基于模糊聚类的保障装备模块化设计

于魁龙， 李 军， 张 宇， 周靖凯

(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)

基于模糊聚类的保障装备模块化设计

于魁龙， 李 军， 张 宇， 周靖凯

(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)

针对陆军各兵种配备的专用保障装备过多、互用性差、型号规格杂、利用率低等问题,基于模块化设计理念，采用模糊聚类方法，在功能分析的基础上将保障装备划分为基本模块、通用保障功能模块和专用保障功能模块。基本模块通过与各种通用保障功能模块和专用保障功能模块组合，可形成系列保障装备族，满足保障装备型谱要求和不同保障需求，很好地解决了保障装备型号规格杂，不同兵种的保障装备间关联少、互用性差的难题，实现了保障资源的优化组合。最后，以某型履带式装甲抢修车的模块化设计为例，验证了研究思路和方法的可行性。

保障装备；模块化设计；功能模块；模糊聚类；传递闭包法

目前，在联合作战条件下的陆军各兵种由于不同装备的保障装备间关联少、互用性差、型号规格复杂，导致保障资源规模很大，而保障效率和资源利用率却很低。若要增强联合作战条件下的装备保障能力，就必须提高保障装备的互用性和利用率。

模块化设计方法是提高保障装备的互用性和利用率行之有效的方法之一。模块化设计的总体目标是以较少的资源满足多样化的需求。保障资源模块化设计的意义在于可以少量种类的保障模块满足众多不同的个性化保障需求。模块化设计研究工作始于20世纪50年代末，20世纪80年代，由于计算机技术的飞速发展，CAD技术、成组技术、网络技术等各种新技术的发展和应用，有力推动了模块化设计和制造的进一步发展，童时中[1-2]从多方面对模块、模块化概念等模块化理论进行了研究，提出了模块化设计的总体流程。目前，模块化方法已广泛用于民用产品和服务的各个领域。在军事上，美国陆军“标准车辆工具组合”就是一组最常用、最基本的车辆维修工具组合，其所有工具均采用模块化、标准化配置，可随意组合，取代类型众多的野战级维修车间工具，可根据任务需要配置相应的工具模块，也可根据部队编制与职能组合其需要的模块。

模块化是我军目前保障资源设计的主要方向，是从根本上解决保障资源品种多、数量大、重复研制问题的出路。模块化划分方法很多，且各有特点[3]，其中：模糊聚类法由于可得到样本属于各个类别的不确定性程度，表达样本类属的中介性，即建立了样本对类别的不确定性描述，能更客观地反映现实世界，已成为聚类分析研究的主流。本文采用模糊聚类法进行模块划分，创建保障装备的基本模块、通用保障功能模块和专用保障功能模块。

1 保障装备模块划分原则

在保障装备模块化设计中，基本模块通过配备各种通用及专用的保障功能模块具备了多种作业保障能力，增加了保障装备的互用性，减少了保障装备的种类、规模，提高了保障效率，实现了保障资源的优化整合。

基本模块是保障装备的基础，是能够被某一系列保障装备共享的、可重用的模块集合，一般具有相对稳定的结构。保障功能模块是各种具有特定功能的专用检测设备、检测适配器和专用修理、保养机工具等。遂行任务时，保障功能模块配合有关基础模块可形成保障能力。保障功能模块包括通用保障功能模块和专用保障功能模块。通用保障功能模块是系统中经常重复的、功能基本不变的组成模块；专用保障功能模块是实现保障装备族中装备多样化以满足战场个性化需求的组成模块。

保障装备模块划分得越细，模块粒度越小，虽然可组合形成具有更多保障功能的保障装备族，提高了整个模块化系统的柔性，但也使得模块设计与配置的复杂程度增加；保障装备模块划分得越粗，模块粒度越大，虽然有利于装配，减少制造和装配成本，但易导致模块保障性能上的不合理，降低保障多样性。在划分保障装备模块时应遵循如下4项原则。

1) 军事性。在设计模块化保障装备之初就要考虑是否提高了保障效益，能否及时准确地保障到位。

2) 通用性。模块是一种标准的单元，具有互换性。可互换的模块应具有相同的功能和接口特征，即通用性。

3) 功能明确。模块是具有明确和独立功能的实体，划分模块时应保持其具有明确独立的保障性能。

4) 全周期。模块划分应同时兼顾制造、装配和回收的要求，并满足部队对装备的维修、更换和升级的需求。

2 保障装备模块划分过程

2.1 保障装备功能结构模型构建

功能结构模型用来描述系统各功能之间的关系，一般采用框图表示，并称之为功能结构图。功能结构模型的建立是系统从抽象到具体的重要环节之一。通过功能结构图，可明确实现系统总功能所需的子功能、功能元及其关系等，进而使各子功能或功能元较容易地与一定的物理效应及实现这些效应的实体结构相对应，得出实现所定总功能的实体解答。

