葛哲學(xué) 楊擁民 羅 旭 徐永成

(國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院 長沙 410073)

1 引言

艦船在使用過程中,會需要大量的日常維護(hù)和維修活動。艦船維修性是衡量艦船裝備可維修質(zhì)量水平的重要內(nèi)容之一,良好的維修性可使得艦船維修過程“省時(shí)、省力、維修”,盡快恢復(fù)戰(zhàn)斗力,從而提高艦船的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功率[1]。

由于艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多、設(shè)計(jì)難度大,傳統(tǒng)的維修性設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程沒有相互統(tǒng)一,一定程度上存在“兩張皮”現(xiàn)象[3]。為使得維修性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠同步并行,需要將兩者相關(guān)的設(shè)計(jì)信息能夠無縫集成起來,達(dá)到整個設(shè)計(jì)過程中的高度融合和信息共享,形成高度統(tǒng)一的設(shè)計(jì)技術(shù)框架,同時(shí)能夠支持維修性建模、分配、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)計(jì)、分析等使能工具的應(yīng)用。另一方面,由于維修性設(shè)計(jì)過程中的信息繁多,包括指標(biāo)要求、維修性數(shù)據(jù)、接口數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)圖紙等多種類型,因此需要系統(tǒng)化的技術(shù)支持和科學(xué)高效的管理工具。

近年來,國內(nèi)外在這方面的研究較為重視。文獻(xiàn)[4～5]研究了支持并行設(shè)計(jì)的維修性建模方法,建立了包含維修性信息和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息的擴(kuò)展數(shù)據(jù)模型;文獻(xiàn)[6]研究了基于維修性并行設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)環(huán)境和設(shè)計(jì)使能技術(shù)。國外出現(xiàn)了一些支持維修性設(shè)計(jì)的軟件工具,包括支持維修性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的CAD工具軟件如CAT IA等,以及維修性分配和預(yù)計(jì)工具RELEX等。深入分析可以發(fā)現(xiàn),在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立維修性擴(kuò)展數(shù)據(jù)模型,以形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境并進(jìn)行并行維修性設(shè)計(jì)是未來的發(fā)展趨勢。然而目前這方面仍缺乏有效的維修性設(shè)計(jì)集成框架,尚未形成支持維修性設(shè)計(jì)輔助工具和信息管理的平臺級系統(tǒng),不能滿足艦船裝備維修性設(shè)計(jì)技術(shù)的迫切需求。

為此,本文主要將維修性設(shè)計(jì)和PDM相結(jié)合,對傳統(tǒng)的PDM的設(shè)計(jì)思想和模型進(jìn)行了擴(kuò)展,植入維修性設(shè)計(jì)工程的使能工具,規(guī)劃了維修性設(shè)計(jì)集成平臺的功能結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)過程,并采用軟件工程化的設(shè)計(jì)思想,得到了通用艦船裝備維修性設(shè)計(jì)技術(shù)平臺。

2 艦船維修性設(shè)計(jì)平臺集成模式與功能模型

2.1 集成模式

考慮PDM和維修性設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的集成模式一般分為封裝、接口和緊密集成,下面從維修性設(shè)計(jì)工具的角度對這三種方式加以分析:

1)外部調(diào)用模式。當(dāng)維修性設(shè)計(jì)工具只提供給用戶一個可執(zhí)行文件(exe)時(shí),往往采用PDM系統(tǒng)對工具進(jìn)行簡單封裝以實(shí)現(xiàn)二者集成,此時(shí)PDM系統(tǒng)只能管理工具生成的文件整體,而不能操作其內(nèi)部的具體數(shù)據(jù)。

2)接口模式。當(dāng)維修性設(shè)計(jì)工具提供了訪問其內(nèi)部數(shù)據(jù)的接口函數(shù)時(shí),用戶可以綜合利用PDM系統(tǒng)的API函數(shù)和維修性設(shè)計(jì)工具的動態(tài)鏈接庫函數(shù)開發(fā)一個獨(dú)立的接口程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交互,使二者保持異步一致。

3)緊密集成模式。緊密集成是PDM系統(tǒng)與維修性設(shè)計(jì)工具最為理想的集成模式,它需要調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)基于維修性設(shè)計(jì)工具的源程序作二次開發(fā),通過建立互動的共享信息模型,以實(shí)現(xiàn)維修性設(shè)計(jì)工具與PDM系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的同步一致性。

