裴國(guó)旭,杜曉明,卜昭峰,薛輝
(軍械工程學(xué)院 裝備指揮與管理系,河北 石家莊 050001)
戰(zhàn)時(shí)裝備維修保障的基本過(guò)程是:當(dāng)裝備出現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)損傷,使用分隊(duì)決定是否進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶修還是后送修理,后方指揮所接收前方提出的搶修需求,根據(jù)損傷部位,及時(shí)指派相應(yīng)專(zhuān)業(yè)維修分隊(duì)前出,完成修理過(guò)程。裝備維修保障仿真系統(tǒng)需要對(duì)后方指揮所、使用分隊(duì)、維修分隊(duì)的指揮與行動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模與仿真,通過(guò)多輪運(yùn)行給出裝備修理過(guò)程的模擬結(jié)果,如等待時(shí)間、維修時(shí)間、資源消耗等。在此仿真過(guò)程中,面對(duì)某個(gè)損傷裝備,需要對(duì)不同專(zhuān)業(yè)修理單元之間的協(xié)同修理行為進(jìn)行建模,保證多個(gè)修理單元準(zhǔn)確展開(kāi)串行作業(yè)、并行作業(yè)或混合作業(yè),以獲得裝備修理的拆卸時(shí)間、更換時(shí)間、等待時(shí)間、作業(yè)效率等數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)修理單元協(xié)同行為建模中,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷裝備的非破壞性目標(biāo)拆卸建模是基礎(chǔ)[1-4]。
當(dāng)前目標(biāo)拆卸建模主要基于圖論,利用圖形的邏輯順序形成拆卸順序。這類(lèi)方法雖可以解決拆卸建模問(wèn)題,但隨著零部件數(shù)量增多,不可避免的會(huì)產(chǎn)生“組合爆炸問(wèn)題”[5]。為解決這一問(wèn)題,姚麗英等[6]提出了一種基于分層結(jié)構(gòu)的拆卸模型,利用層次結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行拆卸序列規(guī)劃;鐘艷如等[5]提出了一種基于模塊化設(shè)計(jì)的混合圖拆卸模型,先將裝備體進(jìn)行模塊化劃分,再利用有向圖和無(wú)向圖形成零件的拆卸序列;周喜梅等[7]提出了一種基于模塊化的拆卸模型,并利用約束關(guān)系矩陣形成目標(biāo)拆卸序列。其中,周喜梅等[7]提出的方法具有較強(qiáng)的借鑒意義,該方法降低了拆卸模型的復(fù)雜程度,提高了搜索效率。但該模型無(wú)法確定只有2個(gè)零件時(shí)的拆卸序列,需進(jìn)一步完善。
裝備拆卸序列建模的關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)生成目標(biāo)部件的拆卸序列,本文研究背景主要是戰(zhàn)時(shí)野戰(zhàn)條件下的裝備搶修仿真,因此目標(biāo)部件主要是指裝備的外場(chǎng)可更換單元。本文將基于模塊化思想,建立外場(chǎng)可更換單元層上的模塊化裝備拆卸模型,并利用改進(jìn)的約束矩陣生成各層拆卸序列,將各層拆卸序列進(jìn)行整合,形成最終的拆卸序列,為后續(xù)維修規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。
