可靠性安全性维修性测试性保障性CAD与并行工程

可靠性安全性维修性测 试性保障性CAD 与并行工程3 阮　镰　教授 阮　镰 　　　　摘要　阐述可靠性 (R )、维修性 (M )、测试性 (T )、保障性 (S)、安全性 (S) CAD (RM T SS—CAD )与并行工程的关系, 以及RM T SS—CAD 在并行 工程中的重要地位。鉴于目前缺乏将RM T SS 有机地综合进并行工程的方 法, 提出一个将RM T SS 全方位综合进并行工程的框架以及运作方法。给出 一个在并行工程中应用RM T SS—CAD 技术的工程环境。 关键词　并行工程　CA E 环境　RM T SS—CAD　战备完好性模型 中国图书资料分类法分类号　TB 114. 3　T P391. 72 3“九五”国防技术基础研究项目 收稿日期: 1998—09—15 1　RM T SS—CAD 与并行工程的关系 并行工程应包括产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 过程、制造过程、保 障过程, 可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性 (以下简称“五性”)只是并行工程内涵中的一个子 集, RM T SS—CAD 也只是并行工程综合计算机 辅助工程环境中的一个组成部分。 笔者将“五性”与并行工程并列是基于以下考 虑: 产品设计过程与制造过程的技术经历了近百 年的发展, 虽然高新技术仍在不断地产生和发展, 但毕竟已相当成熟。CAD—CAM 的辅助工具也 已有近30年的开发历程, 工程化和商品化程度也 相当高。相对而言,“五性”技术是一个新学科, 技 术发展不很成熟, 计算机辅助RM T SS 软件开发 的工程化、商品化程度也较低。因此, 当前在各国 大力推行并行工程的情况下, 出现了这样一种偏 向: 在许多产品研制中声称推行了并行工程, 但事 实上只是设计—制造一体化; 许多论述“并行工 程”工程环境的论文, 实际上只是关于 CAD— CAM 技术的论述, 甚至发达的工业化国家也存 在这种情况。究其原因, 一是并行工程本身确是从 设计—制造一体化发展而来的, 且 CAD—CAM 的计算机工程环境比较成熟。二是缺乏将“五性” 有机地综合进并行工程的方法和计算机辅助 RM T SS 的工程环境。因此, 要有效地推行并行工 程, 使研制出来的装备一投入使用, 就能得到经济 而又有效的保障, 必须解决两大技术问题: ①提供 有效的将“五性”技术综合进并行工程的框架和运 作方式; ②开发工程化的计算机辅助“五性”集成 工程环境。 2　将“五性”综合进并行工程的框架 (见图 1) 图1 将RMTSS综合进并行工程的框架 RMTSS 并行研 制过程 计算机辅助 RMTSS环境 包含RMTSS 人员的多功 能多专业 IPT “五性”综合进产品设计中 ·“五性”技术要求与过程 要求 ·“五性”的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择、 设计、发展与试验验证 ·包括“五性”专业人员的 综合产品研制小组 · RMTSS—CAD计算机辅 助工程环境 QFD 用 户 需 求 将“五性”全方位综合进并行工程是指: (1)在组织上, 通过建立包括“五性”工程人员 在内的多功能、多专业的综合产品研制小组, 为把 “五性”综合进并行工程提供组织上的保证。 (2)在确定产品及其过程要求时, 通过质量功 能展开 (Q FD ) 这一规范化的方法, 将“五性”的技 术要求纳入Q FD 矩阵, 以确保用户的“五性”要 求得以实现。 (3)在产品及其过程的并行研制过程中, 有机 地将“五性”等专业工程, 在研制过程的各个阶段 (用户需求、方案设计、⋯⋯、产品交付) 纳入到产 品研制过程之中。 ( 4) 在综合的计算机辅助工程环境中, 引入 RM T SS—CAD 技术。使已有的 CAD—CAM 工 具与 RM T SS—CAD 综合在一起, 为产品的“五 性”设计提供有效的技术支撑。 通过上述框架, 确保将“五性”综合到并行工 程之中, 使产品的性能设计、制造过程设计与保障 ·12· 可靠性安全性维修性测试性保障性 CAD 与并行工程——阮　镰 过程设计并行进行。 并行工程要求在综合的计算机辅助工程环境 中研制产品, 以达到产品零部件和整机的产品定 义相容; 并使产品的设计过程、制造过程、保障过 程得到并行的开发。因此, 并行工程要求有综合的 CAD - CAM - CAL S (计算机辅助采办与后勤保 障, compu ter a ided acqaisit ion and logist ic sup2 po rt)工程环境 (见图2)。该综合计算机辅助工程 图2 CAD—CAM—CALS综合环境 CALS 数据库 CAMCAD 环境应有以下特点 : ①有效地综合利用现有的和 新的计算机应用软件和数据库 ; ②各工程专业在 并行工程过程中综合 ; ③利用联机数据库实现对 设计、制造和保障信息的管理、交换和重复使用 ; ④该计算机辅助设计系统应适应本研制单位产品 设计、制造和保障的具体环境和有关规定, 并应符 合相应的国家与工业标准; ⑤具有良好兼容的人 员界面和人机界面。 具体到对某一个产品开发单位而言, 该综合 计算机辅助工程环境应具有图3的层次结构。在该 开发单位的顶层可以配置: ①中央数据库 (产品定 义数据库) ; ②工程设计工具集; ③可生产性工具 集; ④保障性工具集; ⑤费用ö进度统计工具。 