基于模糊聚類的保障裝備模塊化設(shè)計(jì)

于魁龍， 李 軍， 張 宇， 周靖凱

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

基于模糊聚類的保障裝備模塊化設(shè)計(jì)

于魁龍， 李 軍， 張 宇， 周靖凱

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

針對(duì)陸軍各兵種配備的專用保障裝備過多、互用性差、型號(hào)規(guī)格雜、利用率低等問題,基于模塊化設(shè)計(jì)理念，采用模糊聚類方法，在功能分析的基礎(chǔ)上將保障裝備劃分為基本模塊、通用保障功能模塊和專用保障功能模塊?；灸K通過與各種通用保障功能模塊和專用保障功能模塊組合，可形成系列保障裝備族，滿足保障裝備型譜要求和不同保障需求，很好地解決了保障裝備型號(hào)規(guī)格雜，不同兵種的保障裝備間關(guān)聯(lián)少、互用性差的難題，實(shí)現(xiàn)了保障資源的優(yōu)化組合。最后，以某型履帶式裝甲搶修車的模塊化設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了研究思路和方法的可行性。

保障裝備；模塊化設(shè)計(jì)；功能模塊；模糊聚類；傳遞閉包法

目前，在聯(lián)合作戰(zhàn)條件下的陸軍各兵種由于不同裝備的保障裝備間關(guān)聯(lián)少、互用性差、型號(hào)規(guī)格復(fù)雜，導(dǎo)致保障資源規(guī)模很大，而保障效率和資源利用率卻很低。若要增強(qiáng)聯(lián)合作戰(zhàn)條件下的裝備保障能力，就必須提高保障裝備的互用性和利用率。

模塊化設(shè)計(jì)方法是提高保障裝備的互用性和利用率行之有效的方法之一。模塊化設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是以較少的資源滿足多樣化的需求。保障資源模塊化設(shè)計(jì)的意義在于可以少量種類的保障模塊滿足眾多不同的個(gè)性化保障需求。模塊化設(shè)計(jì)研究工作始于20世紀(jì)50年代末，20世紀(jì)80年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)、成組技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各種新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有力推動(dòng)了模塊化設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)一步發(fā)展，童時(shí)中[1-2]從多方面對(duì)模塊、模塊化概念等模塊化理論進(jìn)行了研究，提出了模塊化設(shè)計(jì)的總體流程。目前，模塊化方法已廣泛用于民用產(chǎn)品和服務(wù)的各個(gè)領(lǐng)域。在軍事上，美國陸軍“標(biāo)準(zhǔn)車輛工具組合”就是一組最常用、最基本的車輛維修工具組合，其所有工具均采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化配置，可隨意組合，取代類型眾多的野戰(zhàn)級(jí)維修車間工具，可根據(jù)任務(wù)需要配置相應(yīng)的工具模塊，也可根據(jù)部隊(duì)編制與職能組合其需要的模塊。

模塊化是我軍目前保障資源設(shè)計(jì)的主要方向，是從根本上解決保障資源品種多、數(shù)量大、重復(fù)研制問題的出路。模塊化劃分方法很多，且各有特點(diǎn)[3]，其中：模糊聚類法由于可得到樣本屬于各個(gè)類別的不確定性程度，表達(dá)樣本類屬的中介性，即建立了樣本對(duì)類別的不確定性描述，能更客觀地反映現(xiàn)實(shí)世界，已成為聚類分析研究的主流。本文采用模糊聚類法進(jìn)行模塊劃分，創(chuàng)建保障裝備的基本模塊、通用保障功能模塊和專用保障功能模塊。

1 保障裝備模塊劃分原則

在保障裝備模塊化設(shè)計(jì)中，基本模塊通過配備各種通用及專用的保障功能模塊具備了多種作業(yè)保障能力，增加了保障裝備的互用性，減少了保障裝備的種類、規(guī)模，提高了保障效率，實(shí)現(xiàn)了保障資源的優(yōu)化整合。

基本模塊是保障裝備的基礎(chǔ)，是能夠被某一系列保障裝備共享的、可重用的模塊集合，一般具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。保障功能模塊是各種具有特定功能的專用檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)適配器和專用修理、保養(yǎng)機(jī)工具等。遂行任務(wù)時(shí)，保障功能模塊配合有關(guān)基礎(chǔ)模塊可形成保障能力。保障功能模塊包括通用保障功能模塊和專用保障功能模塊。通用保障功能模塊是系統(tǒng)中經(jīng)常重復(fù)的、功能基本不變的組成模塊；專用保障功能模塊是實(shí)現(xiàn)保障裝備族中裝備多樣化以滿足戰(zhàn)場個(gè)性化需求的組成模塊。

