基于核心零部件聚類(lèi)的飛機(jī)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元?jiǎng)澐?/h1>
2019-12-09 03:36:14胡啟先王卓健魚(yú)歡
航空學(xué)報(bào) 2019年11期
胡啟先，王卓健,*，魚(yú)歡
1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038 2.955596部隊(duì)，商丘 476000
針對(duì)現(xiàn)代軍用飛機(jī)快速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、高強(qiáng)度持續(xù)作戰(zhàn)的特點(diǎn)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段將具有一定功能或結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的零部件組裝成模塊，這類(lèi)模塊一旦發(fā)生故障能夠在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行拆裝更換，以達(dá)到快速保障、機(jī)動(dòng)保障和持續(xù)保障的要求。在航空維修中，這類(lèi)模塊通常被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit, LRU)。測(cè)試性設(shè)計(jì)階段的LRU劃分必須先于測(cè)試性的初步設(shè)計(jì)，是測(cè)試性設(shè)計(jì)和分析的首要工作，主要是為實(shí)現(xiàn)設(shè)備中LRU的功能、物理劃分，使得LRU對(duì)于某一功能屬性的失效具有決定作用并且不同LRU之間物理關(guān)聯(lián)相對(duì)較小[1-2]，方便維修保障人員快速定位并隔離故障，最終降低故障件的修復(fù)性維修時(shí)間?？焖俣ㄎ还收霞锤鶕?jù)故障機(jī)理能夠快速確定導(dǎo)致故障發(fā)生的LRU，這要求LRU應(yīng)具備一定的功能獨(dú)立性；快速隔離故障即在故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位后能夠快速拆換故障件，這要求LRU應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)獨(dú)立性，這是在對(duì)LRU進(jìn)行劃分時(shí)需要遵循的基本原則。另外，軍用飛機(jī)LRU劃分的重要目的是降低LRU在全生命周期的成本和時(shí)間，尤其是維修保障階段的成本和時(shí)間。
在這個(gè)過(guò)程中，LRU劃分粒度的不同會(huì)直接影響到LRU的維修保障成本的高低以及修復(fù)性維修時(shí)間的大小。通常情況下，LRU劃分的粒度越大，將故障定位到LRU就越簡(jiǎn)單，且更容易對(duì)故障進(jìn)行隔離，修復(fù)性維修時(shí)間會(huì)減小，但相應(yīng)的LRU備件成本會(huì)增大；LRU劃分的粒度越小，故障定位到LRU的過(guò)程就越復(fù)雜，且故障更難進(jìn)行隔離，修復(fù)性維修時(shí)間會(huì)增大，但LRU備件成本會(huì)降低，這是一個(gè)典型的組合優(yōu)化問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種用于LRU劃分的聚類(lèi)算法，將各個(gè)零部件聚類(lèi)劃分成合適粒度的LRU，使得劃分后LRU在發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的維修保障時(shí)間和成本達(dá)到組合最優(yōu)解，是本文的研究重點(diǎn)。
考慮到LRU本身是一種模塊，因此從模塊劃分的角度對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。諶炎輝和胡義華[3]將目前已有的模塊劃分方法歸納為基于功能的模塊劃分方法、基于功能和結(jié)構(gòu)的模塊劃分方法、面向生命周期的模塊劃分方法以及其他模塊劃分方法；謝清[4]對(duì)模塊劃分中用到的傳統(tǒng)模糊聚類(lèi)分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，提出該方法主要包括樣本數(shù)據(jù)規(guī)范化、模糊相似矩陣的構(gòu)建、聚類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)這3步，目前模塊劃分研究領(lǐng)域也基本上采用了這種框架，區(qū)別在于不同研究者在這3個(gè)步驟上各有側(cè)重點(diǎn)或者采取了不同的優(yōu)化方法。例如Wei等[5]構(gòu)建模塊內(nèi)部聚類(lèi)度、模塊之間耦合度產(chǎn)品整體可靠度3個(gè)計(jì)算模型，最后運(yùn)用ISPEA2尋求滿足3個(gè)目標(biāo)度量函數(shù)的最優(yōu)模塊劃分方案；Na等[6]采用基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的模塊劃分方法也是屬于模糊圖聚類(lèi)方法，利用區(qū)間值直覺(jué)模糊集來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型邊緣的權(quán)值，用以表示各部分之間的相關(guān)性；此外，Li等[7]同樣引入了加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(WCN)理論，利用WCN中邊的權(quán)值來(lái)說(shuō)明各分量之間的連接強(qiáng)度；Chang等[8]提出在設(shè)計(jì)和制造的早期階段引入綠色功能品質(zhì)展開(kāi)(GQFD)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生態(tài)友好之間的平衡，將基于模塊化概念的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(DSM)應(yīng)用于不同的零部件組合成效率最優(yōu)模塊的劃分過(guò)程中。以上文獻(xiàn)總體上是基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、拆卸性、可靠性、環(huán)保性等生命周期過(guò)程中的指標(biāo)建立產(chǎn)品零部件的模糊相似關(guān)系(零部件相關(guān)矩陣或設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣等)，然后采取合適的聚類(lèi)算法對(duì)模糊相似關(guān)系矩陣進(jìn)行聚類(lèi)劃分和優(yōu)化，其中部分文獻(xiàn)在聚類(lèi)算法的優(yōu)化改進(jìn)上有較大突破，也有部分文獻(xiàn)在模糊相似矩陣的綜合、轉(zhuǎn)化等數(shù)據(jù)處理方法上有不同程度的創(chuàng)新，但是，這些研究大都是建立在利用模糊邏輯·模糊集理論對(duì)零部件在各個(gè)指標(biāo)層面的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行模糊評(píng)分，或者利用層次分析法得到各指標(biāo)相關(guān)性的權(quán)重、進(jìn)而整合得到模糊相似矩陣的基礎(chǔ)之上，方法本身存在一定的主觀性。而本文需要研究的問(wèn)題——基于維修保障角度對(duì)軍用飛機(jī)進(jìn)行LRU劃分，更多地需要結(jié)合具體的飛機(jī)全壽命周期數(shù)據(jù)，特別是維修保障階段的使用數(shù)據(jù)，使得LRU劃分結(jié)果更符合軍用飛機(jī)這種典型航空裝備的特性，因此這些建立在相似矩陣構(gòu)建基礎(chǔ)之上的模糊聚類(lèi)分析方法可能并不適用軍用飛機(jī)LRU劃分。因此，設(shè)計(jì)一種適用于軍用飛機(jī)進(jìn)行LRU劃分的方案，是目前在軍用飛機(jī)測(cè)試性設(shè)計(jì)階段急需展開(kāi)的首要工作。
1 問(wèn)題描述及數(shù)學(xué)模型
1.1 問(wèn)題描述
基于以上文獻(xiàn)綜述和分析，本文在首先已經(jīng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整機(jī)-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-設(shè)備-零部件等功能結(jié)構(gòu)分層劃分基礎(chǔ)上，基于飛機(jī)零部件層級(jí)，構(gòu)造優(yōu)化決策目標(biāo)篩選出核心零部件，然后以飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間為組合優(yōu)化目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了一種基于核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法，實(shí)現(xiàn)由飛機(jī)設(shè)備中零部件到LRU的聚類(lèi)，形成最優(yōu)化的LRU劃分方案。文章最后以某型軍用飛機(jī)的蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置為例，運(yùn)用本文提出的方案，實(shí)現(xiàn)了該裝置LRU的劃分，并將劃分結(jié)果與該裝置維修保障實(shí)際中LRU清單進(jìn)行對(duì)比，分析了本文得到的LRU劃分結(jié)果在成本和時(shí)間上的優(yōu)化效果。上述研究?jī)?nèi)容中主要解決了以下3個(gè)問(wèn)題：
1) 從飛機(jī)中設(shè)備的零部件清單出發(fā)，基于優(yōu)化決策目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用合適的方法從零部件清單中篩選出核心零部件。
2) 基于設(shè)備核心零部件，考慮零部件在實(shí)際裝配過(guò)程中的接口關(guān)系，開(kāi)發(fā)一種適用于軍用飛機(jī)LRU劃分的聚類(lèi)算法，并構(gòu)造以飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間為組合優(yōu)化目標(biāo)的綜合評(píng)判因子，聚類(lèi)得到最優(yōu)LRU劃分結(jié)果。
3) 以具體設(shè)備為例，將本文設(shè)計(jì)方案得到的LRU劃分結(jié)果與實(shí)際LRU清單進(jìn)行比對(duì)，分析出相對(duì)實(shí)際LRU清單，本文方案有哪些方面的改進(jìn)和優(yōu)化。
1.2 數(shù)學(xué)模型
針對(duì)以上3個(gè)主要問(wèn)題，分別對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和表達(dá)。
1) 問(wèn)題一
以設(shè)備中零部件k的核算成本ck，拆裝時(shí)間tk以及它們分別在LRU劃分中的相對(duì)重要度權(quán)重值ωc、ωt為基本輸入，構(gòu)造綜合重要度Pk：
(1)
式中：n為零部件數(shù)量。
作為各零部件的定量化指標(biāo)，運(yùn)用Pareto原則從所有零部件中篩選出核心零部件，作為基本輸出，最后對(duì)所有零部件功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，對(duì)基本輸出結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得到最終的核心零部件清單，即為該問(wèn)題的最終輸出。
2) 問(wèn)題二
首先，以設(shè)備核心零部件和非核心零部件清單、各零部件之間的接口關(guān)系作為L(zhǎng)RU劃分聚類(lèi)算法的基本輸入，實(shí)現(xiàn)LRU模塊的基礎(chǔ)組成。然后，以飛機(jī)在設(shè)計(jì)研制階段、維修保障階段、退役處置階段的相關(guān)參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，以飛機(jī)全壽命周期設(shè)備中零部件進(jìn)行裝配時(shí)的成本和時(shí)間為輸出數(shù)據(jù)，具體如表1所示。
表1 全壽命周期輸入輸出參數(shù)Table 1 Input and output parameters in life cycle
并基于全壽命周期成本和時(shí)間模型的最終輸出參數(shù)，構(gòu)造零部件與LRU模塊之間裝配時(shí)的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij：
(2)
式中：CLCij和TLCij分別為零部件xi與對(duì)象Mj匹配組合時(shí)，在全壽命周期的成本和時(shí)間；α和β分別為全壽命周期成本和時(shí)間對(duì)xi和Mj匹配組合的影響程度；下標(biāo)ij表示零部件xi與對(duì)象Mj交互。
作為各零部件與LRU基本模塊之間匹配組合的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各零部件與最佳LRU的聚類(lèi)過(guò)程，得到最優(yōu)的設(shè)備LRU聚類(lèi)劃分結(jié)果，即為該問(wèn)題的最終輸出。
3) 問(wèn)題三
以飛機(jī)某型設(shè)備為例，用本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)LRU劃分方案得到的LRU劃分結(jié)果以及該設(shè)備在維修保障實(shí)際中的LRU清單為基本輸入。
對(duì)比分析過(guò)程中，以該設(shè)備在某一次工作故障時(shí)對(duì)應(yīng)的維修保障成本和時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步評(píng)價(jià)2種方案的優(yōu)劣性。
最后，構(gòu)造不同劃分結(jié)果下維修保障成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子K*：
(3)
對(duì)2種不同劃分結(jié)果的優(yōu)劣性進(jìn)行深入分析，得出評(píng)價(jià)結(jié)論，即為該問(wèn)題的最終輸出。
2 軍用飛機(jī)LRU劃分方案
2.1 總體方案設(shè)計(jì)
首先基于軍用飛機(jī)的產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management， PLM)數(shù)據(jù)庫(kù)[9]，挖掘并參考已有的同型號(hào)或者功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)似的飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以作戰(zhàn)需求為牽引，以性能指標(biāo)為導(dǎo)向，遵循一定的系統(tǒng)劃分原則，完成新型飛機(jī)整機(jī)-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-設(shè)備-零部件的功能結(jié)構(gòu)劃分；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)飛機(jī)設(shè)備的零部件這一層級(jí)，引入綜合重要度對(duì)設(shè)備中零部件核算成本和拆裝時(shí)間進(jìn)行權(quán)衡度量，基于帕累托(Pareto)原則篩選出核心零部件，進(jìn)而根據(jù)該設(shè)備中的功能結(jié)構(gòu)分析，對(duì)核心零部件進(jìn)行去除或者補(bǔ)充，得到最終的核心零部件清單；最后，以這些核心零部件作為L(zhǎng)RU的基本組成，將其他非核心零部件按照基于啟發(fā)式搜索的LRU劃分聚類(lèi)算法與這些核心零部件相匹配，形成完整的LRU，完成劃分過(guò)程。本文構(gòu)建的LRU劃分方案具體如圖1所示。
