基于虛擬現(xiàn)實(shí)的維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證方法研究

韓朝帥 王玉泉 陳守華 申 瑩

裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系 ,北京100072

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)的維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證方法研究

韓朝帥 王玉泉 陳守華 申 瑩

裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系 ,北京100072

對(duì)維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)而從總體框架、核心技術(shù)和驗(yàn)證方法3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后，以某型車輛傳動(dòng)裝置為例進(jìn)行了實(shí)例仿真分析。該方法為在產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)階段并行維修性定量指標(biāo)的驗(yàn)證工作提供了非常有意義的參考價(jià)值。

維修性驗(yàn)證；虛擬現(xiàn)實(shí)；定量指標(biāo)；平均修復(fù)時(shí)間

維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證[1]是維修性驗(yàn)證研究的關(guān)鍵工作之一，是指在規(guī)定的環(huán)境和條件下進(jìn)行維修性定量參數(shù)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析判定估計(jì)，以確定是否滿足指標(biāo)要求。由文獻(xiàn)[2-12]可知，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在基于虛擬仿真的維修性定性指標(biāo)的驗(yàn)證方面均做出了深入可行的研究，如維修可達(dá)性、簡易性和可視性等，但在維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證方面缺乏行之有效的研究。現(xiàn)行應(yīng)用較多的維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證方法主要是基于物理樣機(jī)的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)和流程估算相結(jié)合的方法。其缺點(diǎn)是采用物理樣機(jī)使得驗(yàn)證后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改困難，同時(shí)造成時(shí)間、人力和資源的巨大浪費(fèi)，尤其是隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度越來越高，表現(xiàn)尤為突出。

對(duì)此，本文提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證方法，不僅解決了傳統(tǒng)方法帶來的高消耗和更改難問題，也使產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制階段研究維修性定量指標(biāo)的驗(yàn)證得以實(shí)現(xiàn)，為研究維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證提出了新的方法和思路。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)流程建模

虛擬現(xiàn)實(shí)維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)(PMQPV-VR系統(tǒng))是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[13]和其它計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沉浸式維修性定量指標(biāo)的驗(yàn)證。PMQPV-VR系統(tǒng)由對(duì)象層、應(yīng)用層和界面層組成，主要的技術(shù)手段有VR外接設(shè)備及其控制技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)(PDM)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 PMQPV-VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1.2 維修環(huán)境動(dòng)態(tài)建模

根據(jù)合同規(guī)定的驗(yàn)證環(huán)境要求，使用3D-MAX或Solidworks軟件構(gòu)建驗(yàn)證環(huán)境靜態(tài)模型，一般包括修理廠、地溝、維修設(shè)備、操作臺(tái)及維修工具等模型。將模型導(dǎo)入Jack或其它VR軟件，使維修環(huán)境由靜轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)建維修環(huán)境動(dòng)態(tài)模型。

1.3 虛擬樣機(jī)建模

在不影響驗(yàn)證精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，構(gòu)建滿足產(chǎn)品維修需求的產(chǎn)品CAD模型，使其導(dǎo)入系統(tǒng)環(huán)境中后能夠支持整個(gè)虛擬維修過程空間、時(shí)間和自由度約束。最后，將樣機(jī)與交互系統(tǒng)配置連接，使其能精確完成維修拆卸和安裝的虛擬仿真。圖2為虛擬樣機(jī)構(gòu)建流程圖。

圖2 虛擬樣機(jī)構(gòu)建流程圖

1.4 碰撞檢測

三維場景中有些物體可以穿越，而有些物體是不能穿越的，例如變速箱中主動(dòng)軸和輸出軸對(duì)應(yīng)檔位齒輪是不能穿越的。在仿真時(shí)必須對(duì)那些不能穿越的部件進(jìn)行碰撞檢測。虛擬維修碰撞檢測是指對(duì)部件間的幾何位置進(jìn)行限制，檢測部件間的距離，一旦小于某個(gè)閾值，則認(rèn)為發(fā)生了碰撞，此時(shí)就要對(duì)樣機(jī)進(jìn)行部分修正，保證維修仿真的正常進(jìn)行。

1.5 維修動(dòng)素?cái)?shù)據(jù)庫

如何處理仿真數(shù)據(jù)是研究維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證的一項(xiàng)重要工作。國軍標(biāo)GJB2072 -94《維修性試驗(yàn)和評(píng)定》中提供的維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證方法都是針對(duì)整車進(jìn)行的，缺少針對(duì)產(chǎn)品各子系統(tǒng)乃至各個(gè)設(shè)備總成的驗(yàn)證方法，不適用于基于PMQPV-VR系統(tǒng)的維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證。維修動(dòng)素?cái)?shù)據(jù)庫的建立很好的解決了這個(gè)問題。

