FDNA技術(shù)在維修保障系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

付喻文，郝建平

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，維修保障系統(tǒng)所發(fā)揮的作用越來越明顯。對(duì)于一件主戰(zhàn)裝備，其背后往往跟隨著一個(gè)龐大的維修保障系統(tǒng)作為支撐。戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)已經(jīng)不再僅僅由裝備本身的性能決定，維修保障系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)是否流暢，成為戰(zhàn)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵一環(huán)。然而，不同于一般意義上的裝備系統(tǒng)，維修保障系統(tǒng)由于受到眾多不確定因素的影響，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)要素之間存在復(fù)雜的相互作用，其構(gòu)成設(shè)計(jì)過程受到阻礙。

目前，對(duì)于維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)研究，文獻(xiàn)[1]提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)分析(analytic network process,ANP)的維修保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素網(wǎng)絡(luò)模型和方法。該方法能夠較好地對(duì)復(fù)雜維修保障系統(tǒng)考慮其單一層次內(nèi)部各元素的依存、上下層元素之間的反饋影響以及定量分析[2-3]。但該方法針對(duì)于所有要素都分析其相互關(guān)系，使分析過程極大地復(fù)雜化。文獻(xiàn)[4]在建立裝備保障仿真通用平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用仿真技術(shù)還原了裝備維修保障系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)部邏輯以及與外部的交互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)維修保障能力的評(píng)價(jià)。但是評(píng)價(jià)效果可能受制于輸入的影響因素眾多，因素取值調(diào)整復(fù)雜等問題。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用改進(jìn)TOPSIS法對(duì)維修保障系統(tǒng)效能進(jìn)行了綜合評(píng)估，但該方法不足以表示出系統(tǒng)方案的優(yōu)劣。其他研究還包括了利用變權(quán)綜合法、突變?cè)u(píng)價(jià)法[6-7]等方法解決維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)問題，但都未能達(dá)到令人滿意的效果。

對(duì)于越來越龐大、越來越復(fù)雜的維修保障系統(tǒng)，如何合理對(duì)其進(jìn)行配置，保證裝備保障能力持續(xù)運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮其功能，成為我軍面臨的重要課題。針對(duì)這一難題，本文將引入功能依賴網(wǎng)絡(luò)分析(functional dependency network analysis,FDNA)的思想。功能依賴網(wǎng)絡(luò)分析是一種可將系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)要素之間的依賴關(guān)系進(jìn)行建模和度量的方法[8]。近年來，F(xiàn)DNA技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到航空體系維修及架構(gòu)分析[9]，解決協(xié)作衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的信息轉(zhuǎn)移問題[10]，研發(fā)流程建模的技術(shù)開發(fā)[11]以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性分析[12-13]等多個(gè)領(lǐng)域。該方法將為維修保障方案的研究提供新的思路。

1 FDNA技術(shù)簡(jiǎn)介

功能依賴網(wǎng)絡(luò)分析(FDNA)最早由Garvey和Pinto等人提出[14]，用來分析某個(gè)系統(tǒng)功能失效對(duì)于其他有依賴關(guān)系的系統(tǒng)性能的影響。該技術(shù)基于圖理論，可將系統(tǒng)內(nèi)組成要素之間的關(guān)系清晰明了的表達(dá)出來，并提供度量要素間依賴關(guān)系的方法。

1.1 基本理論

首先要明確FDNA技術(shù)中依賴性的含義。在FDNA圖中，依賴性是一種條件，存在于2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的效能可能在某種程度上依賴于另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的效能。如圖1所示。

效能作為一種宏觀概念，代表了系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一種狀態(tài)，是節(jié)點(diǎn)在某種特定條件和預(yù)定期望下的功能體現(xiàn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到的效能水平可以由一個(gè)度量值或“運(yùn)行能力”[15]來表示。在FDNA中，受體節(jié)點(diǎn)的效能水平受到2種依賴性特征的影響。首先是受體節(jié)點(diǎn)對(duì)于供體節(jié)點(diǎn)依賴的強(qiáng)度。其次是供體節(jié)點(diǎn)與受體節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系對(duì)于受體節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到其效能水平的關(guān)鍵性。將其分別稱作依賴強(qiáng)度(strength of dependency, SOD)和依賴關(guān)鍵度(criticality of dependency, COD)。