综合产品研制 组织创建部分 图3 在并行工程中应用的综合计算 机辅助工程环境的层次结构 用户 飞机综合设计环境 有 效 数 据 集 保障性 工具集 可生产性 工具集 费用ö 进度统计 工程设计 工具集 产品定义 数据库 该公司可能同时开发若干个产品, 对某一个 具体产品要创建该产品特有的综合设计环境: ① 从中央数据库中取得对该产品设计有效的数据 集; ②从公司的模型库 (工具集) 中, 选用对该 产品有用的工程设计、可生产性设计、“五性”设 计的计算机辅助工具, 以组成该产品的计算机辅 助综合设计环境, 供并行工程的综合产品研制组 织使用。 应用综合计算机辅助工程环境可以在发图之 前, 进行零部件乃至整机的三维图形的协调、配合 和预安装; 以便及时发现零部件、设备、管路相互 之间的干涉与配合问题。利用该工程环境还可以 同时进行产品性能及制造、保障过程的同步设计, 以协调性能、可生产性和“五性”之间的关系, 并进 行综合权衡, 从而可以显著提高产品质量、降低成 本。其中, RM T SS—CAD 是用来进行“五性”的综 合权衡和分析、设计的重要工具。一般由数据库、 模型库、用户接口等组成。其中既包括综合权衡的 工具 (如战备完好性模型、L CC 模型等) , 也包括 “五性”等的分析和设计软件包。如是, 在产品设计 中可方便地使“专门工程”专业与传统工程专业进 行并行的开发。因此, RM T SS—CAD 是并行工程 综合计算机辅助工程环境的一个重要组成部分, 是实施并行工程必不可缺的有效工具。 3　一个应用 RM T SS—CAD 的并行工程 环境 　　这是一个由美国开发的, 基于美国空军 R &M 2000概念, 并与国防部并行工程及CAL S 计 划相一致的可靠性、维修性、测试性、保障性 (RM T S) 工程环境。它的作用是在武器装备设计 或更改决策中评估 RM T S 对系统性能和效能的 影响。利用该环境, R &M 2000的目标可以通过并 行工程方法进行有效的管理。该RM T S 工程环境 由数据库、模型库和用户界面3个基本部分组成 (见图4)。 模型库 图4 RMTS—CAD工程环境 输出数据集输入数据集 数据库 菜单驱动 全屏编辑 在线帮助 文件管理 报 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 生成 图形功能 用户界面 REBLOCK TERSIM SOAR—PC TEAM—PC LCCA—PC 任务情景 保障系统效能 保障资 源需求产量数据 承包方 数据 战备完好 性、生存性 可用性硬件详细描述 任务 可靠性后勤因子 经济上 的比较后勤因子 寿命周 期费用 标准政府 费用因子 ·22· 中国机械工程1998年第9卷第12期 (1)数据库　主要用来存贮和取出数据, 它通 过数据库管理系统 (DBM S) 来完成。据R &M 2000 的要求, 需要5类数据: ①零部件特征数据, 包括失 效率、修复率、修复次数、备件水平、单元费用、修 复费用等; ②保障设备数据, 包括保障设备的失效 率、修复率、修复次数、备件水平、单元费用、保障 设备配备数量、可用性要求等; ③运行数据, 包括 装备数量、任务时间长度、任务失败率、耗损率、修 复能力和备件到货延误时间等; ④标准费用因子, 它是一些常量, 如生产单价、货运成本等; ⑤情景 数据, 包括战时与和平时期的装备运行条件、维修 等级等数据。 (2) 模型库　包括一系列模型、算法、处理过 程。该模型库共有5个模型: ①战备完好性模型 (SOA R ) ; ②可靠性模型 (R EBLOCK) ; ③自动测 试设备 (A T E) 的效能模型 (T ER S IM ) ; ④装备系 统管理的经济决策分析模型 (T EAM ) ; ⑤寿命期 费用分析模型 (L CCA )。 　　利用上述各类模型可以分析系统效能, 保障 系统效能, 任务可靠性和可用性, 战备完好性和生 存性, 备件、保障设备和人力的需求评估和寿命周 期费用与经济性分析。 3. 1　战备完好性模型 (SOA R ) SOA R 是用于评估航空电子系统的战备完好 性的模型 (见图5) , 它以动态 Palm 的理论为基 础, 建立系统的动态模型, 运用连续仿真方法描述 正在研制中的飞机的使用和维修的动态过程, 根 据仿真结果对战备完好性进行评估。该模型的输 入包括: ①可靠性参数; ②维修性参数; ③维修方 案状况; ④保障性参数; ⑤战术技术指标中所要求 的战备完好性目标值。 图5　RM S 综合模型 (SOA R ) 　　该模型可以输出3类结果: ①战备完好状态 (实际的或使用可用度) ; ②飞机状态 (满任务率 (FM C )、由于保障原因而不能执行任务率 (N M 2 CS )、由于维修原因而不能执行任务率 (N M CM ) 等 ) ; ③保障系统状态 (预期的备件短缺量 (EB O )、由于库存L RU 数量不足引起的延误、由 于保障设备问题引起的修理排队长度)。 3. 2　运行实例 文献[ 1 ]只提供了上述模型的框图, 而没有展 示出任何细节。笔者利用此概念进行软件开发并 得到算例。 某军用飞机的基本情况见表1。机上L RU (li2 ne rep lace un it)的数据见表2。根据现有L RU 的 情况可以计算出该飞机的战备完好性情况 (见表 3)。 表1　飞机数据 机群数目 (架) 每次飞行任 务的持续时间 (h) 要求的出动率 (次ö架õ天) 最大出动率(次ö架õ天) 20 4 2 3 　　显然, 上述的战备完好性状态不能满足要求, 为了使战备完好性指标达标, 可以采用降低L RU 的故障率, 减少L RU 的M T T R , 增加L RU 的备 件数量等措施。 ·32· 可靠性安全性维修性测试性保障性 CAD 与并行工程——阮　镰 表2　机上L RU 数据 L RU 序号 L RU 类型 单机拥有 L RU 数量 外场不能 维修比率 故障率 M T T R 备件 水平 备件短缺 量期望值 备件补偿 线期望值 每天需 求率 费用 (元) 再次供货 时间 (天) 1 可串换 2 0. 60 0. 000 5 2. 0 5 0. 05 2. 336 0 0. 160 0 20 000 21 2 可串换 18 0. 30 0. 000 07 0. 5 20 0. 00 0. 947 5 0. 201 6 8 000 14 3 可串换 10 0. 30 0. 001 80 4. 0 15 34. 82 49. 824 0 2. 880 0 2 500 14 4 可串换 2 0. 10 0. 000 06 0. 5 5 0. 00 0. 036 5 0. 019 2 5 000 28 5 可串换 1 0. 65 0. 000 40 2. 0 5 0. 00 1. 292 8 0. 064 0 30 000 28 6 可串换 2 0. 75 0. 001 75 2. 0 9 4. 09 12. 880 0 0. 560 0 9 000 28 7 可串换 2 0. 20 0. 000 30 2. 0 5 0. 00 0. 595 2 0. 096 0 6 000 21 8 可串换 36 0. 95 0. 000 20 2. 0 30 10. 71 40. 608 0 1. 152 0 15 000 35 9 可串换 2 0. 70 0. 000 55 2. 0 5 0. 12 2. 939 2 0. 176 0 10 000 21 10 不可串换 2 0. 99 0. 004 10 4. 0 20 12. 54 32. 524 5 1. 312 0 75 000 21 表3　战备完好性性能 N FM C 飞机指 标 (P r= 0. 15) 概率 P (N FM C≤3) FM C 飞机架数 (c、1= 0. 90) 概率 P (出 动率= 指标值) N FM C 飞机 期望值 机群平均出 动率 (架次ö天) 单机出动率(次ö架õ天) L RU 短缺量总数 3 0. 030 71 10 0. 503 3 7 37 2. 828 62 注: N FM C 为非满任务能力 (的飞机) ; P r 为允许的N FM C 飞机飞行的最大百分比。 　　本文只分析备件数量对提高战备完好状态的 影响。通过模型的动态仿真, 发现影响飞机完好状 态的L RU 是第3、6、10号L RU , 由于这三类备件 数量不足, 致使 EB O 曲线呈上升态势, 并使飞机 状态 (以 FM C 代表) 和战备完好性状态 (以 S GR 代表)呈恶化趋势。 　　通过模型的分析, 可得到为了使战备完好性 指标达标所要求的备件水平 (见表4)。表4还同时 给出了为增加备件所需增加的费用。 在增加了备件之后, 该飞机的战备完好性指 标可全部达标 (见表5)。 表4　为战备完好性指标达标所要求的备件水平 L RU 序号 原来的 备件水平 提高后的 备件水平 备件 增加量 1 5 5 0 2 20 20 0 3 15 42 27 4 5 5 0 5 5 5 0 6 9 17 8 7 5 5 0 8 30 30 0 9 5 5 0 10 20 36 16 增加L RU 备件所需的费用= 1 339 566. 0元 pf c= 0. 95 056 546 (N FM C 飞机≤目标 值的概率) c、1= 0. 94 999 999 (置信度) 表5　提高后的战备完好性性能 N FM C 飞机指 标 (P r= 0. 15) 概率 P (N FM C≤3) FM C 飞机架数 (c、1= 0. 90) 概率 P (出动 率= 指标值) N FM C 飞机 期望值 机群出动率 (架次ö天) 单机出动率(次ö架天) L RU 预期短缺量 3 0. 950 6 17 0. 9958 1. 7 40 2. 19 20 　　利用该模型分析可靠性、维修性特性对战备 完好性目标的影响, 并在进行综合权衡后确定装 备的可靠性、维修性和保障性指标。 按照笔者提出的框架和方法, 国内正在开发 一个计算机辅助设计分析软件集成环境 (R SM TL - CAD - S IE) , 以最终实现 RM T SS 综 合进并行工程的目标。 参 考 文 献 1 　A uty M H. L ogist ics Engineering W o rk sta t ion fo r Concurren t Engineering A pp licat ion. IEEE. CH 3007 - 2ö91ö0000- 1253, 1991. 阮　镰　男, 1937年生。北京航空航天大学 (北京市　100083) 工 程系统工程系教授、博士研究生导师。从事高空、高速靶机和无人 驾驶飞行器的研制工作。1983～ 1985年在美国宇航研究院进修期 间, 曾参加美国空军90年代基础技术预研项目的研究, 负责其中 超机动性软件的开发, 并在美国宇航学会 (A IAA ) 的国际年会上 发表论文。回国后, 从事系统工程、并行工程和软件可靠性方面的 科研与教学工作。出版专著5部, 发表论文16篇。 ·42· 中国机械工程1998年第9卷第12期 system s, and have drived the refo rm of w eapon system , m ain tenance and m anagnm en t. N ow it is up again st seriou s challenge and new evo lu t ion oppo rtun ity becau se of the con stract ion s of de2 creacing arm y size and drop ing m ilita ry expendi2 tu re, and the developm en t and app lica t ion of h igh tech in m ilita ry scopes. It is impo rtan t ap2 p roach to so lve these m at ters that st rengthen ing the view po in ts of“To tal system , To ta l life, and To ta l co st”, to increase p roperly devo t ion to the sub ject, to in troduce act ively h igh tech and “tw en u se”(fo r arm y and comm erce) techn iques. In th is paper, the cen tra l con ten ts and basic view po in ts are p resen ted, and the study and ap2 p lica t ion are discu ssed in the rela ted fields. T h is k ind of system at ic summ ary is a lso as the refer2 en tce to comm ercia l system s and equ ipm en ts. Key words: w eapon app lica t ion engineering system engineering 　 reliab ility 　m ainain2 ab ility　suppo rtab ility　system safety Appl ica tion of In tegra ted L og ist ics Support to M il itary A irplane　　W u Zhengyong (Shenyang A irp lane D esign In st itu te)　p 15218 Abstract: T he defin it ion, ob ject ive, basic p rincip le, elem en ts and ab road app lica t ion of in2 tegra ted logist ics suppo rt ( IL S ) w ere b riefed. A cco rd ing to the developm en t and design of one m ilita ry figh ter p lane, the actual app lica t ion of in tegra ted logist ics suppo rt in Ch ina aeronau t ic indu stry w as described, and the ach ieved effec2 t iveness of th is app lica t ion w as also p resen ted. Key words: m ilita ry airp lane　　 in tegra ted logist ics suppo rt　　life cycle co st The Technology and Appl ica tion of In tell igen t Bu ild - in Test 　 　W en X isen ( R elieab ility reaserch cen ter of NUD T , ChangSha, Ch ina ) 　 Y i X iao shan　Xu Yongcheng p 18220 Abstract: T he bu ild—in test (B IT ) techno lo2 gy is an effect ive m ethod fo r imp roving p roduct’s test ab ility and diagno sis ab ility. In th is paper, the tra it of B IT techno logy has been summ arized and the develop ing trends over the w o rld have been analyzed. T hen the app lica t ion of art if icia l in telligence ( expert system , neu ra l netw o rk, fuzzy theo ry, info rm at ion fu sion and o ther in tel2 ligen t theo ries) is syn thet ica lly analyzed in the B IT system design, B IT info rm at ion p rocessing and B IT syn thet ic