郭婧宜 孫宇鋒 吳寒雪 趙廣燕

(北京航空航天大學 可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191)

質量工程和系統(tǒng)工程學科的發(fā)展促進了質量概念的不斷演進［1］，現代質量觀認為質量包含了系統(tǒng)所要滿足的全部使用要求特性的總和.

在武器裝備論證工作中，為評價裝備系統(tǒng)方案的優(yōu)劣，必須采用某種尺度去度量系統(tǒng)方案的質量，這種尺度被稱為質量特性.由于系統(tǒng)的復雜性和任務需求的多樣性，裝備的質量特性往往不是單個明確定義的參數，而是由多個參數構成的一組指標序列.依據內涵的不同，裝備質量特性可分為綜合質量特性(如系統(tǒng)效能、戰(zhàn)備完好性等)和單項質量特性(如可靠性、維修性，速度、精度等).綜合質量特性與用戶需求或裝備使用密切相關，單項質量特性則更多與設計特性密切相關.裝備質量特性是度量裝備系統(tǒng)方案優(yōu)劣的重要指標，裝備質量特性的確定對裝備系統(tǒng)方案選擇及質量特性的綜合設計具有重要意義.

系統(tǒng)效能概念最早是由美國工業(yè)界武器效能咨詢委員會提出的，它是衡量一個系統(tǒng)滿足一組特定任務需求的程度的度量，是系統(tǒng)可用性A、可信性D和能力C的函數，是度量裝備質量特性最重要的參數之一.

本文結合從戰(zhàn)略到任務STT(Strategy to Task Technique)法、模糊質量功能展開 QFD(Quality Function Deployment)法、圍繞系統(tǒng)效能ADC模型，給出了一種基于STT與模糊QFD的裝備總體質量特性分解的通用方法.

1 STT和模糊QFD方法

1.1 基于STT的分解

STT方法［2］是通過一系列分解方法和分解過程，從上到下，從總體戰(zhàn)略需求著手直到作戰(zhàn)任務層，最終得到裝備典型任務剖面或裝備能力需求信息的方法.其核心是根據上層需求信息分析、映射，從而得到下一層的屬性信息.如何分析、映射上層信息是STT分析方法中的重要內容.

本文基于STT方法，以任務分解為核心，同時進行裝備結構分解，自頂向下逐層進行裝備質量特性的分解.

如圖1所示，從裝備總體戰(zhàn)略目標入手，進行任務需求分析，建立裝備任務剖面，分析任務構成，其順序可以是高層戰(zhàn)略目標→戰(zhàn)術任務→系統(tǒng)級任務→低層次目標.將裝備總體任務目標分解為子任務 M1，M2，…，Mm后，可以對其中任一子任務Mj建立任務系統(tǒng)效能ej，其中j=1，2，…，m.

圖1 裝備質量特性分解過程

依次遞推，頂層效能目標逐步分解為基本任務系統(tǒng)效能，并進一步分解為裝備各功能系統(tǒng)的目標特性，得到表征裝備及其組成系統(tǒng)的質量特性參數，從而建立起裝備質量特性參數集.

將各子任務的任務系統(tǒng)效能ej組合加權，建立裝備總體效能E，即

1.2 基于模糊QFD的分解

QFD方法［3］是一種面向用戶需求的產品開發(fā)決策方法，可將顧客需求逐級分解為有關的技術特性，并且通過對各級技術要求等項目的重要度加權評價找出對產品質量及其關鍵作用的因素.QFD的核心是質量屋(HOQ，House of Quality)，它是一種形象直觀的二元展開圖表.加權評分法是用于HOQ評估的基本方法.考慮到QFD過程中存在大量主觀的、不確定的、邊界模糊的和定性的評分信息，本論文將結合模糊集理論來處理這些評分信息.

在應用HOQ前，先用層次分析法建立任務與系統(tǒng)相互關系矩陣，進行權重分析，并根據分析結果找到任務中最主要的系統(tǒng)及其對任務的權重.在此基礎上建立如圖2所示的HOQ，用于分析某確定子任務下系統(tǒng)與質量特性之間的關系，從而找到該子任務下最主要的質量特性.

圖2 裝備質量特性分解的HOQ

2 裝備質量特性分解流程

設裝備經STT分析后，具有m個子任務(M1，M2，…，Mm)、n 個系統(tǒng)(S1，S2，…，Sn)及 l個單項質量特性(Q1，Q2，…，Ql).

2.1 子任務權重比aj

假設有f位專家對影響武器裝備系統(tǒng)效能E的m個子任務(M1，M2，…，Mm)的權重進行評分，得到專家評分矩陣 F=［pjt］m×f，根據式(2)確定子任務Mj對總任務的權重比aj:

2.2 系統(tǒng)對任務的權重比ωji

對(S1，S2，…，Sn)和(M1，M2，…，Mm)的重要性進行兩兩比較，構造權重判斷矩陣 K=［pji］m×n，并由式(3)確定系統(tǒng) Si對任務 Mj的權重比ωji:

其中 i=1，2，…，n;j=1，2，…，m.

