模塊化動態拆卸序列生成研究*

裴國旭，杜曉明，卜昭峰，薛輝

(軍械工程學院 裝備指揮與管理系，河北 石家莊 050001)

0 引言

戰時裝備維修保障的基本過程是：當裝備出現戰場損傷，使用分隊決定是否進行現場搶修還是后送修理，后方指揮所接收前方提出的搶修需求，根據損傷部位，及時指派相應專業維修分隊前出，完成修理過程。裝備維修保障仿真系統需要對后方指揮所、使用分隊、維修分隊的指揮與行動過程進行建模與仿真，通過多輪運行給出裝備修理過程的模擬結果，如等待時間、維修時間、資源消耗等。在此仿真過程中，面對某個損傷裝備，需要對不同專業修理單元之間的協同修理行為進行建模，保證多個修理單元準確展開串行作業、并行作業或混合作業，以獲得裝備修理的拆卸時間、更換時間、等待時間、作業效率等數據。在實現多專業修理單元協同行為建模中，如何實現對損傷裝備的非破壞性目標拆卸建模是基礎[1-4]。

當前目標拆卸建模主要基于圖論，利用圖形的邏輯順序形成拆卸順序。這類方法雖可以解決拆卸建模問題，但隨著零部件數量增多，不可避免的會產生“組合爆炸問題”[5]。為解決這一問題，姚麗英等[6]提出了一種基于分層結構的拆卸模型，利用層次結構圖進行拆卸序列規劃；鐘艷如等[5]提出了一種基于模塊化設計的混合圖拆卸模型，先將裝備體進行模塊化劃分，再利用有向圖和無向圖形成零件的拆卸序列；周喜梅等[7]提出了一種基于模塊化的拆卸模型，并利用約束關系矩陣形成目標拆卸序列。其中，周喜梅等[7]提出的方法具有較強的借鑒意義，該方法降低了拆卸模型的復雜程度，提高了搜索效率。但該模型無法確定只有2個零件時的拆卸序列，需進一步完善。

裝備拆卸序列建模的關鍵是動態生成目標部件的拆卸序列，本文研究背景主要是戰時野戰條件下的裝備搶修仿真，因此目標部件主要是指裝備的外場可更換單元。本文將基于模塊化思想，建立外場可更換單元層上的模塊化裝備拆卸模型，并利用改進的約束矩陣生成各層拆卸序列，將各層拆卸序列進行整合，形成最終的拆卸序列，為后續維修規劃奠定基礎。

1 面向拆卸的裝備模塊化建模

1.1 拆卸的概念

根據拆卸過程是否具有破壞性，拆卸可以分為破壞性拆卸和非破壞性拆卸。破壞性拆卸是指在對裝備進行拆卸時，會對一個或者多少個零部件產生損傷，使其不能自行恢復原狀，其過程是不可逆，若要進行破壞性拆卸，需根據具體任務確定，比如連接件發生了銹蝕，需進行破壞性拆卸。非破壞性拆卸是指在對裝備進行拆卸時，所有零部件都將沒有損傷，其過程可逆[8]。通常拆卸使用非破壞性拆卸。

根據拆卸深度，拆卸還可分為完全拆卸和目標拆卸。完全拆卸是指將整個裝備拆卸成不可拆卸的零件為止。該方式主要用于理論研究，實際情況下 使用。目標拆卸是指在對裝備進行拆卸時，明確拆卸目標，根據約束關系，確定妨礙拆卸的其他零件，并按順序將其他零件進行拆卸，最終將目標零件進行拆卸,該拆卸方式在實際中經常使用。本文針對拆卸目標是受損裝備的外場可更換單元，拆卸類型是非破壞性目標拆卸。

