Fiabilidad y Mantenibilidad en el diseño cuando el mantenimiento es parte de la operación normal de un buque.

Carmen López de Rojas 12 de abril de 2022

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Carmen López de Rojas

Ingeniería Conceptual de Apoyo al Ciclo de Vida
Navantia.

RESUMEN

A la hora de diseñar un sistema complejo, como es un buque militar, con escenarios de misión muy demandantes y cambiantes, sometidos a perfiles de alistamiento que pueden incluir ausencias de su base de apoyo muy dilatadas en el tiempo, la consideración de los requisitos de Fiabilidad y Mantenibilidad en las primeras etapas del diseño se vuelve fundamental para conseguir el éxito en el desarrollo de las misiones. En estas fases es, por tanto, necesario contar con un modelo de ARM adecuado.

En este entorno de operación, es necesario tener en cuenta, que un buque incorpora parte de su sistema de apoyo y que las actividades de mantenimiento forman parte de la propia operativa a seguir durante las misiones. Esta circunstancia provoca una interdependencia entre las características de Mantenibilidad y Fiabilidad de los diferentes Sistemas, Subsistemas y Equipos que componen el buque. Resulta crítico tener un análisis de esta interdependencia en las fases más iniciales del proyecto cuando aún los cambios en el diseño son factibles técnica y económicamente.

Una de las tareas que resulta más crítica a la hora de comenzar con los análisis de Fiabilidad y Mantenibilidad en las fases iniciales del proyecto es la definición del Concepto de Operaciones del buque, establecimiento de los perfiles de misión, la lista de sistemas que compone el buque y la participación de estos en cada fase de las misiones. La fuerte dependencia temporal de los parámetros de Fiabilidad y Mantenibilidad obliga a desarrollar con el mayor detalle posible los perfiles de misión a considerar, definiendo cada una de sus fases con sus tiempos correspondientes.

Actualmente, en Navantia se está trabajando en desarrollar el modelo de ARM en fases iniciales que consiga resolver las necesidades que se plantean ante este tipo de proyectos.

INTRODUCCIÓN

Cuando una Armada se plantea la adquisición de un nuevo buque para incorporarlo a su flota, uno de sus objetivos es alcanzar el valor de Disponibilidad Operativa (AO) adecuado para el uso al que va a estar destinado. Bien sea por una evaluación de la disponibilidad operativa de sus unidades en servicio o por criterios doctrinales, el valor objetivo para AO queda habitualmente [1] establecido en las etapas más tempranas de los programas de adquisición.

El valor objetivo para AO debe ser transformado en una serie de requisitos que deben ser tratados durante el diseño del nuevo buque de un modo similar a los requisitos de autonomía, velocidad o capacidad de personal.

Cada disciplina implicada en el proyecto recopila sus requisitos de alto nivel y comienza el desarrollo del diseño del buque siguiendo sus prácticas habituales, estableciendo nuevos requisitos derivados de los primeros. Igualmente, la disciplina involucrada en el desarrollo de los requisitos de ARM debe recoger el requisito de alto nivel asociado al valor de AO establecido y desarrollar e implementar la estrategia necesaria para su correcto tratamiento.

MOTIVACIÓN

La bibliografía habitual de consulta establece la formulación necesaria para evaluar la Disponibilidad Operativa de un Sistema en base a las cualidades de sus componentes.

En el caso de Programas de adquisición de unidades navales militares, en los que no existe la figura de prototipo sobre el que evaluar las prestaciones obtenidas y poder realizar correcciones, es necesario establecer los mecanismos adecuados durante el diseño que aseguren la consecución “a la primera” de los valores de AO fijados para el Sistema completo.

Esta tarea es especialmente crítica en las etapas iniciales del diseño, cuando los cambios en las especificaciones son razonablemente factibles en plazo y coste y se puede conseguir un mayor impacto en los resultados finales. Sin embargo, en esta fase de un Proyecto, el Sistema aún es un conjunto de esquemas e ideas que están muy lejos de representar lo que finalmente será el Producto Final.