根據(jù)拆卸過(guò)程是否具有破壞性,拆卸可以分為破壞性拆卸和非破壞性拆卸。破壞性拆卸是指在對(duì)裝備進(jìn)行拆卸時(shí),會(huì)對(duì)一個(gè)或者多少個(gè)零部件產(chǎn)生損傷,使其不能自行恢復(fù)原狀,其過(guò)程是不可逆,若要進(jìn)行破壞性拆卸,需根據(jù)具體任務(wù)確定,比如連接件發(fā)生了銹蝕,需進(jìn)行破壞性拆卸。非破壞性拆卸是指在對(duì)裝備進(jìn)行拆卸時(shí),所有零部件都將沒(méi)有損傷,其過(guò)程可逆[8]。通常拆卸使用非破壞性拆卸。
根據(jù)拆卸深度,拆卸還可分為完全拆卸和目標(biāo)拆卸。完全拆卸是指將整個(gè)裝備拆卸成不可拆卸的零件為止。該方式主要用于理論研究,實(shí)際情況下 使用。目標(biāo)拆卸是指在對(duì)裝備進(jìn)行拆卸時(shí),明確拆卸目標(biāo),根據(jù)約束關(guān)系,確定妨礙拆卸的其他零件,并按順序?qū)⑵渌慵M(jìn)行拆卸,最終將目標(biāo)零件進(jìn)行拆卸,該拆卸方式在實(shí)際中經(jīng)常使用。本文針對(duì)拆卸目標(biāo)是受損裝備的外場(chǎng)可更換單元,拆卸類(lèi)型是非破壞性目標(biāo)拆卸。
“模塊是可組成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元[9]。”上述模塊的概念在界定單元的大小和規(guī)模上具有模糊性,一個(gè)大模塊中可能包含若干個(gè)小模塊,小模塊也可能包含若干個(gè)子模塊,即模塊具有層次性[10-11]。事實(shí)上,層次性是系統(tǒng)的普遍特此,也是模塊化系統(tǒng)的基本特性。但是模塊化系統(tǒng)的層次和系統(tǒng)的層次存在一定的差異,系統(tǒng)的層次是各單元有序組合也就是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),而模塊化系統(tǒng)是構(gòu)建具有典型性和通用性的模塊,在系統(tǒng)層次的基礎(chǔ)上形成模塊化的層次。比如,我軍某防空火炮系統(tǒng)中有火力控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等子系統(tǒng),這些子系統(tǒng)中可能還有子系統(tǒng),這些子系統(tǒng)也是構(gòu)成火炮系統(tǒng)的模塊。所以,在對(duì)“防空火炮模塊化”中,可以將模塊分為:元件型模塊、部件型模塊、子系統(tǒng)模塊等等,這樣既體現(xiàn)了模塊的層次,又體現(xiàn)了模塊的特性[12]。在實(shí)際中,模塊化層次往往分為一級(jí)模塊、二級(jí)模塊……直至最底層模塊(元器件),以此形成層次上的模塊化。
本文研究的是面向拆卸的模塊化建模,拆卸目標(biāo)是外場(chǎng)可更換單元,將依據(jù)以下思路進(jìn)行建模:
(1) 根據(jù)GJB/Z57-94,外場(chǎng)可更換單元為不同功能層次的產(chǎn)品。因此,建立模塊化模型應(yīng)以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),落于相應(yīng)的子系統(tǒng),形成功能模塊和部件模塊混合的模型。
(2) 為使模型便于理解,各模塊大致沿用結(jié)構(gòu)層次的名稱(chēng),比如“平衡機(jī)部件模塊”,使用“平衡機(jī)”代替,但在最底層模塊,使用了與外場(chǎng)可更換單元相關(guān)的名稱(chēng)。
根據(jù)上述思想,建立模塊化拆卸模型,如圖1所示。
該模塊化拆卸模型具有一定的通用性,不僅可以用于外場(chǎng)可更換單元的拆卸研究,也可繼續(xù)細(xì)分直至相應(yīng)零件,應(yīng)于內(nèi)場(chǎng)可更換單元的拆卸研究。
以目標(biāo)拆卸件為目標(biāo),依據(jù)裝備模塊化拆卸模型,采用“自下而上”的方式,可以規(guī)劃設(shè)計(jì)得到目標(biāo)件的拆卸序列[13-14]。即先分析目標(biāo)拆卸件所在層級(jí)的拆卸順序,再分析上一層模塊(件)的拆卸順序,最后按照各層拆卸順序排序,可以得到目標(biāo)拆卸件的拆卸順序[15]。
