艦船裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成方法研究

魏國東，朱石堅(jiān)，俞 翔

(1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 30033)

1 引言

無論裝備如何提高可靠性，都有可能會發(fā)生故障，并需要維修，以幫助裝備恢復(fù)功能完成任務(wù)使命。而裝備的維修性設(shè)計(jì)水平直接決定了能否有效、快速、經(jīng)濟(jì)地完成裝備的維修工作[1]。裝備維修性設(shè)計(jì)要求是維修性設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，只有生成合理的維修性設(shè)計(jì)要求，才能有效指導(dǎo)裝備的維修性設(shè)計(jì)工作的開展。如果在裝備設(shè)計(jì)階段，能夠確定全面、準(zhǔn)確、合理的維修性要求，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的維修性設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，將有效提高裝備的維修性設(shè)計(jì)水平，大大降低裝備壽命周期內(nèi)的維修工作，減少維修費(fèi)用[2]。

理想中的根據(jù)裝備維修性設(shè)計(jì)研究工作應(yīng)該與裝備維修保障工程構(gòu)成閉環(huán)關(guān)系，即通過裝備維修性設(shè)計(jì)優(yōu)化可以解決裝備維修保障工程中存在的維修難題；反過來，裝備維修保障工程中暴露的問題可以用于指導(dǎo)維修性設(shè)計(jì)工作的開展。然而目前，艦船裝備維修性設(shè)計(jì)與艦船裝備維修保障工程嚴(yán)重脫節(jié)。一方面，裝備設(shè)計(jì)研制階段，缺乏真正在一線從事艦船裝備維修保障工程的人員參與，很難聽到艦艇部隊(duì)全面、合理、符合實(shí)際的維修性要求；另一方面，艦艇部隊(duì)和裝備維修保障單位累積了多年的故障匯編、維修記錄等沒有轉(zhuǎn)化為同類型艦船裝備維修性設(shè)計(jì)的輸入，沒有由此得出電子類、機(jī)電類、機(jī)械類設(shè)備在實(shí)際使用環(huán)境中的維修時間分布特征量，并用以開展維修性建模、預(yù)計(jì)、控制、評估等設(shè)計(jì)工作[3]。這就導(dǎo)致目前的維修性設(shè)計(jì)要求生成工作多是設(shè)計(jì)人員借助設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或拍腦袋決策而定，使得生成的設(shè)計(jì)要求并不能體現(xiàn)實(shí)際中存在的維修性問題。所以，必須根據(jù)裝備的特點(diǎn)，認(rèn)真研究裝備維修性設(shè)計(jì)要求的生成方法，密切聯(lián)系維修性設(shè)計(jì)需求與維修保障工程，保證維修性設(shè)計(jì)要求的合理性和科學(xué)性，從而為維修性設(shè)計(jì)工作的開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文以艦船裝備為例，分析了目前艦船裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成過程中存在的主要問題，通過研究挖掘維修歷史數(shù)據(jù)用于生成維修性設(shè)計(jì)要求工作，從而有效強(qiáng)化了維修性設(shè)計(jì)工作與維修保障工程之間的聯(lián)系，進(jìn)一步完善了維修性設(shè)計(jì)要求的生成方法及流程。

2 艦船裝備維修性要求生成方法

通過分析發(fā)現(xiàn)，維修性設(shè)計(jì)工作能否有效開展，必須以是否能夠生成科學(xué)、合理的維修性設(shè)計(jì)要求作為前提。針對目前維修性設(shè)計(jì)要求生成過程中存在的問題及主要特點(diǎn)，可以從以下幾個方面完善維修性設(shè)計(jì)要求的生成方法：

2.1 基于頂層需求

艦船維修性要求首先反映了使用方或訂購方對艦船想要達(dá)到的維修性水平的期望目標(biāo)，并協(xié)調(diào)分析艦船性能、費(fèi)用、進(jìn)度、裝備可靠性、保障性、測試性等要求，綜合考慮生成裝備的維修性要求[4]。而艦船想要達(dá)到的維修性水平，首先來源于艦船總體的頂層需求，如戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性等的要求[5]。而戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，都是規(guī)定或描述裝備平時戰(zhàn)備完好狀態(tài)和戰(zhàn)時完成預(yù)定任務(wù)目標(biāo)能力的綜合性參數(shù)，不能直接作為裝備維修性工程設(shè)計(jì)的參數(shù)。必須詳細(xì)分析影響戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性的各種因素，從中分解出能設(shè)計(jì)、能監(jiān)控、能跟蹤、能試驗(yàn)驗(yàn)證的、具體的維修性工程設(shè)計(jì)參數(shù)，以保證裝備系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性要求目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[6]。這些工程設(shè)計(jì)參數(shù)及其量值以及定性要求，就是裝備的維修性要求，它們是實(shí)現(xiàn)武器裝備平時戰(zhàn)備完好狀態(tài)和戰(zhàn)時作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)要求的基本保證，對于維修性設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)和約束意義，屬于基本要求。

