基于數(shù)字樣機(jī)的裝備維修時間驗(yàn)證方法研究

吳 溪 徐 達(dá) 穆 歌 李 闖

(①裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072;②裝甲兵工程學(xué)院指揮與管理系，北京 100072)

維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，按規(guī)定程序和方法進(jìn)行維修時，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力［1］。維修性的定量要求主要是指維修時間，其中包括平均更換時間、平均修復(fù)時間等，傳統(tǒng)維修時間驗(yàn)證主要依托裝備實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行，而目前裝備的設(shè)計階段數(shù)字樣機(jī)已成為裝備維修性設(shè)計協(xié)調(diào)的主要手段，取代了實(shí)物樣機(jī)和局部電子樣機(jī)，導(dǎo)致裝備設(shè)計階段的維修時間驗(yàn)證工作難以進(jìn)行，嚴(yán)重影響了裝備維修性設(shè)計與裝備設(shè)計的并行開展。本文提出一種基于數(shù)字樣機(jī)的裝備維修時間驗(yàn)證方法，旨在解決裝備設(shè)計階段應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)對維修性定量要求進(jìn)行驗(yàn)證，為提高裝備的維修性提供驗(yàn)證方法和手段。

1 裝備維修時間驗(yàn)證模型

裝備維修過程是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到諸多因素，應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)對維修過程進(jìn)行建模仿真是將維修過程分解開來，針對某個維修活動進(jìn)行層次化分解，分解為維修活動層、維修任務(wù)層、基本維修任務(wù)層和標(biāo)準(zhǔn)維修動素層。維修任務(wù)層可以根據(jù)維修過程的復(fù)雜程度選擇性使用，若維修過程簡單，可以不使用維修任務(wù)層，將維修活動直接分解為基本維修任務(wù);若維修過程復(fù)雜，為了便于維修活動的層次分解，可以任意增加維修任務(wù)層。然后再將各任務(wù)層、標(biāo)準(zhǔn)維修動素層的時間進(jìn)行綜合加權(quán)，得出維修活動的維修時間參數(shù)。

不同維修事件的維修時間不同，同一維修事件由于維修人員技能差異、工具設(shè)備不同、環(huán)境條件不同，時間也會變。所以維修事件的維修時間也不是一個確定值，而是一個隨機(jī)變量［1］。當(dāng)維修時間確定，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計和維修方案等，能夠確定出相應(yīng)的維修活動或基本維修作業(yè)順序。維修活動是由基本維修任務(wù)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成;基本維修任務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)維修動素串聯(lián)組成。維修活動分解一般層次如圖1。

裝備完成一次維修活動所需維修時間ˉMct預(yù)計模型為

式中:Tk為第k個維修任務(wù)的維修時間;k為維修任務(wù)總數(shù)。

第k個維修任務(wù)的維修時間Tk由基本維修任務(wù)時間TTask串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)維修作業(yè)模型組成，其維修時間預(yù)計模型如下。

1.1 維修任務(wù)時間預(yù)計模型

1.1.1 串行維修作業(yè)模型

一個維修活動由若干個基本維修任務(wù)串聯(lián)組成時，如圖2所示。完成一次維修事件的時間就等于各項(xiàng)基本維修作業(yè)時間的累加值。

式中:TTaskm為第個基本維修任務(wù)時間;m為基本維修任務(wù)總數(shù)。

1.1.2 并行維修作業(yè)模型

當(dāng)一個維修活動的各項(xiàng)維修作業(yè)是同時展開并聯(lián)組成時，如圖3所示，基本的維修作業(yè)時間T應(yīng)是各項(xiàng)作業(yè)時間 Tk(1，2，…，m)的最大值，即:

式中:TTaskm為第m個基本維修任務(wù)作業(yè)時間;m為基本維修任務(wù)總數(shù)。

1.1.3 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)維修作業(yè)模型

完成一次維修事件需要m項(xiàng)基本的串行維修作業(yè)，每項(xiàng)基本的維修作業(yè)時間Tk(1，2，…，m)之間相互獨(dú)立，則維修事件的維修時間:

