CN107016190B - 一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法，基于拓扑图理论与模型构建方法，分类研究产品维修性与功能结构的设计因素，对维修性与功能结构设计关联要素进行定义，建立产品维修性与功能结构的关联模型，图形化表达关联要素与关联关系，设计维修性与功能结构关联量化矩阵，量化两者之间的关联关系。从而，将维修性设计要求与功能结构设计特征之间的关联性固化，便于设计人员应用。通过构建产品维修性与功能结构的关联关系模型与量化方法，可以更好的表现维修性设计要求与产品功能结构特征之间的关联关系，分析不同功能结构设计特征对各维修性设计要求的不同影响程度，在产品功能结构设计中充分考虑维修性的影响，提高产品质量水平。

Description

一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法

技术领域

本发明涉及产品维修性设计的技术领域，具体涉及一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法。其主要可以应用于航空、航天、车辆等复杂系统的维修性设计，在功能结构设计的初期，将维修性设计考虑与功能结构设计关联起来，约束产品的功能结构设计，提高产品质量水平。

背景技术

维修性设计要求与产品的功能结构设计特征关系密切，且维修性设计要求是通过产品的功能结构设计特征来体现的，将维修性设计要求需要约束到具体的产品功能结构设计特征上才能提高产品的维修性与质量水平。然而，维修性设计要求只是初步约束到了设计特征上面，至于约束的程度和具体的操作方法仍然不是很明确，缺乏操作性，为了更好的关联维修性与功能结构的设计，基于拓扑图网络理论，一种产品维修性-功能结构的关联关系建模与量化方法被提出，将维修性与功能结构特征的关联性通过一个模型进行图形化表达，并通过量化矩阵度量两者的关联性，将维修性设计要求与产品功能结构设计特征之间的关联性固化，便于设计人员应用。

产品功能与结构设计特征之间的主次、重要性没有明确的区分，维修性设计要求便无法真正意义上与产品性能设计等传统设计进行集成和融合，维修性工作滞后等问题也就无法解决，维修性设计工作的指导作用无法真正体现。构建产品维修性-功能结构的关联关系模型与量化方法，可以更好的表现维修性设计要求与产品功能结构特征之间的关联关系，分析不同功能结构设计特征对各维修性设计要求的不同影响程度，分析诸如环境因素等其他因素对功能结构以及维修性设计的影响及其关联关系，将两者的关系固化下来，形成一种模型，为设计人员以供一套完整可行的维修性约束下的功能结构设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法，解决了产品功能与结构设计特征之间的主次、重要性没有明确的区分，维修性设计要求便无法真正意义上与产品性能设计等传统设计进行集成和融合，维修性工作滞后等问题也就无法解决，从而导致维修性设计工作的指导作用无法真正体现的问题。

本发明采用的技术方案为：一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、分别对功能结构设计特征和维修性设计要素进行分类与定义；

步骤二、基于拓扑图网络理论，构建维修性与功能结构设计要素关联模型；

步骤三、提出关联量化矩阵度量维修性与功能结构的关联关系，从而，将维修性设计要求与产品功能结构设计特征之间的关联性固化，便于设计人员在产品功能结构设计中充分考虑维修性的要求与影响。

其中，步骤一具体包括如下步骤：通过分析不同复杂系统产品实际的维修过程，获取影响维修性的功能结构设计特征，为满足维修性和功能结构关联关系模型构建的需求，对维修性与功能结构设计要素进行分类研究与定义，将维修性设计要素和功能结构设计要素分别定义为产品系统级和单元级，维修性的系统级设计要素被定义为系统级评价指标，维修性单元级设计要素被定义为维修性定性设计要素与维修性定量设计要素；与此同时，功能结构的系统级设计要素被定义为系统类特征，功能结构单元级设计要素被定义为接口类，属性类和约束特征类共三类要素。

其中，步骤二具体包括如下步骤：为解决维修性和产品功能结构之间的关联关系复杂、影响因素众多的问题，构建基于拓扑网络图的维修性与功能结构关联模型，使影响关系清晰表达而且不遗漏，为了使维修性和功能结构关联关系模型的建立具有层次感和模块化，分别从以下四个步骤进行：关联模型图形化定义、结构关联关系构建、功能结构设计要素建模、维修性设计要素建模、维修性和功能结构关联关系模型构建。

