基于工效分析與過程仿真模型的機載設備拆裝時間評估方法

王金利，黃丹

(1.上海交通大學 航空航天學院， 上海 200240)(2.航空工業第一飛機設計研究院 適航與通用質量特性研究所， 西安 710089)

0 引 言

機載設備拆裝時間，特別是發動機等大型復雜機載設備拆裝時間對飛機的出勤有重要影響。機載設備拆裝是否方便、快捷、省時，是體現一型飛機是否具有市場競爭力/戰斗力的重要因素。飛機研制過程中需要對機載設備拆裝時間進行準確評估，以確定設計方案是否滿足既定的設計要求。

傳統的維修時間預計方法包括概率模擬、功能層次、抽樣評分、時間累計、單元對比等方法[1]。聶成龍等[2]提出了基于維修流程框圖的維修時間仿真方法，維修流程框圖可以對復雜的網絡維修過程進行準確描述；陸中等[3]對產品拆裝維護過程的建模方法和流程進行研究，提出了借助蒙特卡羅模型對維修活動序列或維修路徑進行優化的方法；張王衛等[4]、徐慶宏等[5]使用Petri網描述產品的拆裝維護過程，對維修過程活動序列的建立和優化方法進行了研究。上述研究主要集中在產品維修過程活動序列的建模和優化上，對優化產品維修工作流程、合理配置維修資源等具有積極的工程意義,但是未對基礎維修活動時間的分析方法進行深入研究。

隨著虛擬現實技術在產品設計中的應用和發展，越來越多的人借助虛擬現實技術對產品的維修工效設計進行仿真、分析和驗證評估。邱世廣[6]提出了面向維修過程的人機工效自動評估方法，同時還提出了維修操作過程中可視性、可達性和操作姿態的自動量化分析方法，建立了人機工效綜合量化評估模型；馬超[7]、張麗珍等[8]、徐達等[9]和尹良[10]分別基于JACK、DELMIA軟件的工效分析模塊，對人員的肢體可達、視覺可達、動作或姿態的舒適性、典型動作力量限制、動作能量消耗等項目的分析方法進行了研究；柳海林[11]、楊子佳[12]、黃德所等[13]對產品維修工效評價指標體系的建立和綜合評價方法進行了研究，給出了多種維修工效設計評價指標體系和評價方法，并結合裝甲車輛、飛機駕駛艙等典型產品，對其研究成果進行了應用驗證。上述研究的重點是產品的維修工效設計評估方法，未將維修工效設計評估結果與機載設備拆裝作業復雜度、拆裝時間的評估工作進行有效結合。

張力勻等[14]將實際維修環境下的可達性、可視性、勞動強度等維修工效評估結果定量轉化，修正維修動作時間，最終得到更加貼近工程實際的維修動作時間。該方法雖然考慮了維修工效設計對維修時間的影響，但是未進一步分析維修作業復雜度與維修工效設計的綜合影響，其評估結果與工程實際尚有一定差距。

本文提出一種基于工效分析與過程仿真模型的機載設備拆裝時間評估方法，將復雜的機載設備拆裝過程逐級分解至基礎作業單元并建立拆裝過程仿真模型，使用模特分析法確定基礎拆裝時間，基于維修作業復雜度與工效綜合評估結果確定拆裝時間修正系數，對機載設備拆裝時間進行修正，得出較為準確的機載設備拆裝時間評估結果。

1 維修過程分解及仿真模型的建立

1.1 維修過程分解

機載設備拆裝過程仿真模型需要在虛擬現實環境軟件下逐幀創建，因此創建仿真模型前需要先將復雜的機載設備拆裝過程進行分解，分解的最小維修活動單元應當是可由單個維修人員獨立完成的維修動作。一般地，機載設備拆裝過程分解步驟描述如下：

