基于模型的裝備維修性設計控制技術

呂剛德，王海峰，鄧偉

中國航空工業成都飛機設計研究所，成都 610091

裝備維修性設計的優劣，歷來是影響其使用維修保障效率和用戶體驗的重要方面。

傳統的飛機裝備維修性設計是利用基于文本的設計方法，按照裝備大綱規劃和技術指南，借助于輔助性手段，從定性定量2個方面，通過建模、分配、分析、預計與評價等方法來實現的[1-2]。定性設計要求一般通過制定維修性設計準則、設計指南等規范性文件進行約束，由工程設計人員按要求進行設計落實并確認。在可能的場合，利用電子樣機或實物樣機進行演示驗證及核查，確認是否滿足定性要求。定量要求的設計，通常是按相應的故障率分配模型把指標分配到系統和設備，通過反復的維修性指標分配、分析及預計，對明顯不能滿足要求的設計進行改進完善，然后評估并預計設備和系統的維修時間能否達到指標要求。

按傳統方法開展維修性設計時，由于在飛機裝備設計的早期一般不能完全得到維修性設計所需要的數據，對改動大的設計和全新設計甚至缺乏數據，導致不能及時對設計方案的維修性進行評價、計算和迭代改進設計，只能等到飛機裝備各級產品完成設計后的試制、試飛階段，通過收集飛機實物試驗和外場使用的信息來分析評估其維修性水平，這時如果達不到定量指標要求，而要改進維修性使之達到定量要求，便存在牽涉面廣、成本高、周期長等問題，甚至根本無法更改。這種狀況直接導致用戶對飛機產品的滿意度不高，且不同程度地影響飛機整體效能的發揮。另外，現有維修性設計中，比如對平均維修時間(MTTR)指標的分解，先分到系統再到設備，設備成了實現要求與否的核心載體，而實際上在飛機裝備的維修性設計過程中，設備維修性設計過程只是影響其MTTR的一部分原因，飛機總體布局設計的因素才是影響設備MTTR的重要原因。

沒有將總體布局以及系統設計對維修性的影響很好地考慮進去，也沒有較適用的技術方法來保證充分的維修性設計，是現有飛機維修性難以達到高水平的重要原因。目前問題的核心是把維修性設計參數作為了設計中獨立的設計量，而在飛機完成制造之前的設計過程中，缺乏有效的并行維修性設計的方法和手段，這造成了維修性設計滯后于飛機系統、設備的設計，不能在設計中隨著設計方案的變化以及系統、設備安裝位置的變化而動態同步地進行維修性管控、計算、評價和優化。

目前飛行器設計的整個過程都實現了數字化，是基于三維實體模型來設計、調整和優化的。現有看似系統化的維修性理論和方法，實際上與飛機裝備數字化設計環境是脫節的。為解決這一脫節問題并適應數字化設計需求，就需要將維修性定量指標(比如MTTR)要求轉化為與飛機設計一致的對其設計參數的要求，需要相應的同步設計理論和技術方法。也就是將現有的維修性要求參數轉化為設計過程可以設計和控制的物理參數，并研究如何通過對這些物理參數的設計和數值的控制，達到同步實現維修性要求的目的。為此，本文提出了適應數字化需求的基于模型的裝備維修性設計方法。

1 維修性設計技術過程

裝備維修性設計，經歷了基于文本方法的維修性設計和基于虛擬維修技術輔助的維修性設計[3]2階段，已經發展到本文涉及的基于裝備數字化設計環境的維修性設計階段。在三維實體設計環境成熟之前，傳統的維修性設計、分析、預計方法以及設計過程，是圍繞工程設計的多項人工維修性設計與計算活動，與數字化環境設計過程有著明顯差別。

傳統的維修性設計過程，首先是制定頂層大綱以便對裝備研制過程各階段的維修性設計分析進行規劃，提出工作項目和相應要求，然后針對每一個工作項目制定設計準則和指南，給出設計分析的方法以及編制報告的模版。系統和設備設計人員依據這些大綱、指南等頂層文檔，各自開展系統和設備的維修性設計。