Es necesario establecer un camino que permita ligar el objetivo de AO del Programa con los requisitos a imponer al diseño de los distintos elementos del Sistema (estrategia Top-Down), antes de realizar la correspondiente verificación del objetivo alcanzado a través del diseño finalmente establecido (estrategia Bottom-Up).

OBJETIVOS

El objetivo que persigue el trabajo aquí expuesto es ofrecer unas pinceladas sobre esos primeros pasos a desarrollar en las etapas iniciales del diseño de cara a la consecución del objetivo de AO establecido en el Programa.

Para ello se va a comenzar estableciendo las definiciones de disponibilidad, disponibilidad operativa y tiempos a considerar para su aplicación. A continuación, se va a hacer una reflexión de lo que significan dichos conceptos en el contexto de la operación de un buque militar. Seguidamente, se expondrá la metodología sugerida para la traslación del requisito de AO al diseño del Sistema para finalmente enunciar los resultados y conclusiones obtenidas de su aplicación en los Programas desarrollados por Navantia.

DEFINICIONES

Disponibilidad

La Disponibilidad es una medida del grado en el que un elemento se halla en estado operativo al comienzo de una misión, cuando la misión se presenta en un momento cualquiera (aleatorio). Este parámetro establece una relación entre los tiempos en funcionamiento o “Up” del sistema y de mantenimiento o “Down” dentro del periodo de alistamiento de la unidad.

Existen distintas métricas aceptadas para la medición de la Disponibilidad según los tiempos que se consideren en su cálculo.

Disponibilidad Operativa

La AO, dentro de las métricas de disponibilidad, es aquella que establece la probabilidad de que un sistema funcione satisfactoriamente en un momento dado cuando se usa en un entorno de operación y soporte real. Su formulación responde a:

Donde:

MTBF= Tiempo Medio entre Fallos (Mean Time to Failure)

MTTR= Tiempo Medio para Reparar (Mean Time To Repair)

MLDT= Tiempo Medio de Retrasos Logísticos (Mean Logistics Delay Time)

Disponibilidad de un Buque Militar

Para poder entender los tiempos implicados en el cálculo de AO es necesario definir cómo se estructuran los tiempos en el concepto de operación de un buque militar. Esta estructura de tiempos se muestra en la siguiente figura:

Donde:

• Tiempo Alistado: Es el tiempo previsto de posible uso del sistema dentro del tiempo total. A su vez se divide en:
  • Tiempo Disponible: Parte del tiempo de alistamiento en que el sistema está en condiciones de desempeñar su misión. Esta componente temporal está regida por la Fiabilidad (relacionado con MTBF) del sistema. Este tiempo incluye:
    • Tiempo disponible fuera de Misión: Tiempo disponible en que el buque, aun siendo capaz, no está desempeñando su misión.
    • Tiempo de Misión: Tiempo disponible en el cual el buque se encuentra desempeñando su función. Dentro de este tiempo se incluye también el Tiempo para Restaurar Funciones durante la Misión, que es el tiempo de mantenimiento desempeñado durante el tiempo en misión.
  • Tiempo No Disponible: Parte del tiempo de alistamiento en que el sistema no está en condiciones de desempeñar su función. Este tiempo incluye:
    • Mantenimiento Correctivo: Tiempo dedicado a la realización de las tareas correctivas necesarias para restaurar la capacidad de misión del buque. Esta componente temporal está regida por la Mantenibilidad del sistema (relacionado con MTTR).
    • Retrasos: Tiempo en que el buque no está disponible debido a retrasos derivados de la organización del usuario (relacionado con MLDT).
• Tiempo No Alistado: Es el tiempo sin uso previsto del sistema dentro del tiempo total. Incluye a su vez:
  • Tiempo Sin Uso Previsto: Tiempo en que no se espera usar el buque.
  • Mantenimiento Preventivo: Tiempo en que el buque no puede usarse debido a tareas de mantenimiento preventivo.
  • Modernizaciones: Tiempo en que el buque no puede usarse debido a tareas de modernización del sistema.

