現(xiàn)場(chǎng)可更換單元?jiǎng)澐謾?quán)衡研究綜述

郭志明，王 丹，劉 英，趙 丹，李 陽(yáng)，陳 巖

(兵器工業(yè)質(zhì)量與可靠性研究中心， 北京 100089)

裝備的研制工作中，其可靠性、維修性、保障性和測(cè)試性(簡(jiǎn)稱RMST)水平將直接決定裝備戰(zhàn)斗力的發(fā)揮，并影響戰(zhàn)場(chǎng)以及戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)[1]。RMST之間有著密切關(guān)系，需要運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想進(jìn)行綜合分析。目前，大多數(shù)研究提出的方法只能單獨(dú)分析RMST的某一個(gè)參數(shù)，或者對(duì)可靠性、維修性、保障性和測(cè)試性依次進(jìn)行分析，還缺乏RMST并行設(shè)計(jì)分析的方法。LRU(Line Replaceable Unit)是裝備中實(shí)施RMST設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)等工作的典型對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)RMST并行設(shè)計(jì)分析技術(shù)的一個(gè)突破口。LRU劃分權(quán)衡是裝備RMST并行設(shè)計(jì)分析環(huán)節(jié)的重要工作，目前部分研究人員已經(jīng)開展了LRU劃分與權(quán)衡工作，但實(shí)際中主要依靠經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致LRU劃分權(quán)衡的科學(xué)性不強(qiáng)。本文系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外LRU劃分權(quán)衡相關(guān)研究，并提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化的LRU劃分權(quán)衡方法，對(duì)開展LRU劃分權(quán)衡工作具有一定參考價(jià)值。

1 LRU劃分權(quán)衡概述

LRU的概念最早是在1996年美國(guó)國(guó)防部頒布的MIL-PRF-49506《后勤管理信息性能規(guī)范》中被正式提出，即指在外場(chǎng)可以通過(guò)移除或更換來(lái)恢復(fù)產(chǎn)品工作準(zhǔn)備狀態(tài)的必備保障單元[2]。國(guó)內(nèi)是在GJB/Z 91—1997《維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》中給出了正式的定義，即在使用環(huán)境即處于外場(chǎng)或戰(zhàn)斗環(huán)境中可更換的產(chǎn)品及其組成部分[3]。雖然國(guó)外LRU概念側(cè)重于保障，國(guó)內(nèi)LRU側(cè)重于維修，但都強(qiáng)調(diào)在現(xiàn)場(chǎng)拆裝的快捷性。LRU劃分權(quán)衡是首先根據(jù)LRU劃分的影響因素初步確定LRU劃分方案，再綜合權(quán)衡性能、RMST和經(jīng)濟(jì)性等要求優(yōu)選LRU方案的過(guò)程。LRU劃分權(quán)衡主要目的是為了方便現(xiàn)場(chǎng)維修保障提升裝備的戰(zhàn)備完好性，這包含幾方面含義：一是在裝備發(fā)生故障后能夠快速診斷并定位到發(fā)生故障的LRU；二是確定其發(fā)生故障后要能迅速將其拆卸，需要具有良好的可達(dá)性；三是在拆卸后對(duì)其進(jìn)行安裝更換，需要現(xiàn)場(chǎng)攜帶備件；四是不能片面為了追求維修保障而忽略其它約束，如經(jīng)費(fèi)約束?？梢娽槍?duì)不同的目標(biāo)要求會(huì)有多種LRU劃分方案，而最終選取哪種方案應(yīng)對(duì)各種要求及約束進(jìn)行綜合權(quán)衡。LRU劃分權(quán)衡步驟分為L(zhǎng)RU方案劃分和LRU方案權(quán)衡，從這兩方面介紹并概括其研究進(jìn)展情況。

2 LRU方案劃分

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都逐漸開始重視LRU劃分工作，在研究中引入了多種理論來(lái)解決LRU劃分權(quán)衡問(wèn)題，一方面在應(yīng)用中制定了相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指導(dǎo)LRU劃分，另一方面通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)LRU的科學(xué)劃分。Pradeep Kumar從維修性的角度評(píng)估LRU設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)虛擬維修驗(yàn)證維修性是否滿足要求，檢驗(yàn)LRU劃分是否合理。在此基礎(chǔ)上，JEP Puig針對(duì)LRU劃分問(wèn)題以部件更換和購(gòu)置備用部件的費(fèi)用之和最小為目標(biāo)建立了一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，并結(jié)合仿真試驗(yàn)對(duì)模型有效性進(jìn)行了驗(yàn)證[4]；通用電氣醫(yī)療公司提出了現(xiàn)場(chǎng)維修備件(FRU，F(xiàn)ield Replaceable Unit)的概念， FRU劃分策略主要考慮了兩個(gè)目標(biāo)：最小客戶停機(jī)時(shí)間和最小化壽命周期費(fèi)用，結(jié)合制定的LRU劃分定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，形成了一套操作性較強(qiáng)的流程和方法。在軍工領(lǐng)域，狂風(fēng)戰(zhàn)機(jī)采用了LRU思想，維修工時(shí)比現(xiàn)有的其它飛機(jī)減少一半；LRU理念也被波音、空客、英特爾、GE航空等公司所采納，用來(lái)降低裝備產(chǎn)品的壽命周期費(fèi)用及提高顧客使用滿意度。表1為通用公司CFM56-3航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部分LRU及更換時(shí)間[5]。

