基于STT与模糊QFD的装备质量特性分解方法

郭婧宜 孙宇锋 吴寒雪 赵广燕

(北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191)

质量工程和系统工程学科的发展促进了质量概念的不断演进［1］，现代质量观认为质量包含了系统所要满足的全部使用要求特性的总和.

在武器装备论证工作中，为评价装备系统方案的优劣，必须采用某种尺度去度量系统方案的质量，这种尺度被称为质量特性.由于系统的复杂性和任务需求的多样性，装备的质量特性往往不是单个明确定义的参数，而是由多个参数构成的一组指标序列.依据内涵的不同，装备质量特性可分为综合质量特性(如系统效能、战备完好性等)和单项质量特性(如可靠性、维修性，速度、精度等).综合质量特性与用户需求或装备使用密切相关，单项质量特性则更多与设计特性密切相关.装备质量特性是度量装备系统方案优劣的重要指标，装备质量特性的确定对装备系统方案选择及质量特性的综合设计具有重要意义.

系统效能概念最早是由美国工业界武器效能咨询委员会提出的，它是衡量一个系统满足一组特定任务需求的程度的度量，是系统可用性A、可信性D和能力C的函数，是度量装备质量特性最重要的参数之一.

本文结合从战略到任务STT(Strategy to Task Technique)法、模糊质量功能展开 QFD(Quality Function Deployment)法、围绕系统效能ADC模型，给出了一种基于STT与模糊QFD的装备总体质量特性分解的通用方法.

1 STT和模糊QFD方法

1.1 基于STT的分解

STT方法［2］是通过一系列分解方法和分解过程，从上到下，从总体战略需求着手直到作战任务层，最终得到装备典型任务剖面或装备能力需求信息的方法.其核心是根据上层需求信息分析、映射，从而得到下一层的属性信息.如何分析、映射上层信息是STT分析方法中的重要内容.

本文基于STT方法，以任务分解为核心，同时进行装备结构分解，自顶向下逐层进行装备质量特性的分解.

如图1所示，从装备总体战略目标入手，进行任务需求分析，建立装备任务剖面，分析任务构成，其顺序可以是高层战略目标→战术任务→系统级任务→低层次目标.将装备总体任务目标分解为子任务 M1，M2，…，Mm后，可以对其中任一子任务Mj建立任务系统效能ej，其中j=1，2，…，m.

图1 装备质量特性分解过程

依次递推，顶层效能目标逐步分解为基本任务系统效能，并进一步分解为装备各功能系统的目标特性，得到表征装备及其组成系统的质量特性参数，从而建立起装备质量特性参数集.

将各子任务的任务系统效能ej组合加权，建立装备总体效能E，即

1.2 基于模糊QFD的分解

QFD方法［3］是一种面向用户需求的产品开发决策方法，可将顾客需求逐级分解为有关的技术特性，并且通过对各级技术要求等项目的重要度加权评价找出对产品质量及其关键作用的因素.QFD的核心是质量屋(HOQ，House of Quality)，它是一种形象直观的二元展开图表.加权评分法是用于HOQ评估的基本方法.考虑到QFD过程中存在大量主观的、不确定的、边界模糊的和定性的评分信息，本论文将结合模糊集理论来处理这些评分信息.

在应用HOQ前，先用层次分析法建立任务与系统相互关系矩阵，进行权重分析，并根据分析结果找到任务中最主要的系统及其对任务的权重.在此基础上建立如图2所示的HOQ，用于分析某确定子任务下系统与质量特性之间的关系，从而找到该子任务下最主要的质量特性.

图2 装备质量特性分解的HOQ

2 装备质量特性分解流程

设装备经STT分析后，具有m个子任务(M1，M2，…，Mm)、n 个系统(S1，S2，…，Sn)及 l个单项质量特性(Q1，Q2，…，Ql).

2.1 子任务权重比aj

假设有f位专家对影响武器装备系统效能E的m个子任务(M1，M2，…，Mm)的权重进行评分，得到专家评分矩阵 F=［pjt］m×f，根据式(2)确定子任务Mj对总任务的权重比aj:

2.2 系统对任务的权重比ωji

对(S1，S2，…，Sn)和(M1，M2，…，Mm)的重要性进行两两比较，构造权重判断矩阵 K=［pji］m×n，并由式(3)确定系统 Si对任务 Mj的权重比ωji:

其中 i=1，2，…，n;j=1，2，…，m.