(1) 明確機載設備布置位置，進而確定是否需要安裝定位輔助接近工作梯，對接近工位過程進行描述；

(2) 對打開或拆卸的艙門/口蓋，以及拆卸的遮擋維修通道的干涉部件(可能是機載設備、管路/線纜或其他飛機附件)的過程進行描述；

(3) 對專用拆裝設備安裝過程進行描述；

(4) 對設備緊固件、管路/線纜的拆卸過程進行描述；

(5) 對機載設備從安裝位置取下的過程進行描述；

(6) 對機載設備安裝定位過程進行描述；

(7) 對機載設備緊固件和管路線纜的安裝恢復過程進行描述；

(8) 對機載設備安裝后的調整、校準過程進行描述；

(9) 對輔助拆裝設備的拆卸過程進行描述；

(10) 對安裝遮擋維修通道的部件和安裝維修艙門口蓋的過程進行描述；

(11) 對輔助接近工作梯的撤離過程進行描述。

1.2 創建機載設備拆裝過程仿真模型

發動機等大型復雜機載設備拆裝過程復雜，組成工作項目多，不同工作項目之間存在較為復雜的約束關系。將拆裝過程分解為基礎維修動作單元后，需要進行仿真規劃，保證拆裝過程仿真模型完整、準確。

某型渦槳飛機發動機通過左右兩側主安裝點和輔助安裝點固定在飛機發動機艙內，左右兩側主安裝點和輔助安裝點的緊固件形式、布置位置以及維修工效設計情況基本相同。以此為例，說明使用DELMIA軟件創建發動機拆卸過程仿真模型的步驟如下：

(1) 仿真資源規劃，創建發動機拆卸過程仿真模型需要的仿真資源有：

①發動機艙結構、發動機本體、發動機安裝系統和布置在發動機艙內的相關系統的三維設計模型；

②吊車、吊裝設備、接近工作梯(2個)、發動機主安裝節和輔助安裝節緊固件拆裝工具各一套；

③虛擬人體模型5人，包括1人地面指揮，無實質仿真動作，4人參加具體的拆裝過程仿真。

(2) 仿真過程規劃?；诓鹧b維護工作空間、人員和保障資源等約束，基于盡量并行的原則規劃仿真過程。某型渦槳發動機拆卸過程仿真模型規劃(部分)示意如圖1所示。

圖1 發動機本體拆卸仿真規劃示意圖

(3) 簡化重構發動機拆卸仿真數字樣機，在DELMIA軟件環境下創建仿真仿真環境。

(4) 按照仿真規劃使用DELMIA軟件維修動作仿真工具逐幀創建過程仿真模型。

(5) 使用DELMIA軟件仿真模型編輯模塊，配置仿真資源、編輯仿真過程。

(6) 運行仿真模型，查找模型存在的問題，修改完善仿真模型。

2 維修時間修正系數

2.1 維修工效分析

2.1.1 維修工效分析評判基準

廣義的維修工效分析包括肢體可達性、可視性、維護作業空間、維修安全、維修環境、維修人員動作舒適性等方面，其中對維修時間影響最大的4個因素是維修人員維修動作舒適性、肢體可達性、可視性和維護空間。

(1) 維修動作舒適性評判

維修人員動作舒適性分析，直接使用軟件分析工具分析結果(如圖2所示)。為了便于與維修作業復雜度一起確定維修時間修正系數，將維修動作舒適性分析結果劃分為4個等級。具體如下：

