基于性能的复杂装备现场可更换单元规划

杨 刚, 吴旭升, 孙 盼, 朱 浩, 熊 胜

(海军工程大学电气工程学院, 湖北 武汉 430033)

0 引 言

现场可更换单元(line replaceable unitm, LRU)是可在工作现场(基层级)从系统或设备上拆卸并更换的单元[1],是装备中实施可靠性、维修性、保障性、测试性(reliability, maintainability, supportability, testability, RMST)设计、分析和评价的典型对象[2]。LRU规划对提高装备的RMST水平,尤其在改善测试性、维修性、减少寿命周期费用等方面有重要作用[3-5]。LRU规划本质上是模块划分,即从系统角度出发,研究系统的构成形式,采用分解和组合的方法,建立模块体系,并运用模块组合成系统的全过程[6]。文献[7]通过功能、装配、信息等方面的关联分析,运用数学聚类法进行模块划分;文献[8]在设计阶段考虑装配和制造因素,运用模糊聚类进行功能模块划分;文献[9]提出了内部聚类、外部独立性和整体稳定性3大原则,通过模糊集理论求得模块划分的最优解;文献[10]通过将接触类型、组合类型等工程属性用于零部件之间连接关系的评价,并采用分组遗传算法对零部件进行了聚类分析。以上文献总体上是基于系统功能、结构等特性,采用聚类算法得到LRU规划方案。文献[11]以最小化零部件更换的总成本为目标,建立了混合整数线性规划模型用于解决LRU规划问题;文献[12-13]以维修决策费用最低作为目标函数,建立了数学模型求解最佳规划方案;文献[14]将各项约束和要求通过数学模型进行描述,利用整形规划来解决LRU规划问题;文献[15-16]通过定性分析可靠性、维修性、保障性要求,得到系统初步的LRU规划方案,通过定量分析平均维修时间和寿命周期费用获取最优规划方案。这类方法主要是通过建立影响因素的数学模型实现LRU规划的。

上述文献中采用的两类LRU规划方法均存在一定的弊端,基于模糊聚类的方法存在较大的主观性,基于数学模型的方法则需要获取大量数据。此外,上述文献在LRU规划过程中对性能(功能特性和通用质量特性[17])缺乏应有的考虑或考虑地不够全面。武器装备在研制总要求中通常明确了功能特性和通用质量特性要求,尤其是RMST要求。LRU规划作为RMST并行设计的首要工作,必须充分考虑RMST要求。

综上所述,在对复杂装备进行LRU规划时,既要考虑数据不足的情况,发挥专家评价的优势,又要充分利用好现有的少量数据;既要考虑功能-行为-结构(function behavior structure, FBS)的特性要求,又要考虑RMST要求。因此,本文提出一种基于性能的LRU规划方法,综合运用前文综述的两类方法,全面考虑LRU规划的影响因素,从装备承制方设计要求的角度,以功能、行为和结构作为规划准则,采用模糊聚类法对装备进行初步的LRU规划;从装备需求方使用要求的角度,以RMST作为影响因素,建立综合评价数学模型,对初步规划方案进行排序,最终确定最优的LRU规划方案。

1 LRU规划总体方案

首先根据功能和基本原理按照“系统-分系统-设备-零部件”的层次,对复杂装备系统进行拆分,获取系统的零部件清单;在此基础上,对零部件在功能、行为和结构方面的相关关系进行评价,构建零部件之间的相关关系评价矩阵,并根据相关关系的权重,得到零部件综合相关矩阵,运用模糊聚类法进行聚类分析,获取初步的LRU规划方案;最后,通过分析RMST影响因素,将RMST参量化,建立LRU规划方案的综合评价数学模型,对初步的规划方案进行评价排序,从而得到最优方案。本文的LRU规划总体方案如图1所示。

图1 LRU规划总体方案

2 基于FBS矩阵的LRU初步规划

2.1 获取系统的零部件清单

按照一定原则对系统进行分解从而获取系统的零部件清单是LRU规划的第一步,主要方法有公理化设计法、基于功能的方法等[18-20],本文采用基于功能的方法,首先对系统进行功能分析,将总功能分解为多个子功能,建立系统的功能架构;在此基础上分析实现每个子功能的分系统,对每个分系统的功能再进行分解,得到多个子功能,进而分析实现每个子功能的设备,依次类推,直到获得零部件为止。具体分析流程如图2所示。

图2 获取零部件流程

2.2 建立零部件FBS矩阵

系统的功能、行为和结构组成了系统的整体框架,在对系统进行LRU规划时,必须充分考虑这3个方面的因素,才能使规划方案更加合理[21-24]。根据获取的零部件清单,在3个方面分别建立相关关系评价矩阵,用于定量描述零部件之间的相关性。

(1)功能相关量化

功能相关是指两个零部件之间的功能协作关系。如果为了实现某个功能,两个零部件缺一不可,则零部件之间的功能相关程度最高;反之,两个零部件功能独立,则功能相关程度最低。具体量化如表1所示。

