周亮, 李慶民, 彭英武, 李華
1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢 430033
2.海軍工程大學(xué) 科研部, 武漢 430033
串件拼修對(duì)策下K/N(G)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可用度評(píng)估建模
周亮1, 李慶民2,*, 彭英武1, 李華1
1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢 430033
2.海軍工程大學(xué) 科研部, 武漢 430033
針對(duì)作戰(zhàn)編隊(duì)自主保障期間,作戰(zhàn)單元對(duì)裝備故障僅具備換件修理、保障單元對(duì)備件修復(fù)概率小于1的保障特點(diǎn),擴(kuò)展備件管理多級(jí)(METRIC)模型,建立了裝備冗余和外場更換件(Line Replaceable Unit,LRU)冗余結(jié)構(gòu)下非串件策略和串件策略兩級(jí)單層備件庫存保障模型。以備件貯存空間為約束,可用度為目標(biāo),對(duì)非串件策略系統(tǒng)建立有限解空間下的分層邊際優(yōu)化模型。依據(jù)備件保障流程,基于蒙特卡羅仿真方法建立了兩級(jí)維修保障仿真模型。實(shí)例分析結(jié)果表明:當(dāng)系統(tǒng)可用度較低,采用串件策略能極大提高系統(tǒng)可用度;仿真結(jié)果與解析結(jié)果一致,本文建模方法正確。模型可為保障決策者制定編隊(duì)隨行備件方案提供參考。
自主保障; 備件管理多級(jí)(METRIC); 串件; 有限解空間; 邊際; 蒙特卡羅仿真
作戰(zhàn)編隊(duì)通常由一個(gè)保障單元和多個(gè)作戰(zhàn)單元組成,備件是編隊(duì)最重要的保障資源之一。為了提高裝備可靠性,裝備設(shè)計(jì)者對(duì)裝備結(jié)構(gòu)常進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),而為了提高任務(wù)成功率,裝備亦會(huì)出現(xiàn)冗余情況,一旦有裝備出現(xiàn)故障,冗余裝備將啟動(dòng)開始工作。而在外獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的作戰(zhàn)編隊(duì),由于編隊(duì)修理能力限制,作戰(zhàn)單元通常只有拆換件修理能力,保障單元對(duì)拆換下來的故障件有一定的修理能力,僅可修復(fù)部分故障件,因此不可修的備件隨時(shí)間越來越多,隨行庫存?zhèn)浼S時(shí)間越來越少。隨著裝備的發(fā)展,電子裝備越來越集成化和模塊化,抽取和拆換部件操作方便,使故障件盡可能集中在少的裝備上變得簡單易行。對(duì)于攜帶備件能力有限的作戰(zhàn)編隊(duì),當(dāng)裝備發(fā)生故障,倉庫備件消耗殆盡時(shí),從其他同型裝備拆卸部件來換修另一臺(tái)裝備上的故障件,使故障件盡量集中在最少的裝備上,這是提高裝備可用度的有效手段。如由4部相控陣?yán)走_(dá)構(gòu)成的跟蹤系統(tǒng),天線元件采用冗余設(shè)計(jì),執(zhí)行任務(wù)期間要求相控陣?yán)走_(dá)的最小工作數(shù)為3部,當(dāng)備件消耗殆盡時(shí),可以將失效的天線元件盡可能集中在一部相控陣?yán)走_(dá)上,以此提高跟蹤系統(tǒng)的可用度。由于任務(wù)期間備件修復(fù)概率小于1,保障系統(tǒng)備件處于非穩(wěn)態(tài)需求,不適合采用傳統(tǒng)的生滅過程模型和備件管理多級(jí)(METRIC)模型進(jìn)行計(jì)算,因此研究任務(wù)期間冗余系統(tǒng)在串件拼修策略下的備件庫存模型,對(duì)提高裝備完好性具有重要意義。