2.3 系统的可用度Ai和可信度Di

设装备所要求达到的可用度和可信度为A和D，为获得各系统的可用度和可信度，必须知道各系统在总任务中的重要度.设系统Si在总任务中的重要度为ωi，可由式(4)得到:

系统Si的可用度和可信度由式(5)得到:

2.4 建立子任务HOQ

对子任务Mj建立一张如图3所示的HOQ，左墙取该任务环境下重要度ωji＞ε(ε为任意小数)的n*个系统()，并按重要度大小从上到下排列.

图3 M j任务下的HOQ

根据图3中Rik和rkh的含义构建相关关系矩阵 R=［Rik］n*×l及 r=［rkh］l×l，其中 i=1，2，…，n*;k，h=1，2，…，l.

其中 g，k=1，2，…，l.

2.5 模糊处理求重要度

任务与质量特性间的相互关系是由专业人员根据工程经验进行定义和分类的，常不能用精确数值反映实际情况.为此引入模糊集进行处理.

其中，i=1，2，…，n*;g，k=1，2，…，l;α∈［0，1］.

在QFD中，Mj任务下的第k个质量特性Qk的重要度 W可由下式得到:

其中，i=1，2，…，n*;k=1，2，…，l;j=1，2，…，m.在特定的α水平下的α截集的上下界为

2.6 装备系统效能E

综上所述Mj任务下的任务系统效能为

将式(2)、式(14)代入式(1)，得到武器装备总体效能E:

3 案例分析

3.1 装备Z的STT分析

假设有某装备Z，其战略目标是海上作战.经过对此装备的STT分析后认为该装备具有船体装置等5个系统以及对空任务M1和反潜任务M22个分任务和6个下级子任务，同时具有15个质量特性(Q1，Q2，…，Q15).如图4、图5 所示.

图4 装备结构和任务分解

图5 装备Z的质量特性参数集

3.2 确定分任务和子系统权重

假设有4位专家b1～b4对分任务权重进行评分，评分矩阵如表1.

表1 分任务对总目标权重的专家评分矩阵

由式(2)可得到2个分任务的权重

由于每个分任务对系统的要求不同，本文采用层次分析法判断系统对每个分任务的权重.对空任务系统权重判断矩阵如表2.

表2 对空任务中子系统权重判断矩阵

根据式(3)计算各系统在对空任务下的权重值:

并得到权重值排序:

同样可得到各系统在反潜任务下的权重.由各系统在不同任务下的重要度可得到各系统在总任务中的重要度，根据式(4)得到:

设装备所要求达到的可用度A为0.95，可信度D为0.9.根据式(5)，分配至各系统的可用度和可信度为

3.3 建立分任务HOQ

1)对空任务HOQ.

图6 对空任务HOQ

此处省略模糊处理过程，根据对空任务HOQ图(图6)数据、式(6)和式(12)直接得到对空任务下各质量特性的重要度:

2)反潜任务.

在反潜任务环境中，由于保障系统S4在总任务中的权重ω24=0.067过小，所以在该任务环境下，取重要度前4位的4个系统建立HOQ，最终得到反潜任务下各质量特性的重要度值:

3.4 装备Z的系统效能

根据式(14)，对空任务的系统效能为

反潜任务的系统效能为

则装备Z总体系统效能为

带入数据得到(保留两位有效数字):

需要注意的是，计算中不同质量特性参数的量纲归一化十分重要，为了解决这个问题，本文引入“能力指数”概念.能力指数定义为:“预期可接受能力或实际能力与理想能力的比值”.能力指数是一个(0，1)区间上无量纲的数.在进行系统效能计算时，将各种质量特性用其能力指数代替，以此统一各质量特性的单位.

在不考虑系统风险、经济承受性等情况下，可以认为效能最大的系统方案为最优方案.由式(16)可知，装备Z的系统效能大小决定于15个单项质量特性参数的值，因此开展装备Z质量特性综合设计时，要以获得系统效能最大值为原则，同时结合其他设计因素进行.

4 结论

通过对基于STT与模糊QFD的装备质量特性分解方法的介绍和案例分析，得到以下结论:

1)装备总体系统效能指标可以具体分解到相关任务及功能系统的关键质量特性指标中，同时建立起综合考虑任务和相关功能系统质量特性影响的更为精确的系统效能模型.

2)根据通过该方法建立起的装备总体系统效能的模型，可以分析确定影响装备系统效能的关键质量特性参数.

References)

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