艦船裝備維修性設計要求生成方法研究

魏國東，朱石堅，俞 翔

(1.海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北 武漢 30033)

1 引言

無論裝備如何提高可靠性，都有可能會發生故障，并需要維修，以幫助裝備恢復功能完成任務使命。而裝備的維修性設計水平直接決定了能否有效、快速、經濟地完成裝備的維修工作[1]。裝備維修性設計要求是維修性設計工作的基礎，只有生成合理的維修性設計要求，才能有效指導裝備的維修性設計工作的開展。如果在裝備設計階段，能夠確定全面、準確、合理的維修性要求，并轉化為相應的維修性設計，改進設計中的薄弱環節，將有效提高裝備的維修性設計水平，大大降低裝備壽命周期內的維修工作，減少維修費用[2]。

理想中的根據裝備維修性設計研究工作應該與裝備維修保障工程構成閉環關系，即通過裝備維修性設計優化可以解決裝備維修保障工程中存在的維修難題；反過來，裝備維修保障工程中暴露的問題可以用于指導維修性設計工作的開展。然而目前，艦船裝備維修性設計與艦船裝備維修保障工程嚴重脫節。一方面，裝備設計研制階段，缺乏真正在一線從事艦船裝備維修保障工程的人員參與，很難聽到艦艇部隊全面、合理、符合實際的維修性要求；另一方面，艦艇部隊和裝備維修保障單位累積了多年的故障匯編、維修記錄等沒有轉化為同類型艦船裝備維修性設計的輸入，沒有由此得出電子類、機電類、機械類設備在實際使用環境中的維修時間分布特征量，并用以開展維修性建模、預計、控制、評估等設計工作[3]。這就導致目前的維修性設計要求生成工作多是設計人員借助設計經驗或拍腦袋決策而定，使得生成的設計要求并不能體現實際中存在的維修性問題。所以，必須根據裝備的特點，認真研究裝備維修性設計要求的生成方法，密切聯系維修性設計需求與維修保障工程，保證維修性設計要求的合理性和科學性，從而為維修性設計工作的開展奠定堅實的基礎。

本文以艦船裝備為例，分析了目前艦船裝備維修性設計要求生成過程中存在的主要問題，通過研究挖掘維修歷史數據用于生成維修性設計要求工作，從而有效強化了維修性設計工作與維修保障工程之間的聯系，進一步完善了維修性設計要求的生成方法及流程。

2 艦船裝備維修性要求生成方法

通過分析發現，維修性設計工作能否有效開展，必須以是否能夠生成科學、合理的維修性設計要求作為前提。針對目前維修性設計要求生成過程中存在的問題及主要特點，可以從以下幾個方面完善維修性設計要求的生成方法：

2.1 基于頂層需求

艦船維修性要求首先反映了使用方或訂購方對艦船想要達到的維修性水平的期望目標，并協調分析艦船性能、費用、進度、裝備可靠性、保障性、測試性等要求，綜合考慮生成裝備的維修性要求[4]。而艦船想要達到的維修性水平，首先來源于艦船總體的頂層需求，如戰備完好性、任務成功性等的要求[5]。而戰備完好性和任務成功性，都是規定或描述裝備平時戰備完好狀態和戰時完成預定任務目標能力的綜合性參數，不能直接作為裝備維修性工程設計的參數。必須詳細分析影響戰備完好性和任務成功性的各種因素，從中分解出能設計、能監控、能跟蹤、能試驗驗證的、具體的維修性工程設計參數，以保證裝備系統的戰備完好性和任務成功性要求目標的實現[6]。這些工程設計參數及其量值以及定性要求，就是裝備的維修性要求，它們是實現武器裝備平時戰備完好狀態和戰時作戰任務目標要求的基本保證，對于維修性設計具有指導和約束意義，屬于基本要求。

把頂層需求提清楚了，把評估抓嚴格了，設計及工業部門就不得不努力去實現裝備的維修性。良好的頂層設計要求，將為維修性的提高提供指導性的設計框架，提的好、提的準的頂層需求，將為維修性的設計提高打下堅實的基礎，有利于維修性的布局、設計、分配，生成方法如圖1所示。

圖1 基于頂層需求的維修性要求生成方法

2.2 基于同類型相似裝備比較

對于艦船這種小子樣大型復雜裝備，通過同類型相似裝備比較生成維修性要求，是一種十分重要的方法，也是目前普遍采用的方法之一。通過總結艦船裝備發展、建設、管理和使用中的經驗教訓，并全面分析和評估已有艦船裝備的使用性能和效能，分析現役相似艦船裝備達到的維修性水平及在維修性方面存在的缺陷及不足，對新研艦船裝備提出科學合理的對策方案，為發展新型艦船裝備提供寶貴的借鑒經驗，使提出的各項結論、要求有牢固的實踐基礎[7]。這種生成維修性設計要求的方法較為簡單、直接，生成方法如圖2所示。

圖2 基于同類型相似裝備比較生成維修性要求方法

首先，依據相似艦船裝備，結合新研艦船裝備的任務需求、使用方案、效能分析以及艦船的初步總體方案，確定新研艦船裝備的維修性參數集。利用任務需求分析、相似裝備比較、使用仿真、專家評分等方法提出艦船總體可用度目標值。利用合適的分配法將艦船總體可用度目標值分配到各設備，確定各設備的可用度目標值。利用相似裝備類比或借鑒相關數據的方法，將各設備的可用度目標值，分解為各設備的基本維修性參數指標。利用分解得到的各設備維修性參數，依據艦船維修性模型，預計艦船總體任務可靠度，若不滿足要求，則重新確定各設備維修性指標，直到滿足要求?？紤]國內有關技術水平及工業基礎，進行維修性指標與功能要求、研制進度、技術、費用的綜合權衡。對維修性指標權衡分析，同時確定艦船維修性要求的可行性。將維修性使用參數與指標轉換成合同參數與指標。最后通過驗證分析，形成新研艦船裝備維修性要求。

