付喻文,郝建平
(軍械工程學院,河北 石家莊 050003)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,維修保障系統(tǒng)所發(fā)揮的作用越來越明顯。對于一件主戰(zhàn)裝備,其背后往往跟隨著一個龐大的維修保障系統(tǒng)作為支撐。戰(zhàn)爭的勝負已經(jīng)不再僅僅由裝備本身的性能決定,維修保障系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)是否流暢,成為戰(zhàn)爭取勝的關鍵一環(huán)。然而,不同于一般意義上的裝備系統(tǒng),維修保障系統(tǒng)由于受到眾多不確定因素的影響,系統(tǒng)內(nèi)部各個要素之間存在復雜的相互作用,其構(gòu)成設計過程受到阻礙。
目前,對于維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成設計研究,文獻[1]提出了一種基于網(wǎng)絡分析(analytic network process,ANP)的維修保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計影響因素網(wǎng)絡模型和方法。該方法能夠較好地對復雜維修保障系統(tǒng)考慮其單一層次內(nèi)部各元素的依存、上下層元素之間的反饋影響以及定量分析[2-3]。但該方法針對于所有要素都分析其相互關系,使分析過程極大地復雜化。文獻[4]在建立裝備保障仿真通用平臺的基礎上,利用仿真技術還原了裝備維修保障系統(tǒng)運行的內(nèi)部邏輯以及與外部的交互關系,實現(xiàn)對維修保障能力的評價。但是評價效果可能受制于輸入的影響因素眾多,因素取值調(diào)整復雜等問題。文獻[5]應用改進TOPSIS法對維修保障系統(tǒng)效能進行了綜合評估,但該方法不足以表示出系統(tǒng)方案的優(yōu)劣。其他研究還包括了利用變權綜合法、突變評價法[6-7]等方法解決維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成設計問題,但都未能達到令人滿意的效果。
對于越來越龐大、越來越復雜的維修保障系統(tǒng),如何合理對其進行配置,保證裝備保障能力持續(xù)運行,最大限度地發(fā)揮其功能,成為我軍面臨的重要課題。針對這一難題,本文將引入功能依賴網(wǎng)絡分析(functional dependency network analysis,FDNA)的思想。功能依賴網(wǎng)絡分析是一種可將系統(tǒng)內(nèi)各個要素之間的依賴關系進行建模和度量的方法[8]。近年來,F(xiàn)DNA技術已經(jīng)被運用到航空體系維修及架構(gòu)分析[9],解決協(xié)作衛(wèi)星網(wǎng)絡中的信息轉(zhuǎn)移問題[10],研發(fā)流程建模的技術開發(fā)[11]以及衛(wèi)星導航系統(tǒng)的安全性分析[12-13]等多個領域。該方法將為維修保障方案的研究提供新的思路。
功能依賴網(wǎng)絡分析(FDNA)最早由Garvey和Pinto等人提出[14],用來分析某個系統(tǒng)功能失效對于其他有依賴關系的系統(tǒng)性能的影響。該技術基于圖理論,可將系統(tǒng)內(nèi)組成要素之間的關系清晰明了的表達出來,并提供度量要素間依賴關系的方法。
首先要明確FDNA技術中依賴性的含義。在FDNA圖中,依賴性是一種條件,存在于2個節(jié)點之間,其中一個節(jié)點的效能可能在某種程度上依賴于另一個節(jié)點的效能。如圖1所示。
效能作為一種宏觀概念,代表了系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一種狀態(tài),是節(jié)點在某種特定條件和預定期望下的功能體現(xiàn)。一個節(jié)點可以達到的效能水平可以由一個度量值或“運行能力”[15]來表示。在FDNA中,受體節(jié)點的效能水平受到2種依賴性特征的影響。首先是受體節(jié)點對于供體節(jié)點依賴的強度。其次是供體節(jié)點與受體節(jié)點之間的依賴關系對于受體節(jié)點能夠達到其效能水平的關鍵性。將其分別稱作依賴強度(strength of dependency, SOD)和依賴關鍵度(criticality of dependency, COD)。
舉例來說,假設圖1中受體節(jié)點Nj是車輛底盤系統(tǒng),而供體節(jié)點Ni為車載控制系統(tǒng)。如果底盤系統(tǒng)的完全效能水平為時速60 km,那么Pj(xj=60)=100。在沒有任何Ni的貢獻時,Nj只能達到時速40 km。如果時速40 km記作效能水平60,也就是當Pi=0時,Pj(xj=40)=60。這表示了Nj的基本效能水平是60。假設供體節(jié)點Ni的控制對于底盤系統(tǒng)正常運行的效果是理想的。如果沒有控制輸出,底盤就會發(fā)生不穩(wěn)定運行,其部件會受到損耗,而且底盤的效能水平會從基本水平60不斷降低,最終完全不可用,即效能水平為0。
由此看出,車輛底盤系統(tǒng)不僅依賴于車載控制系統(tǒng)的輸出來提高其效能水平,還對這種關系有很大的依賴性。因此,SOD和COD對于供受節(jié)點關系的效能水平都發(fā)揮了重要而不同的影響。SOD反映了這種關系的作用,可提高基本效能水平,COD反映了這種關系對于這些水平所能夠承受的損失或約束。FDNA包含了對于依賴關系所產(chǎn)生的促進和阻礙作用,將這種作用模型化,從而找出系統(tǒng)之間的相互影響。
由此,依賴于供體節(jié)點Ni的效能水平,受體節(jié)點Nj的效能水平可以由一般函數(shù)表示:
Pj=f(αij,βij,Pi),
0≤αij≤1,0≤βij≤100,
0≤Pi,Pj≤100,
(1)
式中:Pj為Nj的效能水平;αij為依賴強度;βij為依賴關鍵度;Pi為Ni的效能水平。
通常情況下,函數(shù)f可根據(jù)木桶原理來確定,得到
Pj= min[g(αij,Pi),h(βij,Pi)],
0≤Pi,Pj≤100,
(2)
式中:
g(αij,Pi)=SODPj=αijPi+100(1-αij),
(3)
h(βij,Pi)=CODPj=Pi+βij.
