基于STT與模糊QFD的裝備質(zhì)量特性分解方法

郭婧宜 孫宇鋒 吳寒雪 趙廣燕

(北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191)

質(zhì)量工程和系統(tǒng)工程學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了質(zhì)量概念的不斷演進(jìn)［1］，現(xiàn)代質(zhì)量觀認(rèn)為質(zhì)量包含了系統(tǒng)所要滿足的全部使用要求特性的總和.

在武器裝備論證工作中，為評(píng)價(jià)裝備系統(tǒng)方案的優(yōu)劣，必須采用某種尺度去度量系統(tǒng)方案的質(zhì)量，這種尺度被稱為質(zhì)量特性.由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和任務(wù)需求的多樣性，裝備的質(zhì)量特性往往不是單個(gè)明確定義的參數(shù)，而是由多個(gè)參數(shù)構(gòu)成的一組指標(biāo)序列.依據(jù)內(nèi)涵的不同，裝備質(zhì)量特性可分為綜合質(zhì)量特性(如系統(tǒng)效能、戰(zhàn)備完好性等)和單項(xiàng)質(zhì)量特性(如可靠性、維修性，速度、精度等).綜合質(zhì)量特性與用戶需求或裝備使用密切相關(guān)，單項(xiàng)質(zhì)量特性則更多與設(shè)計(jì)特性密切相關(guān).裝備質(zhì)量特性是度量裝備系統(tǒng)方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)，裝備質(zhì)量特性的確定對(duì)裝備系統(tǒng)方案選擇及質(zhì)量特性的綜合設(shè)計(jì)具有重要意義.

系統(tǒng)效能概念最早是由美國工業(yè)界武器效能咨詢委員會(huì)提出的，它是衡量一個(gè)系統(tǒng)滿足一組特定任務(wù)需求的程度的度量，是系統(tǒng)可用性A、可信性D和能力C的函數(shù)，是度量裝備質(zhì)量特性最重要的參數(shù)之一.

本文結(jié)合從戰(zhàn)略到任務(wù)STT(Strategy to Task Technique)法、模糊質(zhì)量功能展開 QFD(Quality Function Deployment)法、圍繞系統(tǒng)效能ADC模型，給出了一種基于STT與模糊QFD的裝備總體質(zhì)量特性分解的通用方法.

1 STT和模糊QFD方法

1.1 基于STT的分解

STT方法［2］是通過一系列分解方法和分解過程，從上到下，從總體戰(zhàn)略需求著手直到作戰(zhàn)任務(wù)層，最終得到裝備典型任務(wù)剖面或裝備能力需求信息的方法.其核心是根據(jù)上層需求信息分析、映射，從而得到下一層的屬性信息.如何分析、映射上層信息是STT分析方法中的重要內(nèi)容.

本文基于STT方法，以任務(wù)分解為核心，同時(shí)進(jìn)行裝備結(jié)構(gòu)分解，自頂向下逐層進(jìn)行裝備質(zhì)量特性的分解.

如圖1所示，從裝備總體戰(zhàn)略目標(biāo)入手，進(jìn)行任務(wù)需求分析，建立裝備任務(wù)剖面，分析任務(wù)構(gòu)成，其順序可以是高層戰(zhàn)略目標(biāo)→戰(zhàn)術(shù)任務(wù)→系統(tǒng)級(jí)任務(wù)→低層次目標(biāo).將裝備總體任務(wù)目標(biāo)分解為子任務(wù) M1，M2，…，Mm后，可以對(duì)其中任一子任務(wù)Mj建立任務(wù)系統(tǒng)效能ej，其中j=1，2，…，m.

圖1 裝備質(zhì)量特性分解過程

依次遞推，頂層效能目標(biāo)逐步分解為基本任務(wù)系統(tǒng)效能，并進(jìn)一步分解為裝備各功能系統(tǒng)的目標(biāo)特性，得到表征裝備及其組成系統(tǒng)的質(zhì)量特性參數(shù)，從而建立起裝備質(zhì)量特性參數(shù)集.

將各子任務(wù)的任務(wù)系統(tǒng)效能ej組合加權(quán)，建立裝備總體效能E，即

1.2 基于模糊QFD的分解

QFD方法［3］是一種面向用戶需求的產(chǎn)品開發(fā)決策方法，可將顧客需求逐級(jí)分解為有關(guān)的技術(shù)特性，并且通過對(duì)各級(jí)技術(shù)要求等項(xiàng)目的重要度加權(quán)評(píng)價(jià)找出對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及其關(guān)鍵作用的因素.QFD的核心是質(zhì)量屋(HOQ，House of Quality)，它是一種形象直觀的二元展開圖表.加權(quán)評(píng)分法是用于HOQ評(píng)估的基本方法.考慮到QFD過程中存在大量主觀的、不確定的、邊界模糊的和定性的評(píng)分信息，本論文將結(jié)合模糊集理論來處理這些評(píng)分信息.

