[發明專利]一種產品功能結構與維修性設計要素的重要度評估方法

有效

• 申請號: 201710218362.1
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN107103368B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 陳嘉宇;賀智藝;郭春輝;呂川;劉樹林;周棟;趙金龍;于得權
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;中國北方車輛研究所
• 主分類號: G06Q10/00
• 分類號: G06Q10/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種產品功能結構與維修性設計要素的重要度評估方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

步驟(1)、產品功能結構與維修性設計要素關聯輸入；

步驟(2)、產品功能結構與維修性定量設計要素重要度評估；

步驟(3)、產品功能結構與維修性定性設計要素重要度評估；

步驟(4)、產品系統級功能結構與維修性設計要素重要度評估；

步驟(2)中產品功能結構與維修性定量設計要素重要度評估是利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定量設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，具體包括：

1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度；

2)計算單個功能結構設計要素對維修性定量總體設計要素的重要度，具體的，

1.單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度評估

基于產品功能結構與維修性設計要素的關聯矩陣，為了數據的合理利用和結果正確評估，這項工作需要一定數量的數據收集，即需要一定數量的樣本量，但是由于各方面條件的限制，所獲取的樣本量可能較多，也可能較少，以下，對樣本收集情況進行分類重要度評估，

1.1樣本量收集較多

當收集的產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣樣本份數大于或等于功能結構設計要素的數量，認為樣本收集較多；

具體評估步驟如下：

1)若有m個矩陣樣本，評估各功能結構設計要素對某一維修性定量設計要素的重要度，首先從各樣本中整理得到影響程度數據如表5所示，n為功能結構設計要素的數量，在本方法中，n＝14，P_i為第i個功能結構設計要素，W_i為單個維修性定量設計要素的第i個樣本數據，

表5 n個功能結構設計要素與單個維修性定量設計要素的關聯數據

構造樣本矩陣如下所示：

2)計算樣本矩陣每一列矩陣元素的平均值和標準差：

令：

得樣本矩陣的標準化矩陣：

3)計算相關系數矩陣如下：

4)利用相關系數矩陣即可求得其特征值和每一個特征值對應的特征向量：

解|R-λI|＝0，得所有特征值λ₁,λ₂,......,λ_m，再解Rb_j＝λ_jb_j，得λ_j對應的特征向量，將特征向量單位化即

5)求出z_i＝(z_i1,z_i2,......,z_im)^T的m個主成分分量：

得決策矩陣：

6)令L＝(l₁,l₂,......,l_n)，l_i為第i個功能結構設計要素對應的權重系數；

7)確定主成分模型為：

構造綜合得分模型：

其中α_i為第i個功能結構設計要素對單個維修性設計要素的重要度，其計算公式為：

對α_i進行歸一化，最終求得第i個功能結構設計要素對單個維修性設計要素的重要度為IV_i，

1.2樣本量收集較少

當收集樣本數量較少時，即nm時，采用以下模型計算單個功能結構設計要素對單個維修性設計要素的重要度；

具體評估步驟如下：

1)計算第i個功能結構設計要素對維修性定量設計要素的關聯性樣本均值s_i，

2)評估第i個功能結構設計要素對維修性定量設計要素的重要度IV_i，

步驟(3)中產品功能結構與維修性定性設計要素重要度評估是利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定性設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，具體包括：

1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定性設計要素的重要度；

2)計算單個功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度；

步驟(4)中產品系統級功能結構與維修性設計要素重要度評估是利用產品系統級功能結構與維修性設計要素評估方法，度量產品系統級功能結構與維修性設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，系統級考慮的維修性評價指標主要包括一次可達率，一次可達度，一次可檢測率，重量舒適率，系統免調率和系統平均管路折度；

該方法在產品系統級功能結構與維修性設計要素進行評估時，主要從一次可達率，一次可達度，一次可檢測率，重量舒適率，系統免調率和系統平均管路折度這六個方面考慮綜合的維修性設計要素，用以對系統級別的設計進行維修性層面的評價，具體評估模型如下所示：

1)一次可達率

一次可達率是指不需經過拆卸其他系統或單元就可以接近并進行維修操作的單元數占系統總單元數的比值，其中，電氣系統蓄電池都安裝在電池柜中，只需要打開電池柜門即可拆卸蓄電池，因此蓄電池滿足一次可達的條件，而附著在復雜系統發動機上，需要隨發動機整體吊裝出來，才可以進行維修的單元不符合一次可達的條件，用R_a表示一次可達率，其計算方法為：