目前,國內(nèi)外有大量文獻(xiàn)對(duì)備件庫存問題做了研究。對(duì)備件完全可修復(fù)條件下系統(tǒng)備件處于穩(wěn)態(tài)需求時(shí)的可用度模型有:文獻(xiàn)[1-5]研究并建立了多級(jí)保障結(jié)構(gòu)、維修渠道有限、橫向轉(zhuǎn)運(yùn)、K/N統(tǒng)批量維修等可修復(fù)系統(tǒng)備件庫存控制模型;文獻(xiàn)[6-7]考慮了串件拼修和不完全串件拼修對(duì)裝備可用度的影響;文獻(xiàn)[8]考慮了備件送修、庫存分配先后順序及串件拼修策略對(duì)系統(tǒng)可用度的影響。但均不適合計(jì)算備件修復(fù)概率小于1時(shí)保障系統(tǒng)的備件庫存方案。對(duì)保障系統(tǒng)時(shí)變可用度模型的研究有:文獻(xiàn)[9-10]基于動(dòng)態(tài)帕爾母定理,分別建立了兩級(jí)和三級(jí)備件保障結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)時(shí)變可用度模型;文獻(xiàn)[11]利用非平穩(wěn)隨機(jī)過程理論,在考慮維修渠道數(shù)量有限情況下,建立了兩級(jí)單層可修復(fù)系統(tǒng)時(shí)變可用度模型;文獻(xiàn)[12]對(duì)備件修復(fù)概率小于1的保障系統(tǒng),將不全修復(fù)件等效為消耗件,建立了多層級(jí)不完全修復(fù)件近似可用度評(píng)估模型。但均未考慮串件拼修對(duì)裝備完備性的影響。
本文針對(duì)作戰(zhàn)編隊(duì)自主保障期間的保障特點(diǎn),考慮作戰(zhàn)單元裝備冗余和外場更換件(Line Replaceable Unit,LRU)冗余對(duì)裝備系統(tǒng)完好性的影響,采用理論建模與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,建立作戰(zhàn)編隊(duì)備件庫存保障模型,對(duì)作戰(zhàn)編隊(duì)串件策略前后系統(tǒng)可用度變化進(jìn)行研究。
1.1 條件假設(shè)
1) LRU壽命服從指數(shù)分布。
2) 裝備停機(jī)僅由一項(xiàng)部件故障造成,忽略換件維修時(shí)間。
3) 不考慮備件在不同裝備使用現(xiàn)場間的橫向供應(yīng)。
4) 使用現(xiàn)場庫存實(shí)行(s-1,s)策略,即作戰(zhàn)單元向保障單元送修一項(xiàng)故障件,同時(shí)向保障單元申領(lǐng)相同數(shù)量的備件。
5) 作戰(zhàn)單元僅對(duì)故障件有更換維修能力,保障單元對(duì)故障件修復(fù)概率小于1,且實(shí)行先到先修。
1.2 變量說明
變量說明如下:H0為保障單元,保障所有的作戰(zhàn)單元;Combat為所有作戰(zhàn)單元的集合;Part為裝備中所有類LRU組成的集合;j為第j個(gè)作戰(zhàn)單元,j∈Combat;l表示第l類LRU,l=1,2,…,n,l∈Part。
2.1 裝備鈍化條件下需求計(jì)算
裝備在工作的過程中,若裝備工作的強(qiáng)度不變,則其對(duì)備件需求亦不變,當(dāng)裝備出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí),發(fā)生故障的裝備不再產(chǎn)生需求,稱之為裝備鈍化。因此t時(shí)刻第j個(gè)作戰(zhàn)單元在單位時(shí)間內(nèi)LRU的需求為[9]
(1)
式中:Kz為作戰(zhàn)單元j中裝備z的最小工作數(shù);M為 LRU在裝備z中的單機(jī)安裝數(shù);Ac(t-1)為系統(tǒng)在t-1時(shí)刻的可用度;MTBFl為LRU的平均故障間隔時(shí)間。
2.2 備件供應(yīng)渠道數(shù)概率分布
編隊(duì)作戰(zhàn)期間,由于作戰(zhàn)單元j對(duì)裝備一般僅有拆換部件的能力,拆換下來的備件送保障單元H0修理,同時(shí)向保障單元申領(lǐng)同樣數(shù)量的備件。設(shè)保障單元H0對(duì)LRU的修復(fù)概率為r,修理LRU平均所需的時(shí)間為τl,不能修復(fù)的故障件等到任務(wù)結(jié)束后送基地修理。若任務(wù)時(shí)刻t小于LRU平均修理時(shí)間τl,則t時(shí)刻保障單元H0在修數(shù)量為:0~t時(shí)間內(nèi)各作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的故障件之和與保障單元H0對(duì)LRU修復(fù)概率之乘積;若τl≤t,則t時(shí)刻保障單元H0的在修數(shù)量為:t-τl~t時(shí)間內(nèi)各作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的故障件之和與保障單元H0對(duì)LRU修復(fù)概率之乘積[13]。而t時(shí)刻,保障單元H0中LRU供應(yīng)渠道由在修數(shù)量和不可修數(shù)量兩部分構(gòu)成,因此保障單元H0中LRU供應(yīng)渠道的均值為
X0l(t)=