圖1 軍用飛機(jī)LRU劃分方案Fig.1 Military aircraft LRU partition scheme
該過(guò)程中，本文基于軍用飛機(jī)LRU劃分規(guī)則，權(quán)衡考慮了飛機(jī)設(shè)計(jì)研制階段、使用保障階段、退役處置階段全壽命周期內(nèi)時(shí)間和成本對(duì)LRU聚類(lèi)的組合影響，構(gòu)建了時(shí)間和成本綜合評(píng)判因子，用以定量評(píng)判LRU形成的內(nèi)部聚合度，從而得到最優(yōu)LRU劃分方案。
下面對(duì)方案中LRU劃分規(guī)則的制定、核心零部件的確定、基于核心零部件的LRU劃分等主要步驟進(jìn)行詳細(xì)分析。
2.2 軍用飛機(jī)LRU劃分規(guī)則
由引言分析可知，LRU對(duì)飛機(jī)上某一功能屬性的失效具有決定作用并且不同LRU之間物理關(guān)聯(lián)相對(duì)較小[1]，決定了劃分后的LRU應(yīng)具備一定的功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)獨(dú)立性；此外，軍用飛機(jī)LRU劃分主要是為降低其飛機(jī)發(fā)生故障時(shí)的維修保障時(shí)間，提高外場(chǎng)維修保障效率，故而還應(yīng)該考慮LRU的全壽命周期時(shí)間(包含維修保障時(shí)間)最少規(guī)則；同時(shí)，考慮軍用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性原則，LRU的全壽命周期成本最低也應(yīng)該作為L(zhǎng)RU的劃分規(guī)則之一；最后LRU可能是幾個(gè)零部件聚類(lèi)起來(lái)的模塊，也有可能是某個(gè)完整的功能設(shè)備，甚至是某個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，LRU與飛機(jī)各層級(jí)之間并無(wú)直接的映射關(guān)系，LRU的劃分粒度應(yīng)該充分考慮具體零部件之間的接口關(guān)系、裝配成本和時(shí)間等因素，以合理準(zhǔn)確為基本規(guī)則。
基于以上分析，軍用飛機(jī)進(jìn)行LRU劃分時(shí)應(yīng)遵循基本規(guī)則有：
1) LRU應(yīng)具備一定的功能獨(dú)立性。
2) LRU應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)獨(dú)立性。
3) 降低LRU的全壽命周期成本。
4) 降低LRU的全壽命周期時(shí)間消耗(主要是為提高LRU的維修保障效率)。
5) 劃分后的LRU粒度合理準(zhǔn)確。
2.3 核心零部件的確定
區(qū)分核心零部件及非核心零部件是LRU劃分方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。這里L(fēng)RU劃分是從飛機(jī)維修保障階段如何快速進(jìn)行拆換故障件的角度實(shí)施的劃分，應(yīng)在飛機(jī)各層級(jí)功能結(jié)構(gòu)劃分基礎(chǔ)之上，是設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特定分功能的零部件的組合體。因此，首先需要從設(shè)備零部件清單中篩選出對(duì)某種分功能產(chǎn)生決定性作用的核心零部件，以這些核心零部件為基礎(chǔ)組成，完成其他非核心零部件與核心零部件的匹配組裝，最終形成完整的LRU模塊。
對(duì)于設(shè)備核心零部件的確定周友行等[10-12]引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，通過(guò)尋找關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的方法確定產(chǎn)品的重要零件，該方法需要引入邊權(quán)值或者關(guān)系矩陣來(lái)衡量?jī)晒?jié)點(diǎn)之間的距離，而邊權(quán)值或者關(guān)系矩陣的定量化方法存在較大的模糊性和主觀性，一般適用于產(chǎn)品族或者具備長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)模產(chǎn)品，不太適用于定制性較強(qiáng)、特性要求高、產(chǎn)量小的航空作戰(zhàn)裝備。因此，這里提出一種以綜合重要度作為衡量零部件的定量化指標(biāo)并采用Pareto原則篩選出核心零部件的方法。
核心零部件是設(shè)備上攜帶若干核心技術(shù)或者技術(shù)構(gòu)成相對(duì)重要的組件，相應(yīng)的，此類(lèi)組件在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中的外在常見(jiàn)表現(xiàn)為：價(jià)格占比重、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、人工耗時(shí)長(zhǎng)等等。參考《政府采購(gòu)貨物和服務(wù)招標(biāo)投標(biāo)管理辦法》第三十一條第三款的相關(guān)規(guī)定[13]，這里以零部件的核算成本和拆裝時(shí)間2個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)為判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備核心零部件的篩選。
依據(jù)Pareto原則(二八定律)：產(chǎn)品中20%或更少的零部件對(duì)應(yīng)的綜合重要度之和可能占據(jù)該設(shè)備總綜合重要度的80%或更多[15]，即
(4)
式中：m為核心零部件的數(shù)量，σ一般≥0.8。
首先將該設(shè)備中n個(gè)零部件的綜合重要度按照從大到小順序進(jìn)行排列，即P1,P2,…,Pn，然后依據(jù)式(4)即可初步確定設(shè)備中的核心零部件；之后，需要對(duì)這m個(gè)核心零部件的功能結(jié)構(gòu)、技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行分析，去掉可能存在的因加工工藝、裝配工藝等因素導(dǎo)致核算成本或者拆裝時(shí)間單一參數(shù)較大的非核心技術(shù)構(gòu)成類(lèi)零部件，同時(shí)對(duì)其余n-m個(gè)零部件的功能進(jìn)行評(píng)估，篩選出可能存在的對(duì)設(shè)備總體性能實(shí)現(xiàn)具有決定性影響的核心技術(shù)構(gòu)成類(lèi)零部件，作為核心零部件的補(bǔ)充。
2.4 基于核心零部件的LRU劃分
在這一節(jié)設(shè)計(jì)了一種基于核心零部件聚類(lèi)的LRU劃分算法，同時(shí)考慮全壽命周期成本和時(shí)間對(duì)LRU聚類(lèi)影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)LRU的劃分過(guò)程。
本文從設(shè)備零部件清單出發(fā)，基于Pareto原則以及設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)分析，篩選出核心零部件，并把核心零部件作為L(zhǎng)RU模塊的基本組成，最后將非核心零部件匹配組裝到各LRU模塊上，完成劃分。在這個(gè)過(guò)程中可以看出，零部件級(jí)是該方案中劃分LRU的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層級(jí)，且核心零部件是LRU的基本功能單元。由前面2.3節(jié)核心零部件的確定過(guò)程可知，核心零部件具有核算成本較高、拆卸組裝耗時(shí)較長(zhǎng)并且功能獨(dú)立性較強(qiáng)等特點(diǎn)。據(jù)此分析，把核心零部件作為L(zhǎng)RU模塊的基本組成時(shí)，該LRU即具備了其所包含的核心零部件的功能獨(dú)立性，因此當(dāng)該功能失效(即發(fā)生故障)時(shí)，就能直接定位至該LRU；并且，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，單獨(dú)對(duì)核心零部件進(jìn)行拆裝較為復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，因此將核心零部件直接作為L(zhǎng)RU的基本組成時(shí)，就避免了直接對(duì)核心零部件進(jìn)行拆裝操作，而只需對(duì)其所在的LRU進(jìn)行拆裝，降低了功能性故障導(dǎo)致的維修時(shí)間。因此，處理核心零部件的最好辦法就是將它們劃分到不同的LRU中，即以核心零部件作為L(zhǎng)RU劃分的基本功能層級(jí)，核心零部件的數(shù)量即為L(zhǎng)RU的數(shù)量。
在本方案中將其他非核心零部件裝配到核心零部件上的過(guò)程，需要引入全壽命周期設(shè)計(jì)研制、使用保障、退役處置各個(gè)階段成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，基于接口關(guān)系對(duì)裝配方案進(jìn)行權(quán)衡選擇，形成最優(yōu)化的LRU劃分方案。
下面分別對(duì)飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間模型的構(gòu)建、基于設(shè)備核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法的設(shè)計(jì)以及成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子的引入過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)研究。
1) 全壽命周期成本和時(shí)間模型
結(jié)合文獻(xiàn)[16]中對(duì)飛機(jī)全壽命周期的劃分研究，這里主要考慮軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)研制、使用保障和退役處置這3個(gè)階段，可以構(gòu)建零部件xi與對(duì)象Mj匹配組合時(shí)，在整個(gè)壽命周期(Life Cycle)的成本CLCij和時(shí)間TLCij模型：
(5)
式中：CDC、TDC分別為各設(shè)備中零部件在設(shè)計(jì)研制階段(Design and Customization Cost)的成本、時(shí)間，不需要考慮零部件之間的裝配關(guān)系；而CMSij、TMSij分別為設(shè)備中零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在使用保障階段(Maintenance and Support Stage)的成本、時(shí)間，以及CEOLij、TEOLij分別為設(shè)備中零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在退役處置階段(End-Of-Life Stage)的成本、時(shí)間，需要考慮由于零部件之間不同的裝配關(guān)系而導(dǎo)致的成本和時(shí)間的不同。
另外需要指出的是，該模型以壽命周期各階段中對(duì)零部件成本和時(shí)間產(chǎn)生影響的各參數(shù)作為最小數(shù)據(jù)集，其中涵蓋了包括使用保障、退役處置等階段對(duì)零部件進(jìn)行拆換操作或者報(bào)廢回收操作等行為的成本、時(shí)間數(shù)據(jù)，這些在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)階段不可能獲取的數(shù)據(jù)，將通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行提取，即從作戰(zhàn)飛機(jī)PLM數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取與設(shè)計(jì)機(jī)型功能需求相似度較大的已服役機(jī)型在全壽命周期各階段的設(shè)計(jì)、使用、維修、報(bào)廢、回收數(shù)據(jù)，作為新型飛機(jī)輸入?yún)?shù)集的源數(shù)據(jù)；之后，需要對(duì)這些源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)型與已有機(jī)型中結(jié)構(gòu)組成基本相似的零部件，可以直接將數(shù)據(jù)庫(kù)中已有機(jī)型的零部件數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)機(jī)型的輸入數(shù)據(jù)；對(duì)于相比于已有機(jī)型，在設(shè)計(jì)機(jī)型上新增加的零部件，則需要根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、材料工具等對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，將估算值作為設(shè)計(jì)階段飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間模型的臨時(shí)輸入，初步實(shí)現(xiàn)LRU的劃分，并在飛機(jī)后續(xù)的研制階段、使用保障階段以及退役處置階段根據(jù)不斷獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)LRU劃分結(jié)果的動(dòng)態(tài)調(diào)整。其實(shí)，作戰(zhàn)飛機(jī)LRU實(shí)際劃分過(guò)程也正是如此，在設(shè)計(jì)階段的LRU劃分結(jié)果往往并不完全適用于飛機(jī)的其他壽命周期階段，而是需要根據(jù)后續(xù)的研制生產(chǎn)過(guò)程、使用和維修保障實(shí)際、報(bào)廢回收情況對(duì)LRU清單進(jìn)行不斷調(diào)整[17]。
2) 基于核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法
在前面已經(jīng)確定的設(shè)備核心零部件基礎(chǔ)上，考慮非核心零部件與核心零部件之間裝配時(shí)的接口關(guān)系，開(kāi)發(fā)了一種LRU劃分聚類(lèi)算法。