相比而言,第一種方式實(shí)現(xiàn)最為簡單,但功能較為粗糙,不能實(shí)現(xiàn)兩者實(shí)際意義上的數(shù)據(jù)共享和同步。第二種方式雖然能實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)協(xié)同,但由于是多個不同的軟件工具,所以用戶使用較為麻煩。這里主要采用緊密集成模式,將維修性使能工具作為維修性設(shè)計(jì)與管理的重要組成部分,深度集成到PDM架構(gòu)之中,實(shí)現(xiàn)兩者之間的信息集成、功能集成和過程集成,從而形成維修性并行設(shè)計(jì)的綜合一體化軟件系統(tǒng),便于維修性的并行設(shè)計(jì)與管理。

2.2 功能模型

作為方案、研制階段的維修性相關(guān)活動,維修性設(shè)計(jì)主要包括維修性建模與分配,維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定,維修性結(jié)構(gòu)方案、維修性分析預(yù)計(jì)、維修性綜合權(quán)衡以及維修性試驗(yàn)與評定。維修性建模與分配通過建立維修性定量指標(biāo)分配模型,將系統(tǒng)級的維修性定量指標(biāo)逐步向下分配到功能子系統(tǒng),明確各部分的維修性設(shè)計(jì)目標(biāo)或指標(biāo);維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制定將維修性定性要求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;維修性設(shè)計(jì)根據(jù)維修性分配結(jié)果和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),使其滿足要求的維修性;維修性分析預(yù)計(jì)通過對維修性進(jìn)行分析,檢驗(yàn)維修性設(shè)計(jì)及是否達(dá)到要求;維修性綜合權(quán)衡綜合考慮費(fèi)用、可靠性、保障性、動靜態(tài)特性、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)等因素權(quán)衡比較分析維修性方案,以確定合理的維修性設(shè)計(jì)方案;維修性試驗(yàn)與評定通過樣機(jī)的維修性演示驗(yàn)證試驗(yàn),對維修性試驗(yàn)評估,發(fā)現(xiàn)維修性設(shè)計(jì)問題并提出改進(jìn)建議。

艦船維修性并行設(shè)計(jì)集成平臺應(yīng)具備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理、維修性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析、維修性使能工具等方面的功能,如圖1所示,主要通過集成PDM的擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成和管理,內(nèi)部集成設(shè)計(jì)輔助工具實(shí)現(xiàn)維修性設(shè)計(jì)工程當(dāng)中的主要技術(shù)過程,并向下集成CAD軟件和維修性分析軟件完成具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖1 維修性設(shè)計(jì)集成平臺與其它工具軟件之間的關(guān)系

具體說來,集成平臺的主要功能應(yīng)包括以下幾個方面,其功能模型如圖2所示。

圖2 艦船維修性集成平臺功能組成圖

1)為產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)提供統(tǒng)一的設(shè)計(jì)構(gòu)架,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品維修性的建模、分配、詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析和預(yù)計(jì)。

2)實(shí)現(xiàn)維修性信息的集成管理,產(chǎn)品維修性信息和模型數(shù)據(jù)能在平臺內(nèi)共享,對設(shè)計(jì)人員、圖紙和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高效管理。

3)集成了維修性設(shè)計(jì)的工具和軟件,將產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員納入到統(tǒng)一的平臺下工作,并可進(jìn)行全程管理和設(shè)計(jì)監(jiān)控。

3 艦船維修性設(shè)計(jì)集成平臺設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)維修性信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之間的集成關(guān)系,設(shè)計(jì)了包含維修性信息在內(nèi)的產(chǎn)品全信息模型,實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì),比如建立的維修性分配和預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)的ER模型,如圖 3所示。采用SQL Server、軟件建立數(shù)據(jù)表格,為艦船維修性設(shè)計(jì)集成平臺建立了共享數(shù)據(jù)環(huán)境。

圖3 維修性數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)ER圖

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次如圖4所示。在論證階段提供的功能主要指維修性設(shè)計(jì)接口,提供維修性要求的輸入界面,支持維修性使用要求和保障性要求的轉(zhuǎn)換功能。在方案、研制階段主要根據(jù)可靠性指標(biāo)和接口信息類型維修層次建模和維修職能流程建模,并以此開展維修性分配,明確各維修級別單元設(shè)計(jì)的維修性指標(biāo),通過維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程提供約束。然后開展各零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并進(jìn)行維修性分析、優(yōu)化和維修性預(yù)計(jì),提供對應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)界面,最后是維修性的試驗(yàn)與評定。

