基于性能的復雜裝備現場可更換單元規劃

楊 剛, 吳旭升, 孫 盼, 朱 浩, 熊 勝

(海軍工程大學電氣工程學院, 湖北 武漢 430033)

0 引 言

現場可更換單元(line replaceable unitm, LRU)是可在工作現場(基層級)從系統或設備上拆卸并更換的單元[1],是裝備中實施可靠性、維修性、保障性、測試性(reliability, maintainability, supportability, testability, RMST)設計、分析和評價的典型對象[2]。LRU規劃對提高裝備的RMST水平,尤其在改善測試性、維修性、減少壽命周期費用等方面有重要作用[3-5]。LRU規劃本質上是模塊劃分,即從系統角度出發,研究系統的構成形式,采用分解和組合的方法,建立模塊體系,并運用模塊組合成系統的全過程[6]。文獻[7]通過功能、裝配、信息等方面的關聯分析,運用數學聚類法進行模塊劃分;文獻[8]在設計階段考慮裝配和制造因素,運用模糊聚類進行功能模塊劃分;文獻[9]提出了內部聚類、外部獨立性和整體穩定性3大原則,通過模糊集理論求得模塊劃分的最優解;文獻[10]通過將接觸類型、組合類型等工程屬性用于零部件之間連接關系的評價,并采用分組遺傳算法對零部件進行了聚類分析。以上文獻總體上是基于系統功能、結構等特性,采用聚類算法得到LRU規劃方案。文獻[11]以最小化零部件更換的總成本為目標,建立了混合整數線性規劃模型用于解決LRU規劃問題;文獻[12-13]以維修決策費用最低作為目標函數,建立了數學模型求解最佳規劃方案;文獻[14]將各項約束和要求通過數學模型進行描述,利用整形規劃來解決LRU規劃問題;文獻[15-16]通過定性分析可靠性、維修性、保障性要求,得到系統初步的LRU規劃方案,通過定量分析平均維修時間和壽命周期費用獲取最優規劃方案。這類方法主要是通過建立影響因素的數學模型實現LRU規劃的。

上述文獻中采用的兩類LRU規劃方法均存在一定的弊端,基于模糊聚類的方法存在較大的主觀性,基于數學模型的方法則需要獲取大量數據。此外,上述文獻在LRU規劃過程中對性能(功能特性和通用質量特性[17])缺乏應有的考慮或考慮地不夠全面。武器裝備在研制總要求中通常明確了功能特性和通用質量特性要求,尤其是RMST要求。LRU規劃作為RMST并行設計的首要工作,必須充分考慮RMST要求。

綜上所述,在對復雜裝備進行LRU規劃時,既要考慮數據不足的情況,發揮專家評價的優勢,又要充分利用好現有的少量數據;既要考慮功能-行為-結構(function behavior structure, FBS)的特性要求,又要考慮RMST要求。因此,本文提出一種基于性能的LRU規劃方法,綜合運用前文綜述的兩類方法,全面考慮LRU規劃的影響因素,從裝備承制方設計要求的角度,以功能、行為和結構作為規劃準則,采用模糊聚類法對裝備進行初步的LRU規劃;從裝備需求方使用要求的角度,以RMST作為影響因素,建立綜合評價數學模型,對初步規劃方案進行排序,最終確定最優的LRU規劃方案。

1 LRU規劃總體方案

首先根據功能和基本原理按照“系統-分系統-設備-零部件”的層次,對復雜裝備系統進行拆分,獲取系統的零部件清單;在此基礎上,對零部件在功能、行為和結構方面的相關關系進行評價,構建零部件之間的相關關系評價矩陣,并根據相關關系的權重,得到零部件綜合相關矩陣,運用模糊聚類法進行聚類分析,獲取初步的LRU規劃方案;最后,通過分析RMST影響因素,將RMST參量化,建立LRU規劃方案的綜合評價數學模型,對初步的規劃方案進行評價排序,從而得到最優方案。本文的LRU規劃總體方案如圖1所示。

