裝備維修可達性綜合評價方法研究

徐 達 王寶琦 吳 溪

(裝甲兵工程學院兵器工程系，北京 100072)

維修性是指產品在規定條件下和規定時間內，按規定程序和方法進行維修時，保持或恢復其規定狀態的能力。維修可達性是維修性定性要求中最重要的因素之一，直接影響到裝備維修性的好壞。維修可達性是維修時接近產品不同組成單元的難易程度，也就是接近維修部位的難易程度［1］。維修可達性是裝備重要的固有屬性，傳統的評價方法主要是依托物理樣機，然而在裝備設計階段一般缺乏物理樣機，一些重要的維修可達性驗證工作無法進行，嚴重影響裝備維修性設計與裝備設計的并行開展［2］。

隨著虛擬維修技術的快速發展，在裝備設計階段對維修可達性進行量化評價變得可行而且迫切［3］。在虛擬環境中構建維修可達性的量化評價模型，對于裝備設計階段維修性驗證工作的開展具有現實意義和重要參考價值。

1 維修可達性指標體系

裝備維修可達性是指維修或操作時，接近裝備不同組成部件的相對難易程度。如果維修部位是看得見、可接觸到、容易到達維修部位，同時具有為檢查、修理或更換所需要的空間，并且不需要多少拆裝、搬動，維修人員在正常姿態下就能操作，就稱為維修可達性好。對裝備進行維修可達性設計研究是提高裝備維修性的重要途徑，它要求在裝備設計之初便將維修可達性要求納入設計范圍。

根據維修可達性設計原則和要求，提出以下3項評價指標:接觸可達性、可視性和操作空間。

(1)接觸可達性:維修人員在維修過程中，在作業空間、維修通道內能否夠得到待維修部件的性能。

(2)可視性:被拆裝零部件是否在維修人員視界內，以及在視界內的具體位置。

(3)操作空間:被拆裝零部件或相應工具的操作活動空間大小，與裝備結構是否發生干涉。

2 維修可達性單個指標評價

在虛擬環境中，維修可達性的3項評價指標的評價流程基本相同，以接觸可達性為例說明其虛擬評價流程。

首先應確定待維修部件，基于CAD數據建模軟件構建出具有和物理樣機相似的幾何形狀并滿足仿真要求的幾何模型，通過構建模型的裝配關系、質量和材質等信息，使虛擬維修樣機具有支持裝備維修活動過程的空間、自由度約束的運動特性和物理特性，生成完整的包含維修性信息的虛擬模型［4］。為了便于快速實時仿真，需要經過模型輕量化，去除與維修可達性評價無關的CAD信息后，將模型導入到仿真環境中。調整虛擬維修人體的姿勢，保證與其他部件不產生干涉。設置生成人體操作范圍，一般以球體包絡面形式給出［5］，通過反復判斷維修部件是否完全在人體操作范圍、是否與維修通道發生干涉，并結合給定的接觸可達性評價準則，最后可得到接觸可達性的評價結果，其流程如圖1所示。

疼痛程度：采用視覺模擬評分法（VAS）評定。用一條一面標有刻度的10cm游動標尺，兩端分別表示“無痛”（0）和“最劇烈疼痛”（10）。患者面對無刻度的一面，將游標放在當時最能代表疼痛程度的部位，醫生面對有刻度的一面，記錄疼痛數值。治療前后各評定1次。

同理可得可視性和操作空間的評價結果。這樣即可得到在虛擬環境中裝備的維修可達性3項指標的各自評價結果。

3 維修可達性綜合評價

維修可達性的3項評價指標之間是有相互關聯的，而且關聯程度有強有弱。對某一指標進行優化，其他指標也會受到影響，指標之間的關聯促進作用并非是相互的，而是“有方向”的。如操作空間不受可視性影響，但它會影響可視性好壞［6］。通過指標關聯度和有向圖構建維修可達性綜合評價模型。

3.1 指標關聯度

可將各評價指標之間的關聯關系分為強、弱、無3個等級，分別對應為2分、1分、0分。由部隊實際維修經驗可得到維修可達性評價指標之間的關聯度情況，如表1所示。

表1 維修可達性評價指標之間的關聯度

表1中的后3行分別描述了每一維修可達性指標對應其他兩個指標的關聯情況。例如最后一行第二列中的“A，B”代表操作空間對接觸可達性和可視性都具有較強的關聯度，對應分數都為2分。表中“－”代表沒有指標與之關聯。