維修動(dòng)素?cái)?shù)據(jù)庫包括維修動(dòng)素庫和維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間庫。構(gòu)建針對(duì)每一型號(hào)產(chǎn)品所有故障的維修模型明顯不切實(shí)際，所以構(gòu)建維修動(dòng)素庫時(shí)必須把維修過程分解到動(dòng)素層。通過實(shí)際統(tǒng)計(jì)或數(shù)學(xué)計(jì)算公式編寫維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間函數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建維修標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間庫。例如構(gòu)建擰螺栓時(shí)間數(shù)據(jù)庫時(shí)，必須對(duì)各型號(hào)螺栓(口徑大小和螺圈數(shù)不同)，分別統(tǒng)計(jì)獲取旋轉(zhuǎn)一個(gè)螺圈所需的時(shí)間樣本，進(jìn)而得到擰螺栓的維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)庫。圖3為虛擬維修過程分解及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間模型。

圖3 維修過程分解及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間模型

2 維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證

維修性定量指標(biāo)概括的講可以分為2大類：維修時(shí)間參數(shù)和維修費(fèi)用參數(shù)。常用的維修性參數(shù)有：維修延續(xù)時(shí)間參數(shù)、維修工時(shí)參數(shù)、維修周期參數(shù)、維修費(fèi)用參數(shù)、可用度參數(shù)及綠色維修參數(shù)，其中平均修復(fù)時(shí)間(Mean Time To Repair, MTTR)是驗(yàn)證產(chǎn)品維修迅速性最具有代表性的特征參數(shù)。本文將MTTR作為代表進(jìn)行維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證的實(shí)例研究。

虛擬現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)相對(duì)于物理樣機(jī)同樣存在一定的不足。首先，利用維修動(dòng)素?cái)?shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)維修性定量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，但由于產(chǎn)品故障模式的不同并不能直接采集整車MTTR或系統(tǒng)MTTR樣本。其次，產(chǎn)品故障往往不是單一模式出現(xiàn)，而是多單元組合出現(xiàn)故障，這很難在虛擬試驗(yàn)中模擬實(shí)現(xiàn)。最后，虛擬試驗(yàn)無法展現(xiàn)關(guān)重部件(關(guān)鍵、重要的零部件)對(duì)產(chǎn)品的影響，若不加以考慮則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。本文根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)的故障及維修特點(diǎn)，構(gòu)建了并聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗(yàn)證模型(不考慮關(guān)重部件的影響)；而后考慮關(guān)重部件的影響，將關(guān)重件作為系統(tǒng)的串聯(lián)單元，構(gòu)建了適用于虛擬試驗(yàn)且比較貼近實(shí)際的串并聯(lián)混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗(yàn)證模型。

2.1 并聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗(yàn)證模型

并聯(lián)系統(tǒng)由n個(gè)單元并聯(lián)組成，各單元相互獨(dú)立，壽命分布均服從指數(shù)分布。圖4為并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析(FTA)，其FTA約定為：

1) 不考慮外力強(qiáng)制破壞造成的故障；

2) 系統(tǒng)各組成單元發(fā)生故障相互獨(dú)立；

3) 系統(tǒng)和其組成單元只考慮發(fā)生或不發(fā)生故障2種狀態(tài)；

4) 壽命分布均服從指數(shù)分布。

假設(shè)系統(tǒng)各組成單元的故障分別為{1,2,3，…，j，…，n}(n個(gè)單元)，則系統(tǒng)所有故障組合集合為：

U={(1),(2),(3),…,(n),…,(i,j)，…，
(i,j,k),…,(1,2,3,…,n)}

系統(tǒng)MTTR的計(jì)算公式為

(1)

其中,u為系統(tǒng)所有故障組合集合U中的一個(gè)元素；Nu表示針對(duì)故障u的虛擬維修工作；E(T|Nu)指進(jìn)行Nu所需的MTTR；P(Nu)指Nu的發(fā)生概率。

而

(2)

其中，Tm為系統(tǒng)工作時(shí)間；λi,λj分別為單元i和j的故障率；X為虛擬試驗(yàn)采集維修時(shí)間數(shù)據(jù)樣本X={X1,X2,…,Xn}，維修時(shí)間一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

所以，

(3)

一般λiTm很小，近似認(rèn)為eλiTm≈1+λiTm，則

(4)

2.2 串并混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗(yàn)證模型

將關(guān)重件作為串聯(lián)單元，根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的并聯(lián)系統(tǒng)MTTR模型，構(gòu)建適用于虛擬試驗(yàn)的串并混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗(yàn)證模型。圖5為一般串并混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 一般串并混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

