韓朝帥，王 坤，潘恩超，劉瑞起

(防化研究院裝備保障研究室，北京 102205)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于云理論的復雜裝備維修性指標評價研究

韓朝帥，王 坤，潘恩超，劉瑞起

(防化研究院裝備保障研究室，北京 102205)

針對復雜裝備維修性指標評價的不確定性特點及傳統(tǒng)方法的不足之處，提出了基于云理論的裝備維修性指標評價方法，并以基于虛擬現(xiàn)實的裝備維修性驗證系統(tǒng)(Equipment Maintainability Test System Based on Virtual Reality，簡稱EMTS-VR)為對象進行研究分析；在框架結(jié)構(gòu)和試驗流程兩個方面對EMTS-VR進行優(yōu)勢分析；在EMTS-VR優(yōu)勢分析的基礎(chǔ)上，得到其評價指標體系，構(gòu)建評價指標云模型，進而得到維修性指標綜合評價云模型；最后，通過實例分析驗證該方法的可行性和科學性。

維修性評價；云模型；復雜裝備；虛擬現(xiàn)實；維修可達性

reachability

裝備維修性水平對其可用性以及任務(wù)成功率有著至關(guān)重要的作用[1]。隨著新型裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜程度、軟硬件高度集成化越來越高，裝備系統(tǒng)及相關(guān)要素的不確定性也隨之提高，對科學有效地進行維修性評價工作，正確判定裝備的維修性水平，從方法、技術(shù)、資源等各方面都帶來了困難和挑戰(zhàn)。

關(guān)于裝備維修性指標評價方法有很多，如模糊綜合評判法[2]、TOPSIS評判法[3]、灰色關(guān)聯(lián)度評判法[4]，這些方法對定性指標進行定量描述比較實用，但對定量指標進行定性描述、定性定量指標綜合描述時不僅數(shù)據(jù)要求比較高，在解決指標不確定性、提高評價結(jié)果的精確性方面效果也甚微，不能滿足新型裝備維修性評價的要求。云理論[5-7]在解決定量語言值與定性概念之間相互轉(zhuǎn)換時的不確定性問題上具有獨特優(yōu)勢，已被廣泛應用到學習評價、效能評估、資源預測等各個領(lǐng)域。

本文以目前研究應用較為廣泛的基于虛擬現(xiàn)實的裝備維修性驗證系統(tǒng)[8-10](Equipment Maintainability Test System Based on Virtual Reality，簡稱EMTS-VR)為研究對象，對該系統(tǒng)進行優(yōu)勢分析，建立EMTS-VR系統(tǒng)下裝備維修性指標評價體系，提出基于云理論的裝備維修性指標評價方法，最后通過試驗仿真驗證該方法的科學性和可行性。

1 EMTS-VR優(yōu)勢分析

1.1 EMTS-VR與基于物理樣機的維修性試驗

EMTS-VR是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主的計算機技術(shù)應用到裝備維修性仿真試驗中，通過操控虛擬人實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的實時人機交互、沉浸或非沉浸式維修及維修性指標的驗證。相對于基于物理樣機的維修性試驗，EMTS-VR以裝備虛擬樣機代替物理樣機，對部分或整個維修過程進行仿真，實現(xiàn)裝備設(shè)計研制階段并行開展維修性驗證工作，克服了裝備驗證經(jīng)費昂貴、結(jié)構(gòu)復雜、進度緊張、樣本過少等帶來的不利影響，為更加客觀、全面地驗證裝備維修性提供技術(shù)支撐。具體表現(xiàn)為：虛擬現(xiàn)實技術(shù)采用的是虛擬樣機，不受貴重件的限制，能注入具有高傷害、毀滅性的故障模式；另外，在裝備設(shè)計階段并行開展維修性驗證工作，大大降低維修性驗證和維修設(shè)計更改的費用，減少了物理樣機試驗帶來的資源浪費。圖1為EMTS-VR的總體框架結(jié)構(gòu)圖。

1.2 EMTS-VR評價指標體系

維修性指標評價體系主要包括選取體系要素和設(shè)計體系結(jié)構(gòu)兩大內(nèi)容。其中每個要素都是體系中一元素，各元素之間的相互作用構(gòu)成了體系結(jié)構(gòu)。構(gòu)建EMTS-VR評價指標體系，是指以系統(tǒng)思想為指導，對維修性設(shè)計要素進行充分調(diào)研和分析，并運用科學的系統(tǒng)工程方法，結(jié)合設(shè)計要求、虛擬現(xiàn)實仿真特點和體系構(gòu)建原則，不斷改進完善形成維修性設(shè)計評價指標體系。