decision. A t last,w e bu ilds up the theo ry fram e of in telligen t B IT is bu ilt up. Key words: bu ild- in test　　art if icia l in tel2 ligence　　testab ility RM TSS CAD And Concurren t Eng ineer ing　　 R uan L ian (Beijing U n iversity of A eronau t ics and A stronau t ics,Beijing, Ch ina) p 21224 Abstract: T he rela t ion sh ip betw een concu r2 ren t engineering (CE ) and reliab ility m ain ta in2 ab ility testab ility suppo rtab ility safety - CAD (RM T SS- CAD ) and the impo rtan t standing of RM T SS- CAD in the CE are clarif ied. Becau se the m ethod of syn thesizing RM T SS in to CE is no t availab le, the app roach of in tegra t ing overa ll RM T SS in to CE is studied and p rovided. A RM T SS- CAD engineering environm en t fo r CE app lica t ion is a lso given in the paper. Key words: concu rren t engineering　　com 2 pu ter a ided engineering environm en t 　 　 RM T SS- CAD Safety in M anned Space Fl ight　　Shao D esheng (Ch ina A stronau t ics Standand In st itu te, Beijing, Ch ina)　Yu J in p 25226 Abstract: In th is paper, It is describe that m anned space fligh t is a h igher risk act ion. T he requ irem en ts fo r safety are p ropo sed in bo th quality and quan t ity in o rder to assu re the safe2 ty. A lo t of fau lt to lerance techn iques, set t ing fau lt detect ion, w arn ing system and escape life2 saving system are adap ted in alternat ive system. D esign p rincip le, verif ica t ion and risk assess2 m en t requ irem en ts to assu re m anned space fligh t safety are also accoun ted fo r added ex ternal in2 dex data of m anned space fligh t safety. Key words: safety　　m anned space fligh t　 　risk　　su rvival ra te The Sim ilar ity M ethod to Establ ish the Com pa- rable System in HCM 　　Xu Y ing (O rdnance Engineering Co llege, PLA , Sh ijiazhuang, Ch ina) 　Yu Yongli p 27230 Abstract: In th is paper, the m ethod to estab2 lish the comparab le system by sim ilarity theo ry in HCM is studied, the select ion of sim ilar ele2 m en t and the quan t iza t ion of sim ilar degree be2 tw een the comparab le system and the new sys2 tem are exp lo red. It has an reference value to2 w ards the app lica t ion of sim ilarity theo ry in en2 gineering techno logy. Key words: hardw are vs. m anpow er compa2 rab ility m ethodo logy　　comparab le system 　　 ·Ì· CH INA M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G V o l. 9,N o. 12, 1998