导航设备质量论证及评估仿真软件设计

孔 敏，王凤芹，闫 冲，闫芳君

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.海军航空大学，山东 烟台 264001)

0 引言

卫星导航用户设备在设计使用过程中所体现的可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性(简称“通用质量特性”)是衡量设备效能的重要指标，与设备的性能指标具有同等重要的地位[1-3]。通用质量特性要求应在设备立项阶段与技术指标同步规划论证，在研制生产阶段加以落实，在使用保障阶段得以充分体现。科学合理的通用质量特性指标参数，可为提高设备的完好率、降低寿命周期费用和提高保障时效性提供辅助决策，为开展设备维护保养、技术保障、维修和延长寿命工作提供技术支撑。通过设备质量状态评估，便于维护保障人员对设备及时形成质量监控决策，优化设备质量保障方案，缩短设备维护保养及性能恢复时间，有利于掌握设备质量变化规律，持续保持设备完好状态。

目前，卫星导航设备质量特性的要求论证与评估主要是基于经验，质量特性论证的数字化设计环境在国内已有一些研究，可基于数字化模型开展通用质量特性设计分析，进而开展可靠性仿真验证和虚拟维修仿真等分析工作[4-5]，为通用质量特性指标的落实提供了积极的解决手段，但其实现依赖于产品的数字化设计方案。对于设备使用者来说，在未获得相应产品详细数字化设计，仅有功能模块级经验数据和维修保障方案设定的情况下，通用质量特性指标的论证还需要结合用户的实际使用来研究确定。此外，对卫星导航设备的通用质量特性论证指标和实际指标数据给出综合评价，也是急需解决的问题。

本文将质量特性论证与评估过程相结合，提出了卫星导航用户设备质量论证及评估仿真软件设计方法。按照卫星导航设备功能和工作体制进行类型划分，通过模拟设备的维修保障过程，根据保障性分析和历史数据的输入，论证出设备质量评估指标体系中的各参数，实现论证阶段的通用质量特性指标论证设计，同时可利用评估模型对质量特性论证指标和实际数据进行评估，实现论证阶段和使用保障阶段的设备质量评价。

1 总体思路

在论证阶段，针对不同类型卫星导航用户设备、不同保障策略和不同应用环境，以使用保障中表现出的质量特性为基础，建立通用质量特性指标体系。通过对卫星导航用户设备保障过程进行分析，有效模拟并发现各种保障要素，从而针对性地规划各任务阶段的保障活动、资源和组织等要素，论证科学合理的通用质量特性指标。同时，卫星导航用户设备在使用保障阶段保障好、维修好、贮存好，才能保持较高的质量水平，因此使用保障阶段的质量评估不仅评估使用保障阶段的质量水平，而且为判断设备是否满足总体设计要求提供条件和依据。以通用质量特性指标体系为基础建立质量评估指标体系，建立评估模型，实现对通用质量特性指标多层次、多因素、多指标的融合评估。

质量特性论证及评估仿真软件建立在设备功能模型、维修模型、保障资源模型和评估模型的基础上。质量特性论证模型包括3部分：功能模型、维修模型和保障资源模型[6]，如图1所示。功能模型包括设备的组成结构及各组成单元的单元属性；维修模型包括设备的预防性维修和修复性维修；保障资源模型包括备品备件、设备设施和技术人员。在功能模型和保障资源模型设定的基础上开展维修保障模型的构建，前二者为后者提供基础数据。维修模型是评价过程的驱动，所有评价参数数据的产生都要依据具体的维修模型。实现过程是把设备作为一个基本的模拟对象，模拟其执行任务和维修保障活动过程，根据保障性分析和历史数据的输入，利用统计学原理，统计分析出设备一定使用时间范围内的故障、维修、费用和备件消耗等信息。通过建立的评价指标体系，计算出设备的各个参数指标。其输出结果具有综合的评价能力，可以用来分析保障系统的特性，如设备的完好性、任务成功性和维修保障费用等参数，再利用评估模型进行评估。质量状态评估功能的实现可以使卫星导航设备质量监控和保障根据其状态进行，持续监控和评估设备质量状态，使保障方式向基于状态的精确化保障方向发展，提高设备的可靠性和可用性，提高质量管理效率，有效提高保障能力。

图1 质量特性论证模型Fig.1 Argumentation model of quality characteristic

2 流程设计

2.1 仿真机制

仿真机制是把设备作为一个基本的模拟对象，模拟设备的实际使用保障过程，即执行任务和维修保障活动过程。仿真系统首先初始化设备数据、任务数据、维修数据和保障系统数据，设定仿真机制和仿真算法，再利用统计信息计算设备的完好性、任务成功性和维修保障费用等信息，作为输出给用户，形成论证结果，并进行评估，给出评价结果。

设备使用和维修保障的仿真过程，本质上是一种离散事件系统，即指受事件驱动、系统状态跳跃变化的动态系统，该系统的迁移发生在一串离散事件点上。离散事件系统仿真模拟系统状态只在一些离散的事件点上发生的变化，本身是模拟了系统状态随时间变化的动态过程。在设备维修保障过程中，系统的状态只在某些时间点上发生变化，其系统流程设计应基于离散事件动态系统模拟方法。在仿真系统开始时将时钟置零，之后按照一定机制推进，在时钟推进的过程中，不断记录各离散事件发生的时刻，并进行事件统计。在仿真系统中，采用了面向时间间隔和面向事件的时钟推进机制并行的方式。

