模塊化動態(tài)拆卸序列生成研究*

裴國旭，杜曉明，卜昭峰，薛輝

(軍械工程學(xué)院 裝備指揮與管理系，河北 石家莊 050001)

0 引言

戰(zhàn)時裝備維修保障的基本過程是：當(dāng)裝備出現(xiàn)戰(zhàn)場損傷，使用分隊決定是否進(jìn)行現(xiàn)場搶修還是后送修理，后方指揮所接收前方提出的搶修需求，根據(jù)損傷部位，及時指派相應(yīng)專業(yè)維修分隊前出，完成修理過程。裝備維修保障仿真系統(tǒng)需要對后方指揮所、使用分隊、維修分隊的指揮與行動過程進(jìn)行建模與仿真，通過多輪運行給出裝備修理過程的模擬結(jié)果，如等待時間、維修時間、資源消耗等。在此仿真過程中，面對某個損傷裝備，需要對不同專業(yè)修理單元之間的協(xié)同修理行為進(jìn)行建模，保證多個修理單元準(zhǔn)確展開串行作業(yè)、并行作業(yè)或混合作業(yè)，以獲得裝備修理的拆卸時間、更換時間、等待時間、作業(yè)效率等數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)多專業(yè)修理單元協(xié)同行為建模中，如何實現(xiàn)對損傷裝備的非破壞性目標(biāo)拆卸建模是基礎(chǔ)[1-4]。

當(dāng)前目標(biāo)拆卸建模主要基于圖論，利用圖形的邏輯順序形成拆卸順序。這類方法雖可以解決拆卸建模問題，但隨著零部件數(shù)量增多，不可避免的會產(chǎn)生“組合爆炸問題”[5]。為解決這一問題，姚麗英等[6]提出了一種基于分層結(jié)構(gòu)的拆卸模型，利用層次結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行拆卸序列規(guī)劃；鐘艷如等[5]提出了一種基于模塊化設(shè)計的混合圖拆卸模型，先將裝備體進(jìn)行模塊化劃分，再利用有向圖和無向圖形成零件的拆卸序列；周喜梅等[7]提出了一種基于模塊化的拆卸模型，并利用約束關(guān)系矩陣形成目標(biāo)拆卸序列。其中，周喜梅等[7]提出的方法具有較強的借鑒意義，該方法降低了拆卸模型的復(fù)雜程度，提高了搜索效率。但該模型無法確定只有2個零件時的拆卸序列，需進(jìn)一步完善。

裝備拆卸序列建模的關(guān)鍵是動態(tài)生成目標(biāo)部件的拆卸序列，本文研究背景主要是戰(zhàn)時野戰(zhàn)條件下的裝備搶修仿真，因此目標(biāo)部件主要是指裝備的外場可更換單元。本文將基于模塊化思想，建立外場可更換單元層上的模塊化裝備拆卸模型，并利用改進(jìn)的約束矩陣生成各層拆卸序列，將各層拆卸序列進(jìn)行整合，形成最終的拆卸序列，為后續(xù)維修規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

1 面向拆卸的裝備模塊化建模

1.1 拆卸的概念

根據(jù)拆卸過程是否具有破壞性，拆卸可以分為破壞性拆卸和非破壞性拆卸。破壞性拆卸是指在對裝備進(jìn)行拆卸時，會對一個或者多少個零部件產(chǎn)生損傷，使其不能自行恢復(fù)原狀，其過程是不可逆，若要進(jìn)行破壞性拆卸，需根據(jù)具體任務(wù)確定，比如連接件發(fā)生了銹蝕，需進(jìn)行破壞性拆卸。非破壞性拆卸是指在對裝備進(jìn)行拆卸時，所有零部件都將沒有損傷，其過程可逆[8]。通常拆卸使用非破壞性拆卸。

根據(jù)拆卸深度，拆卸還可分為完全拆卸和目標(biāo)拆卸。完全拆卸是指將整個裝備拆卸成不可拆卸的零件為止。該方式主要用于理論研究，實際情況下 使用。目標(biāo)拆卸是指在對裝備進(jìn)行拆卸時，明確拆卸目標(biāo)，根據(jù)約束關(guān)系，確定妨礙拆卸的其他零件，并按順序?qū)⑵渌慵M(jìn)行拆卸，最終將目標(biāo)零件進(jìn)行拆卸,該拆卸方式在實際中經(jīng)常使用。本文針對拆卸目標(biāo)是受損裝備的外場可更換單元，拆卸類型是非破壞性目標(biāo)拆卸。

