第1章 概 述
本章作为全书的开篇,首先较为系统地探讨海军舰船的各类特点,对舰船总体的定义进行讨论和分析,给出舰船总体的相关概念,具体包括舰船总体可靠性、舰船总体维修性、舰船总体测试性、舰船总体战备完好性指标的选择,以及舰船总体可靠性、维修性与战备完好性之间的关系等。
1.1 海军舰船的特点及其分析
随着现代科学技术的发展和作战需求的不断提高,现代海军舰船越来越呈现出以下方面的特点[1]。
(1)从表现特点(通用特点和外在特点)来看:海军舰船的排水量越来越大、自动化程度越来越高(相对人员数量和单位排水量人员数量越来越少)、单舰作战能力越来越强、单舰费用越来越高。
(2)从技术特点(研制特点)来看:一是分系统数量众多,现代大型舰船的系统组成十分复杂,分系统数量庞大。以海军常规水面舰船为例,一般包括十个以上���一级系统(分系统),进而可继续分为众多所属的下级系统(子系统或设备)等。二是系统性质复杂,既有机械、电气类系统,又有电子类系统,还有机电(机械-电气、机械-电子、电气-电子)复合系统等。三是各系统技术状态不一,其中既有延用系统(成熟),又涉及性能数据的认可。四是有全新系统(新研),涉及性能数据要求的提出。五是有局部改进系统(混合),涉及性能数据的改进。
(3)从使用特点来看:舰船服役期长,整个服役期被计划修理(即等级维修)人为地划分成一组基本等长度的序列可使用阶段;在每个可使用阶段中,舰上系统设备的使用模式包括连续、间断、脉冲、单次使用等;在平时和战时使用中,对舰上系统设备的使用均涉及多个作战阶段、多种典型剖面、多种使用工况,同一个系统的串、并、混、表决等连接方式众多,而且各舰上系统的使用频率、强度差别很大。
海军舰船的以上特点,给从总体角度研究舰船装备的可靠性、维修性、测试性问题带来了许多困难,详见本书后续章节的分析。
1.2 舰船总体的定义与分析
根据调研和分析,目前军船界对于什么是舰船总体并无明确定义,只是非正式地分别存在大总体和小总体的说法。
(1)大总体包括全舰各系统协调、指标分配、抓总、接口等。
(2)小总体包括平台的性能、结构、强度、布置、外形等。
舰船的设计过程实质上是一个对分系统的设计进行综合的过程[2],因此舰船设计必须是在大部分分系统设计完毕(或明确相关要素)以后才开始的,如图1.1所示。
图1.1 舰船总体设计过程
根据分析,舰船总体及其总体设计是将全舰看成一个整体系统的综合,并包括在全舰众多的系统(设备)之间进行综合协调。在设计过程中各系统之间的矛盾很多,舰船总体综合的目的之一就是协调各种冲突和矛盾,使全舰成为一个协调运转的整体。
因此,可以明确,舰船总体就是舰船全系统,包含全舰所有的系统设备。为避免混淆,不妨称其为舰船系统。它的下一级就是舰船的各级分系统(或称一级系统、二级系统 ),如图1.2所示。
图1.2 舰船总体及其组成示意图
舰船本身是一个系统,然而人们一般将其称为舰船总体而不带系统二字,将舰船所属的各个分系统称为系统,如动力系统、电力系统等。这些系统所属的组成部分还可以划分为分系统或设备,例如,动力系统由主机、燃油、滑油各个分系统组成,也可以直接划分为具体的设备等。考虑处理上的方便,也为了免于陷入各种烦琐的系统划分的纷争之中,本书将舰船划分为“总体-系统-设备”三个层次。
本书的研究对象为常规水面舰船或常规水面舰艇,写作背景为常规水面舰船遂行常规作战任务。为了表达方便,本书将其划分为如图1.3所示的系统[3]。
图1.3 水面舰船系统组成
根据图1.3,全舰各个系统在总体层次的作用及各系统对总体的贡献可归纳如下。
(1)船体系统:提供舰船漂浮的能力,以及舰上各类装备设备的支撑能力等。
(2)动力系统:提供舰船运动的能力等。
(3)电力系统:提供全舰电力供应及消磁等能力。
(4)船舶系统:提供舰船在水中固定及保持航向的能力等。
(5)船舶保障系统:提供舰上人员生活和保障能力(饮食、通风、空调、消防、洗消)等。
(6)通信系统:提供舰船与外界、内部的联系能力等。
(7)导航系统:提供舰船定位能力等。
(8)警戒探测系统:提供舰船对海、空目标的探测能力,敌我识别能力等。
(9)水声系统:提供舰船对水下目标的探测能力等。
(10)水声对抗系统:为舰船提供近距离水中目标的防御能力。
(11)作战(本舰)指挥系统:对本舰相关装备提供指挥信息等。
(12)编队指挥系统:对编队相关装备提供指挥信息等。
(13)舰舰导弹系统:为舰船提供中远距离对海覆盖能力。
(14)舰空导弹系统:为舰船提供中远距离空中目标的防御能力。
(15)主炮系统:为舰船提供中距离对海覆盖能力,并提供部分对空射击能力等。
(16)副炮系统:为舰船提供末端对空防御能力和近距离对海覆盖能力等。
(17)电子战系统:为舰船提供对空目标的干扰能力等。
(18)舰载反潜系统:为舰船提供中远距离对水下目标的覆盖能力。
(19)直升机系统:为舰船提供搜救、中远距离对海和水下目标的覆盖能力。