飛機裝備數字化設計環境下的維修性設計過程，是在工程設計環節上的并行維修性設計、分析、預計與評價的過程[4]。這種情況下，在裝備總體、系統和設備的設計人員進行功能性能設計的同時，就進行著相應維修性設計和評價，及時動態地完成對各層級維修性設計達標與否的評價，或在裝備方案迭代優化以及功能性能參數設計調整時，同時獲得對維修性的影響分析，動態地更新裝備各層級維修性設計和評價的結果，獲得更改設計方案后維修性是否還能達到要求的結論，進而達到并行控制維修性設計的目的。

基于數字化設計環境的維修性設計與傳統的維修性設計分析相比，在產品層次劃分、參數定義、指標要求轉化和設計實現等方面存在顯著差異，如表1所示。

表1 數字化設計環境的維修性設計與傳統的維修性設計

在數字化設計環境下飛機裝備維修性設計實施前，需要對裝備維修性要求和使用需求進行論證和確認，以便獲得裝備整體的指標要求和設計需求。這一論證確認可以采用有關維修性要求論證的方法和數據模型[5-6]。本文在分析數字化設計環境的維修性設計與傳統的維修性設計分析的差別的基礎上，通過對裝備維修性設計本質特征的研究，提出基于裝備數字化設計環境的維修性設計技術流程，如圖1所示。

在論證確認頂層維修性要求后，維修性設計主要過程包括：① 利用參數分析與轉化的方法，將適應新設計條件的、分層模型化的設計參數和維修性參數轉化成可利用的參數；② 把相關模型與相應參數集成到飛機數字化設計環境中；③ 研究所有與設備維修過程有關的要素，利用圖論理論，將維修過程涉及的設備、口蓋、電纜、管線以及連接件等要素，定義成統一的節點模型；④ 研究表達機載設備的維修拆卸、安裝過程關系以及人力、工具、保障關系的網絡節點模型；⑤ 在基礎數據庫數據的支撐下，分別利用節點模型和網絡節點模型，按維修流程和維修序列，生成維修性定量計算結果；⑥ 對比參數要求轉化形成的設計要求基線，驗證設計要求的實現情況并進行模型的優化。

圖1 基于三維數字化設計環境的飛機裝備維修性設計過程

2 參數轉化與信息集成

2.1 維修性信息模型

根據模型的性質和形式，裝備系統維修性模型分為定性模型和定量模型。定性模型可分為描述性模型、流程圖和圖解式模型；定量模型可分為計算模型和仿真模型[7]。維修性信息模型是指產品在整個壽命周期內維修性相關信息的數字化描述與表達，其完整表達了維修性信息的邏輯結構，使各維修性工程活動能方便地存取和共享信息[8]。

本文中維修性信息模型是一組可相對完整表達產品某方面維修性特性的維修性信息集。按維修性信息層級，模型分為艙位信息模型、口蓋信息模型、機載產品信息模型、飛機結構信息模型、管路線纜信息模型等。對模型進行信息融合或信息擴充后，構成系統信息模型、整機信息模型及維修作業數據模型等。系統層級和整機的維修性信息模型是將飛機各產品信息模型按一定規則邏輯組合形成。在飛機裝備三維數字化設計環境下，艙位維修性信息模型和系統維修性信息模型是最重要的。艙位維修性信息模型以信息單元的形式分別表示艙位、設備、拆卸關系，包括一系列設備(節點)信息單元、設備拆卸關系單元以及艙位信息單元。系統維修性信息模型也以信息單元的形式表示系統、設備、設備構成、系統層次關系，包括一系列節點(設備)信息單元、系統設備構成單元以及系統層次結構信息單元。實例化后的信息模型表征了產品在飛機設計中實際的維修性設計情況。

飛機裝備的維修性信息模型，作為維修性設計實現與飛機功能性能設計同步有效的信息載體，是在飛機裝備三維設計環境下開展維修性設計分析的信息組織形式。

2.2 維修性參數轉化

為了能夠在數字化設計環境下實現維修性的設計和定量控制，需要將定量指標要求分解到裝備總體布局設計和系統安裝設計的設計單元上。對于定性指標要求，轉化成結構化條款項，集成到飛機裝備艙位和內部設備模型上，并在系統和設備功能性能設計過程中關聯推送。其中：推薦性條款項由設備人員通過權衡各設計方案實現，否決性條款項由設計環境直接控制實現。對于定量指標要求，則按引入的參數轉化模型轉化到設計環境中與設計參數關聯，這是三維數字化環境下實施維修性定量設計和控制的基礎。采用基于模型的裝備MTTR轉化方法[4]，MTTR指標要求可以轉化到艙位級和艙位內設備級。