舉例來說，假設(shè)圖1中受體節(jié)點(diǎn)Nj是車輛底盤系統(tǒng)，而供體節(jié)點(diǎn)Ni為車載控制系統(tǒng)。如果底盤系統(tǒng)的完全效能水平為時(shí)速60 km，那么Pj(xj=60)=100。在沒有任何Ni的貢獻(xiàn)時(shí)，Nj只能達(dá)到時(shí)速40 km。如果時(shí)速40 km記作效能水平60，也就是當(dāng)Pi=0時(shí)，Pj(xj=40)=60。這表示了Nj的基本效能水平是60。假設(shè)供體節(jié)點(diǎn)Ni的控制對(duì)于底盤系統(tǒng)正常運(yùn)行的效果是理想的。如果沒有控制輸出，底盤就會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定運(yùn)行，其部件會(huì)受到損耗，而且底盤的效能水平會(huì)從基本水平60不斷降低，最終完全不可用，即效能水平為0。

由此看出，車輛底盤系統(tǒng)不僅依賴于車載控制系統(tǒng)的輸出來提高其效能水平，還對(duì)這種關(guān)系有很大的依賴性。因此，SOD和COD對(duì)于供受節(jié)點(diǎn)關(guān)系的效能水平都發(fā)揮了重要而不同的影響。SOD反映了這種關(guān)系的作用，可提高基本效能水平，COD反映了這種關(guān)系對(duì)于這些水平所能夠承受的損失或約束。FDNA包含了對(duì)于依賴關(guān)系所產(chǎn)生的促進(jìn)和阻礙作用，將這種作用模型化，從而找出系統(tǒng)之間的相互影響。

由此，依賴于供體節(jié)點(diǎn)Ni的效能水平，受體節(jié)點(diǎn)Nj的效能水平可以由一般函數(shù)表示：

Pj=f(αij,βij,Pi),

0≤αij≤1,0≤βij≤100,

0≤Pi,Pj≤100,

(1)

式中：Pj為Nj的效能水平；αij為依賴強(qiáng)度；βij為依賴關(guān)鍵度；Pi為Ni的效能水平。

1.2 構(gòu)建模型

通常情況下，函數(shù)f可根據(jù)木桶原理來確定，得到

Pj= min[g(αij,Pi),h(βij,Pi)],

0≤Pi,Pj≤100，

(2)

式中:

g(αij,Pi)=SODPj=αijPi+100(1-αij),

(3)

h(βij,Pi)=CODPj=Pi+βij.

(4)

更一般地，節(jié)點(diǎn)Nj的效能水平依賴于k個(gè)供體節(jié)點(diǎn)N1,N2,…,Nk的操作性水平，那么

0≤Pj=min(SODPj,CODPj)≤100,

(5)

式中：

SODPj=avg(SODPj1,SODPj2,…,SODPjk)，
SODPji=αijPi+100(1-αij),

(6)

CODPj=min(CODPj1,CODPj2,…,CODPjk)，
CODPji=Pi+βij,

(7)

0≤αij≤1,0≤βij≤100,
0≤Pi,Pj≤100,i=1,2…,k.

1.3 確定αij和βij

確定FDNA圖中節(jié)點(diǎn)之間依賴強(qiáng)度和依賴關(guān)鍵度的方法有很多。這里提供一般方法。

首先，αij可以依據(jù)受體節(jié)點(diǎn)的效能水平來確定。那么就需要通過確定在沒有供體節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)時(shí)，受體節(jié)點(diǎn)的基本效能水平是多少。如果效能水平是0，則αij=1;如果是50，那么αij=0.5;如果是70，那么αij=0.3，依此類推。因此，αij可由式100(1-αij)=x得到。式中x是受體節(jié)點(diǎn)在沒有供體節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)時(shí)的基本效能水平。αij越大，受體節(jié)點(diǎn)對(duì)于供體節(jié)點(diǎn)的依賴強(qiáng)度就越強(qiáng)。