步驟1確定拆卸目標(biāo)。
步驟2選擇待拆卸零件,選擇規(guī)則是從最底層也就是目標(biāo)拆卸件開(kāi)始,逐層向上進(jìn)行選擇。
步驟3定位待拆卸零件所在的層級(jí),并對(duì)該層級(jí)相關(guān)的零件調(diào)用目標(biāo)拆卸算法,形成本級(jí)拆卸序列并進(jìn)行存儲(chǔ)。
步驟4對(duì)待拆卸件的上一級(jí)(父節(jié)點(diǎn))進(jìn)行判斷,如果父節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn)(裝備整體),則拆卸完畢,跳轉(zhuǎn)至步驟5,如果不是,跳轉(zhuǎn)至步驟2。
步驟5對(duì)存儲(chǔ)的拆卸序列按層次順序逆向排列,形成目標(biāo)拆卸序列并進(jìn)行輸出。
步驟6完成目標(biāo)拆卸。
調(diào)用目標(biāo)拆卸算法是形成拆卸序列的核心,該算法根據(jù)各個(gè)零件之間的約束關(guān)系形成約束關(guān)系矩陣,再分析約束關(guān)系矩陣最終形成拆卸序列,具體流程圖如圖2所示。其中需定義:
(1) 裝備基準(zhǔn)層O。該基準(zhǔn)層為人為定義的虛擬層,定義其位于裝備所有零件的最下面,受到所有零件的約束,但只對(duì)其相鄰的零件提供約束。該基準(zhǔn)層的引入主要是為了解決只有兩個(gè)2件時(shí),如何生成拆卸序列的問(wèn)題。
(3)Ri表示矩陣中第i行所有數(shù)值的和,也就是第i個(gè)零件受到的所有約束;Fj表示第j列所有數(shù)值的和,也就是第j個(gè)零件提供的所有約束。
圖2 目標(biāo)拆卸算法流程圖Fig.2 Target demolition algorithm flow chart
本算法應(yīng)用約束解除思想,即拆卸一個(gè)零件,其受到的約束和提供的約束一并消失。在這一拆卸過(guò)程中,應(yīng)使用3條準(zhǔn)則。
1) 優(yōu)先拆卸受到總約束為1的零件,即Ri=1的第i個(gè)零件優(yōu)先拆卸。
2) 若約束關(guān)系矩陣中不存在滿(mǎn)足上述條件的零件,優(yōu)先拆卸提供約束最多的零件,即優(yōu)先拆卸Fj最大的第j個(gè)零件,如果矩陣中存在多個(gè)Fj最大的零件,將其同時(shí)拆卸。
3) 當(dāng)約束矩陣變C為2×2時(shí),代表矩陣中只有一個(gè)零件和裝備基準(zhǔn)層,此時(shí),只需要對(duì)矩陣中第一行對(duì)應(yīng)的零件進(jìn)行拆卸,隨后拆卸結(jié)束。
具體執(zhí)行步驟如下:
步驟1輸入零件所在層級(jí)的約束關(guān)系矩陣C。
步驟2判斷矩陣C的行數(shù)n,如果n=2,進(jìn)行步驟6,否則進(jìn)行步驟3。
步驟3計(jì)算矩陣中各行的和Ri和各列的和Fj。
步驟4根據(jù)準(zhǔn)則,判斷各行的和Ri是否為1,若Ri=1,則拆卸第i個(gè)零件進(jìn)行存儲(chǔ),形成新的約束矩陣,并再次執(zhí)行步驟2,如果不存在這樣的零件,則進(jìn)行步驟5。
步驟5搜索矩陣列的和Fj值最大的列,拆卸該列對(duì)應(yīng)的第j個(gè)零件進(jìn)行存儲(chǔ),形成新的約束矩陣,并再次執(zhí)行步驟2。
步驟6拆卸約束矩陣中第一行對(duì)應(yīng)的零件k,進(jìn)行存儲(chǔ)。
步驟7按照零件的拆卸先后順序形成拆卸序列。
以“某型防空火炮火力控制系統(tǒng)模塊化拆卸模型”為例,可對(duì)本文提出的拆卸規(guī)劃和拆卸算法進(jìn)行驗(yàn)證。選取“部件總成E11”(以后簡(jiǎn)稱(chēng)為E11)為拆卸目標(biāo)件進(jìn)行拆卸,根據(jù)文中流程進(jìn)行具體分析,其局部關(guān)系如圖3所示。