在應(yīng)用HOQ前，先用層次分析法建立任務(wù)與系統(tǒng)相互關(guān)系矩陣，進(jìn)行權(quán)重分析，并根據(jù)分析結(jié)果找到任務(wù)中最主要的系統(tǒng)及其對(duì)任務(wù)的權(quán)重.在此基礎(chǔ)上建立如圖2所示的HOQ，用于分析某確定子任務(wù)下系統(tǒng)與質(zhì)量特性之間的關(guān)系，從而找到該子任務(wù)下最主要的質(zhì)量特性.

圖2 裝備質(zhì)量特性分解的HOQ

2 裝備質(zhì)量特性分解流程

設(shè)裝備經(jīng)STT分析后，具有m個(gè)子任務(wù)(M1，M2，…，Mm)、n 個(gè)系統(tǒng)(S1，S2，…，Sn)及 l個(gè)單項(xiàng)質(zhì)量特性(Q1，Q2，…，Ql).

2.1 子任務(wù)權(quán)重比aj

假設(shè)有f位專家對(duì)影響武器裝備系統(tǒng)效能E的m個(gè)子任務(wù)(M1，M2，…，Mm)的權(quán)重進(jìn)行評(píng)分，得到專家評(píng)分矩陣 F=［pjt］m×f，根據(jù)式(2)確定子任務(wù)Mj對(duì)總?cè)蝿?wù)的權(quán)重比aj:

2.2 系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的權(quán)重比ωji

對(duì)(S1，S2，…，Sn)和(M1，M2，…，Mm)的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣 K=［pji］m×n，并由式(3)確定系統(tǒng) Si對(duì)任務(wù) Mj的權(quán)重比ωji:

其中 i=1，2，…，n;j=1，2，…，m.

2.3 系統(tǒng)的可用度Ai和可信度Di

設(shè)裝備所要求達(dá)到的可用度和可信度為A和D，為獲得各系統(tǒng)的可用度和可信度，必須知道各系統(tǒng)在總?cè)蝿?wù)中的重要度.設(shè)系統(tǒng)Si在總?cè)蝿?wù)中的重要度為ωi，可由式(4)得到:

系統(tǒng)Si的可用度和可信度由式(5)得到:

2.4 建立子任務(wù)HOQ

對(duì)子任務(wù)Mj建立一張如圖3所示的HOQ，左墻取該任務(wù)環(huán)境下重要度ωji＞ε(ε為任意小數(shù))的n*個(gè)系統(tǒng)()，并按重要度大小從上到下排列.

圖3 M j任務(wù)下的HOQ

根據(jù)圖3中Rik和rkh的含義構(gòu)建相關(guān)關(guān)系矩陣 R=［Rik］n*×l及 r=［rkh］l×l，其中 i=1，2，…，n*;k，h=1，2，…，l.

其中 g，k=1，2，…，l.

2.5 模糊處理求重要度

任務(wù)與質(zhì)量特性間的相互關(guān)系是由專業(yè)人員根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定義和分類的，常不能用精確數(shù)值反映實(shí)際情況.為此引入模糊集進(jìn)行處理.

其中，i=1，2，…，n*;g，k=1，2，…，l;α∈［0，1］.

在QFD中，Mj任務(wù)下的第k個(gè)質(zhì)量特性Qk的重要度 W可由下式得到:

其中，i=1，2，…，n*;k=1，2，…，l;j=1，2，…，m.在特定的α水平下的α截集的上下界為

2.6 裝備系統(tǒng)效能E

綜上所述Mj任務(wù)下的任務(wù)系統(tǒng)效能為

將式(2)、式(14)代入式(1)，得到武器裝備總體效能E:

3 案例分析

3.1 裝備Z的STT分析

假設(shè)有某裝備Z，其戰(zhàn)略目標(biāo)是海上作戰(zhàn).經(jīng)過對(duì)此裝備的STT分析后認(rèn)為該裝備具有船體裝置等5個(gè)系統(tǒng)以及對(duì)空任務(wù)M1和反潛任務(wù)M22個(gè)分任務(wù)和6個(gè)下級(jí)子任務(wù)，同時(shí)具有15個(gè)質(zhì)量特性(Q1，Q2，…，Q15).如圖4、圖5 所示.