(2)
X0l(t)服從均值和方差相同的泊松分布,因此t時(shí)刻保障單元H0中LRU供應(yīng)渠道數(shù)為x的概率為
(3)
故t時(shí)刻保障單元H0中LRU的期望短缺數(shù)和期望方差為
(4)
式中:S0l為保障單元H0中LRU的庫存數(shù)量。
由于作戰(zhàn)單元j僅有拆換修理能力,拆換下來的故障件將送往保障單元H0進(jìn)行修理,同時(shí)向保障單元申領(lǐng)相同數(shù)量的備件。由于保障單元H0庫存能力有限,且修復(fù)概率小于1,隨著時(shí)間推進(jìn),備件庫存量將會(huì)越來越少,不能滿足作戰(zhàn)單元j的備件需求,將產(chǎn)生保障延誤。
(5)
t時(shí)刻作戰(zhàn)單元j的供應(yīng)渠道由兩部分構(gòu)成:一是保障單元H0在t-ost時(shí)刻備件短缺造成作戰(zhàn)單元j保障延誤的數(shù)量,ost為作戰(zhàn)單元j到保障單元H0的運(yùn)輸時(shí)間;二是保障單元H0對(duì)作戰(zhàn)單元j補(bǔ)給途中的部分。因此,t時(shí)刻作戰(zhàn)單元j中LRU供應(yīng)渠道均值為
(6)
方差為
(7)
由文獻(xiàn)[13]可知,t時(shí)刻當(dāng)作戰(zhàn)單元j中LRU的供應(yīng)渠道差均比大于1時(shí),LRU的供應(yīng)渠道服從Γ(a,b)的負(fù)二項(xiàng)分布,分布參數(shù)(a,b)為
(8)
t時(shí)刻當(dāng)作戰(zhàn)單元j中LRU的供應(yīng)渠道差均比小于1時(shí),LRU的供應(yīng)渠道服從η(p,n)的二項(xiàng)分布[13],分布參數(shù)(p,n)為
(9)
t時(shí)刻當(dāng)作戰(zhàn)單元j中LRU的供應(yīng)渠道差均比等于1時(shí),LRU的供應(yīng)渠道服從均值為E[Xjl(t)]的泊松分布[13]。
因此,根據(jù)t時(shí)刻作戰(zhàn)單元j中LRU的供應(yīng)渠道差均比與1的大小,由式(3)、式(8)和式(9)可確定LRU供應(yīng)渠道數(shù)的概率分布,進(jìn)而得到LRU備件數(shù)量為Sjl時(shí),備件短缺數(shù)為α的概率分布P(BOjl(Sjl,t)=α),BO為備件短缺數(shù)分布概率。
3.1 非串件系統(tǒng)可用度模型
不考慮系統(tǒng)串件拼修時(shí),停機(jī)裝備中好的部件不能拆卸到其他因該部件損壞而停機(jī)的裝備上使用。求取系統(tǒng)在t時(shí)刻的可用度Ac(t)可分為兩步:第1步先通過超幾何分布求取系統(tǒng)中一部裝備z在t時(shí)刻的可用度Az(t);第2步根據(jù)二項(xiàng)分布求取系統(tǒng)中要求Kz部裝備完好的概率。系統(tǒng)下有z型裝備Nz部,每部z型裝備中只有M個(gè)LRU,因此系統(tǒng)中LRU有NzM個(gè)。當(dāng)系統(tǒng)LRU總短缺數(shù)為x時(shí),若裝備下LRU短缺數(shù)為u,則剩下的x-u件LRU分布在剩下的Nz-1部裝備當(dāng)中,因此一部z型裝備中LRU短缺μ個(gè)的概率φzl(μ,x,t)為
(10)
P(BOjl(Sjl,t1)=x))dt1
(11)
裝備z中不同類型的LRU均處于串件關(guān)系,因此,t時(shí)刻裝備z的可用度Az(t)為[12]
(12)
一部裝備在t時(shí)刻的可用度為Az(t),則Nz部裝備中有y部完好的概率為
(13)
由于未考慮預(yù)防維修及裝備故障換件維修時(shí)間,因此裝備供應(yīng)可用度與使用可用度相同,依據(jù)文獻(xiàn)[15]中K/N(G)供應(yīng)可用度的求取方法,由Nz部裝備構(gòu)成的系統(tǒng)可用度近似為
(14)
3.2 串件系統(tǒng)可用度模型
(15)
因此,t時(shí)刻作戰(zhàn)單元j中裝備在z的期望停機(jī)數(shù)為
EBZ(t)=0+1(D(1,t)-D(0,t))+
2(D(2,t)-D(1,t))+…+
y(D(y,t)-D(y-1,t))+…
y≤Kz
(16)
t時(shí)刻作戰(zhàn)單元j中裝備在z構(gòu)成的系統(tǒng)可用度為
(17)
4.1 目標(biāo)函數(shù)和約束條件
在制定備件方案時(shí),決策層更看重每次任務(wù)的完成效果,要求裝備有較高的完好性。而受貯存空間限制,備件攜帶數(shù)量有限,在系統(tǒng)可用度達(dá)到目標(biāo)可用度前提下,要求備件貯存所需的體積最小,因此邊際優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為