A continuación, se muestra un ejemplo de los requisitos que definen el perfil operativo para un nuevo buque militar:

De esta manera, y de acuerdo con la Figura 1, quedan determinados de forma directa los siguientes elementos:

• Tiempo Alistado: 85%
  • Tiempo Disponible: 85% del tiempo de Alistamiento (72% del tiempo total)
    • Tiempo de Misión: 50% del tiempo total (58,8% del tiempo alistado)
    • Tiempo Disponible Fuera de Misión: 41,2% del tiempo alistado
    • Tiempo No Disponible: 15% del tiempo de Alistamiento (28% del tiempo total)
• Tiempo No Alistado: 15%
  • Tiempo de Mantenimiento Preventivo + Modernizaciones: 10% del tiempo total
  • Tiempo sin Uso previsto: 5% del tiempo total

Este es el punto de partida a partir del cual se debe proceder a establecer qué implican estos tiempos en el diseño de los distintos subsistemas y equipos que componen el buque a fin de integrarlos en los requisitos de diseño de los mismos en las etapas iniciales del proyecto.

METODOLOGÍA

Introducción

El Programa de Adquisición de un Buque Militar alcanza un hito relevante cuando quedan finalmente fijados los requisitos a imponer. Es en este momento donde aparece el contratista principal, cuyo rol es el de diseñador/integrador del buque, encargándose de la definición de los subsistemas que componen el buque a partir de componentes o equipos suministrados. El proyecto comienza con el diseño conceptual del buque, donde se establecen los subsistemas que lo van a conformar y se definen y dimensionan aquellos subsistemas más relevantes en cuanto a funcionalidad, dimensionamiento, peso y coste del buque. Esta etapa sienta las bases de las etapas posteriores del diseño. De acuerdo con la bibliografía clásica, en esta etapa queda comprometido cerca del 70% del coste del ciclo de vida del sistema y sus principales prestaciones (entre ellas sus características de ARM), aunque aún no se sepa su valor.

Por tanto, es en la fase conceptual del diseño donde existe una oportunidad mayor de influir en las características de ARM del sistema y se deben tratar sus requisitos adecuadamente para evitar no cumplimientos en las evaluaciones que se realizarán de los mismos en las etapas finales del proyecto, cuando ya tienen difícil o ninguna solución.

Planteamiento del Problema

A la hora de abordar el diseño de un buque, una de las primeras tareas a realizar es establecer la descomposición funcional del sistema (Functional Breakdown Structure, FBS), de modo que queden asignados los requisitos del Programa a cada una de las funciones que debe satisfacer. Posteriormente, dichas funciones serán cubiertas por los diferentes subsistemas cuya integración conformará el buque completo. Surge, por tanto, la necesidad de asignar los requisitos que afectan al sistema completo a cada uno de los subsistemas que lo componen.

En el caso del requisito de A0, que corresponde al buque completo, es necesario aplicar un proceso de asignación de requisitos sobre los subsistemas, de modo que se puedan aplicar verificaciones parciales sobre los mismos, de modo que se establezca un procedimiento de validación gradual del cumplimiento del requisito de alto nivel fijado para el buque.

Esto es a lo que intenta dar respuesta el procedimiento descrito a continuación.

Procedimiento

El procedimiento planteado para la asignación de requisitos a los subsistemas para la consecución del valor de A0 para el buque completo responde a la siguiente figura:

Todas estas tareas y actividades deben estar gobernadas, junto con los demás requisitos de ARM que se establezcan, por el Plan de ARM del Proyecto.

El responsable de la definición, planificación y realización de todas estas tareas es el contratista principal, aunque para su adecuada ejecución y la obtención de los mejores resultados posibles es necesaria la participación activa del usuario del producto final.

