船基本情况、使用方案、初始保障方案和国内外相似舰船可靠性水平信息；其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1，确定舰船可靠性顶层参数指标：通过分析舰船的基本信息及影响舰船可靠性水平的因素，将舰船使用要求转化成舰船可靠性顶层参数的指标；该舰船可靠性顶层参数是指舰船订购方根据使用需求提出的影响舰船效能的可靠性参数，它包括有使用可用度、固有可用度和任务可靠度；使用可用度、固有可用度和任务可靠度的指标确定依据舰船使用要求及舰船结构特性采用使用统计法、作战仿真法、可靠性系统仿真法、相似产品类比法、相似产品类比和德尔菲法相结合的方法、分解转换法、任务需求法中的一种或复数种方法进行确定；

步骤2，对舰船可靠性顶层参数指标进行分解：在舰船总体层次将总体可靠性参数指标进行分配，一直分配到设备层次，在设备层次综合考虑后勤保障因素，再以设计指标进行权衡，计算出设备层次的平均故障间隔时间即MTBF、平均修复时间即MTTR和平均保障延误时间即MLDT，最后预计并检验总体的任务可靠度是否满足要求；如果不满足，则需要重新进行步骤2对舰船可靠性顶层参数进行分解从而反复迭代得到一个满意的结果，即为可靠性参数目标值；舰船总体可靠性参数指标的分解根据实际情况采用平均分配法或复杂度法或相似法或评分法或多因子评分系数分配法进行分解；设备层次的平均修复时间采用经验类比法进行确定，设备层次的平均保障延误时间采用工程经验法进行确定，设备层次的平均故障时间依据设备层次的使用可用度、平均修复时间和平均保障延误时间进行确定；

步骤3，确定舰船可靠性参数门限值：根据步骤2得到的可靠性参数目标值采用杜安模型确定舰船可靠性参数门限值；

步骤4，对舰船可靠性参数指标和费用进行权衡：采用层次分析法或方案优序法或质量评价法对复数个舰船可靠性参数指标方案进行指标和费用的权衡分析，从而确定最优的舰船可靠性参数指标方案；

步骤5，对舰船可靠性参数指标的技术经济可行性进行分析：(1)对舰船可靠性参数指标的技术可行性分析时首先应掌握该舰船所提的可靠性参数体系及其指标值，然后采用工程经验或相似产品类比的方法展开分析；(2)对舰船可靠性参数指标的经济可行性分析时逐个分析可靠性参数指标对寿命周期费用的影响，以确定所提出的可靠性参数指标是否在经济上能够承受；如果经过步骤5分析后认为舰船可靠性参数指标在技术或经济上缺乏可行性，则需要重新进行步骤1到步骤5的操作，直到得到满意的结果。

2.根据权利要求1所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：所述的“基本信息”包括有：(1)立项背景及任务需求信息：是用于描述舰船的研制立项背景及使命任务信息；(2)舰船基本情况信息：用于描述舰船的基本组成和主要功能；(3)使用方案信息：是根据舰船研制的任务需求或者其假设的使用想定确定使用方案，明确具体使用要求，并在此基础上详细拟定寿命剖面，并且对任务周期、环境应力和处于各种环境中的时间给出定量数值；(4)初始保障方案：是用于描述舰船的维修、保障方案；(5)国内外相似舰船可靠性水平信息：是指开展深入的调研和分析工作，了解并掌握国内外同类型舰船的详细情况，经论证分析后，选择已有的相似舰船作为参考。

3.根据权利要求1所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：在步骤1中所述的使用可用度、固有可用度和任务可靠度的指标确定方法：是指使用统计法、作战仿真法、可靠性系统仿真法、相似产品类比法、相似产品类比和德尔菲法相结合的方法、分解转换法、任务需求法中的一种或复数种。

4.根据权利要求3所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：该舰船总体的使用可用度的确定采用的方法具体如下：

a)采用相似产品类比和德尔菲法相结合的方法：该相似产品类比和德尔菲法相结合的方法是选用相似舰船作为相似装备，采用相似产品类比和德尔菲法相结合的方法论证，其结果如下：

$A_O=1-(1-A_{\mathrm{OV}})\frac{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}50\·{\mathrm{\α}}_j}{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_j}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}\right)}$