圖1 EMTS-VR總體框架結(jié)構(gòu)

1.2.1 要素選取依據(jù)

基于虛擬現(xiàn)實的維修性設(shè)計評價要素的選取是指在維修性設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬現(xiàn)實仿真試驗的特點進行要素篩選的過程。維修性設(shè)計評價要素的選取依據(jù)主要包括以下3點：

1) 戰(zhàn)斗能力再生成需求是選取體系要素的首要考慮因子。例如裝備的平均修復時間直接影響裝備戰(zhàn)斗能力的再生成，故應首先考慮選取平均修復時間指標。

2) 裝備的結(jié)構(gòu)特點是決定體系要素的重要依據(jù)。根據(jù)自身特點選擇適合裝備本身的驗證要素，當前裝備多以機械部件為主，所以選取時應選擇能直接反映裝備機械部件的拆卸、分解、檢查、更換、修復、安裝、校準等維修難易程度和時間長短的要素。

3) 選取要素的同時，必須考慮要素在虛擬環(huán)境中驗證的可實現(xiàn)性。一些不能在虛擬環(huán)境中表示的要求，不適合選取到EMTS-VR評價指標體系中。

1.2.2 構(gòu)建體系

結(jié)合EMTS-VR特點，按照我國軍標關(guān)于維修性設(shè)計提出的要求和要素選取依據(jù)，構(gòu)建EMTS-VR評價指標體系如圖2所示。裝備維修性評價指標體系根據(jù)維修性要求的不同特點，將指標分為過程屬性和產(chǎn)品屬性兩大類。過程屬性中的維修性要求都需要維修人員的參與，結(jié)合具體的維修過程才能進行試驗與評定。對于系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下的維修性試驗而言，這一類的評價指標包括可達性、維修性時間參數(shù)、人因工程和拆卸性。第二類屬性為產(chǎn)品屬性，這一類屬性中的維修性要求都是由產(chǎn)品自身屬性決定的，不需要結(jié)合虛擬維修過程仿真技術(shù)，與“人”的因素關(guān)系不大，只需要分析系統(tǒng)詳細數(shù)字樣機幾何模型就可以確定。這一類要素包括：簡易性、標準化互換性、防差錯能力和維修安全性等。過程屬性需要進行試驗分析，產(chǎn)品屬性往往根據(jù)維修人員經(jīng)驗由工程人員通過核對表進行核查評定。

圖2 EMTS-VR評價指標體系

2 維修性驗證與評價云模型

2.1 維修性指標評價云模型

2.1.1 確定各指標概念論域

由圖3可知，維修性評價指標體系包含定性指標和定量指標，須對各指標進行云變換，以得到各指標的概念論域：

(1)

對于定性指標，概念論域樣本可以采取頭腦風暴法、德爾菲法等獲?。粚τ诙恐笜?，一般通過收集1 000組與待評價裝備相似的裝備歷史數(shù)據(jù)作為概念論域樣本。

2.1.2 指標云化

通過維修仿真試驗和核查表評定，收集10組目標系統(tǒng)待評價指標樣本，通過逆向云化得到各指標正態(tài)云Ui(Exi,Eni,Hei)。

2.1.3 計算指標隸屬度

以各指標正態(tài)云的期望值為一個云滴，輸入X條件云發(fā)生器中，生成各指標對相應概念論域的隸屬圖和隸屬度，進而得到各指標的定性評估結(jié)果，圖3顯示了指標評價流程。

2.2 系統(tǒng)維修性評價云模型

2.2.1 加權(quán)云重心綜合評判

以云重心法對系統(tǒng)各指標云模型進行加權(quán)綜合，生成一個n維的系統(tǒng)維修性評價云模型。當指標值發(fā)生變化，系統(tǒng)維修性評價云亦隨之改變，云重心T可由n維向量表示：

(2)

其中，ai為指標云重心的位置向量，bi為指標權(quán)重值。

(3)

圖3 指標評價流程

2.2.2 計算偏離度

(4)

2.2.3 計算指標體系隸屬度

按照2.1.3步驟，將系統(tǒng)維修性評價綜合云的期望值代入X條件云發(fā)生器，生成相對于評價綜合云的隸屬度，得到被評價系統(tǒng)的維修性定性評估結(jié)果。

