基于STT與模糊QFD的裝備質(zhì)量特性分解方法

郭婧宜 孫宇鋒 吳寒雪 趙廣燕

(北京航空航天大學 可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191)

質(zhì)量工程和系統(tǒng)工程學科的發(fā)展促進了質(zhì)量概念的不斷演進［1］，現(xiàn)代質(zhì)量觀認為質(zhì)量包含了系統(tǒng)所要滿足的全部使用要求特性的總和.

在武器裝備論證工作中，為評價裝備系統(tǒng)方案的優(yōu)劣，必須采用某種尺度去度量系統(tǒng)方案的質(zhì)量，這種尺度被稱為質(zhì)量特性.由于系統(tǒng)的復雜性和任務需求的多樣性，裝備的質(zhì)量特性往往不是單個明確定義的參數(shù)，而是由多個參數(shù)構(gòu)成的一組指標序列.依據(jù)內(nèi)涵的不同，裝備質(zhì)量特性可分為綜合質(zhì)量特性(如系統(tǒng)效能、戰(zhàn)備完好性等)和單項質(zhì)量特性(如可靠性、維修性，速度、精度等).綜合質(zhì)量特性與用戶需求或裝備使用密切相關(guān)，單項質(zhì)量特性則更多與設(shè)計特性密切相關(guān).裝備質(zhì)量特性是度量裝備系統(tǒng)方案優(yōu)劣的重要指標，裝備質(zhì)量特性的確定對裝備系統(tǒng)方案選擇及質(zhì)量特性的綜合設(shè)計具有重要意義.

系統(tǒng)效能概念最早是由美國工業(yè)界武器效能咨詢委員會提出的，它是衡量一個系統(tǒng)滿足一組特定任務需求的程度的度量，是系統(tǒng)可用性A、可信性D和能力C的函數(shù)，是度量裝備質(zhì)量特性最重要的參數(shù)之一.

本文結(jié)合從戰(zhàn)略到任務STT(Strategy to Task Technique)法、模糊質(zhì)量功能展開 QFD(Quality Function Deployment)法、圍繞系統(tǒng)效能ADC模型，給出了一種基于STT與模糊QFD的裝備總體質(zhì)量特性分解的通用方法.

1 STT和模糊QFD方法

1.1 基于STT的分解

STT方法［2］是通過一系列分解方法和分解過程，從上到下，從總體戰(zhàn)略需求著手直到作戰(zhàn)任務層，最終得到裝備典型任務剖面或裝備能力需求信息的方法.其核心是根據(jù)上層需求信息分析、映射，從而得到下一層的屬性信息.如何分析、映射上層信息是STT分析方法中的重要內(nèi)容.

本文基于STT方法，以任務分解為核心，同時進行裝備結(jié)構(gòu)分解，自頂向下逐層進行裝備質(zhì)量特性的分解.

如圖1所示，從裝備總體戰(zhàn)略目標入手，進行任務需求分析，建立裝備任務剖面，分析任務構(gòu)成，其順序可以是高層戰(zhàn)略目標→戰(zhàn)術(shù)任務→系統(tǒng)級任務→低層次目標.將裝備總體任務目標分解為子任務 M1，M2，…，Mm后，可以對其中任一子任務Mj建立任務系統(tǒng)效能ej，其中j=1，2，…，m.

圖1 裝備質(zhì)量特性分解過程

依次遞推，頂層效能目標逐步分解為基本任務系統(tǒng)效能，并進一步分解為裝備各功能系統(tǒng)的目標特性，得到表征裝備及其組成系統(tǒng)的質(zhì)量特性參數(shù)，從而建立起裝備質(zhì)量特性參數(shù)集.