其中，Ao为舰船使用可用度；Aov为相似舰船使用可用度；α_j为第j个因素的权重，Q_ij为第i个专家给第j个影响因素打的分数；k为影响舰船使用可用度因素的个数；n为打分专家的位数；i为第i个打分专家；j为第j个影响因素；

b)采用使用统计法：该使用统计法结合舰船的实际使用情况对各种时间因素进一步明确，区分舰船的使用技术状态，对各种状态的时间进行统计以获取使用可用度的计算式，计算式如下：

Ao＝T_CH/(T_CH+T_TH)

其中，Ao为舰船使用可用度指标；T_CH为可出航时间；T_TH为停航时间；

c)采用分解转换法：该分解转换法是通过建立与在航率的关系，由在航率计算得出使用可用度Ao，其结果如下：

Ao＝k_A×a＝Lse/(Lse-T_JHWX)×a

其中，Ao为舰船使用可用度指标；a为在航率；k_A为转换系数；Lse是为舰船使用寿命；T_JHWX是为舰船总的计划维修时间；

d)采用作战仿真法：该作战仿真法是通过作战对抗仿真，分析舰船可靠性水平对作战的影响，得出满足作战需求的使用可用度；

e)采用相似产品类比法：该相似产品类比法是通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船的使用可用度指标。

5.根据权利要求3所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：该舰船总体的固有可用度的的确定采用的方法具体如下：

a)采用分解转换法：该分解转换法是通过建立与使用可用度的关系，由使用可用度计算得出固有可用度Ai，其结果如下：

$A_i=k\×A_O=(1+\frac{T_{\mathrm{ALT}}}{T_O+T_{\mathrm{CMT}}})\×\mathrm{Ao}$

其中，Ai为舰船的固有可用度；Ao为舰船的使用可用度；k为转换系数；T_O为能工作时间；T_ALT为管理和保障资源延误时间；T_CMT为修复性维修总时间；

b)采用相似产品类比法：该相似产品类比法是通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船的固有可用度指标；

c)采用可靠性系统仿真法：该可靠性系统仿真法通过可靠性系统仿真模型计算，得出舰船总体固有可用度指标。

6.根据权利要求3所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：该舰船总体的任务可靠度的确定采用的方法具体如下：

a)采用可靠性系统仿真法：该可靠性系统仿真法是通过可靠性系统仿真模型计算，得出舰船总体任务可靠度指标；

b)采用相似产品类比法：该相似产品类比法是通过对现役舰船的信息数据统计，分析现役舰船的相应参数达到的水平，从而确定舰船总体任务可靠度指标；

c)采用作战仿真法：该作战仿真法是通过作战对抗仿真，分析舰船可靠性水平对作战的影响，得出满足作战需求的舰船任务可靠度；

d)采用任务需求法：该任务需求法是通过对舰船的使命任务要求分析，得出满足使命任务要求的舰船任务可靠度。

7.根据权利要求1所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：在步骤2中所述的舰船总体可靠性参数指标的分解：根据实际情况采用平均分配法或复杂度法或相似法或评分法或多因子评分系数分配法进行分解；这五种方法的具体情况如下：

(1)采用平均分配法：该平均分配法是对每一底层次部件分配同样的某可靠性参数值，当部件相似时用此方法最有效，其定义如下：

${\left(X\right)}_j=\sqrt[N]{{\left(X\right)}_s}$

其中，(X)_j为系统低一层次的第j个分系统的某可靠性参数值；(X)_s为系统的某可靠性参数值；N为系统低一层次的分系统的个数；j为系统低一层次的第j个分系统；

(2)采用复杂度法：该复杂度法是通过加权来描述产品的复杂性，现采用部件记数的办法来加权，利用部件所含器件数作为复杂度的衡量，其定义如下：

${\left(X\right)}_j={\left(X\right)}_s^{k_j}={\left(X\right)}_s^{n_j/\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$

其中，k_j为复杂度；(X)_j为系统低一层次的第j个分系统的某可靠性参数值；(X)_s为系统的某可靠性参数值；n_j为第j个分系统的基本构成部件数；N为系统低一层次的分系统的个数；j为系统低一层次的第j个分系统；

(3)采用相似法：新设计的系统与老系统相似，且有老系统及其分系统某可靠性参数数据，用相似法进行分配，其定义如下：

其中，X_s新为新设计系统的某可靠性参数值；X_s老老系统的某可靠性参数值；X_i新新设计系统低一层次第i个产品的分配的某可靠性参数值；X_i老老系统低一层次的第i个产品的某可靠性参数值；i为系统低一层次的第i个分系统；