Definición completa de tiempos

La primera actividad que se debe realizar es tratar de completar la tabla de tiempos correspondientes a los diferentes elementos. De los requisitos de partida se han podido establecer algunos de forma directa, pero es necesario ahondar en la definición de los demás y establecer sus implicaciones en el proyecto.

• Fiabilidad: La Fiabilidad del buque gobierna el tiempo disponible, sin embargo sólo el tiempo en misión va a suponer el funcionamiento de los subsistemas y equipos que lo componen, por lo que sólo el tiempo en misión será el que provoque fallos en los sistemas. Dentro de la misión del buque, existen tiempos disponibles para la ejecución de mantenimientos a bordo, tanto correctivos como preventivos, compatibles con el correcto funcionamiento de los subsistemas. Esa posibilidad debe ser tenida en cuenta a la hora de establecer la fiabilidad de los subsistemas, entendida como funcionamiento sin fallos “no subsanables” durante la misión.

• Mantenibilidad: Se establecen en los requisitos periodos de tiempo significativos para la realización de los mantenimientos preventivos que no pueden ser realizados durante las misiones del buque, estas reservas de tiempo se ubican en los intervalos de no alistamiento del buque a fin de no afectar a su disponibilidad. Por otra parte, la A0 establecida gobierna los tiempos de no disponibilidad del buque dentro de su periodo de alistamiento. Este tiempo está formado a su vez por los tiempos de mantenimiento correctivo (no ejecutables durante la misión) y los retrasos del sistema de apoyo logístico.

De esta manera se obtiene el objetivo de Mantenibilidad, y en consecuencia el de Fiabilidad correspondiente:

El objetivo de Fiabilidad, como valor de MTBF depende de las características intrínsecas del sistema (característica inherente), por lo que está completamente en manos del contratista su cumplimiento. En el caso de la Mantenibilidad, el valor de MTTR es nuevamente una característica inherente al sistema y por tanto competencia del contratista, no así el valor de MLDT, que depende del sistema de apoyo logístico del usuario, por lo que deberá existir dentro de los trabajos orientados a la mantenibilidad un trabajo conjunto con el usuario para armonizar los tiempos de MMTR y MLDT para poder alcanzar el requisito definido.

En este momento, aparecen dos líneas de trabajo, relacionadas entre sí, relativas a los objetivos de Fiabilidad y Mantenibilidad fijados.

Cruce Misiones-Sistemas

El buque se compone de un gran número de subsistemas que, si bien todos contribuyen a las prestaciones finales del sistema, no todos están involucrados en la consecución de las misiones establecidas.

Por esta razón, debe realizarse una categorización de los subsistemas en base a su impacto en la misión de modo que se obtenga una lista de subsistemas que serán los candidatos a los análisis de ARM.

Suelen establecerse distintos perfiles de misión para los buques. Estos perfiles deberán analizarse en detalle, estableciéndose las fases en las que se componen. Estos perfiles, si bien comparten el grueso de los sistemas en funcionamiento, tienen elementos diferenciadores. En este sentido, dentro de esta actividad deberá tratarse de establecer los subsistemas que participan en cada fase, su modo de operación, sus criterios de fallo, así como los umbrales de funcionamiento degradado. Esta información será fundamental para los posteriores análisis.

Asignaciones de Requisitos de Fiabilidad y Mantenibilidad a los Sistemas Candidatos

Sobre los sistemas que se consideran candidatos a análisis, deben asignarse los requisitos de Fiabilidad y Mantenibilidad que les corresponde, en base a su participación en las misiones, sus tiempos de uso previstos y el conocimiento previo que se tiene del mismo.

Estimación preliminar de Fiabilidad de los Sistemas Candidatos

A partir de la información disponible (especificaciones, dimensionamientos, planos y esquemas, diseño de sistemas similares, etc.), se debe proceder a una evaluación preliminar de la Fiabilidad de los sistemas candidatos a fin de poder establecer medidas correctoras en caso de detectar no cumplimientos:

• Establecer valores mínimos de MTBF a imponer a los equipos en sus Especificaciones Técnicas de Compra
• Establecer la reparabilidad durante la misión de algunos equipos
• Proceder al rediseño si no se pueden alcanzar los objetivos con las medidas anteriores

La reparabilidad durante la misión, o reparabilidad a bordo, debe establecerse teniendo en cuenta los criterios doctrinales del usuario con respecto a las tareas de mantenimiento a bordo, conjugándolo con los criterios de fallo considerados para el sistema en los diferentes escenarios de misión.