1.2 層次上的模塊化

“模塊是可組成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元[9]?！鄙鲜瞿K的概念在界定單元的大小和規(guī)模上具有模糊性，一個大模塊中可能包含若干個小模塊，小模塊也可能包含若干個子模塊，即模塊具有層次性[10-11]。事實上，層次性是系統(tǒng)的普遍特此，也是模塊化系統(tǒng)的基本特性。但是模塊化系統(tǒng)的層次和系統(tǒng)的層次存在一定的差異，系統(tǒng)的層次是各單元有序組合也就是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而模塊化系統(tǒng)是構(gòu)建具有典型性和通用性的模塊，在系統(tǒng)層次的基礎(chǔ)上形成模塊化的層次。比如，我軍某防空火炮系統(tǒng)中有火力控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)中可能還有子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)也是構(gòu)成火炮系統(tǒng)的模塊。所以，在對“防空火炮模塊化”中，可以將模塊分為：元件型模塊、部件型模塊、子系統(tǒng)模塊等等，這樣既體現(xiàn)了模塊的層次，又體現(xiàn)了模塊的特性[12]。在實際中，模塊化層次往往分為一級模塊、二級模塊……直至最底層模塊(元器件)，以此形成層次上的模塊化。

1.3 模塊化拆卸模型的建立

本文研究的是面向拆卸的模塊化建模，拆卸目標(biāo)是外場可更換單元，將依據(jù)以下思路進(jìn)行建模：

(1) 根據(jù)GJB/Z57-94，外場可更換單元為不同功能層次的產(chǎn)品。因此，建立模塊化模型應(yīng)以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，落于相應(yīng)的子系統(tǒng)，形成功能模塊和部件模塊混合的模型。

(2) 為使模型便于理解，各模塊大致沿用結(jié)構(gòu)層次的名稱，比如“平衡機(jī)部件模塊”，使用“平衡機(jī)”代替，但在最底層模塊，使用了與外場可更換單元相關(guān)的名稱。

根據(jù)上述思想，建立模塊化拆卸模型，如圖1所示。

該模塊化拆卸模型具有一定的通用性，不僅可以用于外場可更換單元的拆卸研究，也可繼續(xù)細(xì)分直至相應(yīng)零件，應(yīng)于內(nèi)場可更換單元的拆卸研究。

2 以外場可更換單元為目標(biāo)的拆卸序列生成算法

2.1 拆卸序列規(guī)劃思路

以目標(biāo)拆卸件為目標(biāo)，依據(jù)裝備模塊化拆卸模型，采用“自下而上”的方式，可以規(guī)劃設(shè)計得到目標(biāo)件的拆卸序列[13-14]。即先分析目標(biāo)拆卸件所在層級的拆卸順序，再分析上一層模塊(件)的拆卸順序，最后按照各層拆卸順序排序，可以得到目標(biāo)拆卸件的拆卸順序[15]。

步驟1確定拆卸目標(biāo)。

步驟2選擇待拆卸零件，選擇規(guī)則是從最底層也就是目標(biāo)拆卸件開始，逐層向上進(jìn)行選擇。

步驟3定位待拆卸零件所在的層級，并對該層級相關(guān)的零件調(diào)用目標(biāo)拆卸算法，形成本級拆卸序列并進(jìn)行存儲。

步驟4對待拆卸件的上一級(父節(jié)點)進(jìn)行判斷，如果父節(jié)點是根節(jié)點(裝備整體)，則拆卸完畢，跳轉(zhuǎn)至步驟5，如果不是，跳轉(zhuǎn)至步驟2。

步驟5對存儲的拆卸序列按層次順序逆向排列，形成目標(biāo)拆卸序列并進(jìn)行輸出。

步驟6完成目標(biāo)拆卸。

2.2 目標(biāo)拆卸算法實現(xiàn)

調(diào)用目標(biāo)拆卸算法是形成拆卸序列的核心，該算法根據(jù)各個零件之間的約束關(guān)系形成約束關(guān)系矩陣，再分析約束關(guān)系矩陣最終形成拆卸序列，具體流程圖如圖2所示。其中需定義：

(1) 裝備基準(zhǔn)層O。該基準(zhǔn)層為人為定義的虛擬層，定義其位于裝備所有零件的最下面，受到所有零件的約束，但只對其相鄰的零件提供約束。該基準(zhǔn)層的引入主要是為了解決只有兩個2件時，如何生成拆卸序列的問題。

(3)Ri表示矩陣中第i行所有數(shù)值的和，也就是第i個零件受到的所有約束；Fj表示第j列所有數(shù)值的和，也就是第j個零件提供的所有約束。

圖2 目標(biāo)拆卸算法流程圖Fig.2 Target demolition algorithm flow chart

本算法應(yīng)用約束解除思想，即拆卸一個零件，其受到的約束和提供的約束一并消失。在這一拆卸過程中，應(yīng)使用3條準(zhǔn)則。

1) 優(yōu)先拆卸受到總約束為1的零件，即Ri=1的第i個零件優(yōu)先拆卸。

2) 若約束關(guān)系矩陣中不存在滿足上述條件的零件，優(yōu)先拆卸提供約束最多的零件，即優(yōu)先拆卸Fj最大的第j個零件，如果矩陣中存在多個Fj最大的零件，將其同時拆卸。

3) 當(dāng)約束矩陣變C為2×2時，代表矩陣中只有一個零件和裝備基準(zhǔn)層，此時，只需要對矩陣中第一行對應(yīng)的零件進(jìn)行拆卸，隨后拆卸結(jié)束。