則

(5)

3 實(shí)例仿真分析

某型車輛傳動(dòng)裝置一般工作時(shí)間為2h，其主要由主離合器、前傳動(dòng)、變速箱、制動(dòng)器和側(cè)減速器組成。在window7，內(nèi)存8G的硬件設(shè)施中打開Jack6.1軟件，連接虛擬頭盔和數(shù)據(jù)手套，導(dǎo)入傳動(dòng)裝置虛擬樣機(jī)，調(diào)用維修動(dòng)素?cái)?shù)據(jù)庫，采用中國成年男子模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。表1為虛擬試驗(yàn)得到的各部件維修時(shí)間樣本。

將齒輪傳動(dòng)箱的數(shù)據(jù)代入式(2)中，得到

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)各部件維修時(shí)間樣本

同理，得到各部件的平均修復(fù)時(shí)間，表2 為傳動(dòng)系統(tǒng)各部件MTTR估計(jì)值。

表2 傳動(dòng)系統(tǒng)各部件MTTR估計(jì)值

1)不考慮關(guān)重部件對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)存在的故障狀態(tài)集合為U={(1)，(2)，…，(5)，(1，2)，(1，3)，…，(1，5)，(2，3)，…，(i，j)，…，(3，5)，(4，5)，(1，2，3)，…，(1，2，3，4，5)}。將表2數(shù)據(jù)代入式(4)，得到傳動(dòng)系統(tǒng)的MTTR為

2)考慮關(guān)重部件對(duì)系統(tǒng)的影響，根據(jù)部件復(fù)雜和重要程度設(shè)定變速箱和制動(dòng)器為傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)重部件，則m=2，n=3，并聯(lián)系統(tǒng)存在的故障狀態(tài)集合為U={(1)，(2)，(5)，(1,2)，(1，5)，(1，2，5)}。將表2中數(shù)據(jù)代入式(5)，得到傳動(dòng)系統(tǒng)的MTTR為

結(jié)果表明，不考慮關(guān)重件的影響時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的MTTR為2.4412h，考慮關(guān)重件的影響時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的MTTR為2.3471h。在實(shí)際環(huán)境中對(duì)該傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為該傳動(dòng)系統(tǒng)的MTTR點(diǎn)估計(jì)值為2.33h，置信度為95%的區(qū)間估計(jì)為[2.26h,2.45h]。結(jié)果表明，虛擬仿真中，并聯(lián)系統(tǒng)模型和串并混聯(lián)系統(tǒng)模型都可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的MTTR驗(yàn)證，但相對(duì)而言，串并混聯(lián)系統(tǒng)模型更加貼近產(chǎn)品的實(shí)際情況。

4 結(jié)語

在維修過程分解的基礎(chǔ)上，提出開發(fā)適用于Jack軟件的產(chǎn)品維修動(dòng)素?cái)?shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品維修時(shí)間的仿真，進(jìn)而構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)，并以MTTR的驗(yàn)證為例進(jìn)行了研究，構(gòu)建出適用于該系統(tǒng)的串并混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗(yàn)證模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的MTTR驗(yàn)證。該方法對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制階段同步并行產(chǎn)品的維修性定量指標(biāo)驗(yàn)證具有非常有意義的參考價(jià)值。

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ResearchonMaintainabilityQuantitativeParametersVerificationMethodBasedonVirtualReality

HAN Chaoshuai WANG Yuquan CHEN Shouhua SHEN Ying
Academy of Armored Force Engineering, Department of Technical Support Engineering, Beijing 100072，China

Accordingtotheanalysisofresearchstatusofmaintainabilityquantitativeparametersverification,theproductmaintainabilityquantitativeparametersverificationsystembasedonvirtualrealityisbuilt,whichiselaboratedinthreeaspectsknownastheconceptofverification,coretechnologyandverificationmethod.Finally,thegearofanarmoredvehicleisanalyzedasacasestudy.Thismethodcanbeservedasasignificantreferencevalueforparallelingmaintainabilityquantitativeparametersverificationintheproductdevelopmentstage.

Maintainabilityverification;Virtualreality;Quantitativeparameters; MTTR

2014- 03- 10

韓朝帥(1993-)，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘摂M維修仿真；王玉泉(1964-)，男，河北保定人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲淦餮b備質(zhì)量管理;陳守華(1977-)，男，山東臨沂人，博士，講師，主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程；申瑩(1977-)，女，哈爾濱人，博士，講師，主要研究方向?yàn)檠b備綜合保障與可靠性。

TJ811+.2

： A

1006- 3242(2014)06- 0075- 06