(1)

(2)

2.3 節點與參數信息集成

為便于研究，本文利用圖論理論將飛機裝備維修過程有關的要素以及維修過程涉及的設備、口蓋、電纜、管線以及連接件等，統一定義成“節點”，并賦予節點“屬性”。將飛機裝備中與維修性相關的產品特征要素和維修性設計特征信息，按維修性信息模型加以組織和規范描述，并分散成屬性集成到數字化設計環境中。

另外，定性要求作為設計屬性集成到設計環境，以控制性要求和推薦性要求、指南性知識方式引導系統和設備設計；經轉化后的定量要求，以量化要求值方式，作為設計屬性集成到設計環境，這是維修性評估和設計控制的基準屬性。

在定義三維設計數字化環境下的維修性信息模型后，可以采用信息模型的形式組織參數數據，分別按設計控制、計算分析以及基礎知識3類信息，集成到飛機裝備的艙位層次節點和設備節點上，如圖2所示。

集成的設計控制信息，主要包括設計要求、空間、時間、裝拆過程、連接關系、安裝關系、阻擋關系等設計要素。這些設計要素是以屬性形式嵌入到工程設計環境的，包括形狀、接口、空間位置，口蓋類別等。涵蓋了設計指標、設計要求、設計準則、設計約束參數、安裝形式、艙位劃分、口蓋類別參數、口蓋大小參數、空間位置參數、連接方式參數、接口形式及要求、相鄰設備和結構、設備間位置、設備連接關系、設備前后位置關系、功能連接、緊固連接等參數類別的實例化信息數據。

圖2 維修性設計參數信息集成

集成的計算分析信息，主要包括在整個飛機裝備系統的研制過程中，各層次節點上維修性量化計算的相關數據信息。這些數據信息以屬性形式嵌入工程設計環境，涵蓋了艙位虛擬故障率、部件故障率、設備故障率、故障模式、計算流程、單元件和設備重量、單元拆裝時間、安裝架與連接件拆裝時間、標準元數據、約束數據、平均失效時間(MTBF)、MTTR等參數的實例化信息數據。

集成的基礎知識信息，包括所有與當前層次產品相關的支撐其維修性設計的知識信息。涵蓋了設計通用知識、相關案例、歷史經驗數據、設計指南、分配指南、預計指南等方面的結構化條目數據以及文本。

2.4 數據利用

按上述方法建立維修性信息模型，并完成參數信息到飛機裝備虛擬產品管理(VPM)設計平臺節點的集成后，裝備維修性設計時的數據利用問題，本質上就是飛機裝備設計平臺與維修性綜合分析系統之間的同步數據交換問題(如本文2.3節圖2所示)。在相應的技術和算法支撐下，以數據交換為基礎，飛機裝備的功能性能設計與維修性設計，就可以在同一設計視圖下實現。

3 維修性評估與控制

3.1 節點圖與節點網絡圖

通過研究拆卸目標產品與其他產品在拆裝上存在的先后關系，將這些產品及其關系抽離出來，以“圖論”的原理表達，用于反映產品、產品所屬艙位以及飛機的維修性設計情況。這種關系的建模，稱為節點圖與節點網絡圖。按圖論的有關理論[9]，本文定義采用的節點圖中的節點有6類：目標節點、自由節點、孤立節點、末端節點、一次阻擋節點、余次阻擋節點，如圖3所示。

按照圖論，將飛機艙位中設備拆裝的阻擋關系轉化為圖方式表達。轉化后設備簡化為節點，阻擋關系則轉化為圖中的有向邊，由此構成節點網絡圖，如圖4所示。節點網絡圖是飛機上產品間拆裝先后阻擋關系的圖形化表達，由“節點”及“有向弧”組成，圖中：節點代表飛機上的設備或實體部件；有向弧代表2個同級設備間拆卸時的阻擋約束關系；ω代表對應的人員和保障工具/設備約束。