保障裝備模塊劃分得越細(xì)，模塊粒度越小，雖然可組合形成具有更多保障功能的保障裝備族，提高了整個(gè)模塊化系統(tǒng)的柔性，但也使得模塊設(shè)計(jì)與配置的復(fù)雜程度增加；保障裝備模塊劃分得越粗，模塊粒度越大，雖然有利于裝配，減少制造和裝配成本，但易導(dǎo)致模塊保障性能上的不合理，降低保障多樣性。在劃分保障裝備模塊時(shí)應(yīng)遵循如下4項(xiàng)原則。

1) 軍事性。在設(shè)計(jì)模塊化保障裝備之初就要考慮是否提高了保障效益，能否及時(shí)準(zhǔn)確地保障到位。

2) 通用性。模塊是一種標(biāo)準(zhǔn)的單元，具有互換性?？苫Q的模塊應(yīng)具有相同的功能和接口特征，即通用性。

3) 功能明確。模塊是具有明確和獨(dú)立功能的實(shí)體，劃分模塊時(shí)應(yīng)保持其具有明確獨(dú)立的保障性能。

4) 全周期。模塊劃分應(yīng)同時(shí)兼顧制造、裝配和回收的要求，并滿足部隊(duì)對(duì)裝備的維修、更換和升級(jí)的需求。

2 保障裝備模塊劃分過程

2.1 保障裝備功能結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

功能結(jié)構(gòu)模型用來描述系統(tǒng)各功能之間的關(guān)系，一般采用框圖表示，并稱之為功能結(jié)構(gòu)圖。功能結(jié)構(gòu)模型的建立是系統(tǒng)從抽象到具體的重要環(huán)節(jié)之一。通過功能結(jié)構(gòu)圖，可明確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總功能所需的子功能、功能元及其關(guān)系等，進(jìn)而使各子功能或功能元較容易地與一定的物理效應(yīng)及實(shí)現(xiàn)這些效應(yīng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，得出實(shí)現(xiàn)所定總功能的實(shí)體解答。

構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)模型一般分為如下4個(gè)步驟。

1) 進(jìn)行技術(shù)過程分析，劃定技術(shù)系統(tǒng)的邊界，確定系統(tǒng)的總功能。

2) 將總功能分解為子功能或功能元。

3) 建立功能結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)系統(tǒng)的物理作用原理、工程經(jīng)驗(yàn)或參照已有的類似系統(tǒng)，首先排定與主要工作過程有關(guān)的子功能或與功能元之間的關(guān)系，并提出一個(gè)初步方案，然后對(duì)初步方案進(jìn)行檢驗(yàn)并完善其相互關(guān)系，補(bǔ)充其他部分。為選出較優(yōu)的方案，一般要提出若干個(gè)不同的功能結(jié)構(gòu)模型。

4) 選出最佳的功能結(jié)構(gòu)方案[4-5]。

建立功能結(jié)構(gòu)模型時(shí)應(yīng)注意如下問題：1)體現(xiàn)系統(tǒng)子功能或功能元之間的關(guān)系；2)各子功能和功能元的分解及其排列要有一定的理論依據(jù)(物理作用原理)或經(jīng)驗(yàn)支持；3)不能漏掉必要的子功能或功能元；4)盡可能簡單明了，但又便于實(shí)體解答方案求解。

2.2 模糊相似矩陣構(gòu)建

根據(jù)保障裝備功能元之間在功能、裝配、空間和物理方面的相關(guān)性強(qiáng)弱，確定功能元的相關(guān)度取值。任意2個(gè)功能元之間的相關(guān)度定義如表1所示。

表1 功能元之間的相關(guān)度定義

根據(jù)表1定義的功能元相關(guān)度得出保障裝備功能元之間在功能上的相關(guān)度矩陣R1、裝配上的相關(guān)度矩陣R2、空間上的相關(guān)度矩陣R3和物理上的相關(guān)度矩陣R4。其形式為

建立了模糊關(guān)系矩陣R1、R2、R3、R4后，就可得到反映功能元之間相似程度的模糊相似矩陣R，其構(gòu)造方法為

式中:

i,j∈{1,2,…,n}。

(1)

