装备维修可达性综合评价方法研究

徐 达 王宝琦 吴 溪

(装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072)

维修性是指产品在规定条件下和规定时间内，按规定程序和方法进行维修时，保持或恢复其规定状态的能力。维修可达性是维修性定性要求中最重要的因素之一，直接影响到装备维修性的好坏。维修可达性是维修时接近产品不同组成单元的难易程度，也就是接近维修部位的难易程度［1］。维修可达性是装备重要的固有属性，传统的评价方法主要是依托物理样机，然而在装备设计阶段一般缺乏物理样机，一些重要的维修可达性验证工作无法进行，严重影响装备维修性设计与装备设计的并行开展［2］。

随着虚拟维修技术的快速发展，在装备设计阶段对维修可达性进行量化评价变得可行而且迫切［3］。在虚拟环境中构建维修可达性的量化评价模型，对于装备设计阶段维修性验证工作的开展具有现实意义和重要参考价值。

1 维修可达性指标体系

装备维修可达性是指维修或操作时，接近装备不同组成部件的相对难易程度。如果维修部位是看得见、可接触到、容易到达维修部位，同时具有为检查、修理或更换所需要的空间，并且不需要多少拆装、搬动，维修人员在正常姿态下就能操作，就称为维修可达性好。对装备进行维修可达性设计研究是提高装备维修性的重要途径，它要求在装备设计之初便将维修可达性要求纳入设计范围。

根据维修可达性设计原则和要求，提出以下3项评价指标:接触可达性、可视性和操作空间。

(1)接触可达性:维修人员在维修过程中，在作业空间、维修通道内能否够得到待维修部件的性能。

(2)可视性:被拆装零部件是否在维修人员视界内，以及在视界内的具体位置。

(3)操作空间:被拆装零部件或相应工具的操作活动空间大小，与装备结构是否发生干涉。

2 维修可达性单个指标评价

在虚拟环境中，维修可达性的3项评价指标的评价流程基本相同，以接触可达性为例说明其虚拟评价流程。

首先应确定待维修部件，基于CAD数据建模软件构建出具有和物理样机相似的几何形状并满足仿真要求的几何模型，通过构建模型的装配关系、质量和材质等信息，使虚拟维修样机具有支持装备维修活动过程的空间、自由度约束的运动特性和物理特性，生成完整的包含维修性信息的虚拟模型［4］。为了便于快速实时仿真，需要经过模型轻量化，去除与维修可达性评价无关的CAD信息后，将模型导入到仿真环境中。调整虚拟维修人体的姿势，保证与其他部件不产生干涉。设置生成人体操作范围，一般以球体包络面形式给出［5］，通过反复判断维修部件是否完全在人体操作范围、是否与维修通道发生干涉，并结合给定的接触可达性评价准则，最后可得到接触可达性的评价结果，其流程如图1所示。

疼痛程度：采用视觉模拟评分法（VAS）评定。用一条一面标有刻度的10cm游动标尺，两端分别表示“无痛”（0）和“最剧烈疼痛”（10）。患者面对无刻度的一面，将游标放在当时最能代表疼痛程度的部位，医生面对有刻度的一面，记录疼痛数值。治疗前后各评定1次。

同理可得可视性和操作空间的评价结果。这样即可得到在虚拟环境中装备的维修可达性3项指标的各自评价结果。

3 维修可达性综合评价

维修可达性的3项评价指标之间是有相互关联的，而且关联程度有强有弱。对某一指标进行优化，其他指标也会受到影响，指标之间的关联促进作用并非是相互的，而是“有方向”的。如操作空间不受可视性影响，但它会影响可视性好坏［6］。通过指标关联度和有向图构建维修可达性综合评价模型。

3.1 指标关联度

可将各评价指标之间的关联关系分为强、弱、无3个等级，分别对应为2分、1分、0分。由部队实际维修经验可得到维修可达性评价指标之间的关联度情况，如表1所示。

表1 维修可达性评价指标之间的关联度

表1中的后3行分别描述了每一维修可达性指标对应其他两个指标的关联情况。例如最后一行第二列中的“A，B”代表操作空间对接触可达性和可视性都具有较强的关联度，对应分数都为2分。表中“－”代表没有指标与之关联。