其中，步骤三具体包括如下步骤：复杂产品结构多样，系统与系统之间、单元与单元之间有着各种各样的联系，即使通过关联模型图形化表达出产品功能结构与维修性的关联关系，但是两者之间的关联关系仍然具有模糊性与不可操作性，为更好地指导产品设计人员改进产品设计，本发明基于维修性与功能结构关联模型，设计两者间的关联量化矩阵，度量两者的关联关系，为设计人员提供量化的参考数据，使方法具有可操作性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明弥补现有的维修性设计要求操作性不强的短板。将维修性设计要求通过模型，建立起与功能结构设计特征的关联性，将维修性设计要求与传统设计相结合，有利于早期设计。

(2)本发明为设计人员提供新的维修性设计方法。将维修性设计要求融入到设计特征当中，使得设计人员在设计之初就有了维修性设计的准确概念，有利于将维修性设计提前。

附图说明

图1为维修性与功能结构关联要素分类图；

图2为结构关联关系模型图；

图3为功能结构设计要素模型图；

图4为维修性设计要素模型图；

图5为维修性与功能结构设计要素关联模型图；

图6为车辆发动机润滑系统机油精滤的维修性与功能结构关联关系模型图；

图7为一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法框架图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

一种产品维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、维修性与功能结构关联关系要素的分类与定义；

步骤二、维修性和功能结构关联关系模型的构建；

步骤三、维修性和功能结构关联关系量化矩阵的设计。

其中，步骤一具体包括如下步骤：通过分析不同复杂系统产品实际的维修过程，获取影响维修性的功能结构设计特征，为满足维修性和功能结构关联关系模型构建的需求，对维修性与功能结构设计要素进行分类研究与定义，如图1所示，将维修性设计要素和功能结构设计要素分别定义为产品系统级和单元级。维修性的系统级设计要素被定义为系统级评价指标，维修性单元级设计要素被定义为维修性定性设计要素与维修性定量设计要素；与此同时，功能结构的系统级设计要素被定义为系统类特征，功能结构单元级设计要素被定义为接口类，属性类和约束特征类共三类要素。

1.维修性设计要素

维修性设计要素包括单元级与系统级设计要素。

1.1单元级设计要素

维修性单元级设计要素包括维修性定量要素与维修性定性要素。

1.1.1维修性定量要素

维修性定量要素主要是对维修时间的定义，主要分为：准备工作时间、检测隔离时间、维修拆卸时间、修理替换时间、安装调校时间、检验复原时间。具体定义如下所示：

1)准备工作时间：待修复产品或维修工具达到能够维修的状态所需要的时间，不包括后勤延误时间。

2)检测隔离时间：故障识别、故障定位和确定故障原因以及隔离故障所花费的时间总和。

3)维修拆卸时间：产品维修拆卸过程所花费的时间总和。

4)修理替换时间：为恢复故障产品执行规定功能的能力所花费的时间总和。

5)安装调校时间：产品安装和调校所花费的时间总和。

6)检验复原时间：产品故障修理完成后，检验能否执行规定功能所花费的时间总和。

1.1.2维修性定性要素

维修性定性要素与维修性定量要素间存在着紧密的互补关系，定性要素反映了那些无法或难于定量描述的维修性要求，它基于确保产品便于维修这一基本点，从不同方面的考虑，反映了产品应具有的便于完成维修工作的设计要素。维修性定性要素包括：可达性、简化设计、可修复性、人机工程、维修安全性、防差错、诊断检测、标准化与互换性。其具体定义如下所示：