在該算法中，首先以核心零部件作為各個(gè)LRU模塊的基本組成，然后將其余非核心零部件按照一定的基礎(chǔ)規(guī)則分配到各個(gè)LRU模塊中。這里的基礎(chǔ)規(guī)則主要考慮非核心零部件與核心零部件裝配的難易度，而對(duì)裝配難易度影響最大的因素就是零部件之間的接口數(shù)量，零部件的接口數(shù)量越多，其組裝就越復(fù)雜[18]；其次是裝配過(guò)程中是否存在可選擇性，若某個(gè)零部件同時(shí)與多個(gè)核心零部件存在交互接口，同樣會(huì)增加組裝過(guò)程的復(fù)雜度。因此，在確定LRU的非核心零部件時(shí)，需要以接口數(shù)量以及是否存在可選擇性為基本原則對(duì)非核心零部件進(jìn)行排序：若一個(gè)非核心零部件擁有的接口數(shù)量越多，其優(yōu)先級(jí)越高，則越早進(jìn)入搜索算法進(jìn)行裝配；在接口數(shù)量相同的情況下，若某個(gè)非核心零部件同時(shí)與多個(gè)LRU存在交互關(guān)系，則該零部件優(yōu)先級(jí)越高，并且此時(shí)，需將成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子引入到算法中實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)LRU的匹配選擇?；谝陨戏呛诵牧悴考呐判蛟瓌t，并通過(guò)該算法實(shí)現(xiàn)非核心零部件與LRU模塊的聚類(lèi)過(guò)程，即可使得劃分后的LRU具備較高的結(jié)構(gòu)獨(dú)立性。該算法的邏輯框圖如圖2所示。
該邏輯運(yùn)行圖中，基本的算法流程有：
1) 以零部件清單中的核心零部件作為L(zhǎng)RU的基本模塊。
2) 按照非核心零部件排序原則對(duì)所有非核心零部件進(jìn)行排序，并按照順序依次實(shí)現(xiàn)非核心零部件與LRU基本模塊之間的選擇匹配。
3) 根據(jù)非核心零部件與LRU模塊之間的接口關(guān)系，實(shí)現(xiàn)非核心零部件到各個(gè)LRU模塊的匹配組合過(guò)程。
若非核心零部件僅與某一個(gè)LRU模塊存在交互接口，則將其組裝到該LRU模塊上；若存在2個(gè)及以上接口，則利用式(2)計(jì)算非核心零部件與每個(gè)交互的LRU模塊之間的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將其組裝到綜合評(píng)判因子最大的那個(gè)LRU模塊上；若非核心零部件與LRU模塊不交互，則必與其他的非核心零部件交互，同理，根據(jù)非核心零部件與其他非核心零部件的接口關(guān)系，必要時(shí)引入成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，實(shí)現(xiàn)非核心零部件與其他非核心零部件之間的匹配，形成非核心組合件，將形成的非核心組合件返回非核心零部件庫(kù)，回到步驟2)，重新參與匹配組合過(guò)程。
圖2 基于核心零部件的LRU聚類(lèi)算法邏輯運(yùn)行圖Fig.2 Logical running diagram of LRU clustering algorithms based on key components
4) 按照非核心零部件的排序依次完成所有非核心零部件與LRU模塊的匹配組合之后，便形成了完整的LRU清單，并進(jìn)行輸出。
例如，對(duì)于任意一個(gè)非核心零部件xi，進(jìn)入算法后首先判斷xi與每個(gè)LRU之間是否存在物理連接關(guān)系(交互關(guān)系)：
1) 如果存在交互關(guān)系，進(jìn)一步判斷與其存在交互關(guān)系的LRU數(shù)量。當(dāng)xi僅與某一個(gè)LRU存在交互關(guān)系時(shí)，則將xi分配到該LRU中，同時(shí)該LRU返回搜索庫(kù)，參與下一個(gè)非核心零部件的匹配搜索過(guò)程；當(dāng)xi與不止一個(gè)LRU存在交互關(guān)系時(shí)，這時(shí)需要考慮全壽命周期成本和時(shí)間對(duì)xi與LRU匹配組合的影響，以選擇最優(yōu)的LRU。
設(shè)與xi存在交互關(guān)系的LRU有k個(gè)，依次為M1,M2,…，Mk，對(duì)于其中任意LRUMj，xi與Mj之間進(jìn)行匹配組合時(shí)，分別計(jì)算其在全壽命周期設(shè)計(jì)研制階段、維修保障階段、退役處置階段的成本和時(shí)間：
① 設(shè)計(jì)研制階段
飛機(jī)設(shè)計(jì)研制階段各設(shè)備中零部件的成本CDC和時(shí)間TDC與裝配關(guān)系無(wú)關(guān)，由零部件xi本身的材料成本(Material Cost，CM)和加工成本(Processing Cost，CP)組成[19]，即
(6)
以及
(7)
式中:CMV0為單位體積材料成本；CPV0為單位體積加工成本(包含人工費(fèi)及設(shè)備費(fèi))；φ3表示零部件xi的有效體積；K1表示批量生產(chǎn)成本分?jǐn)傁禂?shù)，該因子主要考慮大批量生產(chǎn)對(duì)加工成本的分?jǐn)傆绊?，且滿足01。式(7)中，T總為零部件批量生產(chǎn)總時(shí)間；n1為批量數(shù)。
② 使用保障階段(維修保障階段)
結(jié)合飛機(jī)維修保障流程中關(guān)于更換維修的相關(guān)策略，在飛機(jī)使用保障階段各零部件的成本和時(shí)間的計(jì)算應(yīng)該考慮從設(shè)備中某模塊上拆除故障零部件、準(zhǔn)備相應(yīng)的備用零部件、將備件安裝到相應(yīng)模塊上這3個(gè)基本程序[18]。此外，零部件在使用保障階段的成本及時(shí)間很大程度上取決于零部件的維護(hù)頻率，同時(shí)還應(yīng)考慮整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命[18]。而維護(hù)頻率與零部件的故障率有關(guān)，這里以零部件的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)來(lái)衡量維護(hù)頻率。因此，構(gòu)建使用保障階段零部件成本及時(shí)間計(jì)算模型為
(8)
(9)
式(8)中，零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在使用保障階段的成本包括拆卸費(fèi)用、組裝費(fèi)用以及相應(yīng)備件的固有成本，而拆卸/組裝費(fèi)用考慮了進(jìn)行相應(yīng)操作的勞動(dòng)力成本、工具成本以及能源消耗；備件的固有成本考慮了該備用零部件本身的設(shè)計(jì)研制成本、包裝運(yùn)輸成本以及制造商的中間利潤(rùn)成本。式(9)中，零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在使用保障階段的時(shí)間包含故障件拆卸時(shí)間、備用零部件安裝時(shí)間以及準(zhǔn)備備用零部件進(jìn)行安裝的保障延誤時(shí)間。
③ 退役處置階段
結(jié)合文獻(xiàn)[21]中介紹的待退役軍用裝備處置途徑相關(guān)知識(shí)，本文假設(shè)軍用飛機(jī)的功能利用率能夠達(dá)到最高，即飛機(jī)一直使用到其性能失效時(shí)才予以退役處置，不存在用于教學(xué)科研工作、作為歷史文物收藏、對(duì)外銷(xiāo)售等處置手段，只進(jìn)行拆件利用以及毀形處理。據(jù)此，在軍用飛機(jī)退役處置階段，零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)的成本CEOLij及時(shí)間TEOLij計(jì)算模型為
(10)
式中：CREP、TREP表示當(dāng)零部件xi可再使用或存在重復(fù)利用價(jià)值時(shí)，拆卸后進(jìn)行再加工(Reprocessing)的成本和時(shí)間；CDT、TDT表示當(dāng)零部件xi不可再使用或者無(wú)重復(fù)利用價(jià)值時(shí)，拆卸后進(jìn)行毀形處理(Destruction Treatment)的成本和時(shí)間。
由式(6)～式(10)的計(jì)算模型，得到飛機(jī)壽命周期各個(gè)階段的成本和時(shí)間，然后代入式(5)得到全壽命周期成本為CLCij，全壽命周期時(shí)間為T(mén)LCij，最后可由式(2)計(jì)算xi分別與每個(gè)LRU進(jìn)行匹配組合時(shí)的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij。
根據(jù)LRU的劃分目的——降低LRU發(fā)生故障時(shí)的拆裝成本和時(shí)間，也就是LRU之間的拆裝成本和時(shí)間應(yīng)最小化，相反，LRU模塊內(nèi)的成本和時(shí)間應(yīng)最大化，故而應(yīng)將xi裝配給成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij最大的LRU模塊。這里Kij越大，表明xi與LRU模塊裝配在一起時(shí)的內(nèi)部聚合度就越大。
2) 如果不存在交互關(guān)系，則說(shuō)明xi一定與其他的非核心零部件之間存在交互關(guān)系。這時(shí)xi將進(jìn)入非核心零部件庫(kù)中，與非核心零部件進(jìn)行裝配形成非核心組合件。此時(shí)，xi與其他非核心零部件的交互關(guān)系存在以下2種情況：
①xi只與某一個(gè)非核心零部件存在交互關(guān)系，則將xi與該非核心零部件進(jìn)行裝配，形成一個(gè)非核心組合件同時(shí)分析此非核心組合件的接口關(guān)系，基于非核心零部件排序原則將其擴(kuò)充到非核心零部件庫(kù)中的合適位置，與其他非核心零部件共同依次參與同LRU模塊的裝配過(guò)程。
②xi與不止一個(gè)非核心零部件存在交互關(guān)系，這時(shí)需要借助前面構(gòu)建的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子選擇最佳非核心零部件進(jìn)行匹配組合。假設(shè)與xi存在交互關(guān)系的非核心零部件有s個(gè)，依次為NC1,NC2,…, NCs，對(duì)于其中任意非核心零部件NCj，利用式(2)計(jì)算xi與NCj之間進(jìn)行匹配組合的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子。同理，當(dāng)2個(gè)非核心零部件之間全壽命周期成本和時(shí)間越大，裝配形成的組合件聚合度就越高，故而同樣選擇Kij最大時(shí)的非核心零部件作為xi裝配的對(duì)象，形成非核心組合件并返回非核心零部件庫(kù)。
當(dāng)完成所有非核心零部件(包括非核心組合件)與相應(yīng)LRU模塊的裝配之后，即可得到該設(shè)備的LRU聚類(lèi)結(jié)果，完成該設(shè)備LRU劃分。
3 實(shí)例分析
本節(jié)以國(guó)外某型已服役軍用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中的蒸發(fā)循環(huán)制冷子系統(tǒng)/裝置為研究對(duì)象，從該裝置的零部件清單著手，運(yùn)用本文構(gòu)建的基于核心零部件的LRU劃分方案進(jìn)行LRU的劃分，并將劃分結(jié)果與該裝置的實(shí)際LRU清單進(jìn)行對(duì)比，深入分析了本文得到的LRU劃分結(jié)果相對(duì)于實(shí)際的LRU清單在成本和時(shí)間上的優(yōu)化效果和具體影響。
3.1 設(shè)備LRU劃分方案的實(shí)例運(yùn)用
1) 零部件清單的獲取
蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的結(jié)構(gòu)組成及功能原理如圖3所示，根據(jù)工作原理對(duì)其結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分解，可初步得到該裝置的初始零部件清單，然后將部分僅用于緊固作用和連接作用的其他附件、各個(gè)零部件之間用于信號(hào)傳輸?shù)钠渌蹼婋娎|從初始清單中刪除，得到參與LRU劃分的零部件清單，如表2所示。
2) 確定核心零部件
確定核心零部件需要綜合考慮零部件的核算成本和拆裝時(shí)間2個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)。這里各個(gè)零部件的核算成本即其設(shè)計(jì)研制成本，根據(jù)2.4節(jié)中關(guān)于設(shè)備零部件設(shè)計(jì)研制階段成本和時(shí)間計(jì)算模型，對(duì)各個(gè)零部件的單位體積材料成本(CMV0)、單位體積加工成本(CPV0)、有效體積(φ3)、批量生產(chǎn)成本分?jǐn)傁禂?shù)(K1)、加工工藝損耗系數(shù)(K2)、批量生產(chǎn)總時(shí)間(T總)以及批量數(shù)(n1)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，如表3所示。
首先，將表3中相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)可以計(jì)算蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置中27個(gè)零部件的核算成本(c1,c2,…,c27)，其次，統(tǒng)計(jì)這27個(gè)零部件從該裝置上拆卸和組裝的平均時(shí)間(t1,t2,…,t27)；然后，根據(jù)2.3節(jié)構(gòu)建的核心零部件確定方法，利用式(1)計(jì)算該裝置中27個(gè)零部件的綜合重要度(P1,P2,…,P27)。這里，結(jié)合軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)需求，將零部件成本和拆裝時(shí)間的相對(duì)重要度權(quán)重值ωc、ωt分別設(shè)置為0.4、0.6。具體統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算結(jié)果如表4所示。
最后，利用式(4)可以確定m=6，σ=0.800 293，這6個(gè)核心零部件代號(hào)依次為：1、2、5、6、7、16，對(duì)應(yīng)的零件名稱(chēng)為：冷凝器、制冷壓縮機(jī)控制器、制冷壓縮機(jī)、儲(chǔ)液器、安裝底座、蒸發(fā)器。其中，安裝底座與冷凝器、制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器之間均以一定的連接方式存在交互接口，這是導(dǎo)致安裝底座綜合重要度明顯較大的主要原因，但是安裝底座并不是該裝置的核心技術(shù)類(lèi)零件，因此安裝底座應(yīng)從核心零部件中去除，設(shè)置為非核心零部件；而冷凝器、制冷壓縮機(jī)控制器、制冷壓縮機(jī)、儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器在整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置都起到相對(duì)獨(dú)立的作用，均是較為完整、獨(dú)立的功能單元，應(yīng)設(shè)置為核心零部件；此外，在非核心零部件中，代號(hào)為14、15的干燥過(guò)濾器、膨脹閥綜合重要度分別為0.607 8、0.697 1，相對(duì)于其他非核心零部件的綜合重要度較大，且分別在蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置中起到除去制冷劑中的可能存在的雜質(zhì)及水分、對(duì)制冷劑進(jìn)行節(jié)流降壓的關(guān)鍵作用，是該裝置中的核心技術(shù)類(lèi)零件，應(yīng)作為核心零部件的補(bǔ)充。