构建功能结构模型一般分为如下4个步骤。

1) 进行技术过程分析，划定技术系统的边界，确定系统的总功能。

2) 将总功能分解为子功能或功能元。

3) 建立功能结构模型。根据系统的物理作用原理、工程经验或参照已有的类似系统，首先排定与主要工作过程有关的子功能或与功能元之间的关系，并提出一个初步方案，然后对初步方案进行检验并完善其相互关系，补充其他部分。为选出较优的方案，一般要提出若干个不同的功能结构模型。

4) 选出最佳的功能结构方案[4-5]。

建立功能结构模型时应注意如下问题：1)体现系统子功能或功能元之间的关系；2)各子功能和功能元的分解及其排列要有一定的理论依据(物理作用原理)或经验支持；3)不能漏掉必要的子功能或功能元；4)尽可能简单明了，但又便于实体解答方案求解。

2.2 模糊相似矩阵构建

根据保障装备功能元之间在功能、装配、空间和物理方面的相关性强弱，确定功能元的相关度取值。任意2个功能元之间的相关度定义如表1所示。

表1 功能元之间的相关度定义

根据表1定义的功能元相关度得出保障装备功能元之间在功能上的相关度矩阵R1、装配上的相关度矩阵R2、空间上的相关度矩阵R3和物理上的相关度矩阵R4。其形式为

建立了模糊关系矩阵R1、R2、R3、R4后，就可得到反映功能元之间相似程度的模糊相似矩阵R，其构造方法为

式中:

i,j∈{1,2,…,n}。

(1)

2.3 构建模糊等价矩阵

采用最小平方算法[2]来求解传递闭包，即

式中:R2=R∘R=∨(rij∧rji)。

若存在k0，使得

R2k0-1=R2k0，

(2)

则

(3)

2.4 利用传递闭包法进行截取聚类

(4)

将每一行中元素为1所对应的功能元聚为一类。可用如图1所示的模糊聚类树状图直观地表示各功能元之间在λi(i=1,2,…,m)水平上的聚类过程。根据聚类分析结果就可分析得出保障装备的基本模块、通用保障功能模块和专用保障功能模块。

图1 模糊聚类树状图

3 实例分析

以某型履带式装甲抢修车为例，通过模糊聚类分析对其基本模块、通用保障功能模块与专用保障功能模块进行划分，然后将基本模块与不同的通用保障功能模块、专用保障功能模块组合即构成装甲抢修车系列。

3.1 某型履带式装甲抢修车功能结构分析

该型车为装有抢修设备的履带式装甲技术保障车辆。主要用于伴随坦克及其他装甲车辆完成底盘、火炮的战场抢修及充电、充气任务。该型车由某式输送车底盘改装而成，主要由发电机、电焊、充电、起重装置、火炮拆装机具和底盘组成[6]。

根据其功能及主要功能部件，在能量流的基础上建立功能结构模型，如图2所示。该模型主要包括机动系统、火力系统、防护系统、通信系统和作业系统，共57个功能单元，其中机动系统、主要作业系统为主要的功能系统。

图2 某型履带式装甲抢修车功能结构模型

3.2 模块划分

根据图2、表1可得到模糊关系矩阵R1、R2、R3、R4。采用AHP法求出该车型各功能元之间在功能、装配、空间和物理上的权重分别为：w1=0.274 5，w2=0.475 5，w3=0.158 5，w4=0.091 5。根据式(1)可得该型履带式装甲抢修车功能元的模糊相似矩阵R，如表2所示。限于篇幅，本文只列出部分矩阵。其中：

0.274 5×5+0.475 5×4+0.158 5×5+

0.091 5×5=4.524 5,

由图3可见：当λ=1.558时，将57个功能元聚为以下8类。

表2 某型履带式装甲抢修车功能元的模糊相似矩阵R

表3 某型履带式装甲抢修车功能元的模糊等价矩阵

图3 某型履带式装甲抢修车功能元的模糊聚类树状图

{P1,P2,P3,P4,P6,P7,P9,P10,P11,P12,P13};

{P29,P30,P31};

{P5,P8,P14,P15,P16,P17,P18,P19,P25};

{P20,P21,P22,P23,P40,P41};

{P24,P26,P27,P28,P35,P36};

{P32,P33,P34,P37,P38,P39,P49,P50};

{P42,P46,P47,P48};