國(guó)內(nèi)研究者也是從定性、定量?jī)煞矫骈_展研究。張策、呂川等研究了LRU劃分與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)系，結(jié)合RMST的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，建立了LRU劃分的實(shí)施流程，對(duì)LRU規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合分析評(píng)價(jià)[6-7]；文獻(xiàn)[8]分析了影響維修性相關(guān)的各個(gè)因素，建立零部件相關(guān)因素樹，運(yùn)用動(dòng)態(tài)聚類方法解決可維修性驅(qū)動(dòng)的模塊劃分問(wèn)題。由模塊和LRU的定義可知，LRU很大程度上是模塊，也有研究人員從面向維修的模塊劃分角度開展研究，文獻(xiàn)[9]運(yùn)用模塊化理論分析了軍用機(jī)械維修設(shè)備模塊劃分的基本原理，基于解釋結(jié)構(gòu)模型對(duì)戰(zhàn)時(shí)軍用機(jī)械維修設(shè)備模塊化進(jìn)行了研究，得出了可行的維修設(shè)備模塊編配方案；文獻(xiàn)[10]通過(guò)在設(shè)計(jì)階段引入維修相關(guān)的驅(qū)動(dòng)要素和維修階段的策略選擇，提出了一種面向維修的復(fù)雜裝備模塊化設(shè)計(jì)方法。此外，LRU還特別強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)拆裝的快捷性，在面向拆裝的模塊化設(shè)計(jì)方面，主要通過(guò)構(gòu)建拆卸評(píng)價(jià)參數(shù)和建立優(yōu)化模型的方法解決問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]分析了影響產(chǎn)品可拆卸性的因素并構(gòu)建了產(chǎn)品可拆卸性評(píng)價(jià)模型，提出了基于產(chǎn)品拆卸過(guò)程特征的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可拆卸度和模塊度的量化指標(biāo)用于評(píng)價(jià)模塊化方案。文獻(xiàn)[12]提出了以聚合度、耦合度、綠色度3個(gè)參數(shù)為目標(biāo)的多目標(biāo)模塊劃分模型。類似地，文獻(xiàn)[13]以可拆卸度、內(nèi)部聚合度、外部耦合度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行模塊劃分，利用免疫算法求解模塊劃分的最優(yōu)方案。

表1 CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的LRU及更換時(shí)間

3 LRU方案權(quán)衡

LRU劃分方案有來(lái)自裝備性能、RMST和經(jīng)濟(jì)性等多方面的需求，針對(duì)不同的目標(biāo)的LRU方案必然是不同的。不同目標(biāo)的劃分方案間甚至可能存在相互沖突，實(shí)際中各方面需求所占比重需要通過(guò)權(quán)衡分析方法才能給出滿意的LRU方案。研究者們已經(jīng)將權(quán)衡分析法應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，權(quán)衡分析為決策者提供了一個(gè)科學(xué)的方案偏好列表，國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展關(guān)于權(quán)衡分析理論和方法的研究，亞歷桑那州立大學(xué)的Terry Bahill教授給出了權(quán)衡分析的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程[14-16]，如圖1所示。

國(guó)內(nèi)研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了權(quán)衡分析的巨大價(jià)值，并將權(quán)衡分析方法引入到產(chǎn)品RMST設(shè)計(jì)分析中。在LRU方案權(quán)衡方面，文獻(xiàn)[17]根據(jù)圖1流程建立了平均失效質(zhì)量、平均失效修復(fù)時(shí)間和平均失效故障漏檢率三個(gè)評(píng)估指標(biāo)，并采用仿真方法評(píng)估LRU方案的優(yōu)劣，這一研究為L(zhǎng)RU方案權(quán)衡提供一個(gè)量化手段，但指標(biāo)在LRU劃分權(quán)衡需求的覆蓋方面還存在不足。在RMST權(quán)衡分析方面，文獻(xiàn)[18-20]針對(duì)單個(gè)RMST指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性方面開展了研究，文獻(xiàn)[21]提出了考慮研制進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)的性能、RMS與費(fèi)用的權(quán)衡模型，考慮了多個(gè)RMST指標(biāo)和影響因素。系統(tǒng)效能作為裝備作戰(zhàn)能力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，研究者們將其引入到RMS權(quán)衡中：文獻(xiàn)[22]提出了以使用可用度為中心的RMS權(quán)衡分析技術(shù)；文獻(xiàn)[23]通過(guò)仿真方法以系統(tǒng)效能為目標(biāo)對(duì)RMS指標(biāo)方案進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化；文獻(xiàn)[24]則建立了系統(tǒng)效能模型，并提出了基于比較的和基于靈敏度分析的權(quán)衡分析方法。效能雖然是一個(gè)反映RMST綜合能力的指標(biāo)，但效能模型涉及參數(shù)較多且難以獲得，用于LRU劃分權(quán)衡難度較大。