表2 蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置零部件清單
Table 2Components list of evaporative cycle refrigeration device
注：已忽略該裝置中其他緊固件和部分弱電電纜
表3 各零部件設(shè)計(jì)研制階段的相關(guān)參數(shù)Table 3 Relevant parameters of components in design and customization stage
經(jīng)過(guò)以上功能結(jié)構(gòu)分析可知：1(冷凝器)、2(制冷壓縮機(jī)控制器)、5(制冷壓縮機(jī))、6(儲(chǔ)液器)、14(干燥過(guò)濾器)、15(膨脹閥)、16(蒸發(fā)器)等7個(gè)零部件是該裝置的核心零部件，都應(yīng)作為該裝置LRU模塊的基本組成。如表5所示。
表4 各零部件的綜合重要度Table 4 Comprehensive importance of components
3) 基于核心零部件聚類(lèi)的LRU劃分
以上述7個(gè)核心零部件分別作為該裝置LRU模塊的基本組成，對(duì)其余20個(gè)非核心零部件的接口關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并按照2.4節(jié)規(guī)定的非核心零部件排序原則進(jìn)行排序，如表6所示。
按照表6中排序可依次實(shí)現(xiàn)各個(gè)非核心零部件與LRU模塊的匹配組合(或者先與其他非核心零部件進(jìn)行匹配形成非核心組合件，再裝配到相應(yīng)的LRU模塊)。在該過(guò)程中，根據(jù)2.4節(jié)相關(guān)理論，3、4、7、9、17、21等6個(gè)非核心零部件同時(shí)與多個(gè)LRU模塊存在交互接口，需要引入成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子K對(duì)最優(yōu)的LRU模塊進(jìn)行匹配選擇。
表5 核心零部件清單Table 5 List of key components
表6 非核心零部件的接口關(guān)系及數(shù)量Table 6 Interface relationships and quantities of non-key components
首先，從蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置BOM清單中對(duì)這6個(gè)非核心零部件與其他LRU模塊或者非核心零部件分別進(jìn)行裝配時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行提取。其中，使用保障階段相關(guān)數(shù)據(jù)如表7所示，退役處置階段的相關(guān)數(shù)據(jù)如表8所示。
其次，基于表3、表7、表8中相關(guān)數(shù)據(jù)，利用式(5)～式(10)以及式(2)計(jì)算成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，相關(guān)結(jié)果如表9所示。
分析表9中相關(guān)數(shù)據(jù)：代號(hào)為3、4的非核心零部件與2、5模塊交互時(shí)對(duì)應(yīng)的Kij都相等，不能將其劃分到2或5模塊上，并且考慮到3、4的平均故障間隔時(shí)間MTBF均較小，即故障率較大，因此可將它們分別獨(dú)立規(guī)劃成LRU；另外，非核心零部件7、9、17、21分別與LRU模塊5、5、15、1進(jìn)行匹配組合時(shí)，對(duì)應(yīng)的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij最大，即應(yīng)將7、9、17、21分別裝配到LRU模塊5、5、15、1上。
至此，當(dāng)所有非核心零部件通過(guò)算法之后，可分別實(shí)現(xiàn)其與各個(gè)LRU模塊的匹配組合，得到各個(gè)LRU的聚類(lèi)結(jié)果，如表10所示。
表7 部分非核心零部件使用保障階段相關(guān)參數(shù)Table 7 Relevant parameters of some non-key components in maintenance and support stage
表8 各零部件退役處置階段的相關(guān)參數(shù)Table 8 Relevant parameters of components in end-of-life stage
3.2 劃分結(jié)果的對(duì)比分析
本節(jié)將上面運(yùn)用基于核心零部件聚類(lèi)的LRU劃分方案得到的LRU劃分結(jié)果與使用保障實(shí)際中的LRU清單進(jìn)行對(duì)比，深入評(píng)價(jià)2種LRU劃分結(jié)果的優(yōu)劣性，并對(duì)本文LRU劃分方案的適用條件和范圍進(jìn)行分析。
該型飛機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的實(shí)際外場(chǎng)可單獨(dú)更換產(chǎn)品清單如表11所示，可以看出該裝置的零部件實(shí)際劃分為4個(gè)LRU，依次為蒸發(fā)循環(huán)制冷組件、制冷壓縮機(jī)控制器、組件與控制器間電纜(強(qiáng)電)、組件與控制器間電纜(弱電)，且4種LRU均單獨(dú)配置有相應(yīng)型號(hào)的備件。
表10 LRU模塊聚類(lèi)結(jié)果Table 10 Clustering results of LRU modules
表11 蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置LRU清單Table 11 List of LRUs for evaporative cycle refrigeration device
對(duì)表10和表11進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的LRU清單中模塊數(shù)為4個(gè)，而本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU數(shù)量為9個(gè)，其中，代號(hào)為2、3、4的制冷壓縮機(jī)控制器、強(qiáng)電電纜、弱電電纜3個(gè)零部件在實(shí)際的LRU清單中以及本文設(shè)計(jì)方案得到的LRU劃分結(jié)果中均設(shè)計(jì)為3個(gè)獨(dú)立的LRU，但是對(duì)于代號(hào)為1、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27等的24個(gè)零部件，在使用保障實(shí)際中是設(shè)計(jì)為一個(gè)LRU，即蒸發(fā)循環(huán)制冷組件，在整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置中起到實(shí)現(xiàn)熱量交換的功能，而在本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU劃分結(jié)果中，則是分成了6個(gè)LRU，這6個(gè)LRU在該裝置中均實(shí)現(xiàn)某種特定的分功能。相比于實(shí)際的LRU清單，本文設(shè)計(jì)方案得到的LRU劃分粒度更細(xì)，尤其是對(duì)于蒸發(fā)循環(huán)制冷組件，將其劃分成了6個(gè)獨(dú)立的LRU，結(jié)果便是導(dǎo)致發(fā)生故障時(shí)，維修成本降低，而相應(yīng)的維修保障時(shí)間會(huì)有所增加。下面對(duì)于2種LRU劃分結(jié)果的成本和時(shí)間效益進(jìn)行定量分析。
2種LRU劃分結(jié)果的唯一區(qū)別在于1、5、…、27等24個(gè)零部件是設(shè)計(jì)為一個(gè)LRU還是劃分成6個(gè)獨(dú)立的LRU，因此，問(wèn)題簡(jiǎn)化為對(duì)這24個(gè)零部件(后面統(tǒng)一稱(chēng)為蒸發(fā)循環(huán)制冷組件)在2種劃分粒度下的成本和時(shí)間效益進(jìn)行評(píng)估。
當(dāng)把蒸發(fā)循環(huán)制冷組件劃分成n2個(gè)均能實(shí)現(xiàn)某種特定的分功能的獨(dú)立LRU時(shí)，其可靠性模型是典型的串聯(lián)模型，即n2個(gè)LRU中任一LRU發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷組件故障，如圖4所示。
圖4 產(chǎn)品的可靠性串聯(lián)模型Fig.4 Reliability series model of products
根據(jù)可靠性串聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型，整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷組件的故障率λs與組成其的各個(gè)LRU之間的故障率λi關(guān)系為
(11)
同理，各個(gè)LRU的故障率同樣可以采用式(11)進(jìn)行計(jì)算。
參照式(8)和式(9)，當(dāng)蒸發(fā)循環(huán)制冷組件在某一次工作故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)的維修保障成本和時(shí)間為
(12)
令n2=6以及n2=1時(shí)，由式(11)和式(12)以及表12中各數(shù)據(jù)可以分別計(jì)算2種劃分粒度下，蒸發(fā)循環(huán)制冷組件的維修保障成本和時(shí)間，如表13所示。
由表13可初步分析，本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU劃分結(jié)果(n2=6)，相比該裝置在維修保障實(shí)際中的LRU劃分結(jié)果(n2=1)：在維修保障時(shí)間增加59.5%的情況下，維修保障成本降低了78.6%。從這個(gè)角度上看，也就是成本和時(shí)間同等重要的情況下，本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU劃分結(jié)果更優(yōu)。
表12 蒸發(fā)循環(huán)制冷組件中各LRU參數(shù)值Table 12 Parameters of LRUs in evaporative cycle refrigeration sub-unit
表13 兩種劃分結(jié)果的成本和時(shí)間效益對(duì)比Table 13 Cost and time benefit comparison of two partition results
但在LRU劃分的實(shí)際過(guò)程中，設(shè)計(jì)方(軍方)對(duì)成本和時(shí)間的偏好度并不是相等的，因此需要對(duì)以上2種劃分結(jié)果在成本和時(shí)間不同設(shè)計(jì)偏好度下的優(yōu)劣性進(jìn)行深入分析。參考式(2)，可以構(gòu)造維修保障成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子K*(即式(3))，式中，μ、λ分別為維修保障成本和時(shí)間在LRU劃分時(shí)的相對(duì)重要度權(quán)重值，滿足μ+λ=1；n*為劃分結(jié)果的種類(lèi)，這里n*=2。
4 結(jié) 論
本文提出了一種軍用飛機(jī)LRU劃分方案，該方案在飛機(jī)功能結(jié)構(gòu)初劃分基礎(chǔ)上，篩選出設(shè)備零部件清單的核心零部件，并以飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間為組合優(yōu)化目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了一種基于設(shè)備核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法，最后以某型軍用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置為例，進(jìn)行了LRU的劃分，將劃分結(jié)果與該裝置使用保障階段的實(shí)際LRU清單進(jìn)行對(duì)比，分析了本文得到的LRU劃分結(jié)果在成本和時(shí)間上的優(yōu)化效果。
本文設(shè)計(jì)的LRU劃分方案定量分析了軍用飛機(jī)全壽命周期階段成本以及時(shí)間對(duì)LRU模塊形成的影響，且主要設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)源于軍用飛機(jī)PLM數(shù)據(jù)庫(kù)，客觀性和真實(shí)性較強(qiáng)，克服了以往類(lèi)似研究中普遍采用模糊邏輯·模糊集理論對(duì)各個(gè)層面指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析這種方法的主觀性較強(qiáng)的缺陷，具有一定的創(chuàng)新性。但是需要指出的是，本文最后在實(shí)現(xiàn)設(shè)備零部件到LRU模塊聚類(lèi)劃分之后，沒(méi)有對(duì)劃分得到的模塊進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)判，區(qū)分設(shè)備中可能存在的非LRU，后期需要結(jié)合對(duì)軍用飛機(jī)各個(gè)部件故障率的分析，對(duì)設(shè)備中可能存在的非LRU進(jìn)行判斷，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備LRU清單進(jìn)行修改和完善。
總之，該軍用飛機(jī)LRU劃分方案能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)軍用飛機(jī)LRU的設(shè)計(jì)劃分工作，對(duì)軍用飛機(jī)測(cè)試性設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)且具有一定的實(shí)用價(jià)值。
猜你喜歡
人類(lèi)壽命極限應(yīng)在120～150歲之間中老年保健(2021年8期)2021-12-02 23:55:49 倉(cāng)鼠的壽命知多少作文評(píng)點(diǎn)報(bào)·低幼版(2020年3期)2020-02-12 09:08:22 馬烈光養(yǎng)生之悟 自靜其心延壽命華人時(shí)刊(2018年17期)2018-12-07 01:02:20 基于DBSACN聚類(lèi)算法的XML文檔聚類(lèi)電子測(cè)試(2017年15期)2017-12-18 07:19:27 任務(wù)準(zhǔn)備期內(nèi)的軍用飛機(jī)瞬時(shí)可用度北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)(2017年4期)2017-11-23 05:48:37 人類(lèi)正常壽命為175歲奧秘(2017年12期)2017-07-04 11:37:14 基于改進(jìn)的遺傳算法的模糊聚類(lèi)算法智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)(2015年4期)2015-12-27 09:38:39 一種層次初始的聚類(lèi)個(gè)數(shù)自適應(yīng)的聚類(lèi)方法研究電子設(shè)計(jì)工程(2015年6期)2015-02-27 12:04:53 自適應(yīng)確定K-means算法的聚類(lèi)數(shù)：以遙感圖像聚類(lèi)為例華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年6期)2014-02-27 13:40:55