{P43,P44,P45,P51,P52,P53,P54,P55,P56,P57}。

根据功能独立原则，结合该型车的功能结构，可以看出：在得到的8类模块中，有些还需要再分解才比较合理。因此，通过取多个λ值对聚类结果进行适当调整后，将该型车划分为10个模块。其中：{P1,P2,P3,P4,P6,P7,P9,P10,P11,P12,P13}为动力模块;{P5,P8,P14,P15,P16,P17,P18,P19,P25}为传动模块;{P20,P21,P22,P23,P40,P41}为行动模块;{P24,P26,P27,P28,P35,P36}为电能模块;{P29,P30,P31}为设备模块; {P42,P46,P47,P48}防护模块；模块{P32,P33,P34,P37,P38,P39,P49,P50}进一步分解为{P32,P33,P34,P49,P50}电气模块和{P37,P38,P39}起重模块；{P43,P44,P45,P51,P52,P53,P54,P55,P56,P57}进一步分解为{P51,P52,P53,P54,P55,P56,P57}工具模块和{P43,P44,P45}武器模块。 这样，该型车的基本模块包括动力模块、传动模块、行动模块、电能模块、防护模块、电气模块和武器模块共7个模块，通用保障功能模块包括设备模块、工具模块和起重模块共3个模块。

3.3 履带式装甲抢修车的模块化与系列化

对于模块化履带式装甲抢修车，动力模块、传动模块、行动模块、电能模块、防护模块、电气模块、武器模块为基本模块，可按照战场需求组合。通用保障功能模块由通用设备和通用工具组成，专用保障功能模块由专用设备和专用工具组成。

保障装备的模块化要以保障的主战装备系列型谱为指导，来规划通用和专用保障功能模块系列。通过开发系列化的保障功能模块，满足装备的不同保障需求和保障装备的型谱需求。模块化履带式装甲抢修车实现了只需要通过功能模块的组合便可形成车族，经济且便于自身保障；而且通过配备专用保障功能模块，使履带抢修车的保障作业针对性更强，减少携带不必要的工具设备，反应更加迅速。

模块化履带式装甲抢修车族技术体系如图4所示。由图4可见：以基本模块为基础，通过配备通用保障功能模块，再选装针对不同类型装备的专用保障功能模块，如压制武器、突击装备、防空武器、防化装备、通信指挥装备、侦察装备、机要装备、测绘装备等专用保障模块，可组合成保障不同主战装备的一系列履带式装甲抢修车，形成履带式装甲抢修车族，从而满足保障陆军不同兵种的装备多样化需求。由于模块可动态组合，因此可根据具体的作战任务选装需要的专用保障功能模块，避免不必要的冗余，提高了互用性和利用率。

图4 模块化履带式装甲抢修车族技术体系

4 结论

本文利用模块化的模糊聚类法对保障装备的规划、设计进行了研究，该方法可有效地减少保障装备种类，提高保障装备互用性和利用率，是提高陆军各兵种保障装备保障效率和利用率的有效手段。下一步将在如下2个方面开展研究。

1) 关于相似实例检索工作，为了简化检索过程，本文采用了平均权重的方法，这与实际情况不相符，降低了相似度量的精度。相似度量方法、权重的确定还有待进一步研究。

2) 进行保障装备模块划分时，应用的功能元相关性数据还需要进行大量的调查和分析工作，也需要结合战场需求和生产设计，利用数据挖掘理论进行科学分析。

[1] 童时中. 模块化产品系统(总体)设计[J].机械制造与自动化，1994(6)：15-17.

[2] 童时中.模块化原理在生产系统布局设计中的运用[J].标准化报道，2000,21(5):20-22.

[3] 唐涛，刘志峰，刘复光，等. 绿色模块化设计方法研究[J]. 机械工程学报，2003，39(11)：149-154.

[4] 王日成,张进生,葛培琪,等. 基于公理设计与模糊树图的集成式模块划分方法[J]. 农业机械学报, 2009,40(4): 179-183.

[5] Lee H S. An Optimal Algorithm for Computing the Max-min Transitive Closure of a Fuzzy Similarity Matrix[J]. Fuzzy Sets and Systems， 2001,123(2):129-136.

[6] 吴纬, 周运东,梅国建,等. 装甲装备保障学[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010.

(责任编辑:王生凤)

Modularization Design of Support Equipment Based on Fuzzy Clustering

YU Kui-long, LI Jun, ZHANG Yu, ZHOU Jing-kai

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the existing problems for special support equipment of the army such as excess quantity, poor interoperability, complex specifications and low utilization rate, in accordance with the idea of modularization design, adopting fuzzy clustering method, on the basis of function analysis, the support equipment is divided into basic module, universal support functional module and special support functional module. Through combining with universal support functional module and special support functional module, forming a series of equipment family, basic module can be applied to different support requirements and meet the type spectrum requirement of support equipment. The problems of complex specifications, less association and poor interoperability of different army support equipment are solved, and support resources are optimally combined. Finally, the proposed design methods and ideas are verified using the modularization design example of armored recovery vehicles.

support equipment; modularization design; functional modules; fuzzy clustering

1672-1497(2015)01-0018-07

2014- 11- 06

军队科研计划项目

于魁龙(1968-)，男，高级实验师，硕士。

E92

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.004