(18)
式中:Ac0為系統(tǒng)c的目標(biāo)可用度;vl為備件LRU的體積。
4.2 有限解空間分層邊際算法優(yōu)化步驟
邊際算法廣泛用于VMETRIC和OPUS等庫存優(yōu)化配置軟件中。傳統(tǒng)的邊際算法是比較每項(xiàng)備件每增加一個(gè)時(shí)增加的邊際效益值,對(duì)邊際效益值最大的備件項(xiàng)目加1,其他備件項(xiàng)目數(shù)量保持原有狀態(tài),直到可用度大于等于目標(biāo)可用度時(shí)算法結(jié)束[13]。因此,在確定備件方案的過程中,需要重復(fù)計(jì)算備件項(xiàng)目增加一個(gè)時(shí)的效益值,導(dǎo)致優(yōu)化效率較低,通過將系統(tǒng)可用度分解到每項(xiàng)LRU,確定每項(xiàng)LRU備件配置數(shù)量范圍后,對(duì)效益值最大的備件項(xiàng)目數(shù)加1,直至系統(tǒng)可用度大于目標(biāo)可用度,其優(yōu)化步驟如下:
1) 根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)可用度wc,通過二分法求解裝備可用度Az。
3) 確定目標(biāo)可用度值下的最優(yōu)備件方案。各項(xiàng)備件不同數(shù)量(m>0)下對(duì)應(yīng)的效益值如矩陣Δp所示。設(shè)第k項(xiàng)備件配置數(shù)量為x的效益值為Δpkx,確定初始效益值矩陣
[Δp11Δp21… Δpj1]
對(duì)效益值最大的站點(diǎn)備件項(xiàng)目數(shù)量加1,計(jì)算此時(shí)系統(tǒng)可用度Ac。
4) 若Ac 4.3 復(fù)雜度分析 與傳統(tǒng)的邊際算法相比,若達(dá)到目標(biāo)可用度需迭代s次,對(duì)于j個(gè)站點(diǎn),L類備件,傳統(tǒng)的邊際優(yōu)化算法復(fù)雜度為sjL,而有限空間解條件下的分層邊際優(yōu)化算法復(fù)雜度約為s+jL,優(yōu)化效率高于傳統(tǒng)的邊際算法效率。 根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)、備件保障及修理模型,采用蒙特卡羅仿真方法模擬裝備實(shí)際保障過程,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)裝備故障時(shí)間、維修時(shí)間、停機(jī)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從而得到系統(tǒng)的可用度[16]。仿真模型分為3部分:備件入庫事件、故障件修理事件和換件維修事件。對(duì)于非串件系統(tǒng),一旦運(yùn)行中的裝備發(fā)生故障,如果導(dǎo)致裝備停機(jī)故障部件的備件庫存大于0,則立刻用備件更換故障件;若庫存小于0,則立即啟動(dòng)備份的裝備。因此,冗余裝備相當(dāng)于“萬能備件”,任何故障導(dǎo)致裝備停機(jī),冗余裝備都能頂上,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行,其仿真流程如圖1 所示。 假設(shè)由3個(gè)相同的作戰(zhàn)單元 (J1,J2,J3)和1個(gè)保障單元(H0)組成的編隊(duì),外出執(zhí)行任務(wù),任務(wù)時(shí)間為2 000 h。以作戰(zhàn)單元中由2部相控陣?yán)走_(dá)構(gòu)成的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)為例,跟蹤系統(tǒng)中相控陣?yán)走_(dá)在任務(wù)期間冗余度為1,備件保障信息清單如表1所示。不考慮串件拼修策略時(shí),采用有限解空間分層邊際算法對(duì)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)可用度為0.60、0.70、0.80、0.95時(shí)的備件方案進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如表2所示。 采用串件策略模型和仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)表2中備件方案進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證,結(jié)果如表3所示。