圖1 LRU規劃總體方案

2 基于FBS矩陣的LRU初步規劃

2.1 獲取系統的零部件清單

按照一定原則對系統進行分解從而獲取系統的零部件清單是LRU規劃的第一步,主要方法有公理化設計法、基于功能的方法等[18-20],本文采用基于功能的方法,首先對系統進行功能分析,將總功能分解為多個子功能,建立系統的功能架構;在此基礎上分析實現每個子功能的分系統,對每個分系統的功能再進行分解,得到多個子功能,進而分析實現每個子功能的設備,依次類推,直到獲得零部件為止。具體分析流程如圖2所示。

圖2 獲取零部件流程

2.2 建立零部件FBS矩陣

系統的功能、行為和結構組成了系統的整體框架,在對系統進行LRU規劃時,必須充分考慮這3個方面的因素,才能使規劃方案更加合理[21-24]。根據獲取的零部件清單,在3個方面分別建立相關關系評價矩陣,用于定量描述零部件之間的相關性。

(1)功能相關量化

功能相關是指兩個零部件之間的功能協作關系。如果為了實現某個功能,兩個零部件缺一不可,則零部件之間的功能相關程度最高;反之,兩個零部件功能獨立,則功能相關程度最低。具體量化如表1所示。

表1 功能相關量化

(2)行為相關量化

行為是某個功能具體實現的途徑和方法,也可以理解為物理原理。因此,根據零部件實現某個功能的基本原理,可以將行為相關量化為:行為相同、行為相似、行為獨立。具體量化如表2所示。

表2 行為相關量化

(3)結構相關量化

結構是功能和行為的載體,結構相關主要是指零部件在接口、聯接等方面的關系,反映設計約束,具體可以描述為:不可拆分、難以拆分、較難拆分、較易拆分和無聯接關系,具體量化如表3所示。

表3 結構相關量化

根據以上建立的量化準則,由裝備承制部門專家進行評定,構造功能相關矩陣MF,行為相關矩陣MB和結構相關矩陣MS,如功能相關矩陣MF為

(1)

式中：rFij表示零部件i和j之間的功能相關數值。

(4)確定相關性的權重

采用層次分析法確定零部件功能、行為、結構相關性的權重,以設計、制造、裝配、拆卸等作為準則層,功能、行為、結構相關性作為指標層[25-26],建立判斷矩陣,每個準則下各相關性重要度比值由裝備承制方專家評定,最終可以計算出各相關性的權重。

(5)零部件綜合相關矩陣

(2)

式中:ωk表示相關性權重,各相關性權重之和為1;Mk表示相關矩陣(k=1,2,3),分別代表MF、MB、MS;rij表示零部件i和j之間的綜合相關數值。

2.3 零部件模糊聚類分析

對復雜裝備系統進行LRU規劃時,由于零部件之間關系復雜,很難直接得到合理的規劃方案,故采用模糊聚類分析法,可以較好地實現LRU的初步規劃[27-29]。通過第2.2節建立的零部件之間的綜合相關矩陣M為模糊相似矩陣,需要通過傳遞閉包法將M變換為模糊等價矩陣以便于聚類分析,具體方法為對M依次求模糊平方:

M→M2→M4→

(3)

M2=M·M=∨(rij∧rji)

(4)

式中：∨表示邏輯加,取大;∧表示邏輯減,取小。當第一次出現Mk·Mk=Mk時,此時Mk就是所求的模糊等價矩陣。

在得到Mk后,需要選擇閾值α(α∈[0,1]),通常將Mk中所有互不相同的元素作為閾值,獲得不同水平的截矩陣,從而得到動態的聚類結果。因此,取不同的閾值,系統的LRU規劃方案也不同,需要進一步對得到的所有方案進行優選。

