基于虛擬仿真的船舶艙室裝備維修性定性評估?

崔 奧 劉 歐 黃金娥 黃祥兵 閔少松

（1.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）（2.92942部隊 北京 100161）（3.海裝重大項目管理中心 北京 100161）

1 引言

對維修性定性指標(biāo)進(jìn)行評估，通常運用核對表的方法［1］，由于無法看到實體樣機，這種分析與評估方法與裝備維修人員的實際感受有一定的偏差。近年來，國內(nèi)外均開始了對虛擬維修技術(shù)的研究，通過虛擬仿真的方式實現(xiàn)對維修性指標(biāo)的分析與評估。

目前，運用虛擬仿真的方式開展維修性的分析與評估，主要聚焦在維修人員與數(shù)字裝備的交互關(guān)系上［2～4］。主要圍繞可達(dá)性、以及人機工程等方面開展分析。但是對于船舶艙室中的裝備而言，除了考慮維修人員與裝備的交互關(guān)系外，還應(yīng)該考慮艙室中裝備與裝備之間的關(guān)系。特別是裝備在出艙的過程中，裝備各部件之間的相互影響。

針對上述問題，本文針對維修性的定性指標(biāo)，借鑒航空航天、鐵路交通等對狹窄空間的艙室裝備進(jìn)行維修性評估的經(jīng)驗，結(jié)合船舶艙室裝備特點，提出了在虛擬條件下對船舶艙室裝備維修性定性指標(biāo)的評估方法。在通過虛擬仿真的方式對維修性定性評估的指標(biāo)中，加入了對裝備出艙通道的評估指標(biāo)。參考飛機設(shè)備對維修過程中安全性的評價方法［5］，細(xì)化了可達(dá)性的評估標(biāo)準(zhǔn)。針對判斷指標(biāo)，運用層次分析法在專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了權(quán)重的分配。最后通過對某型柴油機的吊缸作業(yè)為例進(jìn)行分析，對評估方法的可行性進(jìn)行了驗證。

2 虛擬條件下船舶艙室裝備維修性定性指標(biāo)分析及評估方法

2.1 虛擬條件下船舶艙室裝備維修性定性指標(biāo)分析

維修性定性指標(biāo)定義為：使產(chǎn)品能方便快捷地保持和恢復(fù)其功能，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝、軟件及其他方面提出的非量化要求。包括如簡化設(shè)計、可達(dá)性、人機工程等設(shè)計要求以及應(yīng)用某項維修性分析技術(shù)等方面的要求。對于艦船裝備的維修性定性設(shè)計指標(biāo)，首先是研制時應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)的要求，同時也是滿足維修性定量指標(biāo)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在虛擬環(huán)境中對艙室裝備進(jìn)行維修性分析主要是分析人與設(shè)備的交互關(guān)系以及設(shè)備與設(shè)備之間的相互影響。因此，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行船舶裝備的維修性評估，通常是從可達(dá)性及人機工程以及裝備的出艙通道三個方面評估。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

基于虛擬仿真的船舶艙室裝備維修性定性指標(biāo)的評估，通常采用評價打分表，并用層次分析法進(jìn)行加權(quán)平均。根據(jù)上文對船舶艙室裝備評估指標(biāo)的劃分，最終構(gòu)成指標(biāo)結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 基于虛擬仿真的維修性評估指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

其次，計算 CI（一致性指標(biāo)），CI=（λmax-n）/（n-1）。

最后，進(jìn)行一致性檢驗，CR=CI/CR。RI為矩陣一致性檢驗的臨界值，不同階數(shù)的RI取值規(guī)則可參考文獻(xiàn)［6］。若最終結(jié)果CR＞0.1，需要修正判斷矩陣；否則，認(rèn)定結(jié)果具有滿意的一致性。

2.3 裝備出艙通道的分析與評估

在裝備維修過程中，大型的零部件需經(jīng)過設(shè)計好的通道到達(dá)指定維修地點，為此，需要對零部件進(jìn)行吊裝作業(yè)，這個過程中涉及到設(shè)備進(jìn)出艙室預(yù)留的開口通道。以同吊裝方向相垂直的待吊裝零部件的最大的橫截面積（S1）和通道口的橫截面積（S2）的比值表示設(shè)備出艙的難易程度［7］，評估值分記為g1，如表1所示。