1)可达性：可达性是维修时接近产品不同组成单元的难易程度，也就是接近维修部位的难易程度。

2)简化设计：简化设计是指功能结构的简化和维修程序的简化。

3)可修复性：可修复性是针对贵重件的修复和战场抢修的难易程度。

4)人机工程：人机工程是研究人体的各种能力和人体尺寸等因素与装备维修的关系，以及如何提高维修工作效率、质量和减轻人员疲劳等方面的问题。

5)维修安全性：维修安全性是指避免维修活动时人员伤亡或设备损坏的一种装备的设计特性。

6)防差错：防差错就是从设计上入手，采取适当措施避免或防止维修作业发生差错。

7)诊断检测：诊断检测是指为确定产品或系统的性能、特性、适用性或能否有效正常地工作，以及查找故障原因及部位所采用的措施及操作过程或活动。

8)标准化与互换性：标准化是在满足要求的条件下，限制产品可行的变化到最小范围的设计特性。互换性是指产品间在实体上、功能上能够相互替换的设计特性。

1.2维修性系统级评价指标

对于复杂系统设计来说，系统的组成，单元布局，管路管线以及维修通道布置等对维修性影响比较大，在设计阶段早期，系统的功能结构设计修改还相对比较容易，在早期进行系统级维修性评估，可以很好的评价复杂系统的维修性。对于系统级设计方案的维修性动态评估，传统的依靠专家打分的方式是不可取的，一方面专家的选取是个困难；同时专家的时间和精力有限，不可能针对一个项目进行多次打分评价；另一方面，专家打分的结果信息里包含的不确定性和主观臆断性也让评估结果的准确性打了折扣。为了更客观的评价系统级维修性，定义了如下所述的六个指标，用以对系统级别的设计进行维修性层面的评价。

1)一次可达率：是指不需经过拆卸其他系统或单元(不包括正常设置的口盖或者柜门等)就可以接近并进行维修操作的单元数占系统总单元数的比值。

2)一次可达度：指的是系统中满足一次可达条件的单元故障率占系统总故障率的比值与一次可达率的乘积的1/2次幂。

3)一次可检测率：是指系统中不需要经过拆卸其他系统或单元(不包括正常设置的口盖或者柜门等)就可以进行诊断检测操作的单元数占系统总单元数的比率。

4)重量舒适率：指系统中重量不超过16Kg的单元数占系统中总单元数的比率

5)系统免调率：系统中维修后不需要调试工作的单元数占系统总单元数之比来衡量系统的设计好坏

6)系统平均管路折度：系统中管路弯折程度(大于90°的不算折度，小于90°的算作两个折度)的平均值。

2.产品功能结构设计要素

通过分析各类系统的维修过程、维修方案以及维修性设计过程，总结出影响维修性的各种功能结构特征，我们将功能结构设计要素分类为系统级与单元级设计要素。

2.1单元级设计要素

单元级设计要素按照大类分为接口类、属性类、结构设计特征类。其中，接口类分类为紧固接口，操作接口、警示接口、抓握接口、输入接口与输出接口；属性类分类为尺寸、重量和危险源；约束特征分类为维修工具、空间约束、外部危险特征和空间物理环境，其具体定义如表1所示。

表1.功能结构单元级设计要素定义

2.2系统级设计要素

系统级设计要素分类为布局、管路管线、单元构成和维修通道四大类，具体定义如表2所示。

表2.功能结构系统级设计要素定义

其中步骤二具体包括如下步骤：为解决维修性和产品功能结构之间的关联关系复杂、影响因素众多的问题，构建基于拓扑网络图的维修性与功能结构关联模型，使影响关系清晰表达而且不遗漏。为了使维修性和功能结构关联关系模型的建立具有层次感和模块化，我们分别从以下四个步骤进行：关联模型图形化定义、结构关联关系构建、功能结构设计要素建模、维修性设计要素建模、维修性和功能结构关联关系模型构建。

1.关联模型图形化定义

拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，同时能够代表传递的方向。拓扑网络图图模型将产品抽象成某一形状的框图，将产品系统中单元与单元之间的物质、信息、能量的传递用有向线段以图形化的方式表达出来。