(20)直升机舰面系统:为舰船携载直升机提供保障能力。
以上各个系统总的来说对于舰船都是必不可少的,但是它们又都是在不同的情况下发挥作用的,这就涉及不同的作战或使用剖面,也涉及舰船总体层次的指标在不同剖面下的组成和包含范围问题。详见后续章节的分析。
1.3 舰船总体相关概念的定义与分析
1. 若干基本概念
首先,引述几个来自《可靠性维修性保障性术语》(GJB 451A—2005)[4]中的基本概念。
(1)战备完好性:装备在平时和战时使用条件下,能随时开始执行预定任务的能力。
(2)可用性:产品在任一时刻需要和开始执行任务时,处于可工作或可使用状态的程度。可用性的概率度量称为可用度。
(3)可靠性:产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。
(4)维修性:产品在规定的条件下和规定的时间内,按规定的程序和方法进行维修时,保持或恢复到规定状态的能力。
(5)测试性:产品能及时并准确地确定其状态(可工作、不可工作或性能下降),并隔离其内部故障的能力。
(6)任务可靠性:产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。
(7)任务成功性:装备在任务开始时处于可用状态的情况下,在特定任务剖面内完成规定功能的能力。它取决于任务可靠性和任务维修性,原称为任务可信性。
2. 研究起点和分析的思路
为了清楚地进行问题定义,这里从舰船效能发挥的角度进行分析。
海军舰船存在的根本性目的是及时、可靠、有效地执行各种任务。这意味着在需要时它能及时出动(战备完好性、可用性),在执行任务过程中可靠有用(任务可靠性和任务成功性),并具有足够的能力(舰船常规性能)。美国工业界武器系统效能咨询委员会(Weapon System Effectiveness Industry Advisory Commission, WSEIAC)的效能评价模型可以对以上思路进行基本的描述[5,6]。
E=ADC(1.1)
舰船在执行任务时所发挥出来的作战能力C由舰船的常规性能,如航行性能、探测-攻击-防御性能来提供;而这个作战能力C发挥作用的前提就是舰船的战备完好性(可用性)和任务成功性。式(1.1)表明,后两者共同支撑着舰船能力的发挥。它们所涉及的性能,如舰船的五性(可缩写为RMSST),包括可靠性、维修性、**性、保障性、测试性,可以称为舰船的扩展性能。限于篇幅及性质,以下仅探讨舰船的扩展性能,即以上所叙的五性。
舰船五性的根本目的就是提供舰船的战备完好性A和任务成功性D作为一个基础,以便发挥舰船(由常规性能所提供)的作战能力C,使舰船的作战能力及时、适时、全额地发挥出来。换句话说,在E=ADC中,E为舰船的**目标(海军舰船存在的根本性目的),即效能指标;C为由舰船常规性能所提供的作战能力,如对海、对空、反潜、对陆攻击等;A、D是C所能发挥的前提条件之一。舰船性能各类的共同目的及其层次关系如图1.4所示。
图1.4 舰船性能各类的共同目的及其层次关系
图1.4的含义为:在第三层次中,舰船扩展性能(五性)共同支撑着舰船的战备完好性A和任务成功性D,而舰船常规性能则提供其作战能力C(本书对此不展开研究);第二层次的三项指标共同提供舰船效能E。
在以上五性中,**性是相对独立的一个方面,可以单独进行研究;保障性因与可靠性、维修性、测试性之间存在较为复杂的关系,本节不予以探讨。因此,图1.4又可以简化为如图1.5所示的形式。
图1.5 五性的共同目的及其层次关系(简化)
3. 建模思路与方式
由以上分析可知,从舰船总体的角度来说,联系可靠性、维修性、测试性的核心之一是舰船总体战备完好性指标(可用性指标)。可以通过适当的方式与模式,确定其合理的指标要求以后,将其分配到各个系统、设备,再采取适当的模式,确定各个系统、设备的可靠性、维修性等指标。
在图1.5中,任务成功性也是舰船总体的指标之一,因此本书也需要对此展开相关研究,使其与战备完好性指标共同起到相辅相成的作用。
在从舰船总体角度出发考虑系统设备的可靠性、维修性、测试性定量要求建模的过程中,总的指导思想是采用自上而下的分解思路,指标分解过程是全舰→系统→设备。这样可以确保在定量指标的表达传递上,存在设备保证系统、系统保证全舰的整体系统观,如图1.6所示。
图1.6 可靠性、维修性、测试性定量要求建模指导思想
在定量指标的选择上,全舰级和系统级均采用战备完好性指标(具体指标的定义和建模另行确定),在系统设备级采用可靠性、维修性指标,以及对应的测试性指标的组合。这样可以确保各个层次在指标选择和定义方面不存在矛盾和歧义。
其中,在系统-设备层次,其总的指导思想是:各设备的可靠性指标+维修性指标构成系统的战备完好性指标。由于测试活动是维修活动的一个前导部分,因此设备的测试性指标与维修性指标可进行协调、权衡,并与可靠性指标一起共同决定系统的战备完好性指标,如图1.7所示。
图1.7 系统设备级指标间的关系