2.3 基于仿真計算

基于仿真的維修性要求論證分析，就是運用計算機仿真方法來建立裝備的維修性模型，通過模型的實驗數據來分析系統的維修性特性與系統運行效果，通過反復迭代地調整維修性的要求值，最終獲得在一定約束條件下，能夠使系統達到最佳運行效果的維修性指標要求[8]。這種方法生成維修性設計要求較為方便，研發的周期短、費用較少，越來越得到設計人員的重視，生成方法如圖3所示。

圖3 基于仿真生成維修性要求方法

通過構建計算機仿真模型來直接模擬系統的運行情況，獲取輸出數據，再反推系統輸入與輸出之間的潛在關系，并根據這種關系對裝備維修性設計要求指標的適度調整和評估，逐步實現在一定約束條件下的系統維修性要求的最優化。

2.4 基于維修歷史數據挖掘

充分利用好部隊和裝備維修保障單位多年積累的故障匯編、維修記錄等維修歷史數據，可以有效推動艦船裝備技術保障及維修性科學化、精確化和智慧化發展。通過開展裝備維修保障歷史數據挖掘和融合技術研究，基于大數據和云計算技術，設計部門能夠將收集到的維修保障歷史數據信息和資源進行量化，掌控艦船裝備最真實的維修性需求，從而提升維修性決策質量和業績表現，突破制約維修保障能力生成、提高艦船裝備維修性質量和效益的“瓶頸”和“短板”，為新研裝備及裝備改進設計提供客觀數據型決策服務[9]。這種方法獲得的維修性要求，較為客觀、真實，針對性也較強，生成方法如圖4所示。

圖4 艦船裝備維修性需求生成方法研究思路

通過調研典型艦船裝備的維修保障現狀，了解目前艦艇部隊正在采用的裝備維修保障管理軟件及其運行情況，并結合艦艇裝備故障信息登記簿記錄的情況，收集包括裝備信息、人員信息、工裝備件信息、故障信息和維修信息在內的裝備維修保障信息，掌握艦船裝備維修歷史數據的數量、規模、結構、載體形式等。

利用統計分析和數據挖掘方法對電子類、機電類、機械類設備在實際使用環境下的平均修復時間、最大修復時間等維修性參數進行特征量提取，對維修保障典型問題進行信息挖掘，為艦船裝備維修性設計要求生成提供有效信息及依據。

以上艦船維修性設計要求生成方法，在維修性設計工作中并不是單獨存在的，需要綜合應用，按照艦船裝備維修性設計要求生成流程產生科學合理的維修性設計要求。

3 艦船裝備維修性設計要求生成流程

裝備維修性設計要求生成工作的任務就是用各種手段收集大量的有用信息，從作戰需求、現狀分析、發展趨勢、國內技術與經濟能力等各方面，進行全面系統的分析研究，通過邏輯推理形式，提出切實可行的科學的維修性設計要求，并對實現裝備維修性要求的指導思想和原則、發展目標、發展方向和重點、主要問題和對策措施等，提出理論依據和現實可行的策略，并做出科學結論并加以檢驗和證明。艦船裝備維修性設計要求生成的主要流程如圖5所示。

圖5 裝備維修性要求論證的主要程序

首先要依據裝備任務需求和使用方案，確定艦船裝備頂層維修性綜合定量要求，通過權衡、分解獲得裝備具體維修性定量要求、定性要求及工作項目要求，結合同類型相似裝備比較、仿真計算、歷史維修數據挖掘等方法進行維修性設計分析，通過技術經濟可行性分析后，將生成的艦船裝備維修性使用要求轉化為合同要求，最后進行維修性要求的可驗證性分析并形成艦船裝備的維修性設計要求[10]。需明白，維修性設計要求的生成是一個循序漸進、反復迭代、不斷完善的過程。原有的常規解析手段，已經無法完成這些復雜分析工作，難以完成細節分析和達到對精度的要求，因此仿真和數據挖掘技術被大量引入裝備維修性要求論證工作中。在實際的維修性要求生成過程中，有可能只是用其中某種方法，也可能使用幾種方法相結合的方式，最終的目的是獲得描述準確、完備、與裝備設計關系明晰的維修性設計要求。設計人員需要根據艦船的主要特點，綜合權衡，選擇合適的論證方法，得到令人滿意的維修性要求，為維修性設計奠定堅實的基礎。

4 結語

確定維修性設計要求的根本目的是為了獲得易于維修保障的裝備，以實現規定的戰備完好性和任務成功性要求，并減少維修資源消耗，降低壽命周期費用。維修性設計要求生成是提高裝備維修性設計質量的基礎。由于裝備維修性工程與維修性設計脫節導致了生成的維修性設計要求難以真正融入裝備設計工作，針對存在的問題，本文做了如下工作：

1)通過分析維修保障工程與維修性設計工作的現狀與聯系，從源頭上分析了二者脫節問題產生的原因；

2)通過創新性地提出基于維修歷史數據挖掘的維修性需求生成方法研究，有效解決了維修性設計要求脫離維修保障工程的問題；

3)通過梳理維修性設計要求生成方法研究，完善了維修性設計要求研究體系，為維修性設計工作的開展奠定了堅實基礎，努力實現“既有所需，必有所為”的設計理念。