具體執(zhí)行步驟如下：

步驟1輸入零件所在層級的約束關(guān)系矩陣C。

步驟2判斷矩陣C的行數(shù)n，如果n=2，進(jìn)行步驟6，否則進(jìn)行步驟3。

步驟3計算矩陣中各行的和Ri和各列的和Fj。

步驟4根據(jù)準(zhǔn)則，判斷各行的和Ri是否為1，若Ri=1，則拆卸第i個零件進(jìn)行存儲，形成新的約束矩陣，并再次執(zhí)行步驟2，如果不存在這樣的零件，則進(jìn)行步驟5。

步驟5搜索矩陣列的和Fj值最大的列，拆卸該列對應(yīng)的第j個零件進(jìn)行存儲，形成新的約束矩陣，并再次執(zhí)行步驟2。

步驟6拆卸約束矩陣中第一行對應(yīng)的零件k，進(jìn)行存儲。

步驟7按照零件的拆卸先后順序形成拆卸序列。

3 案例分析

3.1 原理實現(xiàn)

以“某型防空火炮火力控制系統(tǒng)模塊化拆卸模型”為例，可對本文提出的拆卸規(guī)劃和拆卸算法進(jìn)行驗證。選取“部件總成E11”(以后簡稱為E11)為拆卸目標(biāo)件進(jìn)行拆卸，根據(jù)文中流程進(jìn)行具體分析，其局部關(guān)系如圖3所示。

匯總拆卸零件順序，第4層的目標(biāo)拆卸順序為：E13→E12→E11。

(2) 判斷目標(biāo)拆卸件E11的上一級，其上一級是“高低機(jī)E1”，不是“裝備整體Z”，繼續(xù)對E1所在的第3層調(diào)用目標(biāo)拆卸算法，具體方法和第4層的方法相同，本處不進(jìn)行具體分析，第3層的目標(biāo)拆卸順序為：E2→E1。

依據(jù)同樣的方法可以得到E1上一級，“高低轉(zhuǎn)向E”所在的第2層的目標(biāo)拆卸順序：F→C→E。

(3) 繼續(xù)判斷E的上一級，其上一級為“裝備整體Z”為根節(jié)點，依據(jù)拆卸規(guī)則，拆卸結(jié)束。

(4) 匯總各層的拆卸順序，最終可以得到目標(biāo)拆卸件“機(jī)構(gòu)部件總成E11”的拆卸順序為：F→C→E→E2→E1→E13→E12→E11。

3.2 軟件實現(xiàn)

為更好地完成拆卸序列生成的任務(wù)，利用“Microsoft Visual Studio”軟件進(jìn)行編程，生成“拆卸序列綜合分析系統(tǒng)”，應(yīng)用的初始化界面如圖4所示。

該軟件功能主要有：選擇待拆卸零件，顯示當(dāng)前拆卸零件，待拆卸零件所在層級，待拆卸零件類型、所在層級拆卸序列和完整拆卸序列。開發(fā)該軟件，可以使拆卸界面可視化，更直觀地生成拆卸序列。以拆卸“部件總成E11”為例，利用軟件可以直接生成待拆卸件的拆卸序列。拆卸序列生成界面如圖5所示。

圖3 某型防空火炮火力控制系統(tǒng)局部拆卸關(guān)系圖Fig.3 Partial disassembly diagram of fire control system for certain type of air defense artillery

圖4 初始化界面Fig.4 Initialization interface

圖5 拆卸序列生成界面Fig.5 Disassembly sequence generation interface

通過分析，軟件生成的拆卸序列與原理分析出的拆卸序列相一致，利用軟件可以更快速的生成拆卸序列，降低了原理分析的難度和復(fù)雜性。

在戰(zhàn)時，一件裝備的受損部位往往不止一處，可能同時損壞底盤系統(tǒng)中的行星轉(zhuǎn)向機(jī)和火控系統(tǒng)中的高低機(jī)，指揮所派出的底盤維修單元和火控維修單元可以根據(jù)部件之間的約束關(guān)系同時(并行)對兩個部件展開拆卸修理。但是在現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)中，這兩處拆卸維修是串行的，即先完成一處修理，再完成下一處修理，這與實際情況不相符。應(yīng)用本文提出的拆卸序列算法和分析軟件，可以形成受損部件的拆卸序列，通過分析拆卸序列，搜尋是否存在并行拆卸修理的機(jī)會，進(jìn)而構(gòu)建更為逼真的仿真環(huán)境。

4 結(jié)束語

本文提出了一種層次化模塊化的拆卸模型，減少了拆卸仿真的工作量，并應(yīng)用這一模型建立了某防空火炮外場可更換單元拆卸模型。根據(jù)模塊化的思想，提出了一種拆卸序列規(guī)劃，并應(yīng)用約束矩陣，解決了拆卸序列生成的問題。實例表明，本方法是解決裝備拆卸序列生成的有效方法，并可對裝備搶修仿真中的協(xié)同行為研究提供依據(jù)，具有實際應(yīng)用價值。

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