①A1(1～2分)：在維修動作如果不需要長時間保持或重復開展的情況下，動作可以接受；

②A2(3～4分)：需要對維修動作進行進一步的研究，并對維修動作進行改進；

③A3(5～6分)：維修動作不可接受，需要盡快對維修動作進行研究和改進；

④A4(7分)：維修動作不可接受，需要立即對維修動作進行研究和改進。

圖2 維修動作舒適性分析示意圖

(2) 維修人員肢體可達性評判

根據維修人員肢體可達情況，將肢體可達性分析結果分為3個等級：

①B1：維修人員雙手可有效接近維修作業點；

②B2：維修人員單手可有效接近維修作業點；

③B3：維修人員需要借助輔助工具接近維修作業點。

(3) 維修作業點可視性評判

依據維修作業點在維修人員目視區域情況，將可視性分析結果分為3個等級：

①C1：維修過程中維修作業點始終在視野范圍內；

②C2：維修過程中維修作業點部分時間不在視野范圍內；

③C3：維修過程中維修作業點始終不在視野范圍內。

(4) 維護空間評判

根據維護空間對維修人員維修作業約束情況，將維護空間分析結果分為4個等級：

①D1：維修過程中維修動作不受約束，工具操作沒有限制，可視性不受限；

②D2：維修過程中動作不受約束，但是工具操作受限制，可視性不受限；

③D3：維修過程中維修動作有約束，可視性部分受限；

④D4：維修過程中維修動作有約束，且可視性嚴重受限。

2.1.2 維修工效分析方法

DELMIA、JACK等虛擬仿真軟件均提供了較為強大的維修工效分析輔助工具，其分析結果較為可信。因此，維修工效分析以維修過程仿真模型為基礎，借助DELMIA軟件提供的RULE分析、視界分析、肢體可達分析、掃掠體、干涉檢查等工具，對每個維修動作的維修工效設計情況進行分析，并按2.1.1節給出的分析基準確定分析結果，作為確定維修時間修正系數的依據。

2.2 維修作業復雜度評估

維修活動維修作業復雜度不同，其對維修工效設計的要求是不同的，維修工效設計結果對維修時間的影響也不同。比如單人單手抓取一個重量較輕的部件與給螺栓孔打保險兩個維修動作，其對維修工效設計的需求有很大差異。前者只需維修人員單手接近、作業點在維修人員最大目視區域內、操作過程僅需投入較少精力；而后者需要維修人員可雙手接近、有使用專用工具的操作空間、操作點需在維修人員最佳視野范圍內、操作過程需要維修人員投入較大精力。

因此，為了更準確地評估維修時間，需要在考慮維修工效分析結果的基礎上綜合考慮維修活動維修作業復雜度的影響?；诠こ探涷?，將維修活動的維修作業復雜度分為4級，各級確定依據如下：

(1) 第1級：簡單作業，可單人徒手完成，無操作精度要求，僅需投入較少精力，該維修作業對人員或設備無安全影響；

(2) 第2級：一般維修作業，單人徒手或使用工具完成，需要投入一定精力，該維修作業對人員或設備無安全影響；

(3) 第3級：較復雜維修作業，多人配合、徒手或使用工具完成，需要投入較多精力，操作精度要求高，或該維修作業對人員或設備有一定安全影響；

(4) 第4級：復雜維修作業，需要突入大量精力，或該維修作業對維修人員或設備有較大安全影響。

2.3 確定維修作業時間修正系數

飛機典型部件航線統計的拆裝時間數據描述如下：

(1) 復雜度一般，維修工效設計良好緊固件拆裝時間基于仿真模型或相關標準確定的時間為0.5 min，實際需要1 min；

(2) 復雜度高且維修工效設計良好的緊固件拆裝時間基于仿真模型或相關標準確定的時間為1 min，實際需要3～5 min；

(3) 復雜度高且維修工效設計很差的緊固件拆裝時間需要10 min以上，有時甚至需要20～30 min；

(4) 某型飛機APU基于過程仿真模型和模特分析法的分析的拆裝時間(包括拆卸進排氣管路、燃油管路和相關線纜)時間是12 min，而在飛機外場實際拆裝統計時間52 min。

上述航線統計數據表明，簡單且工效設計良好的維修活動與復雜度高、維修工效設計評估較差的維修活動，需要的維修時間相差數倍甚至十幾倍。

因此將考慮四個因素的維修工效時間修正系數最大值設置為12。將單因素修正系數最大值設置為3，因為對單因素來說，若其對時間的影響超過3倍，其維修工效設計已不可接受，必須進行設計更改。維修作業時間修正系數如表1所示。

表1 維修作業時間修正系數

3 機載設備拆裝時間綜合評估方法

3.1 基礎維修活動時間評估

首先基于維修過程仿真模型，使用模特分析法確定維修作動基礎維修時間。然后使用維修時間修正系數對基礎維修時間進行修正，修正公式為

T=維修工作MOD數×0.143 s×

(1+k1+k2+k3+k4)