2.3 構(gòu)建模糊等價(jià)矩陣

采用最小平方算法[2]來求解傳遞閉包，即

式中:R2=R°R=∨(rij∧rji)。

若存在k0，使得

R2k0-1=R2k0，

(2)

則

(3)

2.4 利用傳遞閉包法進(jìn)行截取聚類

(4)

將每一行中元素為1所對(duì)應(yīng)的功能元聚為一類?？捎萌鐖D1所示的模糊聚類樹狀圖直觀地表示各功能元之間在λi(i=1,2,…,m)水平上的聚類過程。根據(jù)聚類分析結(jié)果就可分析得出保障裝備的基本模塊、通用保障功能模塊和專用保障功能模塊。

圖1 模糊聚類樹狀圖

3 實(shí)例分析

以某型履帶式裝甲搶修車為例，通過模糊聚類分析對(duì)其基本模塊、通用保障功能模塊與專用保障功能模塊進(jìn)行劃分，然后將基本模塊與不同的通用保障功能模塊、專用保障功能模塊組合即構(gòu)成裝甲搶修車系列。

3.1 某型履帶式裝甲搶修車功能結(jié)構(gòu)分析

該型車為裝有搶修設(shè)備的履帶式裝甲技術(shù)保障車輛。主要用于伴隨坦克及其他裝甲車輛完成底盤、火炮的戰(zhàn)場搶修及充電、充氣任務(wù)。該型車由某式輸送車底盤改裝而成，主要由發(fā)電機(jī)、電焊、充電、起重裝置、火炮拆裝機(jī)具和底盤組成[6]。

根據(jù)其功能及主要功能部件，在能量流的基礎(chǔ)上建立功能結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。該模型主要包括機(jī)動(dòng)系統(tǒng)、火力系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)，共57個(gè)功能單元，其中機(jī)動(dòng)系統(tǒng)、主要作業(yè)系統(tǒng)為主要的功能系統(tǒng)。

圖2 某型履帶式裝甲搶修車功能結(jié)構(gòu)模型

3.2 模塊劃分

根據(jù)圖2、表1可得到模糊關(guān)系矩陣R1、R2、R3、R4。采用AHP法求出該車型各功能元之間在功能、裝配、空間和物理上的權(quán)重分別為：w1=0.274 5，w2=0.475 5，w3=0.158 5，w4=0.091 5。根據(jù)式(1)可得該型履帶式裝甲搶修車功能元的模糊相似矩陣R，如表2所示。限于篇幅，本文只列出部分矩陣。其中：

0.274 5×5+0.475 5×4+0.158 5×5+

0.091 5×5=4.524 5,

由圖3可見：當(dāng)λ=1.558時(shí)，將57個(gè)功能元聚為以下8類。

表2 某型履帶式裝甲搶修車功能元的模糊相似矩陣R

表3 某型履帶式裝甲搶修車功能元的模糊等價(jià)矩陣

圖3 某型履帶式裝甲搶修車功能元的模糊聚類樹狀圖

{P1,P2,P3,P4,P6,P7,P9,P10,P11,P12,P13};

{P29,P30,P31};

{P5,P8,P14,P15,P16,P17,P18,P19,P25};

{P20,P21,P22,P23,P40,P41};

{P24,P26,P27,P28,P35,P36};

{P32,P33,P34,P37,P38,P39,P49,P50};

{P42,P46,P47,P48};

{P43,P44,P45,P51,P52,P53,P54,P55,P56,P57}。

根據(jù)功能獨(dú)立原則，結(jié)合該型車的功能結(jié)構(gòu)，可以看出：在得到的8類模塊中，有些還需要再分解才比較合理。因此，通過取多個(gè)λ值對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后，將該型車劃分為10個(gè)模塊。其中：{P1,P2,P3,P4,P6,P7,P9,P10,P11,P12,P13}為動(dòng)力模塊;{P5,P8,P14,P15,P16,P17,P18,P19,P25}為傳動(dòng)模塊;{P20,P21,P22,P23,P40,P41}為行動(dòng)模塊;{P24,P26,P27,P28,P35,P36}為電能模塊;{P29,P30,P31}為設(shè)備模塊; {P42,P46,P47,P48}防護(hù)模塊；模塊{P32,P33,P34,P37,P38,P39,P49,P50}進(jìn)一步分解為{P32,P33,P34,P49,P50}電氣模塊和{P37,P38,P39}起重模塊；{P43,P44,P45,P51,P52,P53,P54,P55,P56,P57}進(jìn)一步分解為{P51,P52,P53,P54,P55,P56,P57}工具模塊和{P43,P44,P45}武器模塊。 這樣，該型車的基本模塊包括動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊、行動(dòng)模塊、電能模塊、防護(hù)模塊、電氣模塊和武器模塊共7個(gè)模塊，通用保障功能模塊包括設(shè)備模塊、工具模塊和起重模塊共3個(gè)模塊。

