一種基于BOM理論的空地導(dǎo)彈模塊劃分方法*

肖和業(yè),蔣曉磊,王若冰,鄭紅星,左 非

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

近十年來(lái),歐美等軍事強(qiáng)國(guó)開(kāi)始發(fā)展模塊化空地導(dǎo)彈[1],例如美國(guó)JCGM三軍通用空地導(dǎo)彈,歐洲MBDA公司正在研發(fā)的FLEXiS模塊化空地導(dǎo)彈等,它們通過(guò)不同類(lèi)制導(dǎo)、毀傷、動(dòng)力部件的組合,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈在不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)不同距離及類(lèi)型目標(biāo)的打擊。同時(shí),模塊化導(dǎo)彈能夠通過(guò)更換、升級(jí)部分部件實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈藥的升級(jí)甚至換代,執(zhí)行效率及經(jīng)濟(jì)效益都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[2]。隨著模塊化空地導(dǎo)彈不斷發(fā)展,其對(duì)產(chǎn)品的模塊化劃分方法提出了新的需求,即如何劃分模塊才能最便于導(dǎo)彈裝配、檢測(cè)、貯存使用。而這一頂層的方法探討及研究還不全面,因此需要建立一種適合于空地導(dǎo)彈模塊劃分的方法,用于指導(dǎo)空地導(dǎo)彈模塊構(gòu)建,從頂層設(shè)計(jì)上保證模塊化空地導(dǎo)彈的實(shí)用性。

對(duì)于模塊化劃分方法的相關(guān)研究,已有大量學(xué)者開(kāi)展了大量的工作[3-10],可分為基于產(chǎn)品功能的劃分方法、面向產(chǎn)品生命周期的劃分方法等。例如,Exrion[8]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的子功能進(jìn)行功能關(guān)聯(lián)、裝配關(guān)聯(lián)、信息關(guān)聯(lián)等方面的關(guān)聯(lián)分析,并采用數(shù)學(xué)聚類(lèi)方法進(jìn)行產(chǎn)品模塊劃分；Sahhich[9]通過(guò)分解產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)的特征,基于零部間的特征關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行相似度分析來(lái)劃分產(chǎn)品的模塊；王海軍[10]將層次分析方法與模糊聚類(lèi)方法相結(jié)合對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分,并通過(guò)多專(zhuān)家綜合評(píng)判法對(duì)不同模塊劃分方案進(jìn)行評(píng)價(jià),進(jìn)而提出一種面向大批量定制的模塊劃分方法。以上研究中模塊劃分對(duì)象未涉及到彈藥類(lèi)的產(chǎn)品,而導(dǎo)彈本身在裝配、貯存、使用中的特殊性,例如火工品的裝配、貯存要求等,使得以往的模塊劃分方法在空地導(dǎo)彈中也不適用。

為了解決以上難題,文中基于導(dǎo)彈機(jī)械裝配、電氣測(cè)試、彈藥貯存及使用的特點(diǎn),結(jié)合BOM和最優(yōu)模塊化度的理論,提出一種適用于空地導(dǎo)彈的模塊劃分方法,并以海爾法空地導(dǎo)彈構(gòu)型為例,對(duì)其搭載、裝配的零部件進(jìn)行了模塊劃分。隨后,將模塊劃分結(jié)果進(jìn)行合理性分析,并與參考值進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證劃分結(jié)果的有效性,進(jìn)而佐證文中提出模塊劃分方法的正確性。