式中：MOD數為模特分析法基本時間計量單位[9]，1 MOD=0.143 s；k1為考慮維修動作舒適性的基礎維修動作時間修正系數；k2為考慮肢體可達性的基礎維修動作時間修正系數；k3為考慮可視性的基礎維修動作時間修正系數；k4為考慮維護空間的基礎維修動作時間修正系數。

說明：模特分析法[15](Modolar Arrangement of Predetermind Time Standard，簡稱MODAPTS)是一種基礎動作時間分析方法。

3.2 機載設備拆裝時間評估

依據機載設備拆裝過程仿真模型，參照相似產品拆裝經驗，以機載設備裝配關系、維護空間、維修人員和專用保障設備數量為主要約束，基于最大限度并行的工作原則，規劃機載設備拆裝工作流程，進而分析機載設備拆裝時間。

4 應用驗證

以本文1.2節所述某型渦槳飛機發動機拆卸過程為例，對機載設備拆裝時間綜合評估方法進行驗證，具體過程如下：

(1) 對發動機拆卸過程進行分解，結果如表2所示。

(2) 確定每個維修動作的工作復雜度，結果如表2所示。

(3) 使用DELMIA軟件Human Task Simulation和DPM功能模塊，創建發動機拆卸過程仿真模型。

(4) 基于仿真過程模型，對每個維修動作進行維修工效設計分析，結果如表2所示。

表2 發動機本體拆卸工作復雜度和工效分析

續表

(5) 基于工效分析結果，確定每個維修動作的維修時間修正系數，如表3所示。

(6) 根據過程仿真模型，按照模特分析法動作分類[9]確定仿真過程中每個維修活動單元的模特數，以此為基礎使用維修活動時間修正系數確定評估的基礎維修活動時間，如表3所示。

說明：表3中第3項“拆卸主安裝節螺母”過程使用模特分析法描述：B17維修人員彎腰，M5伸直手臂接近作業點，E2目視觀察工具位置，R2矯正工具位置，P5將工具與螺栓對接在一起，D3判斷工具是否到位；M5B17使用全身力量擰松螺栓重復3次；M5E3R2P5D3M4手臂操作工具將螺栓從安裝位置擰下重復12次(擰兩圈，可使螺栓處于徒手取下的狀態)；M5B17收回工具恢復直立姿態。

表3 基礎維修活動時間評估

續表

(7) 以表3分析確定的基礎維修作業時間為基礎，考慮發動機拆裝維護空間、人員和專用保障設備數量約束，按照盡量并行作業的原則對飛機發動機本體拆卸流程和時間進行分析，結果如圖3所示。

圖3 飛機發動機本體拆卸流程與時間分析示意圖

從圖3可以看出：確定發動機本體拆卸時間為2 717.39 s/45.3 min?；趯嵨飿佣尾鹧b試驗，記錄的該型飛機發動機本體拆卸時間為41.5 min，分析結果與實測結果偏差9%。

5 結 論

(1) 本文以機載設備拆裝過程仿真模型為分析對象，通過建立修正系數將維修工效評估和維修作業復雜度分析綜合在一起，建立了一種機載設備拆裝時間綜合評估方法。該方法可將機載設備拆裝時間評估結果的準確度提高到90%以上，能夠滿足飛機研制過程中機載設備拆裝時間評估準確度的要求。

(2) 該方法以飛機三維設計模型為基礎進行分析評估，無需加工實體樣件，方便快捷，可以支撐對飛機設計方案的快速迭代和優化。

(3) 該方法僅考慮了4個影響機載設備拆裝時間的主要維修工效設計因素，未考慮維修安全、維修環境(光照、溫度、高空作業等)等其他維修工效設計因素，對4個主要因素確定的評判標準也相對粗略。為了進一步提高維修時間評估結果的準確性，需要對維修工效設計評判標準和影響進行進一步的研究。此外，本文提出的綜合考慮維修作業復雜度和維修工效分析結果的維修時間修正系數，主要是依據飛機航線使用維護經驗數據確定的，其適用范圍有一定的局限性，需要在工程實踐過程中不斷完善。