匯總拆卸零件順序,第4層的目標(biāo)拆卸順序?yàn)椋篍13→E12→E11。
(2) 判斷目標(biāo)拆卸件E11的上一級(jí),其上一級(jí)是“高低機(jī)E1”,不是“裝備整體Z”,繼續(xù)對(duì)E1所在的第3層調(diào)用目標(biāo)拆卸算法,具體方法和第4層的方法相同,本處不進(jìn)行具體分析,第3層的目標(biāo)拆卸順序?yàn)椋篍2→E1。
依據(jù)同樣的方法可以得到E1上一級(jí),“高低轉(zhuǎn)向E”所在的第2層的目標(biāo)拆卸順序:F→C→E。
(3) 繼續(xù)判斷E的上一級(jí),其上一級(jí)為“裝備整體Z”為根節(jié)點(diǎn),依據(jù)拆卸規(guī)則,拆卸結(jié)束。
(4) 匯總各層的拆卸順序,最終可以得到目標(biāo)拆卸件“機(jī)構(gòu)部件總成E11”的拆卸順序?yàn)椋篎→C→E→E2→E1→E13→E12→E11。
為更好地完成拆卸序列生成的任務(wù),利用“Microsoft Visual Studio”軟件進(jìn)行編程,生成“拆卸序列綜合分析系統(tǒng)”,應(yīng)用的初始化界面如圖4所示。
該軟件功能主要有:選擇待拆卸零件,顯示當(dāng)前拆卸零件,待拆卸零件所在層級(jí),待拆卸零件類(lèi)型、所在層級(jí)拆卸序列和完整拆卸序列。開(kāi)發(fā)該軟件,可以使拆卸界面可視化,更直觀地生成拆卸序列。以拆卸“部件總成E11”為例,利用軟件可以直接生成待拆卸件的拆卸序列。拆卸序列生成界面如圖5所示。
圖3 某型防空火炮火力控制系統(tǒng)局部拆卸關(guān)系圖Fig.3 Partial disassembly diagram of fire control system for certain type of air defense artillery
圖4 初始化界面Fig.4 Initialization interface
圖5 拆卸序列生成界面Fig.5 Disassembly sequence generation interface
通過(guò)分析,軟件生成的拆卸序列與原理分析出的拆卸序列相一致,利用軟件可以更快速的生成拆卸序列,降低了原理分析的難度和復(fù)雜性。
在戰(zhàn)時(shí),一件裝備的受損部位往往不止一處,可能同時(shí)損壞底盤(pán)系統(tǒng)中的行星轉(zhuǎn)向機(jī)和火控系統(tǒng)中的高低機(jī),指揮所派出的底盤(pán)維修單元和火控維修單元可以根據(jù)部件之間的約束關(guān)系同時(shí)(并行)對(duì)兩個(gè)部件展開(kāi)拆卸修理。但是在現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)中,這兩處拆卸維修是串行的,即先完成一處修理,再完成下一處修理,這與實(shí)際情況不相符。應(yīng)用本文提出的拆卸序列算法和分析軟件,可以形成受損部件的拆卸序列,通過(guò)分析拆卸序列,搜尋是否存在并行拆卸修理的機(jī)會(huì),進(jìn)而構(gòu)建更為逼真的仿真環(huán)境。
本文提出了一種層次化模塊化的拆卸模型,減少了拆卸仿真的工作量,并應(yīng)用這一模型建立了某防空火炮外場(chǎng)可更換單元拆卸模型。根據(jù)模塊化的思想,提出了一種拆卸序列規(guī)劃,并應(yīng)用約束矩陣,解決了拆卸序列生成的問(wèn)題。實(shí)例表明,本方法是解決裝備拆卸序列生成的有效方法,并可對(duì)裝備搶修仿真中的協(xié)同行為研究提供依據(jù),具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[1] 顧延權(quán),高國(guó)安,徐向陽(yáng).基于功能分析的定量面向裝配的設(shè)計(jì)方法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程, 1998(6):3-6.
