導航設備質量論證及評估仿真軟件設計

孔 敏，王鳳芹，閆 沖，閆芳君

(1.北京衛星導航中心，北京 100094；2.海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

0 引言

衛星導航用戶設備在設計使用過程中所體現的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性(簡稱“通用質量特性”)是衡量設備效能的重要指標，與設備的性能指標具有同等重要的地位[1-3]。通用質量特性要求應在設備立項階段與技術指標同步規劃論證，在研制生產階段加以落實，在使用保障階段得以充分體現。科學合理的通用質量特性指標參數，可為提高設備的完好率、降低壽命周期費用和提高保障時效性提供輔助決策，為開展設備維護保養、技術保障、維修和延長壽命工作提供技術支撐。通過設備質量狀態評估，便于維護保障人員對設備及時形成質量監控決策，優化設備質量保障方案，縮短設備維護保養及性能恢復時間，有利于掌握設備質量變化規律，持續保持設備完好狀態。

目前，衛星導航設備質量特性的要求論證與評估主要是基于經驗，質量特性論證的數字化設計環境在國內已有一些研究，可基于數字化模型開展通用質量特性設計分析，進而開展可靠性仿真驗證和虛擬維修仿真等分析工作[4-5]，為通用質量特性指標的落實提供了積極的解決手段，但其實現依賴于產品的數字化設計方案。對于設備使用者來說，在未獲得相應產品詳細數字化設計，僅有功能模塊級經驗數據和維修保障方案設定的情況下，通用質量特性指標的論證還需要結合用戶的實際使用來研究確定。此外，對衛星導航設備的通用質量特性論證指標和實際指標數據給出綜合評價，也是急需解決的問題。

本文將質量特性論證與評估過程相結合，提出了衛星導航用戶設備質量論證及評估仿真軟件設計方法。按照衛星導航設備功能和工作體制進行類型劃分，通過模擬設備的維修保障過程，根據保障性分析和歷史數據的輸入，論證出設備質量評估指標體系中的各參數，實現論證階段的通用質量特性指標論證設計，同時可利用評估模型對質量特性論證指標和實際數據進行評估，實現論證階段和使用保障階段的設備質量評價。

1 總體思路

在論證階段，針對不同類型衛星導航用戶設備、不同保障策略和不同應用環境，以使用保障中表現出的質量特性為基礎，建立通用質量特性指標體系。通過對衛星導航用戶設備保障過程進行分析，有效模擬并發現各種保障要素，從而針對性地規劃各任務階段的保障活動、資源和組織等要素，論證科學合理的通用質量特性指標。同時，衛星導航用戶設備在使用保障階段保障好、維修好、貯存好，才能保持較高的質量水平，因此使用保障階段的質量評估不僅評估使用保障階段的質量水平，而且為判斷設備是否滿足總體設計要求提供條件和依據。以通用質量特性指標體系為基礎建立質量評估指標體系，建立評估模型，實現對通用質量特性指標多層次、多因素、多指標的融合評估。

質量特性論證及評估仿真軟件建立在設備功能模型、維修模型、保障資源模型和評估模型的基礎上。質量特性論證模型包括3部分：功能模型、維修模型和保障資源模型[6]，如圖1所示。功能模型包括設備的組成結構及各組成單元的單元屬性；維修模型包括設備的預防性維修和修復性維修；保障資源模型包括備品備件、設備設施和技術人員。在功能模型和保障資源模型設定的基礎上開展維修保障模型的構建，前二者為后者提供基礎數據。維修模型是評價過程的驅動，所有評價參數數據的產生都要依據具體的維修模型。實現過程是把設備作為一個基本的模擬對象，模擬其執行任務和維修保障活動過程，根據保障性分析和歷史數據的輸入，利用統計學原理，統計分析出設備一定使用時間范圍內的故障、維修、費用和備件消耗等信息。通過建立的評價指標體系，計算出設備的各個參數指標。其輸出結果具有綜合的評價能力，可以用來分析保障系統的特性，如設備的完好性、任務成功性和維修保障費用等參數，再利用評估模型進行評估。質量狀態評估功能的實現可以使衛星導航設備質量監控和保障根據其狀態進行，持續監控和評估設備質量狀態，使保障方式向基于狀態的精確化保障方向發展，提高設備的可靠性和可用性，提高質量管理效率，有效提高保障能力。