1.2 層次上的模塊化

“模塊是可組成系統的、具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元[9]。”上述模塊的概念在界定單元的大小和規模上具有模糊性，一個大模塊中可能包含若干個小模塊，小模塊也可能包含若干個子模塊，即模塊具有層次性[10-11]。事實上，層次性是系統的普遍特此，也是模塊化系統的基本特性。但是模塊化系統的層次和系統的層次存在一定的差異，系統的層次是各單元有序組合也就是系統的結構，而模塊化系統是構建具有典型性和通用性的模塊，在系統層次的基礎上形成模塊化的層次。比如，我軍某防空火炮系統中有火力控制系統、推進系統、輔助系統和電氣系統等子系統，這些子系統中可能還有子系統，這些子系統也是構成火炮系統的模塊。所以，在對“防空火炮模塊化”中，可以將模塊分為：元件型模塊、部件型模塊、子系統模塊等等，這樣既體現了模塊的層次，又體現了模塊的特性[12]。在實際中，模塊化層次往往分為一級模塊、二級模塊……直至最底層模塊(元器件)，以此形成層次上的模塊化。

1.3 模塊化拆卸模型的建立

本文研究的是面向拆卸的模塊化建模，拆卸目標是外場可更換單元，將依據以下思路進行建模：

(1) 根據GJB/Z57-94，外場可更換單元為不同功能層次的產品。因此，建立模塊化模型應以系統結構為基礎，落于相應的子系統，形成功能模塊和部件模塊混合的模型。

(2) 為使模型便于理解，各模塊大致沿用結構層次的名稱，比如“平衡機部件模塊”，使用“平衡機”代替，但在最底層模塊，使用了與外場可更換單元相關的名稱。

根據上述思想，建立模塊化拆卸模型，如圖1所示。

該模塊化拆卸模型具有一定的通用性，不僅可以用于外場可更換單元的拆卸研究，也可繼續細分直至相應零件，應于內場可更換單元的拆卸研究。

2 以外場可更換單元為目標的拆卸序列生成算法

2.1 拆卸序列規劃思路

以目標拆卸件為目標，依據裝備模塊化拆卸模型，采用“自下而上”的方式，可以規劃設計得到目標件的拆卸序列[13-14]。即先分析目標拆卸件所在層級的拆卸順序，再分析上一層模塊(件)的拆卸順序，最后按照各層拆卸順序排序，可以得到目標拆卸件的拆卸順序[15]。

步驟1確定拆卸目標。

步驟2選擇待拆卸零件，選擇規則是從最底層也就是目標拆卸件開始，逐層向上進行選擇。

步驟3定位待拆卸零件所在的層級，并對該層級相關的零件調用目標拆卸算法，形成本級拆卸序列并進行存儲。

步驟4對待拆卸件的上一級(父節點)進行判斷，如果父節點是根節點(裝備整體)，則拆卸完畢，跳轉至步驟5，如果不是，跳轉至步驟2。

步驟5對存儲的拆卸序列按層次順序逆向排列，形成目標拆卸序列并進行輸出。

步驟6完成目標拆卸。

2.2 目標拆卸算法實現

調用目標拆卸算法是形成拆卸序列的核心，該算法根據各個零件之間的約束關系形成約束關系矩陣，再分析約束關系矩陣最終形成拆卸序列，具體流程圖如圖2所示。其中需定義：

(1) 裝備基準層O。該基準層為人為定義的虛擬層，定義其位于裝備所有零件的最下面，受到所有零件的約束，但只對其相鄰的零件提供約束。該基準層的引入主要是為了解決只有兩個2件時，如何生成拆卸序列的問題。

