武器平台信息系统现场可更换单元划分方法*

马玉皓，刘 瑞，张 宾，薛藩衍，陈志帅，田元元

（1.解放军32381 部队，北京 100072；2.北方自动控制技术研究所，太原 030006；3.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻太原地区第二军事代表室，太原 030006）

0 引言

武器平台信息系统是陆军武器装备信息与控制一体化的综合信息处理系统，包括传统火控系统和车电子系统，统筹考虑平台火控信息、车辆信息、指挥信息、传感信息的采集、传输、处理、应用与显示，实现信息资源的统一管理、配置和共享［1］，完成武器装备目标搜索跟踪与识别、火力控制、弹药装填、发射控制、车辆监控与控制、综合防护、网链通信指挥与控制等功能［2］。主要由处理与控制计算机、显示操控设备、指挥通信设备、传感器等组成。随着武器装备功能不断丰富、设备日益增多、信息量指数级增长和未来武器协同作战需求，子系统采用综合模块化架构实现局部信息综合；系统采用分布式架构，实现各安全关键等级子系统的相互独立和隔离，以“局部综合-全局分布”为架构特征的分布式综合模块化架构是武器系统发展的趋势。武器系统功能的综合化发展导致系统设计更加复杂，也给二级维修体制下的部队维修保障带来了新的问题。武器平台如何在规划现场可更换单元成为武器系统设计之初亟需解决的问题。

现场可更换单元（Line Replaceable Unit，LRU）是武器装备产品的重要组成单元［3］。美国国家标准化组织ANSI/VITA 53.0 定义LRU 为最小可维修单元或最小可更换单元（Lowest Repairable Unit or Lowest Replaceable Unit）。欧洲联合标准航电体系委员会ASAAC 模块标准，定义CFM（Common Functional Module）为具有计算能力、网络支持能力和电源转换能力的综合模块化架构下的现场可更换产品［4］。在我国GJB/Z91-97 中，LRU 的含义主要为了提高产品在使用中的现场更换方便性，更多地考虑现场故障诊断性、更换方便性、调校简单性。

LRU 设计是以系统为中心，采用自上而下的顶层模块化设计方法［5］，以系统高层需求为输入，对各系统功能进行合理分解，将顶层功能分解为多个基本能力的合集，从中分离出通用的基本功能，整合设计为通用的模块而独立存在。通常情况下，产品模块化设计具有缩短设计周期、降低生产成本、提高产品灵活性、提高产品成熟度、提高产品可靠性和提高寿命周期的维修性等优点。

1 基于灰熵的关联分析

建立可靠性、维修性、保障性、维修性和安全性等RMS 特征参数与LRU 划分指标的关联映射分析是合理评估LRU 划分结果的关键，由于RMS 参数众多、参数量纲不统一，数值差异大，需采用基于灰熵关联分析的影响因素筛选方法。

1）灰关联系数计算。

以n 套样本的LRU 划分标准值建立参考序列

以n 套样本的m 个可能影响因素建立比较序列

则X0对Xi在第k 点关联系数为：

2）建立灰关联系统分布映射关系。

3）灰关联熵计算。根据灰关联系数的分布映射，得到灰关联熵。

灰熵关联度计算如下：

4）进行LRU 影响指标的灰熵关联度排序。通过灰熵关联度排序确定对同一个LRU 指标的影响程度。

5）筛选序列

从高至低取前L 个灰熵关联度较高的参数，得到筛选序列：

通常情况下，剔除RMS 指标体系中关联度较低的指标，选择关联度较高的指标进行下一步分析。

2 基于功能/硬件资源的模糊聚类

针对传统基于功能/硬件资源的LRU 划分方法缺乏严谨的定量指标的问题，建立基于硬件资源和功能的映射关系，基于模糊聚类方法划分类内对某一功能属性具有聚集作用［6］，同时本方法对功能失效具有同样的聚集效果。