1 空地導(dǎo)彈模塊劃分方法

1.1 關(guān)聯(lián)因素定義

空地導(dǎo)彈屬于機(jī)電產(chǎn)品的分支,借鑒以往機(jī)電產(chǎn)品模塊劃分中的零部件關(guān)聯(lián)因素的定義,同時(shí)考慮彈藥測(cè)試性及火工品的使用、維護(hù)、貯存等問(wèn)題,將導(dǎo)彈產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)因素分為機(jī)械、電氣、功能、貯存相關(guān)性4類(lèi)。在4類(lèi)關(guān)聯(lián)因素中用關(guān)聯(lián)度來(lái)定義零部件之間相關(guān)程度,具體見(jiàn)表1中零部件各種相關(guān)性的評(píng)價(jià)。其中αm(i,j)、αe(i,j)、αf(i,j)、αs(i,j)分別為零件i和j機(jī)械、電氣、功能、貯存相關(guān)度,零部件自身關(guān)聯(lián)度為1。如表1中所示,機(jī)械相關(guān)性中零部件的關(guān)聯(lián)度取決于其裝配的精度及簡(jiǎn)便程度；電氣相關(guān)性中的關(guān)聯(lián)度主要由電子部件的信息、能量交互關(guān)系決定；功能相關(guān)性的關(guān)聯(lián)度主要考慮零部件是否能夠相互協(xié)同完成一定的功能；貯存相關(guān)性主要取決于零部件貯存的環(huán)境要求是否相同。

表1 導(dǎo)彈零部件相關(guān)性定義

1.2 BOM方法及模塊化度定義

BOM方法進(jìn)行模塊劃分的基本依據(jù)是對(duì)零部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,由1.1節(jié)可知影響導(dǎo)彈模塊劃分的關(guān)聯(lián)因素主要包括產(chǎn)品零部件的機(jī)械、電氣、功能、貯存相關(guān)性4個(gè)方面。結(jié)合表1給出零部件各種相關(guān)性的量化定義,可以獲得零部件4類(lèi)相關(guān)性的關(guān)系矩陣,則零部件i和j之間的總關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為:

Γ(i,j)=ωm·αm(i,j)+ωe·αe(i,j)+
ωf·αf(i,j)+ωs·αs(i,j)

(1)

式中：ωm、ωe、ωf、ωs分別為機(jī)械關(guān)聯(lián)度、電氣關(guān)聯(lián)度、功能關(guān)聯(lián)度和貯存關(guān)聯(lián)度對(duì)應(yīng)的加權(quán)因子。

依據(jù)零部件相關(guān)度計(jì)算可得關(guān)聯(lián)矩陣,并將其作為模塊劃分的判定[11]。

(2)

建立模塊間關(guān)聯(lián)性的評(píng)價(jià)參數(shù)模塊化度λ,其表達(dá)式為:

(3)

式中符號(hào)的詳細(xì)定義參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。以結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖為基礎(chǔ)進(jìn)行模塊劃分后,計(jì)算模塊間關(guān)聯(lián)度最大值及模塊內(nèi)的關(guān)聯(lián)度最小值,進(jìn)而獲得產(chǎn)品模塊劃分后的模塊化度。

圖1 空地導(dǎo)彈模塊劃分流程

1.3 模塊劃分流程

空地導(dǎo)彈模塊劃分方法執(zhí)行過(guò)程如圖1所示。首先,確定空地導(dǎo)彈的主要零、部件組成,并按照表1中相關(guān)性的定義建立零、部件的相關(guān)矩陣。然后,通過(guò)式(2)計(jì)算獲得零部件總關(guān)聯(lián)度矩陣,設(shè)定可接收最大模塊化度M及零部件形成關(guān)系組的閾值。最后,利用零部件的關(guān)系圖,獲得零部件關(guān)系組及模塊初步劃分結(jié)果,如果模塊劃分的結(jié)果符合大于1小于M的條件,采用式(3)計(jì)算模塊化度,順序?qū)?yōu)獲得最終模塊劃分的結(jié)果；否則返回,對(duì)關(guān)聯(lián)性閾值進(jìn)行調(diào)整,再循環(huán)計(jì)算。

2 實(shí)例分析

2.1 參數(shù)定義

空地導(dǎo)彈一般由制導(dǎo)及控制部件、戰(zhàn)斗部、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、彈翼、舵翼等結(jié)構(gòu)電氣直屬件組成,如圖2中海爾法導(dǎo)彈所示。算例中選取導(dǎo)彈的主要組成及搭載的零部件如表2所示。

圖2 海爾法空地導(dǎo)彈主要組成示意圖

在關(guān)聯(lián)度計(jì)算中,機(jī)械關(guān)聯(lián)度、電氣關(guān)聯(lián)度、功能關(guān)聯(lián)度和貯存關(guān)聯(lián)度的加權(quán)因子分別取0.3，0.3，0.3，0.1。