把頂層需求提清楚了，把評估抓嚴(yán)格了，設(shè)計(jì)及工業(yè)部門就不得不努力去實(shí)現(xiàn)裝備的維修性。良好的頂層設(shè)計(jì)要求，將為維修性的提高提供指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)框架，提的好、提的準(zhǔn)的頂層需求，將為維修性的設(shè)計(jì)提高打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于維修性的布局、設(shè)計(jì)、分配，生成方法如圖1所示。

圖1 基于頂層需求的維修性要求生成方法

2.2 基于同類型相似裝備比較

對于艦船這種小子樣大型復(fù)雜裝備，通過同類型相似裝備比較生成維修性要求，是一種十分重要的方法，也是目前普遍采用的方法之一。通過總結(jié)艦船裝備發(fā)展、建設(shè)、管理和使用中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并全面分析和評估已有艦船裝備的使用性能和效能，分析現(xiàn)役相似艦船裝備達(dá)到的維修性水平及在維修性方面存在的缺陷及不足，對新研艦船裝備提出科學(xué)合理的對策方案，為發(fā)展新型艦船裝備提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)，使提出的各項(xiàng)結(jié)論、要求有牢固的實(shí)踐基礎(chǔ)[7]。這種生成維修性設(shè)計(jì)要求的方法較為簡單、直接，生成方法如圖2所示。

圖2 基于同類型相似裝備比較生成維修性要求方法

首先，依據(jù)相似艦船裝備，結(jié)合新研艦船裝備的任務(wù)需求、使用方案、效能分析以及艦船的初步總體方案，確定新研艦船裝備的維修性參數(shù)集。利用任務(wù)需求分析、相似裝備比較、使用仿真、專家評分等方法提出艦船總體可用度目標(biāo)值。利用合適的分配法將艦船總體可用度目標(biāo)值分配到各設(shè)備，確定各設(shè)備的可用度目標(biāo)值。利用相似裝備類比或借鑒相關(guān)數(shù)據(jù)的方法，將各設(shè)備的可用度目標(biāo)值，分解為各設(shè)備的基本維修性參數(shù)指標(biāo)。利用分解得到的各設(shè)備維修性參數(shù)，依據(jù)艦船維修性模型，預(yù)計(jì)艦船總體任務(wù)可靠度，若不滿足要求，則重新確定各設(shè)備維修性指標(biāo)，直到滿足要求?？紤]國內(nèi)有關(guān)技術(shù)水平及工業(yè)基礎(chǔ)，進(jìn)行維修性指標(biāo)與功能要求、研制進(jìn)度、技術(shù)、費(fèi)用的綜合權(quán)衡。對維修性指標(biāo)權(quán)衡分析，同時確定艦船維修性要求的可行性。將維修性使用參數(shù)與指標(biāo)轉(zhuǎn)換成合同參數(shù)與指標(biāo)。最后通過驗(yàn)證分析，形成新研艦船裝備維修性要求。

2.3 基于仿真計(jì)算

基于仿真的維修性要求論證分析，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真方法來建立裝備的維修性模型，通過模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析系統(tǒng)的維修性特性與系統(tǒng)運(yùn)行效果，通過反復(fù)迭代地調(diào)整維修性的要求值，最終獲得在一定約束條件下，能夠使系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行效果的維修性指標(biāo)要求[8]。這種方法生成維修性設(shè)計(jì)要求較為方便，研發(fā)的周期短、費(fèi)用較少，越來越得到設(shè)計(jì)人員的重視，生成方法如圖3所示。

圖3 基于仿真生成維修性要求方法

通過構(gòu)建計(jì)算機(jī)仿真模型來直接模擬系統(tǒng)的運(yùn)行情況，獲取輸出數(shù)據(jù)，再反推系統(tǒng)輸入與輸出之間的潛在關(guān)系，并根據(jù)這種關(guān)系對裝備維修性設(shè)計(jì)要求指標(biāo)的適度調(diào)整和評估，逐步實(shí)現(xiàn)在一定約束條件下的系統(tǒng)維修性要求的最優(yōu)化。

2.4 基于維修歷史數(shù)據(jù)挖掘

充分利用好部隊(duì)和裝備維修保障單位多年積累的故障匯編、維修記錄等維修歷史數(shù)據(jù)，可以有效推動艦船裝備技術(shù)保障及維修性科學(xué)化、精確化和智慧化發(fā)展。通過開展裝備維修保障歷史數(shù)據(jù)挖掘和融合技術(shù)研究，基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)部門能夠?qū)⑹占降木S修保障歷史數(shù)據(jù)信息和資源進(jìn)行量化，掌控艦船裝備最真實(shí)的維修性需求，從而提升維修性決策質(zhì)量和業(yè)績表現(xiàn)，突破制約維修保障能力生成、提高艦船裝備維修性質(zhì)量和效益的“瓶頸”和“短板”，為新研裝備及裝備改進(jìn)設(shè)計(jì)提供客觀數(shù)據(jù)型決策服務(wù)[9]。這種方法獲得的維修性要求，較為客觀、真實(shí)，針對性也較強(qiáng)，生成方法如圖4所示。