2.3 評估報告

根據(jù)系統(tǒng)和指標的定性評估結(jié)果，撰寫評估報告，完成該裝備系統(tǒng)的維修性評價工作。報告中既要體現(xiàn)該裝備的維修性高低，還須對該裝備的各指標進行定性描述，為下一步進行裝備維修性增長設(shè)計提供詳細的修正建議。

3 實例分析

對M型裝備某部件進行維修性評價，以維修性評價3層指標“可達性”為例進行分析。其他指標可參照此法進行。

1) 根據(jù)2.2.1步驟，通過式(1)，得到裝備武器系統(tǒng)“可達性”指標的概念論域，如表1所示，圖4為該指標定性概念論域圖。

表1 “可達性”指標概念論域

圖4 M型裝備某部件“可達性”指標的概念論域

2) 將裝備虛擬樣機數(shù)據(jù)導入EMTS-VR系統(tǒng)，進行10次維修可達性拆裝仿真試驗，如圖5所示。

圖5 維修可達性拆裝仿真試驗

3) 收集各指標數(shù)據(jù)，按照2.1.2對指標“接觸可達性”、 “視覺可達性”和“空間可達性”云化處理，得到各指標正態(tài)云模型集，如圖6所示。圖6中a為“維修接觸可達性”指標云模型,b為“維修視覺可達性”指標云模型，c為“維修空間可達性”指標云模型。

圖6 指標云模型圖

4) 將各指標期望值代入相應定性概念，得到各指標的隸屬度和對應概念，如表1所示。

表1 各指標定性概念隸屬度及對應概念

通過式(3)，得到該部件3層指標“可達性”指標下各4層指標權(quán)重向量b*=(0.4,0.3,0.3)T，由式(2)、式(4)及2.2.3 分別得到該部件的綜合云重心向量、偏離度和指標體系隸屬度，如表2所示。

表2 M型裝備某部件“維修可達性”評估表

由表1和表2可知，該部隊M型裝備該部件“維修可達性”指標值為0.591，介于“良”和“一般”之間，更偏向于“一般” ； 其中“維修接觸可達性”指標偏向于“一般”，“維修視覺可達性”指標偏向于“良”，“維修空間可達性”指標偏向于“良”。該結(jié)果可作為對上級系統(tǒng)綜合評價及裝備設(shè)計者實施有效改進的依據(jù)。

4 結(jié)語

針對新型裝備復雜性和不確定性特點，提出了采用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和云理論方法進行裝備維修性評價，并以實例驗證了該方法的可行性和科學性，對裝備研制階段加強維修性設(shè)計具有一定的參考指導價值。然而，作為一個復雜性系統(tǒng)理論與實踐工程，裝備維修性評價分析研究涉及到裝備建模、三維仿真、數(shù)據(jù)挖掘等多個學科領(lǐng)域，亟待研究的前沿性問題很多，不能過分強調(diào)其優(yōu)勢，而忽略可能存在的潛在問題。

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(責任編輯 周江川)

Research on Complex Equipment Maintainability Index Evaluation Based on Cloud Theory

HAN Chao-shuai, WANG Kun, PAN En-chao, LIU Rui-qi

(Equipment Support Laboratory, Chemical Defense Research Institute, Beijing 102205, China)

As the evaluation uncertainty of comprehensive equipment maintainability index and the defect of traditional methods, the paper raised the evaluation method of equipment maintainability index according to cloud theory, and researched Equipment Maintainability Test System based on Virtual Reality (EMTS-VR). The paper made advantage analysis to EMTS-VR standing on the angle of frame structure and experimental flow. The paper excogitated evaluation index system based on the previous studies, and built evaluation index cloud theory and got the evaluation cloud theory of maintainability index. Finally, the paper verified feasibility and scientificity of the method.

maintainability evaluation; cloud model; complex equipment; virtual reality; maintenance

2016-09-25；

2016-10-29 作者簡介：韓朝帥 (1993—)，男，助理工程師，主要從事裝備綜合保障研究。

10.11809/scbgxb2017.03.016

韓朝帥，王坤，潘恩超，等.基于云理論的復雜裝備維修性指標評價研究[J].兵器裝備工程學報，2017(3):72-76.

format:HAN Chao-shuai, WANG Kun, PAN En-chao, et al.Research on Complex Equipment Maintainability Index Evaluation Based on Cloud Theory[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):72-76.

TJ016

A

2096-2304(2017)03-0072-05