一种基于BOM理论的空地导弹模块划分方法*

肖和业,蒋晓磊,王若冰,郑红星,左 非

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

近十年来,欧美等军事强国开始发展模块化空地导弹[1],例如美国JCGM三军通用空地导弹,欧洲MBDA公司正在研发的FLEXiS模块化空地导弹等,它们通过不同类制导、毁伤、动力部件的组合,实现导弹在不同战场环境下对不同距离及类型目标的打击。同时,模块化导弹能够通过更换、升级部分部件实现整个弹药的升级甚至换代,执行效率及经济效益都具有无法比拟的优势[2]。随着模块化空地导弹不断发展,其对产品的模块化划分方法提出了新的需求,即如何划分模块才能最便于导弹装配、检测、贮存使用。而这一顶层的方法探讨及研究还不全面,因此需要建立一种适合于空地导弹模块划分的方法,用于指导空地导弹模块构建,从顶层设计上保证模块化空地导弹的实用性。

对于模块化划分方法的相关研究,已有大量学者开展了大量的工作[3-10],可分为基于产品功能的划分方法、面向产品生命周期的划分方法等。例如,Exrion[8]通过对产品的子功能进行功能关联、装配关联、信息关联等方面的关联分析,并采用数学聚类方法进行产品模块划分；Sahhich[9]通过分解产品的功能和结构的特征,基于零部间的特征关联矩阵进行相似度分析来划分产品的模块；王海军[10]将层次分析方法与模糊聚类方法相结合对产品进行模块划分,并通过多专家综合评判法对不同模块划分方案进行评价,进而提出一种面向大批量定制的模块划分方法。以上研究中模块划分对象未涉及到弹药类的产品,而导弹本身在装配、贮存、使用中的特殊性,例如火工品的装配、贮存要求等,使得以往的模块划分方法在空地导弹中也不适用。

为了解决以上难题,文中基于导弹机械装配、电气测试、弹药贮存及使用的特点,结合BOM和最优模块化度的理论,提出一种适用于空地导弹的模块划分方法,并以海尔法空地导弹构型为例,对其搭载、装配的零部件进行了模块划分。随后,将模块划分结果进行合理性分析,并与参考值进行对比以验证划分结果的有效性,进而佐证文中提出模块划分方法的正确性。

1 空地导弹模块划分方法

1.1 关联因素定义

空地导弹属于机电产品的分支,借鉴以往机电产品模块划分中的零部件关联因素的定义,同时考虑弹药测试性及火工品的使用、维护、贮存等问题,将导弹产品的关联因素分为机械、电气、功能、贮存相关性4类。在4类关联因素中用关联度来定义零部件之间相关程度,具体见表1中零部件各种相关性的评价。其中αm(i,j)、αe(i,j)、αf(i,j)、αs(i,j)分别为零件i和j机械、电气、功能、贮存相关度,零部件自身关联度为1。如表1中所示,机械相关性中零部件的关联度取决于其装配的精度及简便程度；电气相关性中的关联度主要由电子部件的信息、能量交互关系决定；功能相关性的关联度主要考虑零部件是否能够相互协同完成一定的功能；贮存相关性主要取决于零部件贮存的环境要求是否相同。

表1 导弹零部件相关性定义

1.2 BOM方法及模块化度定义

BOM方法进行模块划分的基本依据是对零部件进行关联分析,由1.1节可知影响导弹模块划分的关联因素主要包括产品零部件的机械、电气、功能、贮存相关性4个方面。结合表1给出零部件各种相关性的量化定义,可以获得零部件4类相关性的关系矩阵,则零部件i和j之间的总关联度计算公式为:

Γ(i,j)=ωm·αm(i,j)+ωe·αe(i,j)+
ωf·αf(i,j)+ωs·αs(i,j)

(1)

式中：ωm、ωe、ωf、ωs分别为机械关联度、电气关联度、功能关联度和贮存关联度对应的加权因子。

依据零部件相关度计算可得关联矩阵,并将其作为模块划分的判定[11]。

(2)