胡啟先，王卓健,*，魚(yú)歡
1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038 2.955596部隊(duì)，商丘 476000
針對(duì)現(xiàn)代軍用飛機(jī)快速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、高強(qiáng)度持續(xù)作戰(zhàn)的特點(diǎn)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段將具有一定功能或結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的零部件組裝成模塊，這類(lèi)模塊一旦發(fā)生故障能夠在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行拆裝更換，以達(dá)到快速保障、機(jī)動(dòng)保障和持續(xù)保障的要求。在航空維修中，這類(lèi)模塊通常被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit, LRU)。測(cè)試性設(shè)計(jì)階段的LRU劃分必須先于測(cè)試性的初步設(shè)計(jì)，是測(cè)試性設(shè)計(jì)和分析的首要工作，主要是為實(shí)現(xiàn)設(shè)備中LRU的功能、物理劃分，使得LRU對(duì)于某一功能屬性的失效具有決定作用并且不同LRU之間物理關(guān)聯(lián)相對(duì)較小[1-2]，方便維修保障人員快速定位并隔離故障，最終降低故障件的修復(fù)性維修時(shí)間?？焖俣ㄎ还收霞锤鶕?jù)故障機(jī)理能夠快速確定導(dǎo)致故障發(fā)生的LRU，這要求LRU應(yīng)具備一定的功能獨(dú)立性；快速隔離故障即在故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位后能夠快速拆換故障件，這要求LRU應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)獨(dú)立性，這是在對(duì)LRU進(jìn)行劃分時(shí)需要遵循的基本原則。另外，軍用飛機(jī)LRU劃分的重要目的是降低LRU在全生命周期的成本和時(shí)間，尤其是維修保障階段的成本和時(shí)間。
在這個(gè)過(guò)程中，LRU劃分粒度的不同會(huì)直接影響到LRU的維修保障成本的高低以及修復(fù)性維修時(shí)間的大小。通常情況下，LRU劃分的粒度越大，將故障定位到LRU就越簡(jiǎn)單，且更容易對(duì)故障進(jìn)行隔離，修復(fù)性維修時(shí)間會(huì)減小，但相應(yīng)的LRU備件成本會(huì)增大；LRU劃分的粒度越小，故障定位到LRU的過(guò)程就越復(fù)雜，且故障更難進(jìn)行隔離，修復(fù)性維修時(shí)間會(huì)增大，但LRU備件成本會(huì)降低，這是一個(gè)典型的組合優(yōu)化問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種用于LRU劃分的聚類(lèi)算法，將各個(gè)零部件聚類(lèi)劃分成合適粒度的LRU，使得劃分后LRU在發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的維修保障時(shí)間和成本達(dá)到組合最優(yōu)解，是本文的研究重點(diǎn)。
考慮到LRU本身是一種模塊，因此從模塊劃分的角度對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。諶炎輝和胡義華[3]將目前已有的模塊劃分方法歸納為基于功能的模塊劃分方法、基于功能和結(jié)構(gòu)的模塊劃分方法、面向生命周期的模塊劃分方法以及其他模塊劃分方法；謝清[4]對(duì)模塊劃分中用到的傳統(tǒng)模糊聚類(lèi)分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，提出該方法主要包括樣本數(shù)據(jù)規(guī)范化、模糊相似矩陣的構(gòu)建、聚類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)這3步，目前模塊劃分研究領(lǐng)域也基本上采用了這種框架，區(qū)別在于不同研究者在這3個(gè)步驟上各有側(cè)重點(diǎn)或者采取了不同的優(yōu)化方法。例如Wei等[5]構(gòu)建模塊內(nèi)部聚類(lèi)度、模塊之間耦合度產(chǎn)品整體可靠度3個(gè)計(jì)算模型，最后運(yùn)用ISPEA2尋求滿足3個(gè)目標(biāo)度量函數(shù)的最優(yōu)模塊劃分方案；Na等[6]采用基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的模塊劃分方法也是屬于模糊圖聚類(lèi)方法，利用區(qū)間值直覺(jué)模糊集來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型邊緣的權(quán)值，用以表示各部分之間的相關(guān)性；此外，Li等[7]同樣引入了加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(WCN)理論，利用WCN中邊的權(quán)值來(lái)說(shuō)明各分量之間的連接強(qiáng)度；Chang等[8]提出在設(shè)計(jì)和制造的早期階段引入綠色功能品質(zhì)展開(kāi)(GQFD)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生態(tài)友好之間的平衡，將基于模塊化概念的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(DSM)應(yīng)用于不同的零部件組合成效率最優(yōu)模塊的劃分過(guò)程中。以上文獻(xiàn)總體上是基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、拆卸性、可靠性、環(huán)保性等生命周期過(guò)程中的指標(biāo)建立產(chǎn)品零部件的模糊相似關(guān)系(零部件相關(guān)矩陣或設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣等)，然后采取合適的聚類(lèi)算法對(duì)模糊相似關(guān)系矩陣進(jìn)行聚類(lèi)劃分和優(yōu)化，其中部分文獻(xiàn)在聚類(lèi)算法的優(yōu)化改進(jìn)上有較大突破，也有部分文獻(xiàn)在模糊相似矩陣的綜合、轉(zhuǎn)化等數(shù)據(jù)處理方法上有不同程度的創(chuàng)新，但是，這些研究大都是建立在利用模糊邏輯·模糊集理論對(duì)零部件在各個(gè)指標(biāo)層面的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行模糊評(píng)分，或者利用層次分析法得到各指標(biāo)相關(guān)性的權(quán)重、進(jìn)而整合得到模糊相似矩陣的基礎(chǔ)之上，方法本身存在一定的主觀性。而本文需要研究的問(wèn)題——基于維修保障角度對(duì)軍用飛機(jī)進(jìn)行LRU劃分，更多地需要結(jié)合具體的飛機(jī)全壽命周期數(shù)據(jù)，特別是維修保障階段的使用數(shù)據(jù)，使得LRU劃分結(jié)果更符合軍用飛機(jī)這種典型航空裝備的特性，因此這些建立在相似矩陣構(gòu)建基礎(chǔ)之上的模糊聚類(lèi)分析方法可能并不適用軍用飛機(jī)LRU劃分。因此，設(shè)計(jì)一種適用于軍用飛機(jī)進(jìn)行LRU劃分的方案，是目前在軍用飛機(jī)測(cè)試性設(shè)計(jì)階段急需展開(kāi)的首要工作。
1 問(wèn)題描述及數(shù)學(xué)模型
1.1 問(wèn)題描述
基于以上文獻(xiàn)綜述和分析，本文在首先已經(jīng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整機(jī)-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-設(shè)備-零部件等功能結(jié)構(gòu)分層劃分基礎(chǔ)上，基于飛機(jī)零部件層級(jí)，構(gòu)造優(yōu)化決策目標(biāo)篩選出核心零部件，然后以飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間為組合優(yōu)化目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了一種基于核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法，實(shí)現(xiàn)由飛機(jī)設(shè)備中零部件到LRU的聚類(lèi)，形成最優(yōu)化的LRU劃分方案。文章最后以某型軍用飛機(jī)的蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置為例，運(yùn)用本文提出的方案，實(shí)現(xiàn)了該裝置LRU的劃分，并將劃分結(jié)果與該裝置維修保障實(shí)際中LRU清單進(jìn)行對(duì)比，分析了本文得到的LRU劃分結(jié)果在成本和時(shí)間上的優(yōu)化效果。上述研究?jī)?nèi)容中主要解決了以下3個(gè)問(wèn)題：
1) 從飛機(jī)中設(shè)備的零部件清單出發(fā)，基于優(yōu)化決策目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用合適的方法從零部件清單中篩選出核心零部件。
2) 基于設(shè)備核心零部件，考慮零部件在實(shí)際裝配過(guò)程中的接口關(guān)系，開(kāi)發(fā)一種適用于軍用飛機(jī)LRU劃分的聚類(lèi)算法，并構(gòu)造以飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間為組合優(yōu)化目標(biāo)的綜合評(píng)判因子，聚類(lèi)得到最優(yōu)LRU劃分結(jié)果。
3) 以具體設(shè)備為例，將本文設(shè)計(jì)方案得到的LRU劃分結(jié)果與實(shí)際LRU清單進(jìn)行比對(duì)，分析出相對(duì)實(shí)際LRU清單，本文方案有哪些方面的改進(jìn)和優(yōu)化。
1.2 數(shù)學(xué)模型
針對(duì)以上3個(gè)主要問(wèn)題，分別對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和表達(dá)。
1) 問(wèn)題一
以設(shè)備中零部件k的核算成本ck，拆裝時(shí)間tk以及它們分別在LRU劃分中的相對(duì)重要度權(quán)重值ωc、ωt為基本輸入，構(gòu)造綜合重要度Pk：
(1)
式中：n為零部件數(shù)量。
作為各零部件的定量化指標(biāo)，運(yùn)用Pareto原則從所有零部件中篩選出核心零部件，作為基本輸出，最后對(duì)所有零部件功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，對(duì)基本輸出結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得到最終的核心零部件清單，即為該問(wèn)題的最終輸出。
2) 問(wèn)題二
首先，以設(shè)備核心零部件和非核心零部件清單、各零部件之間的接口關(guān)系作為L(zhǎng)RU劃分聚類(lèi)算法的基本輸入，實(shí)現(xiàn)LRU模塊的基礎(chǔ)組成。然后，以飛機(jī)在設(shè)計(jì)研制階段、維修保障階段、退役處置階段的相關(guān)參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，以飛機(jī)全壽命周期設(shè)備中零部件進(jìn)行裝配時(shí)的成本和時(shí)間為輸出數(shù)據(jù)，具體如表1所示。
表1 全壽命周期輸入輸出參數(shù)Table 1 Input and output parameters in life cycle
并基于全壽命周期成本和時(shí)間模型的最終輸出參數(shù)，構(gòu)造零部件與LRU模塊之間裝配時(shí)的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij：
(2)
式中：CLCij和TLCij分別為零部件xi與對(duì)象Mj匹配組合時(shí)，在全壽命周期的成本和時(shí)間；α和β分別為全壽命周期成本和時(shí)間對(duì)xi和Mj匹配組合的影響程度；下標(biāo)ij表示零部件xi與對(duì)象Mj交互。
作為各零部件與LRU基本模塊之間匹配組合的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各零部件與最佳LRU的聚類(lèi)過(guò)程，得到最優(yōu)的設(shè)備LRU聚類(lèi)劃分結(jié)果，即為該問(wèn)題的最終輸出。
3) 問(wèn)題三
以飛機(jī)某型設(shè)備為例，用本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)LRU劃分方案得到的LRU劃分結(jié)果以及該設(shè)備在維修保障實(shí)際中的LRU清單為基本輸入。
對(duì)比分析過(guò)程中，以該設(shè)備在某一次工作故障時(shí)對(duì)應(yīng)的維修保障成本和時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步評(píng)價(jià)2種方案的優(yōu)劣性。
最后，構(gòu)造不同劃分結(jié)果下維修保障成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子K*：
(3)
對(duì)2種不同劃分結(jié)果的優(yōu)劣性進(jìn)行深入分析，得出評(píng)價(jià)結(jié)論，即為該問(wèn)題的最終輸出。
2 軍用飛機(jī)LRU劃分方案
2.1 總體方案設(shè)計(jì)