將各子任務的任務系統(tǒng)效能ej組合加權(quán)，建立裝備總體效能E，即

1.2 基于模糊QFD的分解

QFD方法［3］是一種面向用戶需求的產(chǎn)品開發(fā)決策方法，可將顧客需求逐級分解為有關(guān)的技術(shù)特性，并且通過對各級技術(shù)要求等項目的重要度加權(quán)評價找出對產(chǎn)品質(zhì)量及其關(guān)鍵作用的因素.QFD的核心是質(zhì)量屋(HOQ，House of Quality)，它是一種形象直觀的二元展開圖表.加權(quán)評分法是用于HOQ評估的基本方法.考慮到QFD過程中存在大量主觀的、不確定的、邊界模糊的和定性的評分信息，本論文將結(jié)合模糊集理論來處理這些評分信息.

在應用HOQ前，先用層次分析法建立任務與系統(tǒng)相互關(guān)系矩陣，進行權(quán)重分析，并根據(jù)分析結(jié)果找到任務中最主要的系統(tǒng)及其對任務的權(quán)重.在此基礎(chǔ)上建立如圖2所示的HOQ，用于分析某確定子任務下系統(tǒng)與質(zhì)量特性之間的關(guān)系，從而找到該子任務下最主要的質(zhì)量特性.

圖2 裝備質(zhì)量特性分解的HOQ

2 裝備質(zhì)量特性分解流程

設(shè)裝備經(jīng)STT分析后，具有m個子任務(M1，M2，…，Mm)、n 個系統(tǒng)(S1，S2，…，Sn)及 l個單項質(zhì)量特性(Q1，Q2，…，Ql).

2.1 子任務權(quán)重比aj

假設(shè)有f位專家對影響武器裝備系統(tǒng)效能E的m個子任務(M1，M2，…，Mm)的權(quán)重進行評分，得到專家評分矩陣 F=［pjt］m×f，根據(jù)式(2)確定子任務Mj對總?cè)蝿盏臋?quán)重比aj:

2.2 系統(tǒng)對任務的權(quán)重比ωji

對(S1，S2，…，Sn)和(M1，M2，…，Mm)的重要性進行兩兩比較，構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣 K=［pji］m×n，并由式(3)確定系統(tǒng) Si對任務 Mj的權(quán)重比ωji:

其中 i=1，2，…，n;j=1，2，…，m.

2.3 系統(tǒng)的可用度Ai和可信度Di

設(shè)裝備所要求達到的可用度和可信度為A和D，為獲得各系統(tǒng)的可用度和可信度，必須知道各系統(tǒng)在總?cè)蝿罩械闹匾?設(shè)系統(tǒng)Si在總?cè)蝿罩械闹匾葹棣豬，可由式(4)得到:

系統(tǒng)Si的可用度和可信度由式(5)得到:

2.4 建立子任務HOQ

對子任務Mj建立一張如圖3所示的HOQ，左墻取該任務環(huán)境下重要度ωji＞ε(ε為任意小數(shù))的n*個系統(tǒng)()，并按重要度大小從上到下排列.

圖3 M j任務下的HOQ

根據(jù)圖3中Rik和rkh的含義構(gòu)建相關(guān)關(guān)系矩陣 R=［Rik］n*×l及 r=［rkh］l×l，其中 i=1，2，…，n*;k，h=1，2，…，l.

其中 g，k=1，2，…，l.

2.5 模糊處理求重要度

任務與質(zhì)量特性間的相互關(guān)系是由專業(yè)人員根據(jù)工程經(jīng)驗進行定義和分類的，常不能用精確數(shù)值反映實際情況.為此引入模糊集進行處理.

其中，i=1，2，…，n*;g，k=1，2，…，l;α∈［0，1］.

在QFD中，Mj任務下的第k個質(zhì)量特性Qk的重要度 W可由下式得到:

其中，i=1，2，…，n*;k=1，2，…，l;j=1，2，…，m.在特定的α水平下的α截集的上下界為

2.6 裝備系統(tǒng)效能E

綜上所述Mj任務下的任務系統(tǒng)效能為

將式(2)、式(14)代入式(1)，得到武器裝備總體效能E:

3 案例分析

3.1 裝備Z的STT分析

假設(shè)有某裝備Z，其戰(zhàn)略目標是海上作戰(zhàn).經(jīng)過對此裝備的STT分析后認為該裝備具有船體裝置等5個系統(tǒng)以及對空任務M1和反潛任務M22個分任務和6個下級子任務，同時具有15個質(zhì)量特性(Q1，Q2，…，Q15).如圖4、圖5 所示.