3.3 與CAD和維修性分析工具之間的集成

結(jié)構(gòu)的維修性設(shè)計(jì)和分析是集成平臺的核心內(nèi)容。平臺通過調(diào)用的方式向下兼容維修性設(shè)計(jì)軟件(CATIA等)、維修性分析軟件(JACK等),三者之間的信息傳遞關(guān)系如圖5所示。集成平臺向設(shè)計(jì)軟件主要傳遞維修性定量和定性要求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹信息等;而CAD軟件則向集成平臺傳遞編輯設(shè)計(jì)后的圖紙模型、文檔轉(zhuǎn)換模型以及初步的預(yù)計(jì)參數(shù)等。在集成平臺和分析軟件之間,前者向后者提供轉(zhuǎn)換可打開的產(chǎn)品和工具文檔模型,后者則匯總分析的結(jié)果到平臺。

3.4 維修性設(shè)計(jì)審核

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的管理和審核,提供維修性審核的功能,審核的流程關(guān)系如圖6所示。在顯示維修性分配、維修性分析(基于JACK的過程分析)、維修性預(yù)計(jì)的結(jié)果基礎(chǔ)上,對各個局部設(shè)計(jì)結(jié)果和維修性設(shè)計(jì)的宏觀流程進(jìn)行審核和管理。

圖6 維修性審核過程和關(guān)系

4 艦船維修性設(shè)計(jì)集成平臺

根據(jù)以上研究,開發(fā)了面向艦船維修性設(shè)計(jì)的集成平臺,主要基于 Visual Studio.net環(huán)境和C#.net語言,開發(fā)過程充分利用軟件工程化的思想,將業(yè)務(wù)過程和界面設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)模塊和業(yè)務(wù)模塊均合理分開,有利于軟件的協(xié)作開發(fā)、升級和維護(hù)。設(shè)計(jì)過程利用了開發(fā)了相關(guān)的基礎(chǔ)模塊類庫和業(yè)務(wù)模塊類庫,如 PDMBusiness.ProductSpace、PDMBusiness.DocumentSpace、AddinPDMBusiness.ProductSpace等。軟件采用模塊式管理,可在基礎(chǔ)平臺上通過插件形式增減相應(yīng)的功能。通過SQL Server2000的存儲過程實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品插入式各數(shù)據(jù)表的聯(lián)動,使得各數(shù)據(jù)表保持同步更新。

實(shí)現(xiàn)的主要功能有:

1)覆蓋了產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)和分析的主要工作項(xiàng)目,能夠根據(jù)維修性相關(guān)國軍標(biāo)的規(guī)定和要求,實(shí)現(xiàn)維修性建模、維修性分配與定性要求、維修性設(shè)計(jì)、維修性分析、維修性預(yù)計(jì)等主要功能。

2)具備產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的主要功能:

?產(chǎn)品庫和物料庫管理

?設(shè)計(jì)文檔的創(chuàng)建、設(shè)計(jì)、歸檔、更改和超級瀏覽

?圖紙的版本管理、檢索、批注、簽入簽出、反查以及比較等

?可定制的項(xiàng)目管理、工藝管理等功能

3)具有強(qiáng)大的維修性設(shè)計(jì)和分析工具軟件集成能力:

?可集成常用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件,實(shí)現(xiàn)與平臺的信息通訊。

?可集成JACK、CATIA等維修性分析軟件,可實(shí)現(xiàn)維修性分析結(jié)果的上傳和下載。

圖9 基于CATIA的維修性分析

4)具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和配置功能?？蓪?shí)現(xiàn)部門用戶管理、設(shè)計(jì)角色管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程和模板管理、版本管理、文件類型配置、維修性設(shè)計(jì)方式配置等功能。

5 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)維修性設(shè)計(jì)過程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的統(tǒng)一,將產(chǎn)品的維修性建模分配、維修性分析、維修性預(yù)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程緊密結(jié)合,通過研究集成平臺的集成模式、功能模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法,最終實(shí)現(xiàn)了維修性信息和產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的無縫連接和集成化管理,提供了維修性定量指標(biāo)和定性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)手段,兼具產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)與維修性設(shè)計(jì)的主要功能,并具備與常用CAD軟件的支持能力,以此形成對維修性工程國軍標(biāo)的最大能力支持,從而為復(fù)雜艦船裝備和產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)提供了一種高效而實(shí)用的先進(jìn)設(shè)計(jì)與管理技術(shù)平臺。

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