首先基于軍用飛機(jī)的產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management， PLM)數(shù)據(jù)庫(kù)[9]，挖掘并參考已有的同型號(hào)或者功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)似的飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以作戰(zhàn)需求為牽引，以性能指標(biāo)為導(dǎo)向，遵循一定的系統(tǒng)劃分原則，完成新型飛機(jī)整機(jī)-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-設(shè)備-零部件的功能結(jié)構(gòu)劃分；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)飛機(jī)設(shè)備的零部件這一層級(jí)，引入綜合重要度對(duì)設(shè)備中零部件核算成本和拆裝時(shí)間進(jìn)行權(quán)衡度量，基于帕累托(Pareto)原則篩選出核心零部件，進(jìn)而根據(jù)該設(shè)備中的功能結(jié)構(gòu)分析，對(duì)核心零部件進(jìn)行去除或者補(bǔ)充，得到最終的核心零部件清單；最后，以這些核心零部件作為L(zhǎng)RU的基本組成，將其他非核心零部件按照基于啟發(fā)式搜索的LRU劃分聚類(lèi)算法與這些核心零部件相匹配，形成完整的LRU，完成劃分過(guò)程。本文構(gòu)建的LRU劃分方案具體如圖1所示。
圖1 軍用飛機(jī)LRU劃分方案Fig.1 Military aircraft LRU partition scheme
該過(guò)程中，本文基于軍用飛機(jī)LRU劃分規(guī)則，權(quán)衡考慮了飛機(jī)設(shè)計(jì)研制階段、使用保障階段、退役處置階段全壽命周期內(nèi)時(shí)間和成本對(duì)LRU聚類(lèi)的組合影響，構(gòu)建了時(shí)間和成本綜合評(píng)判因子，用以定量評(píng)判LRU形成的內(nèi)部聚合度，從而得到最優(yōu)LRU劃分方案。
下面對(duì)方案中LRU劃分規(guī)則的制定、核心零部件的確定、基于核心零部件的LRU劃分等主要步驟進(jìn)行詳細(xì)分析。
2.2 軍用飛機(jī)LRU劃分規(guī)則
由引言分析可知，LRU對(duì)飛機(jī)上某一功能屬性的失效具有決定作用并且不同LRU之間物理關(guān)聯(lián)相對(duì)較小[1]，決定了劃分后的LRU應(yīng)具備一定的功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)獨(dú)立性；此外，軍用飛機(jī)LRU劃分主要是為降低其飛機(jī)發(fā)生故障時(shí)的維修保障時(shí)間，提高外場(chǎng)維修保障效率，故而還應(yīng)該考慮LRU的全壽命周期時(shí)間(包含維修保障時(shí)間)最少規(guī)則；同時(shí)，考慮軍用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性原則，LRU的全壽命周期成本最低也應(yīng)該作為L(zhǎng)RU的劃分規(guī)則之一；最后LRU可能是幾個(gè)零部件聚類(lèi)起來(lái)的模塊，也有可能是某個(gè)完整的功能設(shè)備，甚至是某個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，LRU與飛機(jī)各層級(jí)之間并無(wú)直接的映射關(guān)系，LRU的劃分粒度應(yīng)該充分考慮具體零部件之間的接口關(guān)系、裝配成本和時(shí)間等因素，以合理準(zhǔn)確為基本規(guī)則。
基于以上分析，軍用飛機(jī)進(jìn)行LRU劃分時(shí)應(yīng)遵循基本規(guī)則有：
1) LRU應(yīng)具備一定的功能獨(dú)立性。
2) LRU應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)獨(dú)立性。
3) 降低LRU的全壽命周期成本。
4) 降低LRU的全壽命周期時(shí)間消耗(主要是為提高LRU的維修保障效率)。
5) 劃分后的LRU粒度合理準(zhǔn)確。
2.3 核心零部件的確定
區(qū)分核心零部件及非核心零部件是LRU劃分方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。這里L(fēng)RU劃分是從飛機(jī)維修保障階段如何快速進(jìn)行拆換故障件的角度實(shí)施的劃分，應(yīng)在飛機(jī)各層級(jí)功能結(jié)構(gòu)劃分基礎(chǔ)之上，是設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特定分功能的零部件的組合體。因此，首先需要從設(shè)備零部件清單中篩選出對(duì)某種分功能產(chǎn)生決定性作用的核心零部件，以這些核心零部件為基礎(chǔ)組成，完成其他非核心零部件與核心零部件的匹配組裝，最終形成完整的LRU模塊。
對(duì)于設(shè)備核心零部件的確定周友行等[10-12]引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，通過(guò)尋找關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的方法確定產(chǎn)品的重要零件，該方法需要引入邊權(quán)值或者關(guān)系矩陣來(lái)衡量?jī)晒?jié)點(diǎn)之間的距離，而邊權(quán)值或者關(guān)系矩陣的定量化方法存在較大的模糊性和主觀性，一般適用于產(chǎn)品族或者具備長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)模產(chǎn)品，不太適用于定制性較強(qiáng)、特性要求高、產(chǎn)量小的航空作戰(zhàn)裝備。因此，這里提出一種以綜合重要度作為衡量零部件的定量化指標(biāo)并采用Pareto原則篩選出核心零部件的方法。
核心零部件是設(shè)備上攜帶若干核心技術(shù)或者技術(shù)構(gòu)成相對(duì)重要的組件，相應(yīng)的，此類(lèi)組件在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中的外在常見(jiàn)表現(xiàn)為：價(jià)格占比重、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、人工耗時(shí)長(zhǎng)等等。參考《政府采購(gòu)貨物和服務(wù)招標(biāo)投標(biāo)管理辦法》第三十一條第三款的相關(guān)規(guī)定[13]，這里以零部件的核算成本和拆裝時(shí)間2個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)為判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備核心零部件的篩選。
依據(jù)Pareto原則(二八定律)：產(chǎn)品中20%或更少的零部件對(duì)應(yīng)的綜合重要度之和可能占據(jù)該設(shè)備總綜合重要度的80%或更多[15]，即
(4)
式中：m為核心零部件的數(shù)量，σ一般≥0.8。
首先將該設(shè)備中n個(gè)零部件的綜合重要度按照從大到小順序進(jìn)行排列，即P1,P2,…,Pn，然后依據(jù)式(4)即可初步確定設(shè)備中的核心零部件；之后，需要對(duì)這m個(gè)核心零部件的功能結(jié)構(gòu)、技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行分析，去掉可能存在的因加工工藝、裝配工藝等因素導(dǎo)致核算成本或者拆裝時(shí)間單一參數(shù)較大的非核心技術(shù)構(gòu)成類(lèi)零部件，同時(shí)對(duì)其余n-m個(gè)零部件的功能進(jìn)行評(píng)估，篩選出可能存在的對(duì)設(shè)備總體性能實(shí)現(xiàn)具有決定性影響的核心技術(shù)構(gòu)成類(lèi)零部件，作為核心零部件的補(bǔ)充。
2.4 基于核心零部件的LRU劃分
在這一節(jié)設(shè)計(jì)了一種基于核心零部件聚類(lèi)的LRU劃分算法，同時(shí)考慮全壽命周期成本和時(shí)間對(duì)LRU聚類(lèi)影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)LRU的劃分過(guò)程。
本文從設(shè)備零部件清單出發(fā)，基于Pareto原則以及設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)分析，篩選出核心零部件，并把核心零部件作為L(zhǎng)RU模塊的基本組成，最后將非核心零部件匹配組裝到各LRU模塊上，完成劃分。在這個(gè)過(guò)程中可以看出，零部件級(jí)是該方案中劃分LRU的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層級(jí)，且核心零部件是LRU的基本功能單元。由前面2.3節(jié)核心零部件的確定過(guò)程可知，核心零部件具有核算成本較高、拆卸組裝耗時(shí)較長(zhǎng)并且功能獨(dú)立性較強(qiáng)等特點(diǎn)。據(jù)此分析，把核心零部件作為L(zhǎng)RU模塊的基本組成時(shí)，該LRU即具備了其所包含的核心零部件的功能獨(dú)立性，因此當(dāng)該功能失效(即發(fā)生故障)時(shí)，就能直接定位至該LRU；并且，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，單獨(dú)對(duì)核心零部件進(jìn)行拆裝較為復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，因此將核心零部件直接作為L(zhǎng)RU的基本組成時(shí)，就避免了直接對(duì)核心零部件進(jìn)行拆裝操作，而只需對(duì)其所在的LRU進(jìn)行拆裝，降低了功能性故障導(dǎo)致的維修時(shí)間。因此，處理核心零部件的最好辦法就是將它們劃分到不同的LRU中，即以核心零部件作為L(zhǎng)RU劃分的基本功能層級(jí)，核心零部件的數(shù)量即為L(zhǎng)RU的數(shù)量。
在本方案中將其他非核心零部件裝配到核心零部件上的過(guò)程，需要引入全壽命周期設(shè)計(jì)研制、使用保障、退役處置各個(gè)階段成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，基于接口關(guān)系對(duì)裝配方案進(jìn)行權(quán)衡選擇，形成最優(yōu)化的LRU劃分方案。
下面分別對(duì)飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間模型的構(gòu)建、基于設(shè)備核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法的設(shè)計(jì)以及成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子的引入過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)研究。
1) 全壽命周期成本和時(shí)間模型
結(jié)合文獻(xiàn)[16]中對(duì)飛機(jī)全壽命周期的劃分研究，這里主要考慮軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)研制、使用保障和退役處置這3個(gè)階段，可以構(gòu)建零部件xi與對(duì)象Mj匹配組合時(shí)，在整個(gè)壽命周期(Life Cycle)的成本CLCij和時(shí)間TLCij模型：
(5)
式中：CDC、TDC分別為各設(shè)備中零部件在設(shè)計(jì)研制階段(Design and Customization Cost)的成本、時(shí)間，不需要考慮零部件之間的裝配關(guān)系；而CMSij、TMSij分別為設(shè)備中零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在使用保障階段(Maintenance and Support Stage)的成本、時(shí)間，以及CEOLij、TEOLij分別為設(shè)備中零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在退役處置階段(End-Of-Life Stage)的成本、時(shí)間，需要考慮由于零部件之間不同的裝配關(guān)系而導(dǎo)致的成本和時(shí)間的不同。
另外需要指出的是，該模型以壽命周期各階段中對(duì)零部件成本和時(shí)間產(chǎn)生影響的各參數(shù)作為最小數(shù)據(jù)集，其中涵蓋了包括使用保障、退役處置等階段對(duì)零部件進(jìn)行拆換操作或者報(bào)廢回收操作等行為的成本、時(shí)間數(shù)據(jù)，這些在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)階段不可能獲取的數(shù)據(jù)，將通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行提取，即從作戰(zhàn)飛機(jī)PLM數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取與設(shè)計(jì)機(jī)型功能需求相似度較大的已服役機(jī)型在全壽命周期各階段的設(shè)計(jì)、使用、維修、報(bào)廢、回收數(shù)據(jù)，作為新型飛機(jī)輸入?yún)?shù)集的源數(shù)據(jù)；之后，需要對(duì)這些源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)型與已有機(jī)型中結(jié)構(gòu)組成基本相似的零部件，可以直接將數(shù)據(jù)庫(kù)中已有機(jī)型的零部件數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)機(jī)型的輸入數(shù)據(jù)；對(duì)于相比于已有機(jī)型，在設(shè)計(jì)機(jī)型上新增加的零部件，則需要根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、材料工具等對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，將估算值作為設(shè)計(jì)階段飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間模型的臨時(shí)輸入，初步實(shí)現(xiàn)LRU的劃分，并在飛機(jī)后續(xù)的研制階段、使用保障階段以及退役處置階段根據(jù)不斷獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)LRU劃分結(jié)果的動(dòng)態(tài)調(diào)整。其實(shí)，作戰(zhàn)飛機(jī)LRU實(shí)際劃分過(guò)程也正是如此，在設(shè)計(jì)階段的LRU劃分結(jié)果往往并不完全適用于飛機(jī)的其他壽命周期階段，而是需要根據(jù)后續(xù)的研制生產(chǎn)過(guò)程、使用和維修保障實(shí)際、報(bào)廢回收情況對(duì)LRU清單進(jìn)行不斷調(diào)整[17]。
2) 基于核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法