(4)
更一般地,節(jié)點Nj的效能水平依賴于k個供體節(jié)點N1,N2,…,Nk的操作性水平,那么
0≤Pj=min(SODPj,CODPj)≤100,
(5)
式中:
SODPj=avg(SODPj1,SODPj2,…,SODPjk),
SODPji=αijPi+100(1-αij),
(6)
CODPj=min(CODPj1,CODPj2,…,CODPjk),
CODPji=Pi+βij,
(7)
0≤αij≤1,0≤βij≤100,
0≤Pi,Pj≤100,i=1,2…,k.
確定FDNA圖中節(jié)點之間依賴強度和依賴關鍵度的方法有很多。這里提供一般方法。
首先,αij可以依據(jù)受體節(jié)點的效能水平來確定。那么就需要通過確定在沒有供體節(jié)點貢獻時,受體節(jié)點的基本效能水平是多少。如果效能水平是0,則αij=1;如果是50,那么αij=0.5;如果是70,那么αij=0.3,依此類推。因此,αij可由式100(1-αij)=x得到。式中x是受體節(jié)點在沒有供體節(jié)點貢獻時的基本效能水平。αij越大,受體節(jié)點對于供體節(jié)點的依賴強度就越強。
其次,依賴關鍵度代表了供體節(jié)點的效能水平對于受體節(jié)點的效能水平的約束。即使其他供體節(jié)點都達到最大效能水平,受體節(jié)點也可能受到某一個供體節(jié)點的限制。對于有m個供體節(jié)點的受體節(jié)點Nj,其效能水平不能超過任意第i個節(jié)點的Pi+βij, 0≤βij≤100,i=1,2…,m。
維修保障要素應包含而不限于以下14項內(nèi)容:
(1) 產(chǎn)品保障管理;
(2) 設計接口;
(3) 維持工程;
(4) 供應保障;
(5) 維修規(guī)劃與管理;
(6) 包裝、搬運、存儲和運輸;
(7) 技術資料管理;
(8) 保障和測試設備;
(9) 訓練和訓練保障;
(10) 人力和人員;
(11) 配套設施和基礎設施;
(12) 計算機資源和軟件保障;
(13) 產(chǎn)品保障預算和資金;
(14) 環(huán)境、安全和職業(yè)健康。
同時應當注意,在分析維修保障系統(tǒng)的要素關系時,不能夠拋開裝備或系統(tǒng)的特征要求,因為運行維修保障系統(tǒng)的最終目的還是使整個裝備系統(tǒng)能夠順利完成預定任務,達到規(guī)定的使用要求。因此應將裝備或系統(tǒng)的RAM(可靠性、可用度、維修性)要求也考慮在內(nèi),作為維修保障的信息源和動因,據(jù)此來建立依賴關系模型。
裝備的RAM要求一般包含:平均故障間隔時間(MTBF)、平均修復時間(MTTR)、平均保障資源延誤時間(MLDT)、使用可用度(AO)、產(chǎn)品可用度(Am)、產(chǎn)品可靠性、系統(tǒng)分析(FMECA)、潛在電路分析、熱分析、應力分析、壽命試驗、測試性、檢驗、零件和器材選擇等等。
在考慮維修保障要素之間的相互關系時,應準確把握RAM要求對維修保障要素的影響。舉例來說,平均修復時間作為實施修復性維修活動的平均時間,將會影響修理的停機時常,從而影響維修規(guī)劃和人力人員,同時平均修復時間也是控制資金和培訓系統(tǒng)的重要衡量標準。
通過分析RAM要求對于維修保障要素的影響以及各要素之間的相互作用,按照FDNA技術的分析過程,可建立維修保障系統(tǒng)的功能依賴網(wǎng)絡模型。圖2給出部分維修保障要素的關系示意圖。
對于維修保障系統(tǒng)的要素關系研究,是一個復雜的分析過程,涉及到維修資源、人力人員、環(huán)境條件等多個方面。這里僅一部分關系要素作為研究對象,作一簡要分析,供讀者參考借鑒。
結(jié)合上面給出的維修保障系統(tǒng)要素的關系示意圖,建立維修保障系統(tǒng)的依賴網(wǎng)絡關系模型,如圖3所示。
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