圖4 裝備結(jié)構(gòu)和任務分解

圖5 裝備Z的質(zhì)量特性參數(shù)集

3.2 確定分任務和子系統(tǒng)權(quán)重

假設(shè)有4位專家b1～b4對分任務權(quán)重進行評分，評分矩陣如表1.

表1 分任務對總目標權(quán)重的專家評分矩陣

由式(2)可得到2個分任務的權(quán)重

由于每個分任務對系統(tǒng)的要求不同，本文采用層次分析法判斷系統(tǒng)對每個分任務的權(quán)重.對空任務系統(tǒng)權(quán)重判斷矩陣如表2.

表2 對空任務中子系統(tǒng)權(quán)重判斷矩陣

根據(jù)式(3)計算各系統(tǒng)在對空任務下的權(quán)重值:

并得到權(quán)重值排序:

同樣可得到各系統(tǒng)在反潛任務下的權(quán)重.由各系統(tǒng)在不同任務下的重要度可得到各系統(tǒng)在總?cè)蝿罩械闹匾?，根?jù)式(4)得到:

設(shè)裝備所要求達到的可用度A為0.95，可信度D為0.9.根據(jù)式(5)，分配至各系統(tǒng)的可用度和可信度為

3.3 建立分任務HOQ

1)對空任務HOQ.

圖6 對空任務HOQ

此處省略模糊處理過程，根據(jù)對空任務HOQ圖(圖6)數(shù)據(jù)、式(6)和式(12)直接得到對空任務下各質(zhì)量特性的重要度:

2)反潛任務.

在反潛任務環(huán)境中，由于保障系統(tǒng)S4在總?cè)蝿罩械臋?quán)重ω24=0.067過小，所以在該任務環(huán)境下，取重要度前4位的4個系統(tǒng)建立HOQ，最終得到反潛任務下各質(zhì)量特性的重要度值:

3.4 裝備Z的系統(tǒng)效能

根據(jù)式(14)，對空任務的系統(tǒng)效能為

反潛任務的系統(tǒng)效能為

則裝備Z總體系統(tǒng)效能為

帶入數(shù)據(jù)得到(保留兩位有效數(shù)字):

需要注意的是，計算中不同質(zhì)量特性參數(shù)的量綱歸一化十分重要，為了解決這個問題，本文引入“能力指數(shù)”概念.能力指數(shù)定義為:“預期可接受能力或?qū)嶋H能力與理想能力的比值”.能力指數(shù)是一個(0，1)區(qū)間上無量綱的數(shù).在進行系統(tǒng)效能計算時，將各種質(zhì)量特性用其能力指數(shù)代替，以此統(tǒng)一各質(zhì)量特性的單位.

在不考慮系統(tǒng)風險、經(jīng)濟承受性等情況下，可以認為效能最大的系統(tǒng)方案為最優(yōu)方案.由式(16)可知，裝備Z的系統(tǒng)效能大小決定于15個單項質(zhì)量特性參數(shù)的值，因此開展裝備Z質(zhì)量特性綜合設(shè)計時，要以獲得系統(tǒng)效能最大值為原則，同時結(jié)合其他設(shè)計因素進行.

4 結(jié)論

通過對基于STT與模糊QFD的裝備質(zhì)量特性分解方法的介紹和案例分析，得到以下結(jié)論:

1)裝備總體系統(tǒng)效能指標可以具體分解到相關(guān)任務及功能系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性指標中，同時建立起綜合考慮任務和相關(guān)功能系統(tǒng)質(zhì)量特性影響的更為精確的系統(tǒng)效能模型.

2)根據(jù)通過該方法建立起的裝備總體系統(tǒng)效能的模型，可以分析確定影響裝備系統(tǒng)效能的關(guān)鍵質(zhì)量特性參數(shù).

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