表1 橫截面積評估分值表

同時，在吊裝過程中，部件的旋轉(zhuǎn)問題也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行考慮。當(dāng)部件可以不經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，以任意姿態(tài)都可通過通道，即部件可以容易地通過通道時，可以計分為1。本文將旋轉(zhuǎn)角度分為三個等級，評分值g2如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)角度評估分值表

借鑒船舶艙室裝備的維修經(jīng)驗，兩項指標(biāo)的權(quán)重均按0.5計，則維修通道的評分值G可表示為

2.4 可達(dá)性分析與評估

可達(dá)性的一般定義為接近維修部位的難易程度［8］。對可達(dá)性的分析與評估主要從可視性、接觸可達(dá)性及操作空間三個方面進(jìn)行。

1）可視性

根據(jù)視野錐理論，在仿真環(huán)境中，視野域分為三部分：最大視野域、最佳視野域以及不可視區(qū)域。如果裝備的維修部位落在最佳視野域內(nèi)，維修人員可以毫不費力且清晰的看清作業(yè)目標(biāo)，評分為1；若裝備維修部位落在最大視野域內(nèi)，對裝備長時間的維修作業(yè)會導(dǎo)致眼睛的疲勞，評分為0.5；如果裝備維修部位落在不可視區(qū)域，則維修部位無法被維修人員看到，評分為0。如圖2所示。

圖2 視野評價標(biāo)準(zhǔn)圖

2）接觸可達(dá)性

能不能接觸是對實體可達(dá)性開展分析與評價的主要考慮因素。文獻(xiàn)［5］提出，當(dāng)維修部位在維修人員的可達(dá)邊界時，在一種看似可達(dá)而實際不可達(dá)的情況下，維修人員在作業(yè)過程中會出于本能的去嘗試進(jìn)行操作，這個過程極易引發(fā)安全事故?？紤]到維修人員在作業(yè)過程中通常會將手腕和手指彎曲以完成維修任務(wù)，因此取手長20cm（95分位的男性手部數(shù)據(jù)）作為可達(dá)性邊界的考慮因素。將接觸可達(dá)性的評分值記為A。如果裝備距包絡(luò)面內(nèi)側(cè)邊界20cm以里，評分A為1；如果裝備距離包絡(luò)面外側(cè)邊界20cm以外，評分A為0.5；若裝備在包絡(luò)面±20cm的范圍內(nèi)，出于安全因素的考慮，評分A為0。如圖3所示。

圖3 可達(dá)域評價標(biāo)準(zhǔn)

此外，若存在維修通道，還應(yīng)當(dāng)對維修人員的肢體在進(jìn)入維修通道的過程中與通道的干涉情況和與其他部件的干涉情況進(jìn)行考慮。如果未發(fā)生干涉，此時評分A′計為1，說明維修人員可以順利作業(yè)［9］，否則計為0。再者，若通道不存在，則A′計為1。則接觸可達(dá)性的評估值A(chǔ)的計算方法可表示為A=A×A′。

3）作業(yè)空間

對于作業(yè)空間的分析，可以將作業(yè)空間的滿足問題分解為工具的運動空間問題以及維修人員的操作空間問題。這兩個方面的評價一般通過作業(yè)空間的定量比來實現(xiàn)。

（1）工具旋轉(zhuǎn)角度

在虛擬條件下利用動態(tài)碰撞檢測的方法，可以得到作業(yè)工具的運動邊界。通過仿真作業(yè)工具在作業(yè)過程中與周圍部件的碰撞情況，得到碰撞點及其不同碰撞位置的坐標(biāo)值和工具施放點的坐標(biāo)值，即可確定作業(yè)工具在作業(yè)過程中的旋轉(zhuǎn)角度，計為α，詳細(xì)的計算方法可參考文獻(xiàn)［9］。對旋轉(zhuǎn)角度的評分US1如式（2）所示：

（2）操作空間

對操作空間進(jìn)行評價時，首先需確定設(shè)備所能提供的最小操作空間和最大操作空間。最小操作空間即為在虛擬的環(huán)境中，構(gòu)造一個長方體包圍被拆卸零部件和所需工具，體積記為Vmin。同樣的，最大操作空間則是圍繞工具的最大可活動范圍、被拆卸零部件和與設(shè)備其他結(jié)構(gòu)或部件的靜態(tài)碰撞點等構(gòu)造一個虛擬的長方體，體積記為Vmax［10］。如果作業(yè)空間比 Vmax/Vmin大于 1.5［11］，則表示作業(yè)空間比較好。同時，由于船舶艙室作業(yè)空間有限，因此作業(yè)空間并不是越大越好，故將作業(yè)空間的定量比上限設(shè)置為1.5。此時，定義作業(yè)空間的評分US2為