3.2 指標有向圖及關聯矩陣

影響裝備維修可達性的評價指標之間的促進作用是“有方向”的，因而可以將表1所示的關聯度用有向圖表示出來，如圖2所示。

A、B、C表示維修可達性評價指標，各有向弧線表示各個指標之間的關聯情況;黑箭頭表示強關聯，白箭頭表示弱關聯;fAB表示指標A和B的關聯方向是從A指向B。

可以將有向圖表達形式轉化為評價指標之間的關聯度矩陣表達形式，通過關聯度矩陣研究維修可達性綜合評價模型。關聯度矩陣包括指標自身分值矩陣和指標之間的關聯度矩陣兩部分。

(1)評價指標自身分值矩陣

本矩陣是一個3×3對角線矩陣，其對角線元素(Vi)是各個評價指標自身的評價分值，分值大小由設計方案模型及評價準則決定。該矩陣反映了各個評價指標本身對裝備維修可達性評價的影響，矩陣可寫為:

(2)評價指標之間的關聯矩陣

根據指標有向圖可以得到各評價指標之間的關聯矩陣，其主對角線上元素為0，矩陣可寫為:

對于給定的裝備維修可達性評價模型，該關聯矩陣是一個確定的矩陣，由表1得該矩陣為:

在裝備維修可達性綜合評價時必須考慮以上兩個矩陣的綜合影響，將二者疊加可得裝備維修可達性綜合評價模型:

該模型既能反映裝備維修可達性各個指標本身的優劣程度，又能反映各指標之間的關聯度，使裝備維修可達性的評價更加客觀和全面。

3.3 可達性綜合評價模型

積和式是矩陣的一個標準函數，被廣泛應用于組合數學中，對裝備維修可達性評價模型的關聯度矩陣求積和式，綜合考慮矩陣中每個元素及它們之間的關聯關系，并作為維修可達性的綜合評價指標。

各關聯度取值非負，當值為正時，會促進整個積和式值的增長，積和式值越大，模型綜合評價值越高。每種裝備設計方案都會對應一個{Vi}序列，反映在關聯度矩陣(4)中。代入積和式定義式中，轉化為求矩陣的積和式，可得不同方案的積和式值Per(M)，值最大者維修可達性設計最佳。

由于維修可達性模型給定，因而其關聯矩陣是確定的，其積和式的形式也隨之確定，即:

代入矩陣(4)中的數據，可得裝備維修可達性綜合評價的積和式值:

若規定裝備維修可達性3頂評價指標的得分區間都是［0，1］，則其綜合評價結果區間為［2，6］。

可以看出，在虛擬環境中只要得出了某裝備部件的接觸可達性、可視性和操作空間的評價分數，即可求出該部件的維修可達性的綜合評價結果。該方法可以用于多個裝備設計方案的維修可達性的定量比較。

4 實例驗證

以某型坦克的動力系統設計方案為例，使用本文提出的方法對其維修可達性進行評價。通過建立虛擬維修仿真，將3個設計方案的數據模型按圖1所示的流程進行單個維修可達性指標評價，得到如表2所示的結果。

表2 3個設計方案的維修可達性指標得分

將表2的結果分別代入公式(6)，得到3個設計方案的裝備維修可達性綜合評價結果，如表3所示。

表3 3種設計方案的維修可達性綜合得分

計算結果表明，方案一的維修可達性設計最佳。

維修可達性直接影響裝備的維修時間，為了驗證該評價方法的客觀性，對3個設計方案的動力系統物理樣機進行實際維修時間統計。數據統計結果表明，同等條件下，方案一比方案二的維修時間短，方案二比方案三的維修時間短，這與本文提出的維修可達性評價方法評價結果一致。

5 結語

本文利用指標關聯度和有向圖構建了關聯矩陣，基于矩陣積和式提出了維修可達性綜合評價模型，提出一種新的維修可達性評價方法，并得出以下結論:

(1)該方法實現了裝備維修性定性指標的定量化表達;

(2)該方法合理可行，為在設計階段同步開展裝備維修可達性的評價提供了新的方法;

(3)該評價方法較好地解決了評價結果受人為因素干擾的問題。

［1］呂川.維修性設計分析與驗證［M］.北京:國防工業出版社，2012.

［2］徐達，王寶琦，吳溪.基于虛擬仿真的維修性定量指標驗證方法［J］.航天控制，2013，31(1).

［3］崔曉風.特種車輛維修可達性評價的MD模型［J］.工程機械，2010，41(6):17－20.

［4］于海全，彭高亮，劉文劍.基于虛擬環境的維修性信息模型的建立［J］.兵工學報，2010，31(7):97 －100.

［5］丁勇，楊子佳，周唯杰.民機虛擬產品維修性評價方法研究［J］.飛機設計，2012，32(1):72 －77.

［6］曾毅.基于維修性設計的可達性分析評價技術研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2007.