2.3 系統(tǒng)的可用度Ai和可信度Di

設裝備所要求達到的可用度和可信度為A和D，為獲得各系統(tǒng)的可用度和可信度，必須知道各系統(tǒng)在總任務中的重要度.設系統(tǒng)Si在總任務中的重要度為ωi，可由式(4)得到:

系統(tǒng)Si的可用度和可信度由式(5)得到:

2.4 建立子任務HOQ

對子任務Mj建立一張如圖3所示的HOQ，左墻取該任務環(huán)境下重要度ωji＞ε(ε為任意小數)的n*個系統(tǒng)()，并按重要度大小從上到下排列.

圖3 M j任務下的HOQ

根據圖3中Rik和rkh的含義構建相關關系矩陣 R=［Rik］n*×l及 r=［rkh］l×l，其中 i=1，2，…，n*;k，h=1，2，…，l.

其中 g，k=1，2，…，l.

2.5 模糊處理求重要度

任務與質量特性間的相互關系是由專業(yè)人員根據工程經驗進行定義和分類的，常不能用精確數值反映實際情況.為此引入模糊集進行處理.

其中，i=1，2，…，n*;g，k=1，2，…，l;α∈［0，1］.

在QFD中，Mj任務下的第k個質量特性Qk的重要度 W可由下式得到:

其中，i=1，2，…，n*;k=1，2，…，l;j=1，2，…，m.在特定的α水平下的α截集的上下界為

2.6 裝備系統(tǒng)效能E

綜上所述Mj任務下的任務系統(tǒng)效能為

將式(2)、式(14)代入式(1)，得到武器裝備總體效能E:

3 案例分析

3.1 裝備Z的STT分析

假設有某裝備Z，其戰(zhàn)略目標是海上作戰(zhàn).經過對此裝備的STT分析后認為該裝備具有船體裝置等5個系統(tǒng)以及對空任務M1和反潛任務M22個分任務和6個下級子任務，同時具有15個質量特性(Q1，Q2，…，Q15).如圖4、圖5 所示.

圖4 裝備結構和任務分解

圖5 裝備Z的質量特性參數集

3.2 確定分任務和子系統(tǒng)權重

假設有4位專家b1～b4對分任務權重進行評分，評分矩陣如表1.

表1 分任務對總目標權重的專家評分矩陣

由式(2)可得到2個分任務的權重

由于每個分任務對系統(tǒng)的要求不同，本文采用層次分析法判斷系統(tǒng)對每個分任務的權重.對空任務系統(tǒng)權重判斷矩陣如表2.

表2 對空任務中子系統(tǒng)權重判斷矩陣

根據式(3)計算各系統(tǒng)在對空任務下的權重值:

并得到權重值排序:

同樣可得到各系統(tǒng)在反潛任務下的權重.由各系統(tǒng)在不同任務下的重要度可得到各系統(tǒng)在總任務中的重要度，根據式(4)得到:

設裝備所要求達到的可用度A為0.95，可信度D為0.9.根據式(5)，分配至各系統(tǒng)的可用度和可信度為

3.3 建立分任務HOQ

1)對空任務HOQ.

圖6 對空任務HOQ

此處省略模糊處理過程，根據對空任務HOQ圖(圖6)數據、式(6)和式(12)直接得到對空任務下各質量特性的重要度:

2)反潛任務.

在反潛任務環(huán)境中，由于保障系統(tǒng)S4在總任務中的權重ω24=0.067過小，所以在該任務環(huán)境下，取重要度前4位的4個系統(tǒng)建立HOQ，最終得到反潛任務下各質量特性的重要度值:

3.4 裝備Z的系統(tǒng)效能

根據式(14)，對空任務的系統(tǒng)效能為

反潛任務的系統(tǒng)效能為

則裝備Z總體系統(tǒng)效能為

帶入數據得到(保留兩位有效數字):

需要注意的是，計算中不同質量特性參數的量綱歸一化十分重要，為了解決這個問題，本文引入“能力指數”概念.能力指數定義為:“預期可接受能力或實際能力與理想能力的比值”.能力指數是一個(0，1)區(qū)間上無量綱的數.在進行系統(tǒng)效能計算時，將各種質量特性用其能力指數代替，以此統(tǒng)一各質量特性的單位.

在不考慮系統(tǒng)風險、經濟承受性等情況下，可以認為效能最大的系統(tǒng)方案為最優(yōu)方案.由式(16)可知，裝備Z的系統(tǒng)效能大小決定于15個單項質量特性參數的值，因此開展裝備Z質量特性綜合設計時，要以獲得系統(tǒng)效能最大值為原則，同時結合其他設計因素進行.

4 結論

通過對基于STT與模糊QFD的裝備質量特性分解方法的介紹和案例分析，得到以下結論:

1)裝備總體系統(tǒng)效能指標可以具體分解到相關任務及功能系統(tǒng)的關鍵質量特性指標中，同時建立起綜合考慮任務和相關功能系統(tǒng)質量特性影響的更為精確的系統(tǒng)效能模型.

2)根據通過該方法建立起的裝備總體系統(tǒng)效能的模型，可以分析確定影響裝備系統(tǒng)效能的關鍵質量特性參數.

References)

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