De esta actividad se tendrán recomendaciones al diseño de los sistemas, requisitos logísticos de los equipos para sus Especificaciones de compra (MTBF, reparabilidad), requisitos al plan de mantenimiento de a bordo (listas de tareas, necesidad de personal y de repuestos, etc.) y la lista de fallos no reparables a bordo y su prevalencia a analizar en los planes de mantenimiento en tierra y su evaluación en las tareas de mantenibilidad.

SIGUIENTES PASOS

Las tareas explicadas son las que se deben realizar en las etapas conceptuales del diseño. Estas han generado un gran volumen de información que será el input para actividades de fases posteriores, como son el desarrollo de los planes de mantenimiento, tanto a bordo como en tierra, definición de las necesidades de acopio de material para los almacenes, tanto de a bordo como de tierra, definición de Especificaciones Técnicas de Compra de equipos, etc.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos con la aplicación de esta metodología en los programas de Navantia han sido los siguientes:

• Objetivos de Fiabilidad de los subsistemas del buque implicados en las misiones para su posterior evaluación mediante simulaciones con RBD
• Objetivos de Mantenibilidad en tierra a gestionar y evaluar a través de los planes de mantenimiento y aprovisionamiento.
• Requisitos logísticos a establecer en las Especificaciones Técnicas de Compra de los equipos
• Recomendaciones al usuario relativas a su sistema de apoyo.

CONCLUSIONES

El impacto en las prestaciones de ARM que tienen las decisiones de diseño realizadas en las etapas iniciales del diseño, cuando aún no están siquiera definidos los equipos que van a conformar los sistemas, hace necesario establecer los mecanismos adecuados para su correcto tratamiento en el diseño a fin de asegurar su cumplimiento final cuando aún es posible influir en la especificación del sistema.

La estrategia de ARM a seguir estará fuertemente condicionada por el tipo de sistema a proyectar, los requisitos de ARM impuestos y las particularidades de uso del usuario final, en este caso una Armada. Se convierte en labor fundamental del Contratista Principal conocer todas estas particularidades y articular el procedimiento que lo lleve a conseguir la correcta integración de estos requisitos en el diseño.

La bibliografía existente ofrece múltiples alternativas para la posterior evaluación de los valores alcanzados a partir de revisiones del diseño, por lo que es en la asignación de los requisitos para establecerlos como inputs al diseño donde debe centrarse los esfuerzos.

Trabajos posteriores deberán tratar de incluir, en las actividades planteadas, un análisis de sensibilidad que permitan evaluar el impacto de un cambio en el perfil operativo o de misión del buque en sus prestaciones de ARM a fin de ofrecer, no sólo el cumplimiento del requisito de A0 bajo unas condiciones de operación tan delimitadas, sino un abanico de escenarios compatibles con los requisitos.

BIBLIOGRAFÍA

1. OPNAVINST 3000.12ª Operational Availability of Equipments and Weapons Systems
2. MIL-HDBK-470A Designing and Developing Maintainable Products and Systems
3. MIL-STD-721C Definitions of Terms for Reliability and Maintainability[2]
4. Systems Engineering and Analysis, 5th Edition. Benjamin S. Blanchard y Wolter J. Fabrycky

REFERENCIAS

[1]. En Programas basados en proyectos existentes puede darse el caso de no establecer un valor objetivo sino fijar como requisito el valor de AO finalmente alcanzado en `2]el proyecto de referencia.

[2] Actualmente este estándar se encuentra cancelado, pero las definiciones incluidas siguen estando vigentes.