韓朝帥 王玉泉 陳守華 申 瑩

裝甲兵工程學院技術(shù)保障工程系 ,北京100072

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基于虛擬現(xiàn)實的維修性定量指標驗證方法研究

韓朝帥 王玉泉 陳守華 申 瑩

裝甲兵工程學院技術(shù)保障工程系 ,北京100072

對維修性定量指標驗證的研究現(xiàn)狀進行分析，提出構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品維修性定量指標驗證系統(tǒng)，進而從總體框架、核心技術(shù)和驗證方法3個方面進行了詳細闡述。最后，以某型車輛傳動裝置為例進行了實例仿真分析。該方法為在產(chǎn)品研制設(shè)計階段并行維修性定量指標的驗證工作提供了非常有意義的參考價值。

維修性驗證；虛擬現(xiàn)實；定量指標；平均修復時間

維修性定量指標驗證[1]是維修性驗證研究的關(guān)鍵工作之一，是指在規(guī)定的環(huán)境和條件下進行維修性定量參數(shù)試驗，并對試驗數(shù)據(jù)分析判定估計，以確定是否滿足指標要求。由文獻[2-12]可知，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)在基于虛擬仿真的維修性定性指標的驗證方面均做出了深入可行的研究，如維修可達性、簡易性和可視性等，但在維修性定量指標驗證方面缺乏行之有效的研究?，F(xiàn)行應用較多的維修性定量指標驗證方法主要是基于物理樣機的統(tǒng)計試驗和流程估算相結(jié)合的方法。其缺點是采用物理樣機使得驗證后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改困難，同時造成時間、人力和資源的巨大浪費，尤其是隨著產(chǎn)品復雜程度越來越高，表現(xiàn)尤為突出。

對此，本文提出一種基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品維修性定量指標驗證方法，不僅解決了傳統(tǒng)方法帶來的高消耗和更改難問題，也使產(chǎn)品設(shè)計研制階段研究維修性定量指標的驗證得以實現(xiàn)，為研究維修性定量指標驗證提出了新的方法和思路。

1 虛擬現(xiàn)實維修性定量指標驗證系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)流程建模

虛擬現(xiàn)實維修性定量指標驗證系統(tǒng)(PMQPV-VR系統(tǒng))是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)[13]和其它計算機技術(shù)，實現(xiàn)沉浸式維修性定量指標的驗證。PMQPV-VR系統(tǒng)由對象層、應用層和界面層組成，主要的技術(shù)手段有VR外接設(shè)備及其控制技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)(PDM)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 PMQPV-VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1.2 維修環(huán)境動態(tài)建模

根據(jù)合同規(guī)定的驗證環(huán)境要求，使用3D-MAX或Solidworks軟件構(gòu)建驗證環(huán)境靜態(tài)模型，一般包括修理廠、地溝、維修設(shè)備、操作臺及維修工具等模型。將模型導入Jack或其它VR軟件，使維修環(huán)境由靜轉(zhuǎn)動，構(gòu)建維修環(huán)境動態(tài)模型。

1.3 虛擬樣機建模

在不影響驗證精準度的基礎(chǔ)上，構(gòu)建滿足產(chǎn)品維修需求的產(chǎn)品CAD模型，使其導入系統(tǒng)環(huán)境中后能夠支持整個虛擬維修過程空間、時間和自由度約束。最后，將樣機與交互系統(tǒng)配置連接，使其能精確完成維修拆卸和安裝的虛擬仿真。圖2為虛擬樣機構(gòu)建流程圖。

圖2 虛擬樣機構(gòu)建流程圖

1.4 碰撞檢測

三維場景中有些物體可以穿越，而有些物體是不能穿越的，例如變速箱中主動軸和輸出軸對應檔位齒輪是不能穿越的。在仿真時必須對那些不能穿越的部件進行碰撞檢測。虛擬維修碰撞檢測是指對部件間的幾何位置進行限制，檢測部件間的距離，一旦小于某個閾值，則認為發(fā)生了碰撞，此時就要對樣機進行部分修正，保證維修仿真的正常進行。

1.5 維修動素數(shù)據(jù)庫

如何處理仿真數(shù)據(jù)是研究維修性定量指標驗證的一項重要工作。國軍標GJB2072 -94《維修性試驗和評定》中提供的維修性定量指標驗證方法都是針對整車進行的，缺少針對產(chǎn)品各子系統(tǒng)乃至各個設(shè)備總成的驗證方法，不適用于基于PMQPV-VR系統(tǒng)的維修性定量指標驗證。維修動素數(shù)據(jù)庫的建立很好的解決了這個問題。

