舰船装备维修性设计要求生成方法研究

魏国东，朱石坚，俞 翔

(1.海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033；2.海军工程大学舰船与海洋学院，湖北 武汉 30033)

1 引言

无论装备如何提高可靠性，都有可能会发生故障，并需要维修，以帮助装备恢复功能完成任务使命。而装备的维修性设计水平直接决定了能否有效、快速、经济地完成装备的维修工作[1]。装备维修性设计要求是维修性设计工作的基础，只有生成合理的维修性设计要求，才能有效指导装备的维修性设计工作的开展。如果在装备设计阶段，能够确定全面、准确、合理的维修性要求，并转化为相应的维修性设计，改进设计中的薄弱环节，将有效提高装备的维修性设计水平，大大降低装备寿命周期内的维修工作，减少维修费用[2]。

理想中的根据装备维修性设计研究工作应该与装备维修保障工程构成闭环关系，即通过装备维修性设计优化可以解决装备维修保障工程中存在的维修难题；反过来，装备维修保障工程中暴露的问题可以用于指导维修性设计工作的开展。然而目前，舰船装备维修性设计与舰船装备维修保障工程严重脱节。一方面，装备设计研制阶段，缺乏真正在一线从事舰船装备维修保障工程的人员参与，很难听到舰艇部队全面、合理、符合实际的维修性要求；另一方面，舰艇部队和装备维修保障单位累积了多年的故障汇编、维修记录等没有转化为同类型舰船装备维修性设计的输入，没有由此得出电子类、机电类、机械类设备在实际使用环境中的维修时间分布特征量，并用以开展维修性建模、预计、控制、评估等设计工作[3]。这就导致目前的维修性设计要求生成工作多是设计人员借助设计经验或拍脑袋决策而定，使得生成的设计要求并不能体现实际中存在的维修性问题。所以，必须根据装备的特点，认真研究装备维修性设计要求的生成方法，密切联系维修性设计需求与维修保障工程，保证维修性设计要求的合理性和科学性，从而为维修性设计工作的开展奠定坚实的基础。

本文以舰船装备为例，分析了目前舰船装备维修性设计要求生成过程中存在的主要问题，通过研究挖掘维修历史数据用于生成维修性设计要求工作，从而有效强化了维修性设计工作与维修保障工程之间的联系，进一步完善了维修性设计要求的生成方法及流程。

2 舰船装备维修性要求生成方法

通过分析发现，维修性设计工作能否有效开展，必须以是否能够生成科学、合理的维修性设计要求作为前提。针对目前维修性设计要求生成过程中存在的问题及主要特点，可以从以下几个方面完善维修性设计要求的生成方法：

2.1 基于顶层需求

舰船维修性要求首先反映了使用方或订购方对舰船想要达到的维修性水平的期望目标，并协调分析舰船性能、费用、进度、装备可靠性、保障性、测试性等要求，综合考虑生成装备的维修性要求[4]。而舰船想要达到的维修性水平，首先来源于舰船总体的顶层需求，如战备完好性、任务成功性等的要求[5]。而战备完好性和任务成功性，都是规定或描述装备平时战备完好状态和战时完成预定任务目标能力的综合性参数，不能直接作为装备维修性工程设计的参数。必须详细分析影响战备完好性和任务成功性的各种因素，从中分解出能设计、能监控、能跟踪、能试验验证的、具体的维修性工程设计参数，以保证装备系统的战备完好性和任务成功性要求目标的实现[6]。这些工程设计参数及其量值以及定性要求，就是装备的维修性要求，它们是实现武器装备平时战备完好状态和战时作战任务目标要求的基本保证，对于维修性设计具有指导和约束意义，属于基本要求。

把顶层需求提清楚了，把评估抓严格了，设计及工业部门就不得不努力去实现装备的维修性。良好的顶层设计要求，将为维修性的提高提供指导性的设计框架，提的好、提的准的顶层需求，将为维修性的设计提高打下坚实的基础，有利于维修性的布局、设计、分配，生成方法如图1所示。

图1 基于顶层需求的维修性要求生成方法

2.2 基于同类型相似装备比较

对于舰船这种小子样大型复杂装备，通过同类型相似装备比较生成维修性要求，是一种十分重要的方法，也是目前普遍采用的方法之一。通过总结舰船装备发展、建设、管理和使用中的经验教训，并全面分析和评估已有舰船装备的使用性能和效能，分析现役相似舰船装备达到的维修性水平及在维修性方面存在的缺陷及不足，对新研舰船装备提出科学合理的对策方案，为发展新型舰船装备提供宝贵的借鉴经验，使提出的各项结论、要求有牢固的实践基础[7]。这种生成维修性设计要求的方法较为简单、直接，生成方法如图2所示。

图2 基于同类型相似装备比较生成维修性要求方法

首先，依据相似舰船装备，结合新研舰船装备的任务需求、使用方案、效能分析以及舰船的初步总体方案，确定新研舰船装备的维修性参数集。利用任务需求分析、相似装备比较、使用仿真、专家评分等方法提出舰船总体可用度目标值。利用合适的分配法将舰船总体可用度目标值分配到各设备，确定各设备的可用度目标值。利用相似装备类比或借鉴相关数据的方法，将各设备的可用度目标值，分解为各设备的基本维修性参数指标。利用分解得到的各设备维修性参数，依据舰船维修性模型，预计舰船总体任务可靠度，若不满足要求，则重新确定各设备维修性指标，直到满足要求。考虑国内有关技术水平及工业基础，进行维修性指标与功能要求、研制进度、技术、费用的综合权衡。对维修性指标权衡分析，同时确定舰船维修性要求的可行性。将维修性使用参数与指标转换成合同参数与指标。最后通过验证分析，形成新研舰船装备维修性要求。