(3)Ri表示矩陣中第i行所有數值的和，也就是第i個零件受到的所有約束；Fj表示第j列所有數值的和，也就是第j個零件提供的所有約束。

圖2 目標拆卸算法流程圖Fig.2 Target demolition algorithm flow chart

本算法應用約束解除思想，即拆卸一個零件，其受到的約束和提供的約束一并消失。在這一拆卸過程中，應使用3條準則。

1) 優先拆卸受到總約束為1的零件，即Ri=1的第i個零件優先拆卸。

2) 若約束關系矩陣中不存在滿足上述條件的零件，優先拆卸提供約束最多的零件，即優先拆卸Fj最大的第j個零件，如果矩陣中存在多個Fj最大的零件，將其同時拆卸。

3) 當約束矩陣變C為2×2時，代表矩陣中只有一個零件和裝備基準層，此時，只需要對矩陣中第一行對應的零件進行拆卸，隨后拆卸結束。

具體執行步驟如下：

步驟1輸入零件所在層級的約束關系矩陣C。

步驟2判斷矩陣C的行數n，如果n=2，進行步驟6，否則進行步驟3。

步驟3計算矩陣中各行的和Ri和各列的和Fj。

步驟4根據準則，判斷各行的和Ri是否為1，若Ri=1，則拆卸第i個零件進行存儲，形成新的約束矩陣，并再次執行步驟2，如果不存在這樣的零件，則進行步驟5。

步驟5搜索矩陣列的和Fj值最大的列，拆卸該列對應的第j個零件進行存儲，形成新的約束矩陣，并再次執行步驟2。

步驟6拆卸約束矩陣中第一行對應的零件k，進行存儲。

步驟7按照零件的拆卸先后順序形成拆卸序列。

3 案例分析

3.1 原理實現

以“某型防空火炮火力控制系統模塊化拆卸模型”為例，可對本文提出的拆卸規劃和拆卸算法進行驗證。選取“部件總成E11”(以后簡稱為E11)為拆卸目標件進行拆卸，根據文中流程進行具體分析，其局部關系如圖3所示。

匯總拆卸零件順序，第4層的目標拆卸順序為：E13→E12→E11。

(2) 判斷目標拆卸件E11的上一級，其上一級是“高低機E1”，不是“裝備整體Z”，繼續對E1所在的第3層調用目標拆卸算法，具體方法和第4層的方法相同，本處不進行具體分析，第3層的目標拆卸順序為：E2→E1。

依據同樣的方法可以得到E1上一級，“高低轉向E”所在的第2層的目標拆卸順序：F→C→E。

(3) 繼續判斷E的上一級，其上一級為“裝備整體Z”為根節點，依據拆卸規則，拆卸結束。

(4) 匯總各層的拆卸順序，最終可以得到目標拆卸件“機構部件總成E11”的拆卸順序為：F→C→E→E2→E1→E13→E12→E11。

3.2 軟件實現

為更好地完成拆卸序列生成的任務，利用“Microsoft Visual Studio”軟件進行編程，生成“拆卸序列綜合分析系統”，應用的初始化界面如圖4所示。

該軟件功能主要有：選擇待拆卸零件，顯示當前拆卸零件，待拆卸零件所在層級，待拆卸零件類型、所在層級拆卸序列和完整拆卸序列。開發該軟件，可以使拆卸界面可視化，更直觀地生成拆卸序列。以拆卸“部件總成E11”為例，利用軟件可以直接生成待拆卸件的拆卸序列。拆卸序列生成界面如圖5所示。

圖3 某型防空火炮火力控制系統局部拆卸關系圖Fig.3 Partial disassembly diagram of fire control system for certain type of air defense artillery

圖4 初始化界面Fig.4 Initialization interface

圖5 拆卸序列生成界面Fig.5 Disassembly sequence generation interface

通過分析，軟件生成的拆卸序列與原理分析出的拆卸序列相一致，利用軟件可以更快速的生成拆卸序列，降低了原理分析的難度和復雜性。

在戰時，一件裝備的受損部位往往不止一處，可能同時損壞底盤系統中的行星轉向機和火控系統中的高低機，指揮所派出的底盤維修單元和火控維修單元可以根據部件之間的約束關系同時(并行)對兩個部件展開拆卸修理。但是在現有的仿真系統中，這兩處拆卸維修是串行的，即先完成一處修理，再完成下一處修理，這與實際情況不相符。應用本文提出的拆卸序列算法和分析軟件，可以形成受損部件的拆卸序列，通過分析拆卸序列，搜尋是否存在并行拆卸修理的機會，進而構建更為逼真的仿真環境。

4 結束語

本文提出了一種層次化模塊化的拆卸模型，減少了拆卸仿真的工作量，并應用這一模型建立了某防空火炮外場可更換單元拆卸模型。根據模塊化的思想，提出了一種拆卸序列規劃，并應用約束矩陣，解決了拆卸序列生成的問題。實例表明，本方法是解決裝備拆卸序列生成的有效方法，并可對裝備搶修仿真中的協同行為研究提供依據，具有實際應用價值。

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