R_a＝n_a/N (25)

其中，N為系統總單元數，n_a為系統中可實現一次可達的單元數；

一次可達率指標從一定程度上可以衡量系統設計中，各單元可達性的好壞，一次可達率高，則說明系統中大部分單元都可以在不用拆卸其他設備單元的情況下即可進行維修操作，因而維修時間減少，整個系統的平均修復時間也相應減少；

2)一次可達度

雖然一次可達率可以用來衡量系統中各單元可達性的好壞，但是并不是所有的單元都有一次可達的要求，一次可達率也不是越高越好，因為一個系統的一次可達率的提高必然會帶來另一個系統的一次可達率降低，故障率是影響維修操作頻率的最主要因素，故障率越高，意味著故障發生次數多，因而需要頻繁進行維修操作，這樣的話如果這些單元可達性不好，必然會使得裝備的維修時間和維修費用大大增加，為了將故障率對維修頻率的影響納入衡量指標中考慮，提出了一次可達度的概念；

一次可達度指的是系統中滿足一次可達條件的單元故障率占系統總故障率的比值與一次可達率的乘積的1/2次冪，一次可達度越高，說明一次可達設計覆蓋的故障率越多，系統可達性也越好，但是一次可達度也不是越高越好，與一次可達率一樣，一個系統的一次可達度的提高必然導致另一個系統的一次可達度的降低，因此在進行復雜系統可達性設計的時候，需要根據各系統特點進行衡量決策，可以根據現有采集的信息和各系統特點，對各系統的一次可達度水平進行限定，以指導并約束產品設計和驗證；

用Q_a表示一次可達度，其計算方法為：

其中，N為系統總單元數，n_a為系統中可實現一次可達的單元數，λ_i為單元的故障率數據；

相比于一次可達率，一次可達度是一個同時考慮符合一次可達要求的單元數與故障率的綜合指標，在有足夠的故障率數據的情況下，一次可達度相比一次可達率可以更好的反映系統的可達性設計；

3)一次可檢測率

一次可檢測率是指系統中不需要經過拆卸其他系統或單元就可以進行診斷檢測操作的單元數占系統總單元數的比率，符合一次可檢測條件的單元包括已設計有BIT功能的單元和僅需要外部測試診斷設備就能進行測試診斷的單元，用R_t表示一次可檢測率，其計算方法為：

R_t＝n_t/N (27)

其中，N為系統總單元數，n_t為系統中滿足一次可檢測條件的單元數；

一次可檢測率從一定程度上可以衡量系統設計中，各單元測試診斷設計的好壞，一次可檢測率越高，則說明系統中各單元的診斷檢測越容易進行，在診斷檢測中，如果沒有BIT，則接近待診斷部位的過程要消耗一部分時間，同時在測試完畢后恢復系統的過程又要消耗一部分時間，使得一旦發生故障，進行故障定位就要花去很多的時間，因此提高系統一次可檢測率可以大大縮短系統的平均修復時間；

4)重量舒適率

對于復雜系統來說，由于大部分時間都在野外，一旦發生故障，一般都是直接在外場由乘員級或者外場維修小組進行維修工作，由于條件與設備有限，不可能與內場維修一樣可以對系統進行吊裝，因而這對復雜系統中系統和單元重量提出了要求，根據人素工程的要求，一般單人進行維修操作時，要搬運的單元不應超過16Αg，過于超重的單元在維修時間、操作舒適性與維修安全方面都有一定的影響，因此，用重量舒適率來衡量系統設計中單元功能分解的好壞，這里涉及到維修性設計中模塊化、簡化設計與人素工程的要求；

重量舒適率指系統中重量不超過16Αg的單元數占系統中總單元數的比率，用R_w來表示，具體計算為：

R_w＝n_w/N (28)

其中，N為系統總單元數，n_w為系統中滿足重量小于16Αg的單元數；

重量舒適率從一定程度上可以用來衡量系統的人素工程與維修安全設計如何，重量舒適率越高相應地也會減少一定的維修時間與維修操作中事故發生概率；

5)系統免調率

調試是維修工作的最后部分，一般的電子設備在維修后以及某些機械結構在裝配后都需要進行調試工作，調試不僅需要時間成本，有的時候還需要用到一些工具，這為維修工作帶來了負擔，與一次可檢測率類似地，可以用系統中維修后不需要調試工作的單元數占系統總單元數之比來衡量系統的設計好壞，稱為系統免調率，用R_d表示，與一次可檢測率不同，各個系統的系統免調率越高越好，最終達到1的時候，說明系統中所有單元都可以免去手動調試的工作，大大減少了系統的平均修復時間，R_d的計算方法為：