圖4 裝備結(jié)構(gòu)和任務(wù)分解

圖5 裝備Z的質(zhì)量特性參數(shù)集

3.2 確定分任務(wù)和子系統(tǒng)權(quán)重

假設(shè)有4位專家b1～b4對(duì)分任務(wù)權(quán)重進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分矩陣如表1.

表1 分任務(wù)對(duì)總目標(biāo)權(quán)重的專家評(píng)分矩陣

由式(2)可得到2個(gè)分任務(wù)的權(quán)重

由于每個(gè)分任務(wù)對(duì)系統(tǒng)的要求不同，本文采用層次分析法判斷系統(tǒng)對(duì)每個(gè)分任務(wù)的權(quán)重.對(duì)空任務(wù)系統(tǒng)權(quán)重判斷矩陣如表2.

表2 對(duì)空任務(wù)中子系統(tǒng)權(quán)重判斷矩陣

根據(jù)式(3)計(jì)算各系統(tǒng)在對(duì)空任務(wù)下的權(quán)重值:

并得到權(quán)重值排序:

同樣可得到各系統(tǒng)在反潛任務(wù)下的權(quán)重.由各系統(tǒng)在不同任務(wù)下的重要度可得到各系統(tǒng)在總?cè)蝿?wù)中的重要度，根據(jù)式(4)得到:

設(shè)裝備所要求達(dá)到的可用度A為0.95，可信度D為0.9.根據(jù)式(5)，分配至各系統(tǒng)的可用度和可信度為

3.3 建立分任務(wù)HOQ

1)對(duì)空任務(wù)HOQ.

圖6 對(duì)空任務(wù)HOQ

此處省略模糊處理過程，根據(jù)對(duì)空任務(wù)HOQ圖(圖6)數(shù)據(jù)、式(6)和式(12)直接得到對(duì)空任務(wù)下各質(zhì)量特性的重要度:

2)反潛任務(wù).

在反潛任務(wù)環(huán)境中，由于保障系統(tǒng)S4在總?cè)蝿?wù)中的權(quán)重ω24=0.067過小，所以在該任務(wù)環(huán)境下，取重要度前4位的4個(gè)系統(tǒng)建立HOQ，最終得到反潛任務(wù)下各質(zhì)量特性的重要度值:

3.4 裝備Z的系統(tǒng)效能

根據(jù)式(14)，對(duì)空任務(wù)的系統(tǒng)效能為

反潛任務(wù)的系統(tǒng)效能為

則裝備Z總體系統(tǒng)效能為

帶入數(shù)據(jù)得到(保留兩位有效數(shù)字):

需要注意的是，計(jì)算中不同質(zhì)量特性參數(shù)的量綱歸一化十分重要，為了解決這個(gè)問題，本文引入“能力指數(shù)”概念.能力指數(shù)定義為:“預(yù)期可接受能力或?qū)嶋H能力與理想能力的比值”.能力指數(shù)是一個(gè)(0，1)區(qū)間上無量綱的數(shù).在進(jìn)行系統(tǒng)效能計(jì)算時(shí)，將各種質(zhì)量特性用其能力指數(shù)代替，以此統(tǒng)一各質(zhì)量特性的單位.

在不考慮系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)承受性等情況下，可以認(rèn)為效能最大的系統(tǒng)方案為最優(yōu)方案.由式(16)可知，裝備Z的系統(tǒng)效能大小決定于15個(gè)單項(xiàng)質(zhì)量特性參數(shù)的值，因此開展裝備Z質(zhì)量特性綜合設(shè)計(jì)時(shí)，要以獲得系統(tǒng)效能最大值為原則，同時(shí)結(jié)合其他設(shè)計(jì)因素進(jìn)行.

4 結(jié)論

通過對(duì)基于STT與模糊QFD的裝備質(zhì)量特性分解方法的介紹和案例分析，得到以下結(jié)論:

1)裝備總體系統(tǒng)效能指標(biāo)可以具體分解到相關(guān)任務(wù)及功能系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性指標(biāo)中，同時(shí)建立起綜合考慮任務(wù)和相關(guān)功能系統(tǒng)質(zhì)量特性影響的更為精確的系統(tǒng)效能模型.

2)根據(jù)通過該方法建立起的裝備總體系統(tǒng)效能的模型，可以分析確定影響裝備系統(tǒng)效能的關(guān)鍵質(zhì)量特性參數(shù).

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