GU Ting-quan, GAO Guo-an, XU Xiang-yang. Study on the Quantitative DFA Method Based on Function Analysis[J]. China Mechanical Engineering,1998(6):32-6.
[2] Kendra E Moore, Askiner Gungor, Surendra M Gupta. A Petri Net Approach to Disassembly Process Planning [J]. Automatica, 1998(1):165-168.
[3] 付宜利,田立中,謝龍,等.基于有向割集分解的裝配序列生成方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003(6):58-62.
FU Yi-li, TIAN Li-zhong, XIE Long,el at. Assembly Sequences Planning Based on Cut Set Analysis of Directional Graph[J].Chinese Journey of Mechanical Engineering, 2003(6):58-62.
[4] Gu P Sosales. Product Modularization For Lifecycle Engineering [J]. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 1999(15): 387- 401.
[5] 鐘艷茹,黃保群,黃美發(fā),等.基于模塊化設(shè)計(jì)的混合圖拆卸建模研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2006(1):31-35.
ZHONG Yan-ru, HUANG Bao-qun, HUANG Mei-fa, et al. Disassembly Hybrid Graph Model Based On Modular Design[J]. Journal of Engineering Design,2006(1):31-35.
[6] 姚麗英,高建剛,段廣洪,等.基于分層結(jié)構(gòu)的拆卸序列規(guī)劃研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2003(17):1516-1518.
YAO Li-ying, GAO Jian-gang, DUAN Guang-hong, et al. A Method of Generating Disassembly Sequence Planning Based on Level Connection Model[J]. China Mechanical Engineering,2003(17):1516-1518.
[7] 周喜梅,鄭清春,郭津津.基于模塊化的拆卸模型及拆卸序列規(guī)劃研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009(1):26-38.
ZHOU Xi-mei, ZHENG Qing-chun, GUO Jin-jin. Research on Disassembly Model and Disassembly Sequence Planning Based on Modularization [J]. Journal of Tianjin University of Technology,2009(1):26-38.
[8] 潘曉勇.三維環(huán)境下產(chǎn)品拆卸分析及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥: 合肥工業(yè)大學(xué),2003.
PAN Xiao-yong. Analysis and Research on Key Technology of Produc′s Disassembly Under Three-Dimension Environment[D].Hefei: Hefei University of Technology,2006.
[9] 童詩(shī)中. 模塊化原理、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[M] . 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1999: 19- 24.
TONG Shi-zhong. Modularity Theory,Design Method And Using[M]. Beijing: Standards Press of China, 1999:19-24.
[10] 唐濤,劉志峰,劉光復(fù),等.綠色模塊化設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003(11):149-154.
TANG Tao, LIU Zhi-feng, LIU Guang-fu, et al. Research on The Methodology of Green Modular Design[J]. Chinese Journey of Mechanical Engineering,2003(11): 149-154.
[11] GAO Jian-gang, XIANG Dong, CHEN Hai-feng, et al. Disassembly AND/OR Graph Model for “Disassembly For Recycling”[J]. Electronics and the Environment, 2003(5): 54-55.
[12] 徐家球, 汪勁松, 邱述斌,等. 裝配順序的與或圖生成算法研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 1994(4): 36- 41.
XU Jia-qiu, WANG Jin-song, QIU Shu-bin, et al. Research on Assembly Sequences Generation Algorithm Using AND/OR Graph[J]. Chinese Journey of Mechanical Engineering, 1994(4):36-41.
[13] Bourjault. Contribution to a Methodolgical Approach of Automated Assembly[J]. Automation Methocology In Manufacturing Industry, 1985(2): 12-46.
[14] WILSON R, LATOMBE J C.Geometric Reasoning About Mechanical Assembly[J]. Artifical Intelligence,1995(2):371-396.
[15] HUANG Y F, LEE C S G. Automatic Assembly Planning System[J]. IEEE ICRA, 1990(2): 1594-1599.