分析表3 中數(shù)據(jù),無論是串件策略模型,還是非串件策略模型,其解析結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,解析模型與仿真模型的絕對(duì)誤差值均在3%以內(nèi),因此串件策略模型和非串件策略模型建模正確。當(dāng)備件配置數(shù)量分別為方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ時(shí),串件策略下目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)可用度較非串件策略下系統(tǒng)可用度分別提高了約20%、15%、10%。在備件方案Ⅳ,串件策略下系統(tǒng)可用度值比非串件策略下系統(tǒng)可用度值略高,這是因?yàn)樵诟呖捎枚认?,可用度隨著備件數(shù)量的增加呈現(xiàn)扁平化趨勢,因此,即使采取串件拼修策略,系統(tǒng)可用度效果提高不明顯。 如若將任務(wù)時(shí)間延長至5 000 h,備件方案Ⅰ和方案Ⅳ下系統(tǒng)可用度隨時(shí)間變化如圖3所示。在備件方案Ⅰ下,串件系統(tǒng)可用度與非串件系統(tǒng)可用度的差值隨時(shí)間先變大,后變??;而在備件方案Ⅳ下,在2 000 h前,串件系統(tǒng)可用度與非串件系統(tǒng)可用度基本相同,隨著任務(wù)時(shí)間的變長,串件系統(tǒng)可用度與非串件系統(tǒng)可用度差值慢慢增大,因此在任務(wù)時(shí)間小于2 000 h前,不用采取串件拼修策略,而在2 000 h后采取串件維修策略。 圖1 仿真流程5 蒙特卡羅仿真建模
6 案例分析
Fig.1 Simulation flow
表1 備件保障信息清單Table 1 Lists of spare parts and parameters
表2 不同目標(biāo)可用度下的備件方案Table 2 Spare part programs for different target availabilities
表3 不同備件方案下串件與非串件策略的可用度值Table 3 Availabilities of cannibalization and non-cannibalization for different spare part programs
圖2 串件策略系統(tǒng)換件維修事件仿真流程
Fig.2 Simulation flow of replacement maintenance event for systems with cannibalization
圖3 可用度隨時(shí)間變化
Fig.3 Changes of availabilities with time
1) 在系統(tǒng)可用度較低的備件方案下,串件策略能大幅提高系統(tǒng)的可用度。
2) 在系統(tǒng)可用度較高的備件方案下,串件策略對(duì)系統(tǒng)可用度提高不明顯。
3) 對(duì)已經(jīng)制定好的備件方案,可以采用本文模型對(duì)備件方案進(jìn)行評(píng)估,以幫助決策者是否選擇串件拼修策略及串件拼修策略時(shí)機(jī)。
隨著任務(wù)時(shí)間的延長,系統(tǒng)的可用度會(huì)不斷降低,而作戰(zhàn)編隊(duì)可提供貯存?zhèn)浼目臻g有限,因此要保證系統(tǒng)的可用度,需要進(jìn)行中途補(bǔ)給。
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AvailabilityevaluationmodelingforK/N(G)structuresystemwithcannibalization
ZHOULiang1,LIQingmin2,*,PENGYingwu1,LIHua1
1.DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China2.OfficeofResearch&Development,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China