作業(yè)空間的評價值可通過上述兩個指標(biāo)加權(quán)的方式進(jìn)行評估計算。借鑒專家經(jīng)驗，對兩個指標(biāo)的權(quán)重均按0.5取值，作業(yè)空間的評分值Us的計算如式（4）：

2.5 人機工程的分析與評估

維修性指標(biāo)中的人機工程指標(biāo)，反映的是維修人員在維修作業(yè)中的各種能力、作業(yè)人員的身體尺寸等個性化指標(biāo)與裝備的關(guān)系。通過DELMIA等仿真軟件，可以實現(xiàn)對作業(yè)人員的作業(yè)姿態(tài)以及維修體力的評估。但是對于船舶裝備而言，在仿真環(huán)境中的作業(yè)時間與實際記錄的作業(yè)時間出入較大，進(jìn)而影響對作業(yè)人員體力分析的結(jié)果。故本文僅對作業(yè)人員的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行評估。

在虛擬環(huán)境中對維修人員的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行分析與評價，常用的方法有OWS、LUBA以及RULA等方法。其中RULA方法由于方法簡單，且不用打斷作業(yè)人員的作業(yè)過程而被廣泛運用［12］。根據(jù)得到的RULA分值，對評價值進(jìn)行歸一化處理，可得評估分值標(biāo)準(zhǔn)以及對應(yīng)的作業(yè)姿勢含義。如表3所示。

表3 RULA評估分值對照表

3 實例分析

以船舶的某型柴油機吊缸作業(yè)為例，建立數(shù)字樣機模型并進(jìn)行維修性分析，如圖4。

圖4 數(shù)字樣機模型及作業(yè)部位

根據(jù)維修工作預(yù)案，該項工作的主要工序為拆卸氣缸蓋→吊運氣缸蓋→拆卸活塞組件→安裝活塞組件→吊運氣缸蓋→安裝氣缸蓋。對作業(yè)部位評價過程如圖5～8。

圖5 可視性

圖6 可達(dá)性與吊裝過程

評價結(jié)果如下：

1）可視性好，評分為1。

2）在維修過程中，通過調(diào)整維修人員姿勢，裝備部件均在最佳可達(dá)域內(nèi)，評分為1。

3）在吊裝過程中，維修通道通暢，在起吊過程中，氣缸蓋需稍微旋轉(zhuǎn)，評分為0.95。

4）維修過程中，艦員維修姿勢很差，評分為0.14。

最后，對作業(yè)空間進(jìn)行分析。由于安裝工作和拆卸工作流程基本相同，故可僅對拆卸工作進(jìn)行分析，如表4、表5所示。根據(jù)式（4），拆除氣缸蓋與拆除活塞的作業(yè)空間評估值分別為1和0.77。對兩項工序的評價權(quán)重各按0.5計，維修作業(yè)的作業(yè)空間評價值為0.88。

圖7 人機工程

表4 工具旋轉(zhuǎn)角度評分表

表5 作業(yè)空間比評分表

根據(jù)評估結(jié)果來看，該型裝備在吊缸作業(yè)中，維修性水平一般，制約維修性水平的原因主要是在連桿螺栓等部位操作時，維修人員的作業(yè)姿態(tài)較差，導(dǎo)致人機工程的評分分值下降。因此在設(shè)計過程中，可以嘗試更改主機局部部位設(shè)計的方式來提高維修人員的維修舒適性，進(jìn)而提高裝備的維修性設(shè)計水平。

4 結(jié)語

本文通過對船舶艙室裝備的維修性定性指標(biāo)進(jìn)行分析，運用虛擬仿真的方式對可達(dá)性、作業(yè)姿態(tài)以及出艙通道等指標(biāo)進(jìn)行了評估方法的研究。相比于其他學(xué)者的研究，本文結(jié)合船舶裝備的維修特點，增加了船舶艙室裝備出艙通道的評價指標(biāo)，參考飛機設(shè)備維修過程中對安全性評估的相關(guān)方法，細(xì)化了船舶艙室裝備維修可達(dá)性的評估方法，完善了船舶艙室裝備維修性的定性評價指標(biāo)及評估方法。