2.2 仿真流程

卫星导航用户设备质量特性论证与评估仿真软件是建立在功能模型、维修模型和保障资源模型的基础上，模拟了设备在使用过程中的维修保障工作。以维修保障费用、平均修复时间和设备完好性等通用质量特性参数为主要评价指标。根据仿真流程，计算出设备质量特性要求的各个参数指标并进行评估。仿真系统的流程如图2所示。

图2 仿真系统工作流程Fig.2 Flow chart of simulation system

整个仿真流程包括6部分：身份认证、设备类型选择、基础数据录入、论证、评估和历史信息查询。其中，身份认证是对用户输入的用户名和密码进行认证；设备类型选择是从给定户设备类型中进行选择；基础数据录入包括设备基础数据、实际数据和仿真数据进行录入；数据录入后进行设备质量特性要求的参数论证，计算设备的各通用质量特性参数指标；评估后各参数进行信息融合，给出设备的综合质量状态评估；历史信息查询用于查询历次论证和评估的信息。

质量特性论证过程包括预防性维修过程和修复性维修过程参数的论证。预防性维修过程主要对设备各组成单元的预防性维修费用、时间进行计算；修复性维修过程主要对设备进行修复性工作的时间、费用、所需的备品备件和技术人员的等级、费用进行计算，计算出平均修复时间，使用可用度等参数值。装备质量评估过程是整个装备质量状态监控体系的中心环节，是联接监控参数与实际评定决策的桥梁。质量评估是一个涉及多阶段、需要周密组织、逐步实施的复杂管理活动，其一般流程包括评估准备阶段、评估实施阶段、评估分析与反馈阶段，通过建立合理的质量特性评估模型实现。

3 软件设计

3.1 软件体系结构设计

依据系统的需求分析，系统采用具有人机交互与问题处理系统、数据管理系统和数据库的三级结构系统，如图3所示。用户输入用户信息，进行身份认证，录入设备基本数据，进行论证和评估，所有数据存储在数据库中。用户通过人机交互界面对数据进行处理。录入数据分为2类：一是手动输入的数据库中不存在的实时数据；二是调用数据库中的基础数据或历史数据。

图3 软件体系结构Fig.3 Architecture of simulation system

3.2 软件功能结构设计

根据系统功能需求和软件模块化设计原则，将系统分为用户身份认证模块、设备类型选择模块、设备信息管理模块、质量特性论证模块和质量特性评估模块共5个功能模块。系统功能结构图如图4所示。

图4 软件功能结构Fig.4 Diagram of simulation system function

用户身份认证模块：完成用户名和密码的认证，只有合法用户才能登录系统。

设备类型选择模块：完成设备的类型选择功能，各类设备的结构信息已预先内置。

设备信息管理模块：完成设备预防性维修数据和修复性维修数据的录入。

质量特性论证模块：根据用户录入的单元属性信息、预防性维修信息和修复性维修信息，利用算法进行仿真分析计算，完成设备质量特性指标参数的论证。

质量特性评估模块：使用卫星导航用户设备质量特性论证结果或基于大数据提取实际设备质量特性数据[7]，基于改进的群体层次分析(IGAHP)模型[8-12]和模糊综合评判算法[13]对卫星导航用户设备进行质量状态评估[14-15]，而后将结果存入数据库，以备后续查询参考。

3.3 软件界面设计

软件界面是用户与计算机之间连接的桥梁，用户通过界面实现各种功能，界面的完备性、准确性、美观性十分重要。系统界面是直接反映系统功能的窗口，因此对其进行设计十分重要。根据系统需求分析，系统界面应该满足方便性、美观性、准确性和完备性的特点。软件设计利用Visual C# 2012中的一些可视化控件，设计出带级联导航菜单的主界面。通过主界面进入各个子界面。

3.4 软件工作流程设计

软件体系结构设计、功能结构设计和界面设计对软件整体架构进行了初步设计，下面将介绍的软件工作流程设计是对软件内具体工作过程的梳理，以一个脉络将各个模块整合，设计出完整顺畅的系统。软件整体的工作流程描述如下：

用户通过登录界面，进入主窗体，可实现质量特性评估、维修保障方案录入、质量特性论证的功能。用户录入不同型号的卫星导航用户设备的维修保障方案，然后在质量特性论证模块中，仿真计算出质量特性论证的结果，在质量评估模块中，选择要评估的仿真论证结果，得到质量评估结果。关闭界面，用户退出系统。

3.5 数据库设计

评估算法的实现，主要是对数据库中的数据进行操作，因此数据库系统的设计十分重要。数据库选取MySQL来设计，采取MySQL身份验证的方式进行登录，以确保软件移植到其他软件上可用。MySQL是基于客户机、服务器的关系型数据管理系统，继承了以往版本的高性能、可靠性和可扩展性的特点，同时完全支持Web，通过使用可扩展标记语言可以实现各个松散耦合系统之间的数据交换，是具有高可用性和可伸缩性的关系数据库。创建数据库，数据库中分别创建设备层次结构数据表、单元属性表、设施设备表、技术人员表、备品备件表、预防性维修信息表、修复性维修信息表、质量特性论证结果表和质量特性论证评估结果表等，来存放设备各类数据和测试结果。

4 结束语

卫星导航用户设备的质量特性与评估工作是其全寿命周期过程中不可缺少的环节。基于模拟卫星导航用户设备执行任务和维修保障活动过程和建立合理的质量状态评估模型，提出了卫星导航用户设备质量论证及评估仿真软件设计方法，为卫星导航用户设备质量论证及评估提供了有效的方法和途径，可为实现设备质量指标的科学论证与精确化保障提供技术支撑。软件实现后，针对进一步精准化设备类型和实际数据验证方面，还需要做相关研究。