維修動素數(shù)據(jù)庫包括維修動素庫和維修動素標準時間庫。構(gòu)建針對每一型號產(chǎn)品所有故障的維修模型明顯不切實際，所以構(gòu)建維修動素庫時必須把維修過程分解到動素層。通過實際統(tǒng)計或數(shù)學計算公式編寫維修動素標準時間函數(shù)，進而構(gòu)建維修標準時間庫。例如構(gòu)建擰螺栓時間數(shù)據(jù)庫時，必須對各型號螺栓(口徑大小和螺圈數(shù)不同)，分別統(tǒng)計獲取旋轉(zhuǎn)一個螺圈所需的時間樣本，進而得到擰螺栓的維修動素標準時間數(shù)據(jù)庫。圖3為虛擬維修過程分解及標準時間模型。

圖3 維修過程分解及標準時間模型

2 維修性定量指標驗證

維修性定量指標概括的講可以分為2大類：維修時間參數(shù)和維修費用參數(shù)。常用的維修性參數(shù)有：維修延續(xù)時間參數(shù)、維修工時參數(shù)、維修周期參數(shù)、維修費用參數(shù)、可用度參數(shù)及綠色維修參數(shù)，其中平均修復時間(Mean Time To Repair, MTTR)是驗證產(chǎn)品維修迅速性最具有代表性的特征參數(shù)。本文將MTTR作為代表進行維修性定量指標驗證的實例研究。

虛擬現(xiàn)實試驗相對于物理樣機同樣存在一定的不足。首先，利用維修動素數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)維修性定量指標的統(tǒng)計，但由于產(chǎn)品故障模式的不同并不能直接采集整車MTTR或系統(tǒng)MTTR樣本。其次，產(chǎn)品故障往往不是單一模式出現(xiàn)，而是多單元組合出現(xiàn)故障，這很難在虛擬試驗中模擬實現(xiàn)。最后，虛擬試驗無法展現(xiàn)關(guān)重部件(關(guān)鍵、重要的零部件)對產(chǎn)品的影響，若不加以考慮則會產(chǎn)生較大的誤差。本文根據(jù)復雜系統(tǒng)的故障及維修特點，構(gòu)建了并聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗證模型(不考慮關(guān)重部件的影響)；而后考慮關(guān)重部件的影響，將關(guān)重件作為系統(tǒng)的串聯(lián)單元，構(gòu)建了適用于虛擬試驗且比較貼近實際的串并聯(lián)混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗證模型。

2.1 并聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗證模型

并聯(lián)系統(tǒng)由n個單元并聯(lián)組成，各單元相互獨立，壽命分布均服從指數(shù)分布。圖4為并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進行故障樹分析(FTA)，其FTA約定為：

1) 不考慮外力強制破壞造成的故障；

2) 系統(tǒng)各組成單元發(fā)生故障相互獨立；

3) 系統(tǒng)和其組成單元只考慮發(fā)生或不發(fā)生故障2種狀態(tài)；

4) 壽命分布均服從指數(shù)分布。

假設(shè)系統(tǒng)各組成單元的故障分別為{1,2,3，…，j，…，n}(n個單元)，則系統(tǒng)所有故障組合集合為：

U={(1),(2),(3),…,(n),…,(i,j)，…，
(i,j,k),…,(1,2,3,…,n)}

系統(tǒng)MTTR的計算公式為

(1)

其中,u為系統(tǒng)所有故障組合集合U中的一個元素；Nu表示針對故障u的虛擬維修工作；E(T|Nu)指進行Nu所需的MTTR；P(Nu)指Nu的發(fā)生概率。

而

(2)

其中，Tm為系統(tǒng)工作時間；λi,λj分別為單元i和j的故障率；X為虛擬試驗采集維修時間數(shù)據(jù)樣本X={X1,X2,…,Xn}，維修時間一般服從對數(shù)正態(tài)分布。

所以，

(3)

一般λiTm很小，近似認為eλiTm≈1+λiTm，則

(4)

2.2 串并混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗證模型

將關(guān)重件作為串聯(lián)單元，根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的并聯(lián)系統(tǒng)MTTR模型，構(gòu)建適用于虛擬試驗的串并混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗證模型。圖5為一般串并混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 一般串并混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

則

(5)