在构建关联模型之前，为使整个模型层次分明，需要对模型内的元素进行图形化定义，具体的定义如表3所示。

表3.模型元素的表示方法

2.结构关联关系构建

构建产品维修性与功能结构的关联关系模型，需要对产品的物质结构、信息和能量进行分析和表达。如图2所示，一个包含四个产品单元与三条管路的系统通过拓普网络图描绘出来。在结构关联关系中，每个单元代表一个可更换单元。除此之外，由于产品在设计初期便需对系统进行规划布局，此时需要对系统层面进行分析与设计。因此，作为区别于产品内部单元的系统，模型中以虚线矩形框代表当前产品的系统层次。如图中所示，每个产品单元或管路都是一个外场可更换单元，当产品内部出现故障时，只需要将对应的单元进行更换即可，而不必将整个产品拆卸下来进行维修。而图中的双箭线代表系统内部物质、信息和能量的传递与交互。显而易见，图中的物质能量流是从产品A1开始，到产品A4止。

3.功能结构设计要素建模

节点的概念被应用于许多领域，通常来说是指局部的膨胀或是一个交汇点。在机械工程学中，节点是在一对相啮合的齿轮上，其两节圆的切点。在网络拓扑学中，节点是网络任何支路的终端或网络中两个或更多支路的互连公共点节点代表产品或系统的属性和设计特征以及接口等，通常附着在产品或系统的边上，同时表示集合附属关系。节点依照研究的需要可以适当添加，并没有数量上的要求。在模型中，产品的功能结构设计要素以节点的形式来表达，这些要素附属于目标产品单元。

如图3所示，我们将产品之间的接口、属性等功能结构设计要素以圆圈的方式表示，并附着在产品单元上，以此表达该产品单元的功能结构设计要素。作为不服属于产品单元的约束特征，在本发明中以正三角形来表达。同时，附着在系统层次上的节点则为功能结构系统级的设计要素。针对每个产品单元或者系统，在建模的过程中，为使网络图模型的清晰化，只表达影响当前产品单元和系统维修性设计的功能结构设计要素。

4.维修性设计要素建模

参数是很多机械设置或维修上能用到的一个选项，字面上理解是可供参考的数据，但有时又不全是数据。统计学中，参数是描述总体特征的概括性数字度量，它是研究者想要了解总体的某种特征值。数学中，参数是表示变量代数式中的字母。在我们的模型中，参数是针对某一活动或目的提出的定性定量要素。

在模型中，维修性设计要素统一以正六边形来图形化表达。针对单元级的维修性设计要素环绕在产品单元周围，以便下一步关联关系的表达；而针对系统级的维修性设计要素，则围绕系统级周围，以便关联关系的表达。

如图4所示，与功能结构设计要素的建模相同，只在模型中突出与当前产品系统或单元设计相关的维修性设计要素。图例中展示了维修性系统级设计要素、维修性单元级定性设计要素与维修性单元级定量设计要素。

5.维修性和功能结构关联关系模型构建

基于关联模型图形化定义、结构关联关系构建、功能结构设计要素建模与维修性设计要素建模，本项内容主要构建维修性和功能结构关联关系模型。将系统内部产品之间的物质传递用宽箭头表示，将产品的功能结构设计要素与关联的维修性设计要素的关系用带箭头的细实线表示。关联关系是指多元素之间的相互作用，包括一对一的关联关系，一对多的关联关系，多对多的关联关系。

如图5所示，产品维修性与功能结构设计要素的关联关系通过设计要素之间的细实线来表达，有关联的设计要素之间用细实线连接起来，关联性相对较小或者几乎没有关联的设计要素之间不用关联性细线连接，从而一个产品的维修性与功能结构的关联关系模型得以建成。

其中步骤三具体包括如下步骤：复杂产品结构多样，系统与系统之间、单元与单元之间有着各种各样的联系，即使通过关联模型图形化表达出产品功能结构与维修性的关联关系，但是两者之间的关联关系仍然具有模糊性与不可操作性。为更好地指导产品设计人员改进产品设计，本发明基于维修性与功能结构关联模型，设计两者间的关联量化矩阵，度量两者的关联关系，为设计人员提供量化的参考数据，使方法具有可操作性。