其次，依賴關(guān)鍵度代表了供體節(jié)點(diǎn)的效能水平對(duì)于受體節(jié)點(diǎn)的效能水平的約束。即使其他供體節(jié)點(diǎn)都達(dá)到最大效能水平，受體節(jié)點(diǎn)也可能受到某一個(gè)供體節(jié)點(diǎn)的限制。對(duì)于有m個(gè)供體節(jié)點(diǎn)的受體節(jié)點(diǎn)Nj，其效能水平不能超過任意第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的Pi+βij， 0≤βij≤100,i=1,2…,m。

2 維修保障系統(tǒng)構(gòu)成要素分析

維修保障要素應(yīng)包含而不限于以下14項(xiàng)內(nèi)容：

(1) 產(chǎn)品保障管理;

(2) 設(shè)計(jì)接口;

(3) 維持工程;

(4) 供應(yīng)保障;

(5) 維修規(guī)劃與管理;

(6) 包裝、搬運(yùn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸;

(7) 技術(shù)資料管理;

(8) 保障和測(cè)試設(shè)備;

(9) 訓(xùn)練和訓(xùn)練保障;

(10) 人力和人員;

(11) 配套設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施;

(12) 計(jì)算機(jī)資源和軟件保障;

(13) 產(chǎn)品保障預(yù)算和資金;

(14) 環(huán)境、安全和職業(yè)健康。

同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，在分析維修保障系統(tǒng)的要素關(guān)系時(shí)，不能夠拋開裝備或系統(tǒng)的特征要求，因?yàn)檫\(yùn)行維修保障系統(tǒng)的最終目的還是使整個(gè)裝備系統(tǒng)能夠順利完成預(yù)定任務(wù)，達(dá)到規(guī)定的使用要求。因此應(yīng)將裝備或系統(tǒng)的RAM(可靠性、可用度、維修性)要求也考慮在內(nèi)，作為維修保障的信息源和動(dòng)因，據(jù)此來建立依賴關(guān)系模型。

裝備的RAM要求一般包含:平均故障間隔時(shí)間(MTBF)、平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)、平均保障資源延誤時(shí)間(MLDT)、使用可用度(AO)、產(chǎn)品可用度(Am)、產(chǎn)品可靠性、系統(tǒng)分析(FMECA)、潛在電路分析、熱分析、應(yīng)力分析、壽命試驗(yàn)、測(cè)試性、檢驗(yàn)、零件和器材選擇等等。

在考慮維修保障要素之間的相互關(guān)系時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確把握RAM要求對(duì)維修保障要素的影響。舉例來說，平均修復(fù)時(shí)間作為實(shí)施修復(fù)性維修活動(dòng)的平均時(shí)間，將會(huì)影響修理的停機(jī)時(shí)常，從而影響維修規(guī)劃和人力人員，同時(shí)平均修復(fù)時(shí)間也是控制資金和培訓(xùn)系統(tǒng)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

通過分析RAM要求對(duì)于維修保障要素的影響以及各要素之間的相互作用，按照FDNA技術(shù)的分析過程，可建立維修保障系統(tǒng)的功能依賴網(wǎng)絡(luò)模型。圖2給出部分維修保障要素的關(guān)系示意圖。

3 實(shí)例分析

對(duì)于維修保障系統(tǒng)的要素關(guān)系研究，是一個(gè)復(fù)雜的分析過程，涉及到維修資源、人力人員、環(huán)境條件等多個(gè)方面。這里僅一部分關(guān)系要素作為研究對(duì)象，作一簡(jiǎn)要分析，供讀者參考借鑒。

3.1 建立模型

結(jié)合上面給出的維修保障系統(tǒng)要素的關(guān)系示意圖，建立維修保障系統(tǒng)的依賴網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型，如圖3所示。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

以某型火炮的維修保障系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和專家評(píng)定結(jié)果為依據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行分析。表1列出維修保障方案各個(gè)要素之間依賴關(guān)系的強(qiáng)度及關(guān)鍵度的參數(shù)值。

將平均故障間隔時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間、平均保障資源延誤時(shí)間轉(zhuǎn)化而得的3組效能水平數(shù)據(jù)帶入計(jì)算，得到表2的結(jié)果。

3.3 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果可以按照正向和逆向兩種不同的分析思路來進(jìn)行，從而得出不同結(jié)論，達(dá)到不同的目的。