圖1 質量特性論證模型Fig.1 Argumentation model of quality characteristic

2 流程設計

2.1 仿真機制

仿真機制是把設備作為一個基本的模擬對象，模擬設備的實際使用保障過程，即執行任務和維修保障活動過程。仿真系統首先初始化設備數據、任務數據、維修數據和保障系統數據，設定仿真機制和仿真算法，再利用統計信息計算設備的完好性、任務成功性和維修保障費用等信息，作為輸出給用戶，形成論證結果，并進行評估，給出評價結果。

設備使用和維修保障的仿真過程，本質上是一種離散事件系統，即指受事件驅動、系統狀態跳躍變化的動態系統，該系統的遷移發生在一串離散事件點上。離散事件系統仿真模擬系統狀態只在一些離散的事件點上發生的變化，本身是模擬了系統狀態隨時間變化的動態過程。在設備維修保障過程中，系統的狀態只在某些時間點上發生變化，其系統流程設計應基于離散事件動態系統模擬方法。在仿真系統開始時將時鐘置零，之后按照一定機制推進，在時鐘推進的過程中，不斷記錄各離散事件發生的時刻，并進行事件統計。在仿真系統中，采用了面向時間間隔和面向事件的時鐘推進機制并行的方式。

2.2 仿真流程

衛星導航用戶設備質量特性論證與評估仿真軟件是建立在功能模型、維修模型和保障資源模型的基礎上，模擬了設備在使用過程中的維修保障工作。以維修保障費用、平均修復時間和設備完好性等通用質量特性參數為主要評價指標。根據仿真流程，計算出設備質量特性要求的各個參數指標并進行評估。仿真系統的流程如圖2所示。

圖2 仿真系統工作流程Fig.2 Flow chart of simulation system

整個仿真流程包括6部分：身份認證、設備類型選擇、基礎數據錄入、論證、評估和歷史信息查詢。其中，身份認證是對用戶輸入的用戶名和密碼進行認證；設備類型選擇是從給定戶設備類型中進行選擇；基礎數據錄入包括設備基礎數據、實際數據和仿真數據進行錄入；數據錄入后進行設備質量特性要求的參數論證，計算設備的各通用質量特性參數指標；評估后各參數進行信息融合，給出設備的綜合質量狀態評估；歷史信息查詢用于查詢歷次論證和評估的信息。

質量特性論證過程包括預防性維修過程和修復性維修過程參數的論證。預防性維修過程主要對設備各組成單元的預防性維修費用、時間進行計算；修復性維修過程主要對設備進行修復性工作的時間、費用、所需的備品備件和技術人員的等級、費用進行計算，計算出平均修復時間，使用可用度等參數值。裝備質量評估過程是整個裝備質量狀態監控體系的中心環節，是聯接監控參數與實際評定決策的橋梁。質量評估是一個涉及多階段、需要周密組織、逐步實施的復雜管理活動，其一般流程包括評估準備階段、評估實施階段、評估分析與反饋階段，通過建立合理的質量特性評估模型實現。

3 軟件設計

3.1 軟件體系結構設計

依據系統的需求分析，系統采用具有人機交互與問題處理系統、數據管理系統和數據庫的三級結構系統，如圖3所示。用戶輸入用戶信息，進行身份認證，錄入設備基本數據，進行論證和評估，所有數據存儲在數據庫中。用戶通過人機交互界面對數據進行處理。錄入數據分為2類：一是手動輸入的數據庫中不存在的實時數據；二是調用數據庫中的基礎數據或歷史數據。