基于车辆系统设计的经验与工程实际，本发明设计提出产品维修性定量设计要素与功能结构单元级设计要素关联矩阵、产品维修性定性设计要素与功能结构单元级设计要素关联矩阵以及产品维修性系统级评价指标与功能结构系统级设计要素关联矩阵，如表4,表5和表6所示，采用多专家系统评分的方法，全方位度量产品维修性与功能结构的关联关系。评价方法采用9分制评价方法，即在表格中用1至9的分值评估两者的关联关系。1表示基本无相关性；3表示具有一定相关性；5表示相关性较强；7表示相关性很强；9表示相关性非常强；2、4、6、8为以上两判断之间的中间状态对应的标度值。

表4.维修性定量设计要素与功能结构单元级设计要素关联矩阵

表5.维修性定性设计要素与功能结构单元级设计要素关联矩阵

表6.维修性系统级评价指标与功能结构系统级设计要素关联矩阵

为说明本发明的可操作性与有效性，以下将以车辆发动机润滑系统中的机油精滤为例，对发明发放进行验证。

车辆发动机的润滑系统一般由机油泵、机油精滤、机油冷却器及集滤器组成，其中机油精滤为一个重要的产品部件。

机油精滤的作用是滤掉机械杂质和胶质，保待润滑油的清洁，延长其使用期限。机油精滤应具有滤清能力强，流通阻力小，使用寿命长等性能。一般润滑系统中装有几个不同滤清能力的滤清器--集滤器、粗滤器和细滤器，分别并联或串联在主油道中。其中粗滤器串联在主油道中，为全流式；细滤器并联在主油道中，为分流式。现代轿车发动机上普遍只设有集滤器和一个全流式机油精滤。粗滤器滤除机油中粒径为0.05mm以上的杂质，细滤器则用来滤除粒径为0.001mm以上的细小杂质。

通过对润滑系统维修过程的分析发现在维修过程中有许多维修性的问题，这些问题需要通过产品的设计解决。维修性设计要求与产品的属性、系统特征、接口等息息相关。将繁杂的接口、单元的属性、系统的特征进行细化分析，然后总结归类，得到具体产品功能结构设计特征。人机工程和可修复性的设计要求渗透到产品的维修过程的方方面面。所以维修性设计要求在产品和单元上也有侧重点和层次要求。通过对润滑系统五个产品的分析得到产品维修性和功能结构关联关系。

通过调研车辆维修方案，得知润滑系统的机油精滤的主要维修项目及过程。机油精滤的维修项目主要是更换，而所需的工具为机油滤扳手，维修过程主要以拆装机油滤为主。根据以上发明所述方法，对车辆润滑系统的机油精滤实施维修性与功能结构关联建模，车辆润滑系统机油精滤的结构、物质能量流以及关联模型如图6所示。与此同时，利用产品维修性与功能结构关联关系量化方法，度量机油精滤不同功能结构设计要素对各维修性设计要素的关联性，其量化矩阵如表7，表8和表9所示。

由表7可以得到，在六项维修性定量设计要素中，维修性定量设计要素对功能结构设计要素的关联性从大到小分别为：维修拆卸时间＞修理替换时间＞检测隔离时间＞安装调教时间＞准备工作时间＞检验复原时间；而功能结构单元级设计要素对维修性定量设计要素的关联性从大到小依次为：维修工具＞抓握接口＞操作接口＞空间物理环境＞输出接口＝外部危险特征＞维修频率＞重量＝警示接口＞尺寸＝输入接口＞危险源＝紧固接口＝空间约束。

表7润滑系功能结构特征与维修时间分解关系矩阵

分析表8得到，在八项维修性定性设计要素中，维修性定性设计要素对功能结构设计要素的关联性从大到小分别为：可达性＞标准化与互换性＞维修安全性＞防差错＞人机工程＞诊断检测＞可修复性＞简化设计；而功能结构单元级设计要素对维修性定量设计要素的关联性从大到小依次为：维修频率＞紧固接口＝操作接口＞维修工具＞警示接口＞抓握接口＞危险源＞尺寸＞空间约束＝外部危险特征＞输出接口＞重量＞输入接口＞空间物理环境。