3.2 指标有向图及关联矩阵

影响装备维修可达性的评价指标之间的促进作用是“有方向”的，因而可以将表1所示的关联度用有向图表示出来，如图2所示。

A、B、C表示维修可达性评价指标，各有向弧线表示各个指标之间的关联情况;黑箭头表示强关联，白箭头表示弱关联;fAB表示指标A和B的关联方向是从A指向B。

可以将有向图表达形式转化为评价指标之间的关联度矩阵表达形式，通过关联度矩阵研究维修可达性综合评价模型。关联度矩阵包括指标自身分值矩阵和指标之间的关联度矩阵两部分。

(1)评价指标自身分值矩阵

本矩阵是一个3×3对角线矩阵，其对角线元素(Vi)是各个评价指标自身的评价分值，分值大小由设计方案模型及评价准则决定。该矩阵反映了各个评价指标本身对装备维修可达性评价的影响，矩阵可写为:

(2)评价指标之间的关联矩阵

根据指标有向图可以得到各评价指标之间的关联矩阵，其主对角线上元素为0，矩阵可写为:

对于给定的装备维修可达性评价模型，该关联矩阵是一个确定的矩阵，由表1得该矩阵为:

在装备维修可达性综合评价时必须考虑以上两个矩阵的综合影响，将二者叠加可得装备维修可达性综合评价模型:

该模型既能反映装备维修可达性各个指标本身的优劣程度，又能反映各指标之间的关联度，使装备维修可达性的评价更加客观和全面。

3.3 可达性综合评价模型

积和式是矩阵的一个标准函数，被广泛应用于组合数学中，对装备维修可达性评价模型的关联度矩阵求积和式，综合考虑矩阵中每个元素及它们之间的关联关系，并作为维修可达性的综合评价指标。

各关联度取值非负，当值为正时，会促进整个积和式值的增长，积和式值越大，模型综合评价值越高。每种装备设计方案都会对应一个{Vi}序列，反映在关联度矩阵(4)中。代入积和式定义式中，转化为求矩阵的积和式，可得不同方案的积和式值Per(M)，值最大者维修可达性设计最佳。

由于维修可达性模型给定，因而其关联矩阵是确定的，其积和式的形式也随之确定，即:

代入矩阵(4)中的数据，可得装备维修可达性综合评价的积和式值:

若规定装备维修可达性3顶评价指标的得分区间都是［0，1］，则其综合评价结果区间为［2，6］。

可以看出，在虚拟环境中只要得出了某装备部件的接触可达性、可视性和操作空间的评价分数，即可求出该部件的维修可达性的综合评价结果。该方法可以用于多个装备设计方案的维修可达性的定量比较。

4 实例验证

以某型坦克的动力系统设计方案为例，使用本文提出的方法对其维修可达性进行评价。通过建立虚拟维修仿真，将3个设计方案的数据模型按图1所示的流程进行单个维修可达性指标评价，得到如表2所示的结果。

表2 3个设计方案的维修可达性指标得分

将表2的结果分别代入公式(6)，得到3个设计方案的装备维修可达性综合评价结果，如表3所示。

表3 3种设计方案的维修可达性综合得分

计算结果表明，方案一的维修可达性设计最佳。

维修可达性直接影响装备的维修时间，为了验证该评价方法的客观性，对3个设计方案的动力系统物理样机进行实际维修时间统计。数据统计结果表明，同等条件下，方案一比方案二的维修时间短，方案二比方案三的维修时间短，这与本文提出的维修可达性评价方法评价结果一致。

5 结语

本文利用指标关联度和有向图构建了关联矩阵，基于矩阵积和式提出了维修可达性综合评价模型，提出一种新的维修可达性评价方法，并得出以下结论:

(1)该方法实现了装备维修性定性指标的定量化表达;

(2)该方法合理可行，为在设计阶段同步开展装备维修可达性的评价提供了新的方法;

(3)该评价方法较好地解决了评价结果受人为因素干扰的问题。

［1］吕川.维修性设计分析与验证［M］.北京:国防工业出版社，2012.

［2］徐达，王宝琦，吴溪.基于虚拟仿真的维修性定量指标验证方法［J］.航天控制，2013，31(1).

［3］崔晓风.特种车辆维修可达性评价的MD模型［J］.工程机械，2010，41(6):17－20.

［4］于海全，彭高亮，刘文剑.基于虚拟环境的维修性信息模型的建立［J］.兵工学报，2010，31(7):97 －100.

［5］丁勇，杨子佳，周唯杰.民机虚拟产品维修性评价方法研究［J］.飞机设计，2012，32(1):72 －77.

［6］曾毅.基于维修性设计的可达性分析评价技术研究［D］.长沙:国防科学技术大学，2007.