假设：系统包含的所有LRU：

组件/器件所实现的系统功能属性集：

定义元件Ci对第j 个属性fj的取值为：

其中，aij∈（0，1），0 表示元件Ci对属性fj没有贡献，1 表示元件Ci对属性功能属性fj有贡献。

则元器件集C 在属性F 上的逻辑矩阵为：

设X 是以给定集合，X1，X2，…，Xn是它的子集，如果满足：

则集合Q={X1，X2，…，XP}被称为集合X 的一种划分方案。

基于以上分析，基于功能/硬件资源的模糊聚类的计算，实际上就是求解X。

1）首先建立元件/器件与功能的逻辑矩阵；

α 可根据实际情况进行定义。

基于上述公式可描述元件与元件之间的相似度，当Sim 值越接近于1 时，表明元件/器件的功能越相似；反之Sim 值越接近于0。

3 基于多重模糊有向图的故障传播分析

则可判断模块i 和模块j 属于同一系统/分系统，这样便进行系统划分。

具体步骤如下：

1）进行武器平台信息系统FMECA 分析，计算故障传播强度，并构建多重模糊矩阵；

2）画出如图1 所示的多重模糊有向图的基图，同时求得各节点前的通路关系；

图1 有向图的基图

3）计算系统中各个模块间的故障传递强度，并将强度参数重新写入模糊矩阵中；

4 LRU 划分与权衡方法

假设有n 个权衡指标，首先建立各权衡指标序列：

所得到的Qi即为最优权衡方案。

5 武器平台信息系统LRU 划分

综合模块化武器平台信息系统定义了信息处理、交互显示、指挥通信、信息传感、武器控制、接口互联6 个功能分区。综合模块化武器平台信息系统的信息处理、交互显示和接口互联功能分区为跨平台共用的最大集合，构成了基型系统；指挥通信、信息传感和武器控制随型号不同而差异较大，统称为武器系统的功能组件。信息处理功能区实现火控信息的运算、处理和存储；是全炮信息处理和分发中心，与交互显示功能分区之间通过以太网实现界面显示信息和按键信息的传输；与指挥通信功能分区之间通过以太网实现指挥报文、智能弹药飞行状态和控制命令的传输，通过接口适配传输语音信息；与信息传感功能分区之间通过网络总线实现姿态角、导航、定位、药温等火炮状态和周边信息的传输；与武器控制功能分区之间通过CAN 总线实现调炮命令、发射控制等控制信息和反馈信息的传输。

基于上述功能/硬件资源的模糊聚类分析，以及多重模拟有向图的故障传播分析，将信息处理分区进行LRU 规划设计，将综合处理单元划分为电源变换模块、网络交换模块、通用处理模块、信号处理模块、图形图像处理、数据存储模块等6 类LRU 模块。各武器平台信息系统可根据系统复杂程度确定综合处理单元及模块数量。依此设计的LRU 方案，可实现基层级LRU 快速更换，经某演示验证项目建立的综合模块化火控系统中采用1 个综合处理单元，包括电源变换模块、网络交换模块、通用处理模块、图形图像处理模块、数据存储模块5 类LRU，共计5 个LRU，在实物现场测试统计，可实现平均30 s更换时间。装发某项目采用分布式综合模块化架构建立了2 套机箱，规划设计电源变换模块、网络交换模块、通用处理模块、信号处理模块、图形图像处理模块、数据存储模块6 类LRU，共计12 个LRU；在实物现场测试统计，可实现平均35 s 更换时间。在综合模块化系统和分布式综合模块化系统的应用表明，基于模糊聚类的现场可更换单元划分方法可科学严谨地确定模块功能及属性，可进行系统更合理、科学的划分，实现了现场可快速更换，提高了维修性，技术先进性。

6 结论

针对武器平台信息系统下建立了综合模块化架构和分布式综合模块化架构的LRU 划分与权衡方案。依据综合模块化架构的武器平台信息系统，采用功能/硬件资源的模糊聚类、多重模糊有向图等方法进行LRU 的系统划分，最终选出最优的LRU 划分方案。通过某项目应用表明，开展LRU划分权衡需求分析，研究LRU 划分权衡指标与参数，构建LRU 划分权衡优化算法，可实现LRU 科学划分，可提高武器系统“通用化、系列化、组合化”水平。