在前面已經(jīng)確定的設(shè)備核心零部件基礎(chǔ)上，考慮非核心零部件與核心零部件之間裝配時(shí)的接口關(guān)系，開(kāi)發(fā)了一種LRU劃分聚類(lèi)算法。
在該算法中，首先以核心零部件作為各個(gè)LRU模塊的基本組成，然后將其余非核心零部件按照一定的基礎(chǔ)規(guī)則分配到各個(gè)LRU模塊中。這里的基礎(chǔ)規(guī)則主要考慮非核心零部件與核心零部件裝配的難易度，而對(duì)裝配難易度影響最大的因素就是零部件之間的接口數(shù)量，零部件的接口數(shù)量越多，其組裝就越復(fù)雜[18]；其次是裝配過(guò)程中是否存在可選擇性，若某個(gè)零部件同時(shí)與多個(gè)核心零部件存在交互接口，同樣會(huì)增加組裝過(guò)程的復(fù)雜度。因此，在確定LRU的非核心零部件時(shí)，需要以接口數(shù)量以及是否存在可選擇性為基本原則對(duì)非核心零部件進(jìn)行排序：若一個(gè)非核心零部件擁有的接口數(shù)量越多，其優(yōu)先級(jí)越高，則越早進(jìn)入搜索算法進(jìn)行裝配；在接口數(shù)量相同的情況下，若某個(gè)非核心零部件同時(shí)與多個(gè)LRU存在交互關(guān)系，則該零部件優(yōu)先級(jí)越高，并且此時(shí)，需將成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子引入到算法中實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)LRU的匹配選擇?；谝陨戏呛诵牧悴考呐判蛟瓌t，并通過(guò)該算法實(shí)現(xiàn)非核心零部件與LRU模塊的聚類(lèi)過(guò)程，即可使得劃分后的LRU具備較高的結(jié)構(gòu)獨(dú)立性。該算法的邏輯框圖如圖2所示。
該邏輯運(yùn)行圖中，基本的算法流程有：
1) 以零部件清單中的核心零部件作為L(zhǎng)RU的基本模塊。
2) 按照非核心零部件排序原則對(duì)所有非核心零部件進(jìn)行排序，并按照順序依次實(shí)現(xiàn)非核心零部件與LRU基本模塊之間的選擇匹配。
3) 根據(jù)非核心零部件與LRU模塊之間的接口關(guān)系，實(shí)現(xiàn)非核心零部件到各個(gè)LRU模塊的匹配組合過(guò)程。
若非核心零部件僅與某一個(gè)LRU模塊存在交互接口，則將其組裝到該LRU模塊上；若存在2個(gè)及以上接口，則利用式(2)計(jì)算非核心零部件與每個(gè)交互的LRU模塊之間的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將其組裝到綜合評(píng)判因子最大的那個(gè)LRU模塊上；若非核心零部件與LRU模塊不交互，則必與其他的非核心零部件交互，同理，根據(jù)非核心零部件與其他非核心零部件的接口關(guān)系，必要時(shí)引入成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，實(shí)現(xiàn)非核心零部件與其他非核心零部件之間的匹配，形成非核心組合件，將形成的非核心組合件返回非核心零部件庫(kù)，回到步驟2)，重新參與匹配組合過(guò)程。
圖2 基于核心零部件的LRU聚類(lèi)算法邏輯運(yùn)行圖Fig.2 Logical running diagram of LRU clustering algorithms based on key components
4) 按照非核心零部件的排序依次完成所有非核心零部件與LRU模塊的匹配組合之后，便形成了完整的LRU清單，并進(jìn)行輸出。
例如，對(duì)于任意一個(gè)非核心零部件xi，進(jìn)入算法后首先判斷xi與每個(gè)LRU之間是否存在物理連接關(guān)系(交互關(guān)系)：
1) 如果存在交互關(guān)系，進(jìn)一步判斷與其存在交互關(guān)系的LRU數(shù)量。當(dāng)xi僅與某一個(gè)LRU存在交互關(guān)系時(shí)，則將xi分配到該LRU中，同時(shí)該LRU返回搜索庫(kù)，參與下一個(gè)非核心零部件的匹配搜索過(guò)程；當(dāng)xi與不止一個(gè)LRU存在交互關(guān)系時(shí)，這時(shí)需要考慮全壽命周期成本和時(shí)間對(duì)xi與LRU匹配組合的影響，以選擇最優(yōu)的LRU。
設(shè)與xi存在交互關(guān)系的LRU有k個(gè)，依次為M1,M2,…，Mk，對(duì)于其中任意LRUMj，xi與Mj之間進(jìn)行匹配組合時(shí)，分別計(jì)算其在全壽命周期設(shè)計(jì)研制階段、維修保障階段、退役處置階段的成本和時(shí)間：
① 設(shè)計(jì)研制階段
飛機(jī)設(shè)計(jì)研制階段各設(shè)備中零部件的成本CDC和時(shí)間TDC與裝配關(guān)系無(wú)關(guān)，由零部件xi本身的材料成本(Material Cost，CM)和加工成本(Processing Cost，CP)組成[19]，即
(6)
以及
(7)
式中:CMV0為單位體積材料成本；CPV0為單位體積加工成本(包含人工費(fèi)及設(shè)備費(fèi))；φ3表示零部件xi的有效體積；K1表示批量生產(chǎn)成本分?jǐn)傁禂?shù)，該因子主要考慮大批量生產(chǎn)對(duì)加工成本的分?jǐn)傆绊?，且滿足0
② 使用保障階段(維修保障階段)
結(jié)合飛機(jī)維修保障流程中關(guān)于更換維修的相關(guān)策略，在飛機(jī)使用保障階段各零部件的成本和時(shí)間的計(jì)算應(yīng)該考慮從設(shè)備中某模塊上拆除故障零部件、準(zhǔn)備相應(yīng)的備用零部件、將備件安裝到相應(yīng)模塊上這3個(gè)基本程序[18]。此外，零部件在使用保障階段的成本及時(shí)間很大程度上取決于零部件的維護(hù)頻率，同時(shí)還應(yīng)考慮整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命[18]。而維護(hù)頻率與零部件的故障率有關(guān)，這里以零部件的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)來(lái)衡量維護(hù)頻率。因此，構(gòu)建使用保障階段零部件成本及時(shí)間計(jì)算模型為
(8)
(9)
式(8)中，零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在使用保障階段的成本包括拆卸費(fèi)用、組裝費(fèi)用以及相應(yīng)備件的固有成本，而拆卸/組裝費(fèi)用考慮了進(jìn)行相應(yīng)操作的勞動(dòng)力成本、工具成本以及能源消耗；備件的固有成本考慮了該備用零部件本身的設(shè)計(jì)研制成本、包裝運(yùn)輸成本以及制造商的中間利潤(rùn)成本。式(9)中，零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)在使用保障階段的時(shí)間包含故障件拆卸時(shí)間、備用零部件安裝時(shí)間以及準(zhǔn)備備用零部件進(jìn)行安裝的保障延誤時(shí)間。
③ 退役處置階段
結(jié)合文獻(xiàn)[21]中介紹的待退役軍用裝備處置途徑相關(guān)知識(shí)，本文假設(shè)軍用飛機(jī)的功能利用率能夠達(dá)到最高，即飛機(jī)一直使用到其性能失效時(shí)才予以退役處置，不存在用于教學(xué)科研工作、作為歷史文物收藏、對(duì)外銷(xiāo)售等處置手段，只進(jìn)行拆件利用以及毀形處理。據(jù)此，在軍用飛機(jī)退役處置階段，零部件xi與對(duì)象Mj裝配時(shí)的成本CEOLij及時(shí)間TEOLij計(jì)算模型為
(10)
式中：CREP、TREP表示當(dāng)零部件xi可再使用或存在重復(fù)利用價(jià)值時(shí)，拆卸后進(jìn)行再加工(Reprocessing)的成本和時(shí)間；CDT、TDT表示當(dāng)零部件xi不可再使用或者無(wú)重復(fù)利用價(jià)值時(shí)，拆卸后進(jìn)行毀形處理(Destruction Treatment)的成本和時(shí)間。
由式(6)～式(10)的計(jì)算模型，得到飛機(jī)壽命周期各個(gè)階段的成本和時(shí)間，然后代入式(5)得到全壽命周期成本為CLCij，全壽命周期時(shí)間為T(mén)LCij，最后可由式(2)計(jì)算xi分別與每個(gè)LRU進(jìn)行匹配組合時(shí)的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij。
根據(jù)LRU的劃分目的——降低LRU發(fā)生故障時(shí)的拆裝成本和時(shí)間，也就是LRU之間的拆裝成本和時(shí)間應(yīng)最小化，相反，LRU模塊內(nèi)的成本和時(shí)間應(yīng)最大化，故而應(yīng)將xi裝配給成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij最大的LRU模塊。這里Kij越大，表明xi與LRU模塊裝配在一起時(shí)的內(nèi)部聚合度就越大。
2) 如果不存在交互關(guān)系，則說(shuō)明xi一定與其他的非核心零部件之間存在交互關(guān)系。這時(shí)xi將進(jìn)入非核心零部件庫(kù)中，與非核心零部件進(jìn)行裝配形成非核心組合件。此時(shí)，xi與其他非核心零部件的交互關(guān)系存在以下2種情況：
①xi只與某一個(gè)非核心零部件存在交互關(guān)系，則將xi與該非核心零部件進(jìn)行裝配，形成一個(gè)非核心組合件同時(shí)分析此非核心組合件的接口關(guān)系，基于非核心零部件排序原則將其擴(kuò)充到非核心零部件庫(kù)中的合適位置，與其他非核心零部件共同依次參與同LRU模塊的裝配過(guò)程。
②xi與不止一個(gè)非核心零部件存在交互關(guān)系，這時(shí)需要借助前面構(gòu)建的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子選擇最佳非核心零部件進(jìn)行匹配組合。假設(shè)與xi存在交互關(guān)系的非核心零部件有s個(gè)，依次為NC1,NC2,…, NCs，對(duì)于其中任意非核心零部件NCj，利用式(2)計(jì)算xi與NCj之間進(jìn)行匹配組合的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子。同理，當(dāng)2個(gè)非核心零部件之間全壽命周期成本和時(shí)間越大，裝配形成的組合件聚合度就越高，故而同樣選擇Kij最大時(shí)的非核心零部件作為xi裝配的對(duì)象，形成非核心組合件并返回非核心零部件庫(kù)。
當(dāng)完成所有非核心零部件(包括非核心組合件)與相應(yīng)LRU模塊的裝配之后，即可得到該設(shè)備的LRU聚類(lèi)結(jié)果，完成該設(shè)備LRU劃分。
3 實(shí)例分析
本節(jié)以國(guó)外某型已服役軍用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中的蒸發(fā)循環(huán)制冷子系統(tǒng)/裝置為研究對(duì)象，從該裝置的零部件清單著手，運(yùn)用本文構(gòu)建的基于核心零部件的LRU劃分方案進(jìn)行LRU的劃分，并將劃分結(jié)果與該裝置的實(shí)際LRU清單進(jìn)行對(duì)比，深入分析了本文得到的LRU劃分結(jié)果相對(duì)于實(shí)際的LRU清單在成本和時(shí)間上的優(yōu)化效果和具體影響。
3.1 設(shè)備LRU劃分方案的實(shí)例運(yùn)用
1) 零部件清單的獲取
蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的結(jié)構(gòu)組成及功能原理如圖3所示，根據(jù)工作原理對(duì)其結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分解，可初步得到該裝置的初始零部件清單，然后將部分僅用于緊固作用和連接作用的其他附件、各個(gè)零部件之間用于信號(hào)傳輸?shù)钠渌蹼婋娎|從初始清單中刪除，得到參與LRU劃分的零部件清單，如表2所示。
2) 確定核心零部件
確定核心零部件需要綜合考慮零部件的核算成本和拆裝時(shí)間2個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)。這里各個(gè)零部件的核算成本即其設(shè)計(jì)研制成本，根據(jù)2.4節(jié)中關(guān)于設(shè)備零部件設(shè)計(jì)研制階段成本和時(shí)間計(jì)算模型，對(duì)各個(gè)零部件的單位體積材料成本(CMV0)、單位體積加工成本(CPV0)、有效體積(φ3)、批量生產(chǎn)成本分?jǐn)傁禂?shù)(K1)、加工工藝損耗系數(shù)(K2)、批量生產(chǎn)總時(shí)間(T總)以及批量數(shù)(n1)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，如表3所示。
首先，將表3中相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)可以計(jì)算蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置中27個(gè)零部件的核算成本(c1,c2,…,c27)，其次，統(tǒng)計(jì)這27個(gè)零部件從該裝置上拆卸和組裝的平均時(shí)間(t1,t2,…,t27)；然后，根據(jù)2.3節(jié)構(gòu)建的核心零部件確定方法，利用式(1)計(jì)算該裝置中27個(gè)零部件的綜合重要度(P1,P2,…,P27)。這里，結(jié)合軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)需求，將零部件成本和拆裝時(shí)間的相對(duì)重要度權(quán)重值ωc、ωt分別設(shè)置為0.4、0.6。具體統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算結(jié)果如表4所示。
最后，利用式(4)可以確定m=6，σ=0.800 293，這6個(gè)核心零部件代號(hào)依次為：1、2、5、6、7、16，對(duì)應(yīng)的零件名稱(chēng)為：冷凝器、制冷壓縮機(jī)控制器、制冷壓縮機(jī)、儲(chǔ)液器、安裝底座、蒸發(fā)器。其中，安裝底座與冷凝器、制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器之間均以一定的連接方式存在交互接口，這是導(dǎo)致安裝底座綜合重要度明顯較大的主要原因，但是安裝底座并不是該裝置的核心技術(shù)類(lèi)零件，因此安裝底座應(yīng)從核心零部件中去除，設(shè)置為非核心零部件；而冷凝器、制冷壓縮機(jī)控制器、制冷壓縮機(jī)、儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器在整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置都起到相對(duì)獨(dú)立的作用，均是較為完整、獨(dú)立的功能單元，應(yīng)設(shè)置為核心零部件；此外，在非核心零部件中，代號(hào)為14、15的干燥過(guò)濾器、膨脹閥綜合重要度分別為0.607 8、0.697 1，相對(duì)于其他非核心零部件的綜合重要度較大，且分別在蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置中起到除去制冷劑中的可能存在的雜質(zhì)及水分、對(duì)制冷劑進(jìn)行節(jié)流降壓的關(guān)鍵作用，是該裝置中的核心技術(shù)類(lèi)零件，應(yīng)作為核心零部件的補(bǔ)充。