R_d＝n_d/N (29)

其中，N為系統總單元數，n_d為系統中在維修后不需要手動進行調試的單元數；

6)系統平均管路折度

管路管線設計與布局是復雜系統設計的一個重要部分，管路管線配置合理，易于維護檢測可以大大提高復雜系統的測試性和維修性水平，傳統的管路管線設計配置一般是等到所有系統和單元設計完畢之后進行，但是對于管路管線來說，接口的設計位置與朝向以及系統和單元的布局對管路管線配置的影響很大，在所有設計都完成才開始連接管路管線的方式不可取的，主要會帶來以下幾個問題：

(1)管路管線連接被阻擋，需要繞行很遠，導致管路管線長度增大；

(2)有的接口之間方向不協調，導致管路管線連接后存在過多折彎，影響管路管線壽命；

(3)有些特殊的管路管線對長度和安裝位置有特殊的要求，但是在裝配的最后階段很難滿足，導致故障率增大；

(4)沒有區別對待不同的管路管線，一味捆扎可能會引發電磁兼容性問題以及由管路管線溫度引發的安全問題；

管路管線的設計與評價一直以來都被人們所忽視，但是由管路管線設計不合理引發的各類故障問題又層出不窮，為了對復雜系統中管路管線設計進行評價驗證，提出了折度的概念，以對管路管線設計進行衡量；

其中，管路管線因材質不同其物理性質而有所不同，但是所有管路管線都存在一個最小曲率半徑，即把管路管線彎折所能達到的最小但是又不損傷管路管線本身的折彎半徑，總是希望管路管線在連接的時候可以直線前進而不需要折彎，對于油管，如果彎折過多，必然會導致節點壓力損失以及雜質在彎折處沉積的問題，而為了抵消這一影響，必然需要更多的能耗和更大功率的壓力設備，同時，管道因折彎而導致的機械性能下降的問題也是不容忽視的，為了評價系統中管路的折彎情況，定義管路管線彎曲90°為一個折度，可知管路管線折度越大，可以認為其設計越不好；

有了折度的概念，就可以通過計算系統中所有管路管線的折度和來衡量一個系統中管路管線設計的好壞，為了消除單元數量不同的影響，可以用系統平均管路折度，即系統中管路管線的折度和與計算在內的管路管線數量的比值，來進行設計方案間的比較，系統平均管路折度的具體計算方法為：

其中，n_b0為系統平均管路折度，n為系統中計算在內的管路管線數量，n_bi為第i根管路管線的折度；

針對車輛典型潤滑系統，

步驟(1)、分析產品功能結構與維修性設計關聯關系，輸入產品功能結構與維修性關聯矩陣；輸入數據主要包括產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣、產品單元級功能結構與維修性定性設計要素關聯矩陣以及產品系統級功能結構與維修性評價指標關聯矩陣，為后續的重要度評估方法提供數據來源；

潤滑系統屬于車輛動力輔助系統的重要部分，其設計需要根據各種機械設備的特點和使用條件而定，潤滑系統的功能是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損，并對零件表面進行清洗和冷卻，燃料進入引擎燃燒后，將燃料的內能轉換成功來使引擎運轉，然而并不是所有的功都用來驅動引擎的運轉，因為引擎中機件間的摩擦會消耗引擎產生的功，而將其轉換為熱能；為了降低磨擦來保護引擎，必須由潤滑系統來潤滑引擎；

潤滑系通常由機油箱、機油泵、機油濾清器、機油熱交換器、機油預潤泵和一些閥門組成；

通過分析機油箱的功能結構與維修性關聯關系，設計人員需要填寫功能結構與維修性設計要素關聯矩陣，并收集矩陣樣本，完成關聯關系的分析工作；

步驟(2)、利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定量設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，具體包括：

1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度；

計算單個功能結構設計要素對維修性定量總體設計要素的重要度；

該方法提出了量化方法，評估產品維修性對功能結構設計影響的重要程度，解決了將維修性的要求和指標轉換成功能結構設計約束的技術難點，豐富了維修性與功能結構設計一體化的方法和技術手段；

該方法為設計人員提供客觀有效的量化數據依據，為功能性能與維修性一體化設計提供可操作的方法，提高了產品的維修性。