圖3 軟件體系結構Fig.3 Architecture of simulation system

3.2 軟件功能結構設計

根據系統功能需求和軟件模塊化設計原則，將系統分為用戶身份認證模塊、設備類型選擇模塊、設備信息管理模塊、質量特性論證模塊和質量特性評估模塊共5個功能模塊。系統功能結構圖如圖4所示。

圖4 軟件功能結構Fig.4 Diagram of simulation system function

用戶身份認證模塊：完成用戶名和密碼的認證，只有合法用戶才能登錄系統。

設備類型選擇模塊：完成設備的類型選擇功能，各類設備的結構信息已預先內置。

設備信息管理模塊：完成設備預防性維修數據和修復性維修數據的錄入。

質量特性論證模塊：根據用戶錄入的單元屬性信息、預防性維修信息和修復性維修信息，利用算法進行仿真分析計算，完成設備質量特性指標參數的論證。

質量特性評估模塊：使用衛星導航用戶設備質量特性論證結果或基于大數據提取實際設備質量特性數據[7]，基于改進的群體層次分析(IGAHP)模型[8-12]和模糊綜合評判算法[13]對衛星導航用戶設備進行質量狀態評估[14-15]，而后將結果存入數據庫，以備后續查詢參考。

3.3 軟件界面設計

軟件界面是用戶與計算機之間連接的橋梁，用戶通過界面實現各種功能，界面的完備性、準確性、美觀性十分重要。系統界面是直接反映系統功能的窗口，因此對其進行設計十分重要。根據系統需求分析，系統界面應該滿足方便性、美觀性、準確性和完備性的特點。軟件設計利用Visual C# 2012中的一些可視化控件，設計出帶級聯導航菜單的主界面。通過主界面進入各個子界面。

3.4 軟件工作流程設計

軟件體系結構設計、功能結構設計和界面設計對軟件整體架構進行了初步設計，下面將介紹的軟件工作流程設計是對軟件內具體工作過程的梳理，以一個脈絡將各個模塊整合，設計出完整順暢的系統。軟件整體的工作流程描述如下：

用戶通過登錄界面，進入主窗體，可實現質量特性評估、維修保障方案錄入、質量特性論證的功能。用戶錄入不同型號的衛星導航用戶設備的維修保障方案，然后在質量特性論證模塊中，仿真計算出質量特性論證的結果，在質量評估模塊中，選擇要評估的仿真論證結果，得到質量評估結果。關閉界面，用戶退出系統。

3.5 數據庫設計

評估算法的實現，主要是對數據庫中的數據進行操作，因此數據庫系統的設計十分重要。數據庫選取MySQL來設計，采取MySQL身份驗證的方式進行登錄，以確保軟件移植到其他軟件上可用。MySQL是基于客戶機、服務器的關系型數據管理系統，繼承了以往版本的高性能、可靠性和可擴展性的特點，同時完全支持Web，通過使用可擴展標記語言可以實現各個松散耦合系統之間的數據交換，是具有高可用性和可伸縮性的關系數據庫。創建數據庫，數據庫中分別創建設備層次結構數據表、單元屬性表、設施設備表、技術人員表、備品備件表、預防性維修信息表、修復性維修信息表、質量特性論證結果表和質量特性論證評估結果表等，來存放設備各類數據和測試結果。

4 結束語

衛星導航用戶設備的質量特性與評估工作是其全壽命周期過程中不可缺少的環節。基于模擬衛星導航用戶設備執行任務和維修保障活動過程和建立合理的質量狀態評估模型，提出了衛星導航用戶設備質量論證及評估仿真軟件設計方法，為衛星導航用戶設備質量論證及評估提供了有效的方法和途徑，可為實現設備質量指標的科學論證與精確化保障提供技術支撐。軟件實現后，針對進一步精準化設備類型和實際數據驗證方面，還需要做相關研究。