3 實例仿真分析

某型車輛傳動裝置一般工作時間為2h，其主要由主離合器、前傳動、變速箱、制動器和側(cè)減速器組成。在window7，內(nèi)存8G的硬件設(shè)施中打開Jack6.1軟件，連接虛擬頭盔和數(shù)據(jù)手套，導入傳動裝置虛擬樣機，調(diào)用維修動素數(shù)據(jù)庫，采用中國成年男子模型進行仿真試驗。表1為虛擬試驗得到的各部件維修時間樣本。

將齒輪傳動箱的數(shù)據(jù)代入式(2)中，得到

表1 傳動系統(tǒng)各部件維修時間樣本

同理，得到各部件的平均修復時間，表2 為傳動系統(tǒng)各部件MTTR估計值。

表2 傳動系統(tǒng)各部件MTTR估計值

1)不考慮關(guān)重部件對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)存在的故障狀態(tài)集合為U={(1)，(2)，…，(5)，(1，2)，(1，3)，…，(1，5)，(2，3)，…，(i，j)，…，(3，5)，(4，5)，(1，2，3)，…，(1，2，3，4，5)}。將表2數(shù)據(jù)代入式(4)，得到傳動系統(tǒng)的MTTR為

2)考慮關(guān)重部件對系統(tǒng)的影響，根據(jù)部件復雜和重要程度設(shè)定變速箱和制動器為傳動系統(tǒng)的關(guān)重部件，則m=2，n=3，并聯(lián)系統(tǒng)存在的故障狀態(tài)集合為U={(1)，(2)，(5)，(1,2)，(1，5)，(1，2，5)}。將表2中數(shù)據(jù)代入式(5)，得到傳動系統(tǒng)的MTTR為

結(jié)果表明，不考慮關(guān)重件的影響時傳動系統(tǒng)的MTTR為2.4412h，考慮關(guān)重件的影響時傳動系統(tǒng)的MTTR為2.3471h。在實際環(huán)境中對該傳動系統(tǒng)進行實車試驗，試驗結(jié)果為該傳動系統(tǒng)的MTTR點估計值為2.33h，置信度為95%的區(qū)間估計為[2.26h,2.45h]。結(jié)果表明，虛擬仿真中，并聯(lián)系統(tǒng)模型和串并混聯(lián)系統(tǒng)模型都可以實現(xiàn)較為準確的MTTR驗證，但相對而言，串并混聯(lián)系統(tǒng)模型更加貼近產(chǎn)品的實際情況。

4 結(jié)語

在維修過程分解的基礎(chǔ)上，提出開發(fā)適用于Jack軟件的產(chǎn)品維修動素數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了對產(chǎn)品維修時間的仿真，進而構(gòu)建虛擬現(xiàn)實維修性定量指標驗證系統(tǒng)，并以MTTR的驗證為例進行了研究，構(gòu)建出適用于該系統(tǒng)的串并混聯(lián)系統(tǒng)MTTR驗證模型，實現(xiàn)了對產(chǎn)品系統(tǒng)的MTTR驗證。該方法對于產(chǎn)品設(shè)計研制階段同步并行產(chǎn)品的維修性定量指標驗證具有非常有意義的參考價值。

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ResearchonMaintainabilityQuantitativeParametersVerificationMethodBasedonVirtualReality

HAN Chaoshuai WANG Yuquan CHEN Shouhua SHEN Ying
Academy of Armored Force Engineering, Department of Technical Support Engineering, Beijing 100072，China

Accordingtotheanalysisofresearchstatusofmaintainabilityquantitativeparametersverification,theproductmaintainabilityquantitativeparametersverificationsystembasedonvirtualrealityisbuilt,whichiselaboratedinthreeaspectsknownastheconceptofverification,coretechnologyandverificationmethod.Finally,thegearofanarmoredvehicleisanalyzedasacasestudy.Thismethodcanbeservedasasignificantreferencevalueforparallelingmaintainabilityquantitativeparametersverificationintheproductdevelopmentstage.

Maintainabilityverification;Virtualreality;Quantitativeparameters; MTTR

2014- 03- 10

韓朝帥(1993-)，男，山西運城人，碩士研究生，主要研究方向為虛擬維修仿真；王玉泉(1964-)，男，河北保定人，教授，碩士生導師，主要研究方向為武器裝備質(zhì)量管理;陳守華(1977-)，男，山東臨沂人，博士，講師，主要研究方向為武器系統(tǒng)與運用工程；申瑩(1977-)，女，哈爾濱人，博士，講師，主要研究方向為裝備綜合保障與可靠性。

TJ811+.2

： A

1006- 3242(2014)06- 0075- 06