當(dāng)維修活動由若干個基本維修任務(wù)串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)混合組成時，對維修時間活動逐層進(jìn)行等效，最終等效為一個串聯(lián)或并聯(lián)模型，如圖4所示。對各層中串聯(lián)部分維修時間采用公式(2)計算、并聯(lián)部分維修時間采用公式(3)計算。

1.2 基本維修任務(wù)時間預(yù)計模型

基本維修任務(wù)時間TTaskm預(yù)計模型為:

式中:TItemn為第n個標(biāo)準(zhǔn)維修動素所需時間;n為標(biāo)準(zhǔn)維修作業(yè)總數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)維修動素應(yīng)是持續(xù)時間短、相對變化小、具有相對獨(dú)立性和固定的作業(yè)流程的維護(hù)動作，一般維修動素是將基本維修任務(wù)分解到不可再分解的維修動作，如走一步、抓取工具、旋轉(zhuǎn)一圈螺釘?shù)鹊取Ｍㄟ^統(tǒng)計、整理、分析出大量的維修動素，建立裝備維修基本動素模型庫，并且統(tǒng)計每個基本維修動素所需要的時間構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)時間庫。針對同一維修標(biāo)準(zhǔn)動素，由于不同的維修環(huán)境以及維修人員技術(shù)熟練程度等原因，完成維修動素所需的實(shí)際時間要依據(jù)專家評定轉(zhuǎn)換為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的所需時間。

2 裝備維修時間驗(yàn)證方法

2.1 維修時間驗(yàn)證流程

基于數(shù)字樣機(jī)的維修時間驗(yàn)證是以裝備的數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，通過在由維修人員人體模型、維修工具、維修設(shè)備等組成的虛擬場景中驅(qū)動虛擬人完成裝備維修過程仿真，在進(jìn)行維修過程規(guī)劃、維修仿真、維修過程分析等同時驗(yàn)證裝備的維修時間，從而及時發(fā)現(xiàn)裝備設(shè)計和維修規(guī)劃中的缺陷和錯誤，指導(dǎo)裝備設(shè)計人員進(jìn)行維修性設(shè)計改進(jìn)，提高產(chǎn)品的維修性，優(yōu)化維修過程。維修時間驗(yàn)證流程如圖5所示，主要包括以下4個模塊:

(1)維修性數(shù)據(jù)信息模塊。主要包括裝備的數(shù)字樣機(jī)、維修工具模型庫、人體模型庫、維修設(shè)施設(shè)備、維修人員的虛擬人體模型庫等，提供創(chuàng)建虛擬維修環(huán)境所需的幾何元素、基本特征和基本維修信息以及裝備各部件之間的裝配約束關(guān)系、零部件材質(zhì)等。

(2)虛擬維修環(huán)境建模。從維修性信息模塊提取相關(guān)信息，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟、硬件平臺下創(chuàng)建維修仿真的虛擬環(huán)境，根據(jù)裝備的維修任務(wù)建立維修過程規(guī)劃、維修過程仿真以及維修過程分析，虛擬維修仿真流程如圖6所示，為下一步進(jìn)行維修時間驗(yàn)證提供裝備維修任務(wù)的虛擬仿真環(huán)境。

(3)人機(jī)交互模塊。將維修活動分解到若干基本維修動素，通過在虛擬維修仿真環(huán)境中調(diào)用基本維修動素，完成對虛擬人體維修作業(yè)過程控制、維修工具選擇及維修性基本信息與虛擬維修環(huán)境的交互關(guān)系。

(4)結(jié)果輸出及建議模塊。在虛擬仿真環(huán)境中對維修任務(wù)進(jìn)行仿真，調(diào)用維修時間數(shù)學(xué)模型及維修動素的標(biāo)準(zhǔn)工時庫，得出裝備維修任務(wù)的維修時間分析結(jié)果，并根據(jù)分析結(jié)果提出維修性修改建議。

2.2 平均更換時間驗(yàn)證方法

根據(jù)裝備維修性驗(yàn)證參數(shù)體系，平均更換時間和平均修復(fù)時間是維修性定量要求中的重要指標(biāo)，由于在裝備的設(shè)計階段缺乏實(shí)物樣機(jī)，裝備平均修復(fù)時間統(tǒng)計工作無法進(jìn)行，而裝備的平均更換時間直接影響到平均修復(fù)時間，所以在數(shù)字樣機(jī)階段研究采用虛擬仿真技術(shù)基于維修動素分解的思想對裝備平均更換時間進(jìn)行驗(yàn)證。