(4)采用评分法：该评分法是对底层次的分配依赖要分配层次的部件的设计成熟性、复杂度、重要度和每个项目的环境条件、保障性数据，其定义如下：

${\left(X\right)}_i={\left(X\right)}_s^{C_i},$ 且 $C_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{\ω}}=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{r}_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{r}_{\mathrm{ij}}$

其中，C_i为第i个分系统的评分系数；r_ij为第i个分系统第j个因素的评分系数；(X)_i为系统低一层次的第i个分系统的某可靠性参数值，(X)_s为系统的某可靠性参数值；ω_i为第i个分系统的评分数；ω为系统低一层次的所有分系统的评分数总和；n为分系统的个数；k为评分考虑的影响因素的个数；i为系统低一层次的第i个分系统；j为第j个影响因素；

(5)采用多因子评分系数分配法：该多因子评分系数分配法借用评分法思路，在确定各评分因子时，尽量减少专家评分的主观判断，而运用已有设计资料确定各评分因子，求出评分系数，按下式求出各分配单元分配值：

${\left(X\right)}_j={\left(X\right)}_s^{K_j}$

其中，(X)_j为系统低一层次的第j个分系统的某可靠性参数值，(X)_s为系统的某可靠性参数值；K_j为系统低一层次的第j个分系统的评分系数；j为系统低一层次的第j个分系统。

8.根据权利要求1所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：在步骤2中所述的设备层次的平均保障延误时间：采用工程经验法进行确定；参照目前我国供应体制和维修体制，设备层次的平均保障延误时间按照以下工程经验模型进行确定：

MLDT＝(1+α)k₁{p₁t₁+(1-p₁){p₂t₂+(1-p₂)t₃}}

其中，MLDT为平均保障延误时间；α为非主要因素；引起的延误时间按其占备件引起延误时间的百分比；k₁为设备出现故障时，需要备件的修复性维修活动的百分数；t₁为从库存得到一个备件需要的反应时间；t₂为供应部门供应备件的平均反应时间；t₃为获取临时订货备件的平均反应时间；p₁为备件满足率；p₂为仓库无法满足备件时供应部门能供应的备件满足率。

9.根据权利要求1所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：在步在步骤2中所述的设备层次的平均故障间隔时间：依据设备层次的使用可用度、平均修复时间和平均保障延误时间进行确定；

对于连续使用的设备，其平均故障间隔时间计算公式如下：

$\mathrm{MTBF}=\frac{\mathrm{Ao}}{1-\mathrm{Ao}}\×(\mathrm{MTTR}+\mathrm{MLDT})$

对于连续使用的设备，其平均故障间隔时间计算公式如下：

$\mathrm{MTBF}=\frac{1}{K^{\′}\×(1-\mathrm{Ao})}\×(\mathrm{MTTR}+\mathrm{MLDT})$

其中，MTBF为设备的平均故障间隔时间；MTTR为设备的平均修复时间；MLDT为设备的平均保障延误时间；Ao为设备的使用可用度；K′为舰船工作时间与设备运行时间的比值。

10.根据权利要求1所述的一种舰船可靠性定量要求论证方法，其特征在于：在步骤4中所述的层次分析法、方案优序法、质量评价法，其具体情况如下：

(1)层次分析法：该方法是一种定性评价与定量评价相结合的综合评价方法。该方法通过建立层次结构、建立判断矩阵、进行综合权衡这三步实现对方案的权衡；建立层次结构时，根据所评价的对象，将所包含的因素分组，每一组作为一个层次；按照最高层，有关的中间层和最低层的形式排列起来；建立的判断矩阵是用于表示针对上一层次某元素，本层次有关元素间相对重要性的状况；进行综合权衡时首先进行单层次排序即根据判断矩阵计算对于上一层某元素而言，本层次与之有联系的元素重要性的权值，然后进行层次总排序即利用同一层次中所有层次单排序的结果，计算针对上一层次而言本层次所有元素重要性的权值；

(2)方案优序法：该方法是将所有方案针对每个评价指标进行一次优劣排序，再通过对其优序数的计算，进行综合权衡；

(3)质量评价法：该方法是通过分析每个方案对不同质量特性的属性值，然后计算各方案的相对效应值，继而进行方案的优劣权衡。

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