以某型火炮的維修保障系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)和專家評定結(jié)果為依據(jù),對模型進行分析。表1列出維修保障方案各個要素之間依賴關系的強度及關鍵度的參數(shù)值。
將平均故障間隔時間、平均修復時間、平均保障資源延誤時間轉(zhuǎn)化而得的3組效能水平數(shù)據(jù)帶入計算,得到表2的結(jié)果。
計算結(jié)果可以按照正向和逆向兩種不同的分析思路來進行,從而得出不同結(jié)論,達到不同的目的。
(1) 正向分析
從表2中可以看出,RAM要求對于維修保障方案各個要素的影響是非常大的。而各個要素的效能水平往往要取決于裝備論證研制中的最薄弱環(huán)節(jié)。以平均故障間隔時間為例,其對于維修規(guī)劃中的預防性維修頻率會產(chǎn)生影響,從而對整個維修規(guī)劃的階段劃分和活動決策提出要求。隨著MTBF時間的改變,對于備件的種類和數(shù)量也會發(fā)生變化,并伴隨儲備費用的變化,因此會影響整個供應保障工程。同時,所需的維修保障人力也將應為故障間隔時間的改變而進行調(diào)整。MTBF還會要求所配備的設施要能夠滿足修理的產(chǎn)品數(shù)量,這直接影響了用于修理和儲藏的空間以及電力要求。最后,所有維修活動、備件設施、人力人員,都同資金有著直接的關系,這也反映了MTBF對于資金要求有著決定作用。
表1 αij和βij取值表
表2 依賴模型輸入輸出分析表
(2) 逆向分析
該思路重要用于在進行維修保障系統(tǒng)構(gòu)成設計時,能夠以RAM為依據(jù),合理優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)成及相關配置。以平均修復時間為例,平均修復時間是實施修復性、維修性使用的平均時間,包含了故障的檢測、定位、隔離、修復、驗證等時間。因此,裝備設計者往往追求盡量短的平均修復時間,而達到更高的維修性水平。出于這樣的目標,在設計維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成時,就應將各個要素統(tǒng)籌規(guī)劃,以滿足維修性要求。具體來說,對于維修規(guī)劃,應制定合理有效的維修策略,盡量減少修理的停機時常。同時,要配備相應的人力人員,滿足系統(tǒng)對于人力的需求,并規(guī)劃出能夠達到目標能力的培訓系統(tǒng)。為獲得更短的平均修復時間而在系統(tǒng)開發(fā)階段提供資金能夠提升系統(tǒng)可用性降低系統(tǒng)的壽命周期費用。
目前,關于維修保障系統(tǒng)的研究大多聚焦于系統(tǒng)效能評估、指標評價的研究上。而對于維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成要素之間的關系研究相對較少,不利于維修保障系統(tǒng)的構(gòu)成設計以及對應的維修保障方案的開發(fā)。
本文利用FDNA技術,對維修保障系統(tǒng)各個要素的關系進行了分析,以產(chǎn)品管理保障、設計接口、維持工程等14項維修保障要素作為依據(jù),結(jié)合裝備的可靠性、可用度、維修性要求,對維修保障系統(tǒng)進行了較為客觀和全面的分析。從分析結(jié)果可以看出,RAM要求對于維修保障系統(tǒng)具有較強的限制性和依賴性,因此在設計維修保障系統(tǒng)時,要充分考慮對于裝備RAM的影響,同時兼顧維修保障系統(tǒng)各個要素之間的相互依賴作用,從而提高整體保障能力和保障水平。
本文對于FDNA在維修保障系統(tǒng)中的分析還只是嘗試階段,未來對于如何快速有效地篩選維修保障系統(tǒng)關鍵要素,如何客觀評斷要素之間依賴性的量化數(shù)值,以及怎樣更好的將維修保障系統(tǒng)分析與系統(tǒng)設計相結(jié)合等問題,還有待進一步研究。
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