在裝備維修過程中，平均更換時間主要由更換部件或零件的拆卸時間和裝配時間組成，在指定的裝備部件其他因素都不改變的情況下，其每次更換時間是

式中:i和j分別是完成一次拆卸和裝配某設(shè)備所需要的動素個數(shù)是完成第i個拆卸動素所需要的平均時間是完成第j個裝配動素所需要的平均時間。

2.3 平均修復(fù)時間驗(yàn)證方法

平均修復(fù)時間(MTTR)包括:準(zhǔn)備、檢測診斷、拆卸、安裝、調(diào)校及原件修復(fù)等6個時間，在裝備數(shù)字樣機(jī)設(shè)計階段只有拆卸時間和安裝時間(合稱“平均更換時間”)是可控制、可設(shè)計的，也是可以驗(yàn)證的，其他4個時間受外界因素影響較大、時間波動范圍較大，在設(shè)計階段應(yīng)用維修過程虛擬仿真很難準(zhǔn)確地進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用裝備平均更換時間與其他時間因子相加得出修復(fù)時間，再由統(tǒng)計模型得出平均修復(fù)時間，如公式(6)所示，其中其他時間因子由專家經(jīng)驗(yàn)給出具體數(shù)值。固定值。在虛擬仿真環(huán)境中調(diào)用維修人員基本維修動素庫完成裝備維修過程的部件拆裝作業(yè)仿真，通過維修時間的數(shù)學(xué)模型與基本維修動素庫對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)維修工時自動生成裝備的拆卸和裝配時間。平均更換時間(ˉT)的數(shù)學(xué)模型為:

式中:TMTTR為平均修復(fù)時間，ˉT為平均更換時間，ti為第i個時間因子。

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文以維修變速箱為例對維修時間進(jìn)行驗(yàn)證分析，首先構(gòu)建一個符合實(shí)際的虛擬維修環(huán)境，在虛擬維修環(huán)境中導(dǎo)入變速箱的數(shù)字樣機(jī)、維修工具模型和虛擬維修人員，對維修對象進(jìn)行參數(shù)設(shè)定后對維修時的維修動作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)維修動素調(diào)用和調(diào)試。實(shí)例中通過對維修人員動作的調(diào)整使其完成與實(shí)際維修過程近似的維修動作，如工具的抓取，螺釘?shù)牟鹦?，待修件的搬運(yùn)放置等，如圖7所示。

應(yīng)用平均更換時間的驗(yàn)證方法(公式5)以及通過調(diào)用與維修動素庫中維修動素對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)維修工時時間，得到維修變速箱的平均更換時間T=6.35 min并生成變速箱維修時間驗(yàn)證報告，如圖8所示。

通過維修過程和維修時間驗(yàn)證的對比分析，將維修時間分析細(xì)化到裝備維修過程的具體步驟，參考維修過程時間驗(yàn)證分析便于裝備設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)維修過程中的具體問題，使維修時間驗(yàn)證更加準(zhǔn)確并有據(jù)可查。

4 結(jié)語

本文提出了一種在裝備設(shè)計階段基于數(shù)字樣機(jī)的維修時間驗(yàn)證方法，通過裝備維修過程的虛擬仿真，調(diào)用維修時間模型和維修動素對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)維修工時，得到維修任務(wù)的維修時間統(tǒng)計。實(shí)例驗(yàn)證表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在裝備設(shè)計階段并行開展對裝備維修時間的驗(yàn)證工作，便于在裝備設(shè)計階段對維修性設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和控制。

［1］甘茂治.維修性設(shè)計與驗(yàn)證［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995.

［2］呂川.維修性設(shè)計分析與驗(yàn)證［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

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

［4］GJB 2072－94.維修性試驗(yàn)與評定［S］.中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，1994.

［5］GJB 368B－2009.裝備維修性工作通用要求［S］.中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，2009.

［6］金永明.船舶維修性分析和評估方法研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.