建立模块间关联性的评价参数模块化度λ,其表达式为:

(3)

式中符号的详细定义参见文献[11]。以结点关联图为基础进行模块划分后,计算模块间关联度最大值及模块内的关联度最小值,进而获得产品模块划分后的模块化度。

图1 空地导弹模块划分流程

1.3 模块划分流程

空地导弹模块划分方法执行过程如图1所示。首先,确定空地导弹的主要零、部件组成,并按照表1中相关性的定义建立零、部件的相关矩阵。然后,通过式(2)计算获得零部件总关联度矩阵,设定可接收最大模块化度M及零部件形成关系组的阈值。最后,利用零部件的关系图,获得零部件关系组及模块初步划分结果,如果模块划分的结果符合大于1小于M的条件,采用式(3)计算模块化度,顺序寻优获得最终模块划分的结果；否则返回,对关联性阈值进行调整,再循环计算。

2 实例分析

2.1 参数定义

空地导弹一般由制导及控制部件、战斗部、固体火箭发动机、弹翼、舵翼等结构电气直属件组成,如图2中海尔法导弹所示。算例中选取导弹的主要组成及搭载的零部件如表2所示。

图2 海尔法空地导弹主要组成示意图

在关联度计算中,机械关联度、电气关联度、功能关联度和贮存关联度的加权因子分别取0.3，0.3，0.3，0.1。

表2 空地导弹主要组成零、部件列表

2.2 产品关联性分析

依据表1中部件的各项关联度定义,按照式(1)可以计算出各部件总关联度矩阵如表3所示。基于关联度的矩阵,在给定阈值的情况下可以获得模块的划分情况。以相关度阈值0.37为例,来说明模块划分的过程。首先,设定相关度的阀值为0.37,然后依据文献[10]中的方法及定义,通过相关度搜索、合并,可以获得空地导弹各零部件的关联关系如图3所示。由图3可知,0.37为模块划分的阈值时,导弹可划分为5个模块,分别为(1,3,4,5,6),(7,8),(9,10,12,13,14),2,11。对于不同的相关度阈值,关联关系图不同。

表3 空地导弹零部件相关度

图3 空地导弹关联图

2.3 模块划分结果

为了寻找出模块划分最优的结果,需要按照图1中的流程,计算不同关联度阈值下的模块化度最小值及平均值,并结合其对应的模块划分情况,以模块化度最小值及平均值最大为优化目标进行顺序寻优。为了便于寻优,这里取归一化的模块化度最小值和平均值的算术平均值为目标值进行计算,可得模块化度、划分模块数随相关度阈值变化的曲线,如图4所示。在模块划分数为4时,模块化度的目标值达到最大,表明此时的模块划分为最优。具体为:

模块1：1,2,3,4,5,6；

模块2：7,8；

模块3：9,10,12,13,14；

模块4：11。

转化成对应的零部件为：

模块1：导引头、仪器舱体、飞行控制单元、惯性测量装置、电源模块、GPS装置；

模块2：战斗部、引信；

模块3：连接舱体、发动机、控制舱体、舵机、舵翼；

模块4：弹翼。

图4 模块化度、模块划分数随相关度阈值变化曲线

图5 空地导弹最优模块化度的关联图

3 结论

文中基于BOM和最优模块化度方法,结合空地导弹特点,以机械、电气、功能、贮存的关联性为评价基础,提出了一种空地导弹模块的划分方法,并给出了该方法执行的具体流程。以海尔法导弹为应用实例,首先计算了导弹各零部件的关联矩阵,并基于关联度阈值、零部件的关系图进行模块划分。然后,以模块化度综合值最小为目标,进行了最优搜索,获得了最优的模块划分形式。最后,通过与文献中模块划分参考值的对比及模块划分结果的合理性分析,验证了模块划分结果的准确性,也表明了文中提出的空地导弹模块划分方法是有效、可行的。