3 基于RMST模型的LRU規劃方案優選

隨著高新技術不斷被應用在新型裝備中,裝備的復雜程度越來越高,通用質量特性的問題逐步凸顯,而通用質量特性對復雜裝備的戰備完好性有直接影響。因此,開展復雜裝備系統LRU規劃,必須綜合考慮通用質量特性要求,尤其是RMST要求,通過建立綜合評價模型,對初步規劃方案進行優選。為了便于構建綜合評價模型,假定經過初步的LRU規劃得到的方案有n個,每個方案包含的LRU數量為m個。

3.1 RMST參量化

(1)可靠性

可靠性是指裝備在規定條件下和規定時間內,完成規定功能的能力,描述可靠性的關鍵指標有平均故障間隔時間,使用壽命、任務可靠度等,裝備可靠性與設計、制造工藝、運行環境、工況等因素都存在一定關系,因此LRU規劃一定程度上會影響系統的可靠性水平。

裝備及其內部單元的可靠性數據通常很難獲取,需要通過長時間大量的可靠性試驗才能進行測算,在裝備的設計研制階段可以參照相似裝備數據由專家進行評判[30],由此構造可靠性評價參數:

(5)

式中：Tx為第x個方案對應的可靠性評分。

(2)維修性

維修性是指裝備在規定條件下和規定時間內,按規定的程序和方法進行維修時,保持和恢復到規定狀態的能力,描述維修性的關鍵指標是平均修復時間,從LRU的定義(可在基層級進行拆卸和更換的單元)可知,LRU規劃對維修性有重要影響。

平均修復時間為

(6)

式中：λi為第i個LRU的故障率;TMi為第i個LRU的修復時間;λ為系統的故障率。由此構造維修性評價參數:

(7)

(3)保障性

保障性是指裝備設計特性和計劃保障資源能滿足平時戰備和戰時使用要求的能力,描述保障性的主要參數有保障延誤時間、資源滿足率等。顯然,要提高裝備的保障性,需要配備足夠的備品備件和技術人員等,這必將帶來保障成本的增加,因此本文在進行LRU規劃時,用保障費用C來反映系統保障性水平。保障費用在壽命周期內主要由備品備件費用、維修更換費用、報廢處置費用、人員培訓費、資料費等組成,在進行LRU規劃時,具體保障費用的組成需要結合掌握的裝備數據進行合理選擇,本文將備品備件費用定為保障費用,各LRU的保障費用可以表示為

Ci=CSPi

(8)

式中:CSPi代表第i個LRU的備品備件費用,由此構造保障性評價參數，表示為

(9)

(4)測試性

測試性是指裝備能夠及時檢測并隔離其故障的能力,描述測試性的指標主要有故障檢測率、故障隔離率、虛警率等,虛警率主要和測試的可靠性相關。因此,在進行LRU規劃時,重點要考慮的是故障檢測率和故障隔離率。在設計研制階段系統可檢測和隔離的故障模式概率均未知,本文采用故障檢測隔離難度來描述系統的測試性水平。顯然,如果規劃方案包含的LRU數量越多,故障檢測隔離的難度就越大,由此定義測試性評價參數:

(10)

式中：mx為第x個方案對應的系統包含的LRU數量。

3.2 優化模型建立

根據上述分析,可以構建LRU規劃方案的綜合評價模型,RMST綜合評價因子為

Kx=ωTKTx+ωRKRx+ωM(1-KMx)+

ωS(1-KSx)

(11)

式中：ωT,ωR,ωM,ωS分別為測試性、可靠性、維修性和保障性評價參數的權重,權重由需求方專家根據對RMST的關注度綜合評定給出,經計算綜合評價因子Kx最大的方案即為最優方案。

4 案例分析

本節以在研的某型中壓整流發電機為研究對象,運用本文提出的方法進行LRU規劃。該型中壓整流發電機是新型艦船綜合電力系統的核心組成部分,與燃氣輪機構成艦船綜合電力系統的主電源,為電力推進、高能武器系統和日用負載等提供電能。