(1) 正向分析

從表2中可以看出，RAM要求對(duì)于維修保障方案各個(gè)要素的影響是非常大的。而各個(gè)要素的效能水平往往要取決于裝備論證研制中的最薄弱環(huán)節(jié)。以平均故障間隔時(shí)間為例，其對(duì)于維修規(guī)劃中的預(yù)防性維修頻率會(huì)產(chǎn)生影響，從而對(duì)整個(gè)維修規(guī)劃的階段劃分和活動(dòng)決策提出要求。隨著MTBF時(shí)間的改變，對(duì)于備件的種類和數(shù)量也會(huì)發(fā)生變化，并伴隨儲(chǔ)備費(fèi)用的變化，因此會(huì)影響整個(gè)供應(yīng)保障工程。同時(shí)，所需的維修保障人力也將應(yīng)為故障間隔時(shí)間的改變而進(jìn)行調(diào)整。MTBF還會(huì)要求所配備的設(shè)施要能夠滿足修理的產(chǎn)品數(shù)量，這直接影響了用于修理和儲(chǔ)藏的空間以及電力要求。最后，所有維修活動(dòng)、備件設(shè)施、人力人員，都同資金有著直接的關(guān)系，這也反映了MTBF對(duì)于資金要求有著決定作用。

表1 αij和βij取值表

表2 依賴模型輸入輸出分析表

(2) 逆向分析

該思路重要用于在進(jìn)行維修保障系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)時(shí)，能夠以RAM為依據(jù)，合理優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)配置。以平均修復(fù)時(shí)間為例,平均修復(fù)時(shí)間是實(shí)施修復(fù)性、維修性使用的平均時(shí)間，包含了故障的檢測(cè)、定位、隔離、修復(fù)、驗(yàn)證等時(shí)間。因此，裝備設(shè)計(jì)者往往追求盡量短的平均修復(fù)時(shí)間，而達(dá)到更高的維修性水平。出于這樣的目標(biāo)，在設(shè)計(jì)維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成時(shí)，就應(yīng)將各個(gè)要素統(tǒng)籌規(guī)劃，以滿足維修性要求。具體來說，對(duì)于維修規(guī)劃，應(yīng)制定合理有效的維修策略，盡量減少修理的停機(jī)時(shí)常。同時(shí)，要配備相應(yīng)的人力人員，滿足系統(tǒng)對(duì)于人力的需求，并規(guī)劃出能夠達(dá)到目標(biāo)能力的培訓(xùn)系統(tǒng)。為獲得更短的平均修復(fù)時(shí)間而在系統(tǒng)開發(fā)階段提供資金能夠提升系統(tǒng)可用性降低系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，關(guān)于維修保障系統(tǒng)的研究大多聚焦于系統(tǒng)效能評(píng)估、指標(biāo)評(píng)價(jià)的研究上。而對(duì)于維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成要素之間的關(guān)系研究相對(duì)較少，不利于維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)以及對(duì)應(yīng)的維修保障方案的開發(fā)。

本文利用FDNA技術(shù)，對(duì)維修保障系統(tǒng)各個(gè)要素的關(guān)系進(jìn)行了分析，以產(chǎn)品管理保障、設(shè)計(jì)接口、維持工程等14項(xiàng)維修保障要素作為依據(jù)，結(jié)合裝備的可靠性、可用度、維修性要求，對(duì)維修保障系統(tǒng)進(jìn)行了較為客觀和全面的分析。從分析結(jié)果可以看出，RAM要求對(duì)于維修保障系統(tǒng)具有較強(qiáng)的限制性和依賴性，因此在設(shè)計(jì)維修保障系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮對(duì)于裝備RAM的影響，同時(shí)兼顧維修保障系統(tǒng)各個(gè)要素之間的相互依賴作用，從而提高整體保障能力和保障水平。

本文對(duì)于FDNA在維修保障系統(tǒng)中的分析還只是嘗試階段，未來對(duì)于如何快速有效地篩選維修保障系統(tǒng)關(guān)鍵要素，如何客觀評(píng)斷要素之間依賴性的量化數(shù)值，以及怎樣更好的將維修保障系統(tǒng)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合等問題，還有待進(jìn)一步研究。

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