Duringthetaskofthecombatformationinindependentsupport,thecombatunitonlyhastheabilitytochangethefailedpartsofequipment,andthereparabilityprobabilityofsparepartsbythesupplyunitislessthan1.Byextendingthemulti-echelontechniqueforrecoverableitemcontrol(METRIC)model,thispaperestablishesamodelforsparepartinventorycontrolwithnon-cannibalizationandcannibalizationstrategiesforredundantequipmentandlinereplaceableunit(LRU)redundantstructuresystem.Themodeltakesthestoragespaceofsparepartsastheconstraint,andthesystemavailabilityasthetarget.Ahierarchicalmarginaloptimizationmodelisestablishedforthefinitesolutionspaceofthenon-cannibalizationstrategysystem.Onthebasisofsparepartssupportprocess,two-levelmaintenancesupportsimulationmodelisestablishedbasedonMonteCarlosimulationmethod.Theanalysisresultsoftheexampleshowthatthesystemavailabilitycanbegreatlyimprovedbyusingcannibalizationstrategy,andthesimulationresultsareconsistentwiththeanalyticalresults.Themodelcanprovidereferencefordecisionmakerstomaketheplanfortheformationoftheaccompanyingspareparts.
independentsupport;multi-echelontechniqueforrecoverableitemcontrol(METRIC);cannibalization;finitesolutionspace;marginal;MonteCarlosimulation
2016-04-14;Revised2016-04-19;Accepted2016-05-23;Publishedonline2016-06-301336
URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160630.1336.002.html
s:NationalDefencePre-researchFoundation(51327020105,51304010206)
2016-04-14;退修日期2016-04-19;錄用日期2016-05-23; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
時(shí)間:2016-06-301336
www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160630.1336.002.html
國防預(yù)研項(xiàng)目 (51327020105,51304010206)
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.E-maillicheng001@hotmail.com
周亮, 李慶民, 彭英武, 等. 串件拼修對(duì)策下K/N(G)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可用度評(píng)估建模J. 航空學(xué)報(bào),2017,38(4):220319.ZHOUL,LIQM,PENGYW,etal.AvailabilityevaluationmodelingforK/N(G)structuresystemwithcannibalizationJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(4):220319.
http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn
10.7527/S1000-6893.2016.0190
V125.7; E917; TJ07
A
1000-6893(2017)04-220319-10
(責(zé)任編輯: 蘇磊)
*Correspondingauthor.E-maillicheng001@hotmail.com