4.1 獲取發電機零部件清單

中壓整流發電機的主要功能是輸出穩定的直流電,為確保該功能實現需要有電能輸出、勵磁以及冷卻3個子功能,其分別對應發電機本體、勵磁系統和冷卻系統3個分系統;對勵磁系統而言,其主要功能是控制發電機的勵磁,為實現該功能需要勵磁控制裝置發出控制信號、勵磁機產生合適大小的交流電流、旋轉整流器將交流電流變為主發電機需要的直流勵磁電流。因此,可以將勵磁系統分為勵磁機、勵磁控制裝置和旋轉整流器3個零部件;發電機本體和冷卻系統按照同樣的步驟進行分解,最終得到的中壓整流發電機零部件清單如表4所示。

表4 中壓整流發電機零部件清單

4.2 建立發電機零部件FBS矩陣

根據第2.2節的分析由承制方專家構造中壓整流發電機零部件之間的功能相關矩陣MF、行為相關矩陣MB和結構相關矩陣MS,如表5～表7所示。

表5 功能相關矩陣

表6 行為相關矩陣

表7 結構相關矩陣

在得到以上相關矩陣后,通過層次分析法確定各相關性的權重,經過計算功能、行為和結構相關性的權重依次為0.43、0.17、0.40,由此根據式(2)確定零部件綜合相關矩陣M,如表8所示。

表8 綜合相關矩陣

4.3 LRU初步規劃

根據式(3)和式(4)計算綜合相關矩陣M的模糊等價矩陣Mk,如表9所示。

表9 模糊等價矩陣

運用Matlab求解模糊等價矩陣的截矩陣,得到LRU初步規劃方案如表10所示。

表10 LRU初步規劃方案

從表10可以看出,根據閾值α的不同取值,共得到8種LRU規劃方案,通常情況下可以首先排除將系統劃分為1個LRU或者每個零部件都是LRU的情況,這種情況違背了LRU規劃的原則,失去了LRU規劃的意義,因此需要對剩余的6種方案開展進一步評價,從而得到最佳方案。

4.4 LRU規劃方案優選

以方案4為例,該方案將發電機劃分為4個LRU,LRU相關參數數值如表11所示。

表11 方案4中各LRU相關數據

將表11中的數據分別代入式(5)～式(10)可以計算出方案RMST的評價參數數值,進而根據式(11)計算出綜合評價因子。

需求方對裝備設計研制過程中的RMST權重取值ωT,ωR,ωM,ωS分別為0.3、0.1、0.3、0.3,計算出K4=0.458。同理,可以分別計算出其他方案的綜合評價因子K2=0.231、K3=0.352、K5=0.630、K6=0.914、K7=0.833。

按照綜合評價因子對LRU初步規劃的方案進行排序,可以看出方案6的RMST綜合評價最高,為最優的LRU規劃方案。

5 結 論

針對復雜裝備系統設計研制階段的LRU規劃,本文提出了一種基于性能的規劃方法,綜合考慮系統功能特性和RMST特性要求,通過模糊聚類分析和數學模型評價,充分運用專家主觀評價和裝備客觀數據,以某型中壓整流發電機為例進行了LRU規劃。需要指出的是,本文對系統的分解還不夠徹底,未能達到器件級,RMST各自所占權重由專家給出,并未進行詳細的分析論證；由于中壓整流發電機仍處于設計研制階段,現有的數據還存在不完整、不準確的情況,LRU規劃工作需要結合裝備數據庫更新不斷修改完善。

LRU規劃是一項貫穿裝備壽命周期的工作,需要通過不斷迭代,才能得到令承制方和需求方都滿意的結果。本文提出的方案能夠較好地解決復雜裝備在設計研制階段的LRU規劃問題,具有一定的實用價值。