4 待解決的重點(diǎn)問(wèn)題

由于LRU劃分貫穿設(shè)計(jì)、使用和維修保障過(guò)程，涉及的需求和影響因素較多，且定性和定量因素互相交織，難以形成通用的標(biāo)準(zhǔn)方法。綜合前述，筆者認(rèn)為L(zhǎng)RU劃分權(quán)衡待解決的重點(diǎn)問(wèn)題有兩個(gè)，分別闡述如下。

4.1 LRU劃分參數(shù)集構(gòu)建

LRU劃分的影響因素種類較多，其中有很多定性要求都無(wú)法給出明確的參數(shù)，如裝備的可達(dá)性和在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中是否有特殊要求等等。因此，需要一種定性和定量相結(jié)合的LRU劃分方法。機(jī)器學(xué)習(xí)可以處理定性和定量的參數(shù)[25]，將LRU劃分需求和影響因素作為L(zhǎng)RU劃分的特征集，對(duì)產(chǎn)品是否被劃分為L(zhǎng)RU作為模式，或?qū)a(chǎn)品被劃分為L(zhǎng)RU的概率作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，收集大量LRU劃分成功示例作為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本，從而開展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的LRU劃分研究，流程如圖2所示。而用機(jī)器學(xué)習(xí)算法解決問(wèn)題的基礎(chǔ)是構(gòu)建特征參數(shù)集，目前還缺乏能夠有效打通性能設(shè)計(jì)和RMS設(shè)計(jì)之間的LRU劃分參數(shù)集，因此，構(gòu)建LRU劃分參數(shù)集是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的LRU劃分研究的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。

4.2 LRU權(quán)衡模型與優(yōu)化算法

以機(jī)器學(xué)習(xí)劃分的LRU方案不盡相同，因此需要權(quán)衡優(yōu)化尋找最合適的LRU劃分方案。LRU劃分權(quán)衡是對(duì)LRU劃分的方案在性能、可靠性、維修性、保障性和經(jīng)濟(jì)性等方面的需求及約束，在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際需求平衡各目標(biāo)對(duì)LRU劃分的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)LRU劃分方案的最優(yōu)化。通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)、直觀的量化評(píng)估參數(shù)，建立LRU劃分方案優(yōu)化模型，并對(duì)備選方案進(jìn)行評(píng)估排序從而得出偏好解，從而達(dá)到權(quán)衡優(yōu)化的目的。這是一個(gè)多目標(biāo)、多約束的非凸優(yōu)化問(wèn)題，但由于目前還缺少有效的量化評(píng)估參數(shù)來(lái)刻畫LRU劃分方案與需求和影響因素之間的關(guān)系，導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造比較困難，同時(shí)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題一般很少存在唯一的全局最優(yōu)解，而是存在一個(gè)非劣解集(Pareto最優(yōu)解集)，在最優(yōu)解的尋找上目前沒(méi)有通用的數(shù)值計(jì)算方法[26]。因此，LRU權(quán)衡模型與優(yōu)化算法是LRU劃分權(quán)衡工作中待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

5 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，在LRU劃分權(quán)衡上，國(guó)內(nèi)外開展了一些相關(guān)研究，由于缺少可用于評(píng)價(jià)劃分方案的量化參數(shù)，在應(yīng)用方面?zhèn)戎赜贚RU的應(yīng)用，多數(shù)是依靠人工經(jīng)驗(yàn)制定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。從管理的角度看，LRU劃分是一個(gè)決策問(wèn)題；從數(shù)學(xué)的角度看，LRU劃分又是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。未來(lái)，LRU劃分技術(shù)的研究將由定性向定量方向發(fā)展，通過(guò)提出量化參數(shù)，建立 LRU劃分模型，構(gòu)建LRU劃分權(quán)衡算法，統(tǒng)籌考慮設(shè)計(jì)、使用、維修保障等多方面需求來(lái)達(dá)到最優(yōu)劃分，力求在LRU劃分方案與需求之間建立起直觀、全面映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)LRU的科學(xué)劃分，為提升裝備的維修保障能力及作戰(zhàn)效能的發(fā)揮提供支撐。