表2 空地導(dǎo)彈主要組成零、部件列表

2.2 產(chǎn)品關(guān)聯(lián)性分析

依據(jù)表1中部件的各項(xiàng)關(guān)聯(lián)度定義,按照式(1)可以計(jì)算出各部件總關(guān)聯(lián)度矩陣如表3所示?；陉P(guān)聯(lián)度的矩陣,在給定閾值的情況下可以獲得模塊的劃分情況。以相關(guān)度閾值0.37為例,來(lái)說(shuō)明模塊劃分的過(guò)程。首先,設(shè)定相關(guān)度的閥值為0.37,然后依據(jù)文獻(xiàn)[10]中的方法及定義,通過(guò)相關(guān)度搜索、合并,可以獲得空地導(dǎo)彈各零部件的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,0.37為模塊劃分的閾值時(shí),導(dǎo)彈可劃分為5個(gè)模塊,分別為(1,3,4,5,6),(7,8),(9,10,12,13,14),2,11。對(duì)于不同的相關(guān)度閾值,關(guān)聯(lián)關(guān)系圖不同。

表3 空地導(dǎo)彈零部件相關(guān)度

圖3 空地導(dǎo)彈關(guān)聯(lián)圖

2.3 模塊劃分結(jié)果

為了尋找出模塊劃分最優(yōu)的結(jié)果,需要按照?qǐng)D1中的流程,計(jì)算不同關(guān)聯(lián)度閾值下的模塊化度最小值及平均值,并結(jié)合其對(duì)應(yīng)的模塊劃分情況,以模塊化度最小值及平均值最大為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行順序?qū)?yōu)。為了便于尋優(yōu),這里取歸一化的模塊化度最小值和平均值的算術(shù)平均值為目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算,可得模塊化度、劃分模塊數(shù)隨相關(guān)度閾值變化的曲線,如圖4所示。在模塊劃分?jǐn)?shù)為4時(shí),模塊化度的目標(biāo)值達(dá)到最大,表明此時(shí)的模塊劃分為最優(yōu)。具體為:

模塊1：1,2,3,4,5,6；

模塊2：7,8；

模塊3：9,10,12,13,14；

模塊4：11。

轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的零部件為：

模塊1：導(dǎo)引頭、儀器艙體、飛行控制單元、慣性測(cè)量裝置、電源模塊、GPS裝置；

模塊2：戰(zhàn)斗部、引信；

模塊3：連接艙體、發(fā)動(dòng)機(jī)、控制艙體、舵機(jī)、舵翼；

模塊4：彈翼。

圖4 模塊化度、模塊劃分?jǐn)?shù)隨相關(guān)度閾值變化曲線

圖5 空地導(dǎo)彈最優(yōu)模塊化度的關(guān)聯(lián)圖

3 結(jié)論

文中基于BOM和最優(yōu)模塊化度方法,結(jié)合空地導(dǎo)彈特點(diǎn),以機(jī)械、電氣、功能、貯存的關(guān)聯(lián)性為評(píng)價(jià)基礎(chǔ),提出了一種空地導(dǎo)彈模塊的劃分方法,并給出了該方法執(zhí)行的具體流程。以海爾法導(dǎo)彈為應(yīng)用實(shí)例,首先計(jì)算了導(dǎo)彈各零部件的關(guān)聯(lián)矩陣,并基于關(guān)聯(lián)度閾值、零部件的關(guān)系圖進(jìn)行模塊劃分。然后,以模塊化度綜合值最小為目標(biāo),進(jìn)行了最優(yōu)搜索,獲得了最優(yōu)的模塊劃分形式。最后,通過(guò)與文獻(xiàn)中模塊劃分參考值的對(duì)比及模塊劃分結(jié)果的合理性分析,驗(yàn)證了模塊劃分結(jié)果的準(zhǔn)確性,也表明了文中提出的空地導(dǎo)彈模塊劃分方法是有效、可行的。