圖3 節點圖術語定義

圖4 節點網絡圖定義

本文將維修性有關的設備、口蓋、電纜、管線以及連接件等要素定義成節點圖模型，同時將維修機載設備部件時的拆卸、安裝過程關系，以及人力、工具、保障資源關系，定義為一系列節點圖聯接形成的節點網絡圖模型。

3.2 單節點時間與維修過程時間模型

一般地，飛機裝備使用中的設備診斷、調整、檢驗的時間相對于設備拆裝時間是小量。為此，機載設備維修時間主要是由需要維修的目標設備拆裝時間和阻擋設備的拆裝時間構成。把單設備拆卸中的逐項過程定義為過程時間元，則單節點維修時間是過程時間元的函數[10]。

假定緊固件時間元為tfa，功能接口時間元為tfu，電氣接口時間元為tel，更換設備時間元為tre，則單節點時間模型為

Tnd=f(tfa，tfu，tel，tre)

(3)

取環境影響因素為Pe，則

Tnd=f(Pe,tfa,tfu,tel,tre)

(4)

假定對單個節點設備，總共有k類緊固件，可得到

(5)

Pe=[pefa，pefu，peel，pere]T

(6)

式中:ni為第i類緊固件的數量；tri為標準拆卸元時間；tfi為標準安裝元時間；lri和lfi為保障(工具與人力)影響系數；pefa、pefu、peel、pere分別為環境對緊固件、功能接口、電氣接口、更換設備的時間元影響系數，采用專家評分等方法給出，值越高表示維修環境越惡劣。

于是，實例化的單節點時間模型為

Tnd=[tfa，tfu，tel，tre]·[pefa，pefu，peel，pere]T

(7)

基于節點網絡圖模型的維修時間建模，采用ti代表拆裝單節點i所需時間，由單節點時間模型確定。t1和tk定義為維修過程目標設備對應口蓋的開啟、關閉所需時間，t1+tk為口蓋拆裝時間。

當有唯一拆卸路徑且簡單串行情況下，目標設備維修時間為

(8)

如果其中有并行部分，假定第l至m單元并行，則并行部分Tlm為

Tlm=max{tl，tl+1，tl+2，…，tm}

(9)

Tmo=t1+t2+…+

max{tl，tl+1，tl+2，…，tm}+…+tk

(10)

對于復雜節點網絡模型，其拆卸路徑的求解,實質上就是對產品拆裝序列的規劃問題。這方面的求解可利用成熟的拆裝序列規劃算法，主要有遺傳算法和蟻群算法等求解算法[11-15]。

假定目標節點為Nmo節點，采用路徑搜索法和網絡計劃法得到用有序節點組表示的維修拆卸路徑。用sij表示第i路徑的第j節點。則拆卸路徑矩陣為

S=[sij]P×K

(11)

式中：P為關鍵路徑數；K為拆卸節點數。

同樣，假定序列si1，si2，…,siK中第l至m單元并行，令

Tlm=max{ttl，ttl+1，…，ttm}

(12)

Flm=max{tfl，tfl+1，…，tfm}

(13)

則按第i路徑維修的時間為

(14)

式中:ttn、tfn分別為節點n的拆卸時間和安裝時間。

于是目標設備維修時間為

Tmo=min{T1，T2，…，TP}

(15)

3.3 維修性實時評估與設計控制

在利用信息模型和數據接口集成信息后，數字化設計環境下維修性設計就是設計人員在系統和產品設計同樣的設計視圖中，在有關維修性約束和設計知識引導下的同步設計過程。初步完成設計后，可進行維修性實時評估和按評估結果的控制，以保證維修性設計要求的實現。

評估和控制采用3個方面的管控技術加以實施。分別是：推薦性設計控制，否決性設計控制、優選性設計控制。推薦性設計控制就是通過維修性工程專業人員的頂層設計，把結果以節點屬性的方式關聯，在飛機裝備各級設計人員設計產品時，自主推薦到設計平臺環境中納入設計的綜合權衡。否決性設計控制是指在飛機裝備維修性設計中，涉及到實現維修性的關鍵性項目要求和維修安全項目要求，采用本文方法構成在虛擬產品管理(VPM)設計系統中的硬性約束，相關設計在他的設計視圖環境下是必須滿足的，否則產品布局安裝設計不能完成。優選性設計控制，就是按照定量指標要求方式，按本文提出的單節點與維修過程時間模型方法，調整維修性設計方案，進行定量的優化和控制設計，以達到指標或最優控制接近指標。