表1 功能相关量化

(2)行为相关量化

行为是某个功能具体实现的途径和方法,也可以理解为物理原理。因此,根据零部件实现某个功能的基本原理,可以将行为相关量化为:行为相同、行为相似、行为独立。具体量化如表2所示。

表2 行为相关量化

(3)结构相关量化

结构是功能和行为的载体,结构相关主要是指零部件在接口、联接等方面的关系,反映设计约束,具体可以描述为:不可拆分、难以拆分、较难拆分、较易拆分和无联接关系,具体量化如表3所示。

表3 结构相关量化

根据以上建立的量化准则,由装备承制部门专家进行评定,构造功能相关矩阵MF,行为相关矩阵MB和结构相关矩阵MS,如功能相关矩阵MF为

(1)

式中：rFij表示零部件i和j之间的功能相关数值。

(4)确定相关性的权重

采用层次分析法确定零部件功能、行为、结构相关性的权重,以设计、制造、装配、拆卸等作为准则层,功能、行为、结构相关性作为指标层[25-26],建立判断矩阵,每个准则下各相关性重要度比值由装备承制方专家评定,最终可以计算出各相关性的权重。

(5)零部件综合相关矩阵

(2)

式中:ωk表示相关性权重,各相关性权重之和为1;Mk表示相关矩阵(k=1,2,3),分别代表MF、MB、MS;rij表示零部件i和j之间的综合相关数值。

2.3 零部件模糊聚类分析

对复杂装备系统进行LRU规划时,由于零部件之间关系复杂,很难直接得到合理的规划方案,故采用模糊聚类分析法,可以较好地实现LRU的初步规划[27-29]。通过第2.2节建立的零部件之间的综合相关矩阵M为模糊相似矩阵,需要通过传递闭包法将M变换为模糊等价矩阵以便于聚类分析,具体方法为对M依次求模糊平方:

M→M2→M4→

(3)

M2=M·M=∨(rij∧rji)

(4)

式中：∨表示逻辑加,取大;∧表示逻辑减,取小。当第一次出现Mk·Mk=Mk时,此时Mk就是所求的模糊等价矩阵。

在得到Mk后,需要选择阈值α(α∈[0,1]),通常将Mk中所有互不相同的元素作为阈值,获得不同水平的截矩阵,从而得到动态的聚类结果。因此,取不同的阈值,系统的LRU规划方案也不同,需要进一步对得到的所有方案进行优选。

3 基于RMST模型的LRU规划方案优选

随着高新技术不断被应用在新型装备中,装备的复杂程度越来越高,通用质量特性的问题逐步凸显,而通用质量特性对复杂装备的战备完好性有直接影响。因此,开展复杂装备系统LRU规划,必须综合考虑通用质量特性要求,尤其是RMST要求,通过建立综合评价模型,对初步规划方案进行优选。为了便于构建综合评价模型,假定经过初步的LRU规划得到的方案有n个,每个方案包含的LRU数量为m个。

3.1 RMST参量化

(1)可靠性

可靠性是指装备在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力,描述可靠性的关键指标有平均故障间隔时间,使用寿命、任务可靠度等,装备可靠性与设计、制造工艺、运行环境、工况等因素都存在一定关系,因此LRU规划一定程度上会影响系统的可靠性水平。

装备及其内部单元的可靠性数据通常很难获取,需要通过长时间大量的可靠性试验才能进行测算,在装备的设计研制阶段可以参照相似装备数据由专家进行评判[30],由此构造可靠性评价参数:

(5)

式中：Tx为第x个方案对应的可靠性评分。

(2)维修性

维修性是指装备在规定条件下和规定时间内,按规定的程序和方法进行维修时,保持和恢复到规定状态的能力,描述维修性的关键指标是平均修复时间,从LRU的定义(可在基层级进行拆卸和更换的单元)可知,LRU规划对维修性有重要影响。

平均修复时间为

(6)

式中：λi为第i个LRU的故障率;TMi为第i个LRU的修复时间;λ为系统的故障率。由此构造维修性评价参数:

(7)

(3)保障性

保障性是指装备设计特性和计划保障资源能满足平时战备和战时使用要求的能力,描述保障性的主要参数有保障延误时间、资源满足率等。显然,要提高装备的保障性,需要配备足够的备品备件和技术人员等,这必将带来保障成本的增加,因此本文在进行LRU规划时,用保障费用C来反映系统保障性水平。保障费用在寿命周期内主要由备品备件费用、维修更换费用、报废处置费用、人员培训费、资料费等组成,在进行LRU规划时,具体保障费用的组成需要结合掌握的装备数据进行合理选择,本文将备品备件费用定为保障费用,各LRU的保障费用可以表示为

Ci=CSPi

(8)

式中:CSPi代表第i个LRU的备品备件费用,由此构造保障性评价参数，表示为

(9)