表2 蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置零部件清單
Table 2Components list of evaporative cycle refrigeration device
注：已忽略該裝置中其他緊固件和部分弱電電纜
表3 各零部件設(shè)計(jì)研制階段的相關(guān)參數(shù)Table 3 Relevant parameters of components in design and customization stage
經(jīng)過(guò)以上功能結(jié)構(gòu)分析可知：1(冷凝器)、2(制冷壓縮機(jī)控制器)、5(制冷壓縮機(jī))、6(儲(chǔ)液器)、14(干燥過(guò)濾器)、15(膨脹閥)、16(蒸發(fā)器)等7個(gè)零部件是該裝置的核心零部件，都應(yīng)作為該裝置LRU模塊的基本組成。如表5所示。
表4 各零部件的綜合重要度Table 4 Comprehensive importance of components
3) 基于核心零部件聚類(lèi)的LRU劃分
以上述7個(gè)核心零部件分別作為該裝置LRU模塊的基本組成，對(duì)其余20個(gè)非核心零部件的接口關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并按照2.4節(jié)規(guī)定的非核心零部件排序原則進(jìn)行排序，如表6所示。
按照表6中排序可依次實(shí)現(xiàn)各個(gè)非核心零部件與LRU模塊的匹配組合(或者先與其他非核心零部件進(jìn)行匹配形成非核心組合件，再裝配到相應(yīng)的LRU模塊)。在該過(guò)程中，根據(jù)2.4節(jié)相關(guān)理論，3、4、7、9、17、21等6個(gè)非核心零部件同時(shí)與多個(gè)LRU模塊存在交互接口，需要引入成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子K對(duì)最優(yōu)的LRU模塊進(jìn)行匹配選擇。
表5 核心零部件清單Table 5 List of key components
表6 非核心零部件的接口關(guān)系及數(shù)量Table 6 Interface relationships and quantities of non-key components
首先，從蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置BOM清單中對(duì)這6個(gè)非核心零部件與其他LRU模塊或者非核心零部件分別進(jìn)行裝配時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行提取。其中，使用保障階段相關(guān)數(shù)據(jù)如表7所示，退役處置階段的相關(guān)數(shù)據(jù)如表8所示。
其次，基于表3、表7、表8中相關(guān)數(shù)據(jù)，利用式(5)～式(10)以及式(2)計(jì)算成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子，相關(guān)結(jié)果如表9所示。
分析表9中相關(guān)數(shù)據(jù)：代號(hào)為3、4的非核心零部件與2、5模塊交互時(shí)對(duì)應(yīng)的Kij都相等，不能將其劃分到2或5模塊上，并且考慮到3、4的平均故障間隔時(shí)間MTBF均較小，即故障率較大，因此可將它們分別獨(dú)立規(guī)劃成LRU；另外，非核心零部件7、9、17、21分別與LRU模塊5、5、15、1進(jìn)行匹配組合時(shí)，對(duì)應(yīng)的成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子Kij最大，即應(yīng)將7、9、17、21分別裝配到LRU模塊5、5、15、1上。
至此，當(dāng)所有非核心零部件通過(guò)算法之后，可分別實(shí)現(xiàn)其與各個(gè)LRU模塊的匹配組合，得到各個(gè)LRU的聚類(lèi)結(jié)果，如表10所示。
表7 部分非核心零部件使用保障階段相關(guān)參數(shù)Table 7 Relevant parameters of some non-key components in maintenance and support stage
表8 各零部件退役處置階段的相關(guān)參數(shù)Table 8 Relevant parameters of components in end-of-life stage
3.2 劃分結(jié)果的對(duì)比分析
本節(jié)將上面運(yùn)用基于核心零部件聚類(lèi)的LRU劃分方案得到的LRU劃分結(jié)果與使用保障實(shí)際中的LRU清單進(jìn)行對(duì)比，深入評(píng)價(jià)2種LRU劃分結(jié)果的優(yōu)劣性，并對(duì)本文LRU劃分方案的適用條件和范圍進(jìn)行分析。
該型飛機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的實(shí)際外場(chǎng)可單獨(dú)更換產(chǎn)品清單如表11所示，可以看出該裝置的零部件實(shí)際劃分為4個(gè)LRU，依次為蒸發(fā)循環(huán)制冷組件、制冷壓縮機(jī)控制器、組件與控制器間電纜(強(qiáng)電)、組件與控制器間電纜(弱電)，且4種LRU均單獨(dú)配置有相應(yīng)型號(hào)的備件。
表10 LRU模塊聚類(lèi)結(jié)果Table 10 Clustering results of LRU modules
表11 蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置LRU清單Table 11 List of LRUs for evaporative cycle refrigeration device
對(duì)表10和表11進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的LRU清單中模塊數(shù)為4個(gè)，而本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU數(shù)量為9個(gè)，其中，代號(hào)為2、3、4的制冷壓縮機(jī)控制器、強(qiáng)電電纜、弱電電纜3個(gè)零部件在實(shí)際的LRU清單中以及本文設(shè)計(jì)方案得到的LRU劃分結(jié)果中均設(shè)計(jì)為3個(gè)獨(dú)立的LRU，但是對(duì)于代號(hào)為1、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27等的24個(gè)零部件，在使用保障實(shí)際中是設(shè)計(jì)為一個(gè)LRU，即蒸發(fā)循環(huán)制冷組件，在整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置中起到實(shí)現(xiàn)熱量交換的功能，而在本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU劃分結(jié)果中，則是分成了6個(gè)LRU，這6個(gè)LRU在該裝置中均實(shí)現(xiàn)某種特定的分功能。相比于實(shí)際的LRU清單，本文設(shè)計(jì)方案得到的LRU劃分粒度更細(xì)，尤其是對(duì)于蒸發(fā)循環(huán)制冷組件，將其劃分成了6個(gè)獨(dú)立的LRU，結(jié)果便是導(dǎo)致發(fā)生故障時(shí)，維修成本降低，而相應(yīng)的維修保障時(shí)間會(huì)有所增加。下面對(duì)于2種LRU劃分結(jié)果的成本和時(shí)間效益進(jìn)行定量分析。
2種LRU劃分結(jié)果的唯一區(qū)別在于1、5、…、27等24個(gè)零部件是設(shè)計(jì)為一個(gè)LRU還是劃分成6個(gè)獨(dú)立的LRU，因此，問(wèn)題簡(jiǎn)化為對(duì)這24個(gè)零部件(后面統(tǒng)一稱(chēng)為蒸發(fā)循環(huán)制冷組件)在2種劃分粒度下的成本和時(shí)間效益進(jìn)行評(píng)估。
當(dāng)把蒸發(fā)循環(huán)制冷組件劃分成n2個(gè)均能實(shí)現(xiàn)某種特定的分功能的獨(dú)立LRU時(shí)，其可靠性模型是典型的串聯(lián)模型，即n2個(gè)LRU中任一LRU發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷組件故障，如圖4所示。
圖4 產(chǎn)品的可靠性串聯(lián)模型Fig.4 Reliability series model of products
根據(jù)可靠性串聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型，整個(gè)蒸發(fā)循環(huán)制冷組件的故障率λs與組成其的各個(gè)LRU之間的故障率λi關(guān)系為
(11)
同理，各個(gè)LRU的故障率同樣可以采用式(11)進(jìn)行計(jì)算。
參照式(8)和式(9)，當(dāng)蒸發(fā)循環(huán)制冷組件在某一次工作故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)的維修保障成本和時(shí)間為
(12)
令n2=6以及n2=1時(shí)，由式(11)和式(12)以及表12中各數(shù)據(jù)可以分別計(jì)算2種劃分粒度下，蒸發(fā)循環(huán)制冷組件的維修保障成本和時(shí)間，如表13所示。
由表13可初步分析，本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU劃分結(jié)果(n2=6)，相比該裝置在維修保障實(shí)際中的LRU劃分結(jié)果(n2=1)：在維修保障時(shí)間增加59.5%的情況下，維修保障成本降低了78.6%。從這個(gè)角度上看，也就是成本和時(shí)間同等重要的情況下，本文設(shè)計(jì)的方案得到的LRU劃分結(jié)果更優(yōu)。
表12 蒸發(fā)循環(huán)制冷組件中各LRU參數(shù)值Table 12 Parameters of LRUs in evaporative cycle refrigeration sub-unit
表13 兩種劃分結(jié)果的成本和時(shí)間效益對(duì)比Table 13 Cost and time benefit comparison of two partition results
但在LRU劃分的實(shí)際過(guò)程中，設(shè)計(jì)方(軍方)對(duì)成本和時(shí)間的偏好度并不是相等的，因此需要對(duì)以上2種劃分結(jié)果在成本和時(shí)間不同設(shè)計(jì)偏好度下的優(yōu)劣性進(jìn)行深入分析。參考式(2)，可以構(gòu)造維修保障成本和時(shí)間綜合評(píng)判因子K*(即式(3))，式中，μ、λ分別為維修保障成本和時(shí)間在LRU劃分時(shí)的相對(duì)重要度權(quán)重值，滿足μ+λ=1；n*為劃分結(jié)果的種類(lèi)，這里n*=2。
4 結(jié) 論
本文提出了一種軍用飛機(jī)LRU劃分方案，該方案在飛機(jī)功能結(jié)構(gòu)初劃分基礎(chǔ)上，篩選出設(shè)備零部件清單的核心零部件，并以飛機(jī)全壽命周期成本和時(shí)間為組合優(yōu)化目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了一種基于設(shè)備核心零部件的LRU劃分聚類(lèi)算法，最后以某型軍用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置為例，進(jìn)行了LRU的劃分，將劃分結(jié)果與該裝置使用保障階段的實(shí)際LRU清單進(jìn)行對(duì)比，分析了本文得到的LRU劃分結(jié)果在成本和時(shí)間上的優(yōu)化效果。
本文設(shè)計(jì)的LRU劃分方案定量分析了軍用飛機(jī)全壽命周期階段成本以及時(shí)間對(duì)LRU模塊形成的影響，且主要設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)源于軍用飛機(jī)PLM數(shù)據(jù)庫(kù)，客觀性和真實(shí)性較強(qiáng)，克服了以往類(lèi)似研究中普遍采用模糊邏輯·模糊集理論對(duì)各個(gè)層面指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析這種方法的主觀性較強(qiáng)的缺陷，具有一定的創(chuàng)新性。但是需要指出的是，本文最后在實(shí)現(xiàn)設(shè)備零部件到LRU模塊聚類(lèi)劃分之后，沒(méi)有對(duì)劃分得到的模塊進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)判，區(qū)分設(shè)備中可能存在的非LRU，后期需要結(jié)合對(duì)軍用飛機(jī)各個(gè)部件故障率的分析，對(duì)設(shè)備中可能存在的非LRU進(jìn)行判斷，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備LRU清單進(jìn)行修改和完善。
總之，該軍用飛機(jī)LRU劃分方案能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)軍用飛機(jī)LRU的設(shè)計(jì)劃分工作，對(duì)軍用飛機(jī)測(cè)試性設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)且具有一定的實(shí)用價(jià)值。
猜你喜歡
中老年保健(2021年8期)2021-12-02 23:55:49
作文評(píng)點(diǎn)報(bào)·低幼版(2020年3期)2020-02-12 09:08:22
華人時(shí)刊(2018年17期)2018-12-07 01:02:20
電子測(cè)試(2017年15期)2017-12-18 07:19:27
北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)(2017年4期)2017-11-23 05:48:37
奧秘(2017年12期)2017-07-04 11:37:14
智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)(2015年4期)2015-12-27 09:38:39
電子設(shè)計(jì)工程(2015年6期)2015-02-27 12:04:53
華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年6期)2014-02-27 13:40:55