表8润滑系功能结构特征与维修性定性参数关系矩阵

分析表9得到，在车辆润滑系统机油精滤的维修性与功能结构系统级关联关系中，维修设计要素对功能结构设计要素的关联性从大到小分别为：系统平均管路折度＞一次可达率＞一次可检测率＞一次可达度＞系统免调率＞重量舒适度；而功能结构设计要素对维修性设计要素的关联性从大到小依次为：单元构成＞设备布局＞维修通道＞管路管线走向。

表9系统功能结构设计特征与维修性评价指标关系矩阵

分析表7和表8，可以发现在进行车辆发动机润滑系统机油精滤的单元级设计中，维修拆卸时间与修理替换时间是影响功能结构设计最为重要的维修性定量设计要素，可达性和标准化与互换性是影响功能结构设计最为重要的维修性定性设计要素，而影响精滤维修时间最多的功能结构设计要素为维修工具、抓握接口和操作接口的设计，影响精滤维修性定性设计要素最多的功能结构设计要素为维修频率，紧固接口和操作接口。

分析表9，可以发现在进行车辆发动机润滑系统机油精滤的系统级设计中，系统平均管路折度与一次可达率是两项关联最为紧密的维修性设计要素，而单元构成与设备布局是影响精滤维修性设计的重要功能结构设计要素。

由于精滤作为可更换单元，对其的维修主要以更换和拆装为主，因此在设计精滤时应该更加关注维修拆卸时间、修理替换时间等于拆装相关的维修性定量设计要素；同时，也应该关注影响其可达性和标准化与互换性的维修性定性设计要素。在系统层面，应该则应注重管路折度与一次可达率的维修性设计。将方法所得量化结果与工程实际经验和设计规范进行比较，可以得出关联量化矩阵所得结果正确、有效。

Claims (1)

1.一种车辆维修性和功能结构的关联关系建模与量化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一、分别对车辆典型产品的功能结构设计特征及其维修性设计要素进行分类与定义；

步骤二、基于拓扑图网络理论，构建车辆典型产品的维修性与功能结构设计要素关联模型；

步骤三、提出关联量化矩阵度量维修性与功能结构的关联关系，提供将维修性设计要求嵌入车辆功能结构设计，实现并行设计的关键技术；

步骤一具体包括如下步骤：通过分析包括车辆电气系统、行动系统、传动系统和动力系统在内的复杂系统的设计准则和维修过程，获取影响维修性的功能结构设计特征，为满足维修性和功能结构关联关系模型构建的需求，对维修性与功能结构设计要素进行分类研究与定义，在此基础上，将维修性设计要素和功能结构设计要素分别定义为产品系统级和单元级，维修性的系统级设计要素被定义为系统级评价指标，维修性单元级设计要素被定义为维修性定性设计要素与维修性定量设计要素；与此同时，功能结构的系统级设计要素被定义为系统类特征，功能结构单元级设计要素被定义为接口类，属性类和约束特征类共三类要素；

步骤二具体包括如下步骤：为解决维修性和产品功能结构之间的关联关系复杂、影响因素众多的问题，构建基于拓扑网络图的维修性与功能结构关联模型，使影响关系清晰表达而且不遗漏，为了使维修性和功能结构关联关系模型的建立具有层次感和模块化，分别从以下四个步骤进行：关联模型图形化定义、结构关联关系构建、功能结构设计要素建模、维修性设计要素建模、维修性和功能结构关联关系模型构建；

步骤三具体包括如下步骤：复杂产品结构多样，系统与系统之间、单元与单元之间有着各种各样的联系，即使通过关联模型图形化表达出产品功能结构与维修性的关联关系，但是两者之间的关联关系仍然具有模糊性与不可操作性，为更好地指导产品设计人员改进产品设计，基于维修性与功能结构关联模型，设计两者间的关联量化矩阵，度量两者的关联关系，为设计人员提供量化的参考数据，使方法具有可操作性；

该方法面向车辆的维修性设计问题，通过研究车辆维修性与功能结构设计的关键因素，基于拓扑结构构建关联模型，为维修性要求的设计实施提供新的与有效的技术方案，保障装备的健康运行。

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