(4)测试性

测试性是指装备能够及时检测并隔离其故障的能力,描述测试性的指标主要有故障检测率、故障隔离率、虚警率等,虚警率主要和测试的可靠性相关。因此,在进行LRU规划时,重点要考虑的是故障检测率和故障隔离率。在设计研制阶段系统可检测和隔离的故障模式概率均未知,本文采用故障检测隔离难度来描述系统的测试性水平。显然,如果规划方案包含的LRU数量越多,故障检测隔离的难度就越大,由此定义测试性评价参数:

(10)

式中：mx为第x个方案对应的系统包含的LRU数量。

3.2 优化模型建立

根据上述分析,可以构建LRU规划方案的综合评价模型,RMST综合评价因子为

Kx=ωTKTx+ωRKRx+ωM(1-KMx)+

ωS(1-KSx)

(11)

式中：ωT,ωR,ωM,ωS分别为测试性、可靠性、维修性和保障性评价参数的权重,权重由需求方专家根据对RMST的关注度综合评定给出,经计算综合评价因子Kx最大的方案即为最优方案。

4 案例分析

本节以在研的某型中压整流发电机为研究对象,运用本文提出的方法进行LRU规划。该型中压整流发电机是新型舰船综合电力系统的核心组成部分,与燃气轮机构成舰船综合电力系统的主电源,为电力推进、高能武器系统和日用负载等提供电能。

4.1 获取发电机零部件清单

中压整流发电机的主要功能是输出稳定的直流电,为确保该功能实现需要有电能输出、励磁以及冷却3个子功能,其分别对应发电机本体、励磁系统和冷却系统3个分系统;对励磁系统而言,其主要功能是控制发电机的励磁,为实现该功能需要励磁控制装置发出控制信号、励磁机产生合适大小的交流电流、旋转整流器将交流电流变为主发电机需要的直流励磁电流。因此,可以将励磁系统分为励磁机、励磁控制装置和旋转整流器3个零部件;发电机本体和冷却系统按照同样的步骤进行分解,最终得到的中压整流发电机零部件清单如表4所示。

表4 中压整流发电机零部件清单

4.2 建立发电机零部件FBS矩阵

根据第2.2节的分析由承制方专家构造中压整流发电机零部件之间的功能相关矩阵MF、行为相关矩阵MB和结构相关矩阵MS,如表5～表7所示。

表5 功能相关矩阵

表6 行为相关矩阵

表7 结构相关矩阵

在得到以上相关矩阵后,通过层次分析法确定各相关性的权重,经过计算功能、行为和结构相关性的权重依次为0.43、0.17、0.40,由此根据式(2)确定零部件综合相关矩阵M,如表8所示。

表8 综合相关矩阵

4.3 LRU初步规划

根据式(3)和式(4)计算综合相关矩阵M的模糊等价矩阵Mk,如表9所示。

表9 模糊等价矩阵

运用Matlab求解模糊等价矩阵的截矩阵,得到LRU初步规划方案如表10所示。

表10 LRU初步规划方案

从表10可以看出,根据阈值α的不同取值,共得到8种LRU规划方案,通常情况下可以首先排除将系统划分为1个LRU或者每个零部件都是LRU的情况,这种情况违背了LRU规划的原则,失去了LRU规划的意义,因此需要对剩余的6种方案开展进一步评价,从而得到最佳方案。

4.4 LRU规划方案优选

以方案4为例,该方案将发电机划分为4个LRU,LRU相关参数数值如表11所示。

表11 方案4中各LRU相关数据

将表11中的数据分别代入式(5)～式(10)可以计算出方案RMST的评价参数数值,进而根据式(11)计算出综合评价因子。

需求方对装备设计研制过程中的RMST权重取值ωT,ωR,ωM,ωS分别为0.3、0.1、0.3、0.3,计算出K4=0.458。同理,可以分别计算出其他方案的综合评价因子K2=0.231、K3=0.352、K5=0.630、K6=0.914、K7=0.833。

按照综合评价因子对LRU初步规划的方案进行排序,可以看出方案6的RMST综合评价最高,为最优的LRU规划方案。

5 结 论

针对复杂装备系统设计研制阶段的LRU规划,本文提出了一种基于性能的规划方法,综合考虑系统功能特性和RMST特性要求,通过模糊聚类分析和数学模型评价,充分运用专家主观评价和装备客观数据,以某型中压整流发电机为例进行了LRU规划。需要指出的是,本文对系统的分解还不够彻底,未能达到器件级,RMST各自所占权重由专家给出,并未进行详细的分析论证；由于中压整流发电机仍处于设计研制阶段,现有的数据还存在不完整、不准确的情况,LRU规划工作需要结合装备数据库更新不断修改完善。

LRU规划是一项贯穿装备寿命周期的工作,需要通过不断迭代,才能得到令承制方和需求方都满意的结果。本文提出的方案能够较好地解决复杂装备在设计研制阶段的LRU规划问题,具有一定的实用价值。