(16)

(17)

需要滿足優選性控制式：

(18)

(19)

需要滿足優選性控制式：

(20)

按本文描述的基于模型的維修性設計控制方法，可以在調整飛機裝備各層級設計方案時，實時評估給定維修性要求的實現情況，保證裝備按照預期的目標實現維修性指標要求。

3.4 應用實例

以某飛機的某研制階段一個電子設備艙為例，對維修性評估與控制進行應用分析。該艙內設備安裝布局如圖5所示。艙位分為上下2層布置，艙內布置了5個電子設備，分別為控制盒A、計算機A、導航設備1、導航設備2、控制盒B，艙位對應機表的維護口蓋為口蓋A(圖中未列出)。

按照3.1節描述的節點圖設想，梳理艙內設備拆裝阻擋關系，將其轉化為圖方式表達，建模結果如圖6所示。

以導航設備1為例，按3.2節描述的單節點模型計算其單個產品的拆裝時間及完成整個維修過程的拆裝時間。導航設備1是采用4顆螺栓配合托板螺母固定在飛機的底板上，受空間和口蓋布局位置影響，其拆裝時需要提前拆除上方控制盒A。

圖5 某飛機電子設備艙示例

圖6 某飛機電子設備艙節點圖

經對標準拆卸元、安裝元時間以及環境影響因素的假設和推理求得(過程略)：緊固件時間元tfa、功能接口時間元tfu、電氣接口時間元tel、更換設備時間元tre分別為6 min、1.5 min、1.5 min和9 min。 緊固件、功能接口、電氣接口、更換設備的時間元影響系數pefa、pefu、peel、pere分別為1.15、1、1、1.02， 則按式(7)求得導航設備1的拆裝時間為19 min。 同理，采用上述方法求得艙內其他產品控制盒A、計算機A、導航設備2、控制盒B、口蓋A單節點時間分別為4.6 min、4.6 min、16.8 min、8.8 min和6 min。

由圖6可知，導航設備1屬于唯一拆卸路徑且簡單串行的情況，則按式(8)推得導航設備1維修時間計算公式為式(21)，計算結果為29.4 min。

T導航設備1=t導航設備1+t控制盒1+t口蓋A

(21)

以3.3節中提出的否決性設計控制為例開展維修性實時評估和控制，推薦性和優選性設計控制措施按本文第2和第3節設想和借助維修性設計相關的一體化平臺同樣也能發揮起維修性設計過程中的實時評估和控制作用。

經查詢，導航設備1的MTTR要求值為30 min， 29.4 min<30 min，滿足式(16)所列的優選性控制式設計要求。

按式(17)以及其他艙位設備的維修時間預計值，求得導航設備1所屬系統的MTTR預計值為26.7 min，經查詢其要求值為不大于30 min，26.7 min<30 min，滿足式(18)所列的優選性控制式設計要求。

同理，按式(19)求得該設備艙虛擬MTTR預計值為18.4 min，經查詢其要求值為不大于20 min， 18.4 min<20 min，滿足式(20)所列的優選性控制式設計要求。

4 結 論

針對裝備數字化設計條件下的維修性同步設計需求，完成了基于數字模型的維修性設計技術流程、維修性設計控制方法的探索與研究，得到以下幾點結論：

1) 在裝備數字化設計大背景下，基于文本的傳統維修性設計方法已不再適宜，迫切需要將維修性設計參數納入到裝備數字化設計模型與環境中一并設計，才能從根本上解決維修性與裝備功能性能的同步設計問題。

2) 在分析傳統維修性設計和數字化設計環境下的維修性設計差異的基礎上，針對數字化設計環境提出的裝備維修性設計技術過程和主要技術原理，均具有通用性。

3) 提出的一種維修性信息模型、參數轉化方法、參數與信息集成方法、節點網絡圖、維修時間模型以及維修性實時評估方法，通過典型參數MTTR的實例驗證，證明具有裝備數字化設計環境條件下的工程實用性。