2.3 基于仿真计算

基于仿真的维修性要求论证分析，就是运用计算机仿真方法来建立装备的维修性模型，通过模型的实验数据来分析系统的维修性特性与系统运行效果，通过反复迭代地调整维修性的要求值，最终获得在一定约束条件下，能够使系统达到最佳运行效果的维修性指标要求[8]。这种方法生成维修性设计要求较为方便，研发的周期短、费用较少，越来越得到设计人员的重视，生成方法如图3所示。

图3 基于仿真生成维修性要求方法

通过构建计算机仿真模型来直接模拟系统的运行情况，获取输出数据，再反推系统输入与输出之间的潜在关系，并根据这种关系对装备维修性设计要求指标的适度调整和评估，逐步实现在一定约束条件下的系统维修性要求的最优化。

2.4 基于维修历史数据挖掘

充分利用好部队和装备维修保障单位多年积累的故障汇编、维修记录等维修历史数据，可以有效推动舰船装备技术保障及维修性科学化、精确化和智慧化发展。通过开展装备维修保障历史数据挖掘和融合技术研究，基于大数据和云计算技术，设计部门能够将收集到的维修保障历史数据信息和资源进行量化，掌控舰船装备最真实的维修性需求，从而提升维修性决策质量和业绩表现，突破制约维修保障能力生成、提高舰船装备维修性质量和效益的“瓶颈”和“短板”，为新研装备及装备改进设计提供客观数据型决策服务[9]。这种方法获得的维修性要求，较为客观、真实，针对性也较强，生成方法如图4所示。

图4 舰船装备维修性需求生成方法研究思路

通过调研典型舰船装备的维修保障现状，了解目前舰艇部队正在采用的装备维修保障管理软件及其运行情况，并结合舰艇装备故障信息登记簿记录的情况，收集包括装备信息、人员信息、工装备件信息、故障信息和维修信息在内的装备维修保障信息，掌握舰船装备维修历史数据的数量、规模、结构、载体形式等。

利用统计分析和数据挖掘方法对电子类、机电类、机械类设备在实际使用环境下的平均修复时间、最大修复时间等维修性参数进行特征量提取，对维修保障典型问题进行信息挖掘，为舰船装备维修性设计要求生成提供有效信息及依据。

以上舰船维修性设计要求生成方法，在维修性设计工作中并不是单独存在的，需要综合应用，按照舰船装备维修性设计要求生成流程产生科学合理的维修性设计要求。

3 舰船装备维修性设计要求生成流程

装备维修性设计要求生成工作的任务就是用各种手段收集大量的有用信息，从作战需求、现状分析、发展趋势、国内技术与经济能力等各方面，进行全面系统的分析研究，通过逻辑推理形式，提出切实可行的科学的维修性设计要求，并对实现装备维修性要求的指导思想和原则、发展目标、发展方向和重点、主要问题和对策措施等，提出理论依据和现实可行的策略，并做出科学结论并加以检验和证明。舰船装备维修性设计要求生成的主要流程如图5所示。

图5 装备维修性要求论证的主要程序

首先要依据装备任务需求和使用方案，确定舰船装备顶层维修性综合定量要求，通过权衡、分解获得装备具体维修性定量要求、定性要求及工作项目要求，结合同类型相似装备比较、仿真计算、历史维修数据挖掘等方法进行维修性设计分析，通过技术经济可行性分析后，将生成的舰船装备维修性使用要求转化为合同要求，最后进行维修性要求的可验证性分析并形成舰船装备的维修性设计要求[10]。需明白，维修性设计要求的生成是一个循序渐进、反复迭代、不断完善的过程。原有的常规解析手段，已经无法完成这些复杂分析工作，难以完成细节分析和达到对精度的要求，因此仿真和数据挖掘技术被大量引入装备维修性要求论证工作中。在实际的维修性要求生成过程中，有可能只是用其中某种方法，也可能使用几种方法相结合的方式，最终的目的是获得描述准确、完备、与装备设计关系明晰的维修性设计要求。设计人员需要根据舰船的主要特点，综合权衡，选择合适的论证方法，得到令人满意的维修性要求，为维修性设计奠定坚实的基础。

4 结语

确定维修性设计要求的根本目的是为了获得易于维修保障的装备，以实现规定的战备完好性和任务成功性要求，并减少维修资源消耗，降低寿命周期费用。维修性设计要求生成是提高装备维修性设计质量的基础。由于装备维修性工程与维修性设计脱节导致了生成的维修性设计要求难以真正融入装备设计工作，针对存在的问题，本文做了如下工作：

1)通过分析维修保障工程与维修性设计工作的现状与联系，从源头上分析了二者脱节问题产生的原因；

2)通过创新性地提出基于维修历史数据挖掘的维修性需求生成方法研究，有效解决了维修性设计要求脱离维修保障工程的问题；

3)通过梳理维修性设计要求生成方法研究，完善了维修性设计要求研究体系，为维修性设计工作的开展奠定了坚实基础，努力实现“既有所需，必有所为”的设计理念。