圖4 艦船裝備維修性需求生成方法研究思路

通過調(diào)研典型艦船裝備的維修保障現(xiàn)狀，了解目前艦艇部隊(duì)正在采用的裝備維修保障管理軟件及其運(yùn)行情況，并結(jié)合艦艇裝備故障信息登記簿記錄的情況，收集包括裝備信息、人員信息、工裝備件信息、故障信息和維修信息在內(nèi)的裝備維修保障信息，掌握艦船裝備維修歷史數(shù)據(jù)的數(shù)量、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、載體形式等。

利用統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘方法對電子類、機(jī)電類、機(jī)械類設(shè)備在實(shí)際使用環(huán)境下的平均修復(fù)時間、最大修復(fù)時間等維修性參數(shù)進(jìn)行特征量提取，對維修保障典型問題進(jìn)行信息挖掘，為艦船裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成提供有效信息及依據(jù)。

以上艦船維修性設(shè)計(jì)要求生成方法，在維修性設(shè)計(jì)工作中并不是單獨(dú)存在的，需要綜合應(yīng)用，按照艦船裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成流程產(chǎn)生科學(xué)合理的維修性設(shè)計(jì)要求。

3 艦船裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成流程

裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成工作的任務(wù)就是用各種手段收集大量的有用信息，從作戰(zhàn)需求、現(xiàn)狀分析、發(fā)展趨勢、國內(nèi)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)能力等各方面，進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析研究，通過邏輯推理形式，提出切實(shí)可行的科學(xué)的維修性設(shè)計(jì)要求，并對實(shí)現(xiàn)裝備維修性要求的指導(dǎo)思想和原則、發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展方向和重點(diǎn)、主要問題和對策措施等，提出理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)可行的策略，并做出科學(xué)結(jié)論并加以檢驗(yàn)和證明。艦船裝備維修性設(shè)計(jì)要求生成的主要流程如圖5所示。

圖5 裝備維修性要求論證的主要程序

首先要依據(jù)裝備任務(wù)需求和使用方案，確定艦船裝備頂層維修性綜合定量要求，通過權(quán)衡、分解獲得裝備具體維修性定量要求、定性要求及工作項(xiàng)目要求，結(jié)合同類型相似裝備比較、仿真計(jì)算、歷史維修數(shù)據(jù)挖掘等方法進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)分析，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析后，將生成的艦船裝備維修性使用要求轉(zhuǎn)化為合同要求，最后進(jìn)行維修性要求的可驗(yàn)證性分析并形成艦船裝備的維修性設(shè)計(jì)要求[10]。需明白，維修性設(shè)計(jì)要求的生成是一個循序漸進(jìn)、反復(fù)迭代、不斷完善的過程。原有的常規(guī)解析手段，已經(jīng)無法完成這些復(fù)雜分析工作，難以完成細(xì)節(jié)分析和達(dá)到對精度的要求，因此仿真和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)被大量引入裝備維修性要求論證工作中。在實(shí)際的維修性要求生成過程中，有可能只是用其中某種方法，也可能使用幾種方法相結(jié)合的方式，最終的目的是獲得描述準(zhǔn)確、完備、與裝備設(shè)計(jì)關(guān)系明晰的維修性設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)艦船的主要特點(diǎn)，綜合權(quán)衡，選擇合適的論證方法，得到令人滿意的維修性要求，為維修性設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

確定維修性設(shè)計(jì)要求的根本目的是為了獲得易于維修保障的裝備，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性要求，并減少維修資源消耗，降低壽命周期費(fèi)用。維修性設(shè)計(jì)要求生成是提高裝備維修性設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)。由于裝備維修性工程與維修性設(shè)計(jì)脫節(jié)導(dǎo)致了生成的維修性設(shè)計(jì)要求難以真正融入裝備設(shè)計(jì)工作，針對存在的問題，本文做了如下工作：

1)通過分析維修保障工程與維修性設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)狀與聯(lián)系，從源頭上分析了二者脫節(jié)問題產(chǎn)生的原因；

2)通過創(chuàng)新性地提出基于維修歷史數(shù)據(jù)挖掘的維修性需求生成方法研究，有效解決了維修性設(shè)計(jì)要求脫離維修保障工程的問題；

3)通過梳理維修性設(shè)計(jì)要求生成方法研究，完善了維修性設(shè)計(jì)要求研究體系，為維修性設(shè)計(jì)工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，努力實(shí)現(xiàn)“既有所需，必有所為”的設(shè)計(jì)理念。