3.3 履帶式裝甲搶修車的模塊化與系列化

對(duì)于模塊化履帶式裝甲搶修車，動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊、行動(dòng)模塊、電能模塊、防護(hù)模塊、電氣模塊、武器模塊為基本模塊，可按照戰(zhàn)場需求組合。通用保障功能模塊由通用設(shè)備和通用工具組成，專用保障功能模塊由專用設(shè)備和專用工具組成。

保障裝備的模塊化要以保障的主戰(zhàn)裝備系列型譜為指導(dǎo)，來規(guī)劃通用和專用保障功能模塊系列。通過開發(fā)系列化的保障功能模塊，滿足裝備的不同保障需求和保障裝備的型譜需求。模塊化履帶式裝甲搶修車實(shí)現(xiàn)了只需要通過功能模塊的組合便可形成車族，經(jīng)濟(jì)且便于自身保障；而且通過配備專用保障功能模塊，使履帶搶修車的保障作業(yè)針對(duì)性更強(qiáng)，減少攜帶不必要的工具設(shè)備，反應(yīng)更加迅速。

模塊化履帶式裝甲搶修車族技術(shù)體系如圖4所示。由圖4可見：以基本模塊為基礎(chǔ)，通過配備通用保障功能模塊，再選裝針對(duì)不同類型裝備的專用保障功能模塊，如壓制武器、突擊裝備、防空武器、防化裝備、通信指揮裝備、偵察裝備、機(jī)要裝備、測(cè)繪裝備等專用保障模塊，可組合成保障不同主戰(zhàn)裝備的一系列履帶式裝甲搶修車，形成履帶式裝甲搶修車族，從而滿足保障陸軍不同兵種的裝備多樣化需求。由于模塊可動(dòng)態(tài)組合，因此可根據(jù)具體的作戰(zhàn)任務(wù)選裝需要的專用保障功能模塊，避免不必要的冗余，提高了互用性和利用率。

圖4 模塊化履帶式裝甲搶修車族技術(shù)體系

4 結(jié)論

本文利用模塊化的模糊聚類法對(duì)保障裝備的規(guī)劃、設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，該方法可有效地減少保障裝備種類，提高保障裝備互用性和利用率，是提高陸軍各兵種保障裝備保障效率和利用率的有效手段。下一步將在如下2個(gè)方面開展研究。

1) 關(guān)于相似實(shí)例檢索工作，為了簡化檢索過程，本文采用了平均權(quán)重的方法，這與實(shí)際情況不相符，降低了相似度量的精度。相似度量方法、權(quán)重的確定還有待進(jìn)一步研究。

2) 進(jìn)行保障裝備模塊劃分時(shí)，應(yīng)用的功能元相關(guān)性數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行大量的調(diào)查和分析工作，也需要結(jié)合戰(zhàn)場需求和生產(chǎn)設(shè)計(jì)，利用數(shù)據(jù)挖掘理論進(jìn)行科學(xué)分析。

[1] 童時(shí)中. 模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)(總體)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，1994(6)：15-17.

[2] 童時(shí)中.模塊化原理在生產(chǎn)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)道，2000,21(5):20-22.

[3] 唐濤，劉志峰，劉復(fù)光，等. 綠色模塊化設(shè)計(jì)方法研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(11)：149-154.

[4] 王日成,張進(jìn)生,葛培琪,等. 基于公理設(shè)計(jì)與模糊樹圖的集成式模塊劃分方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,40(4): 179-183.

[5] Lee H S. An Optimal Algorithm for Computing the Max-min Transitive Closure of a Fuzzy Similarity Matrix[J]. Fuzzy Sets and Systems， 2001,123(2):129-136.

[6] 吳緯, 周運(yùn)東,梅國建,等. 裝甲裝備保障學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.

(責(zé)任編輯:王生鳳)

Modularization Design of Support Equipment Based on Fuzzy Clustering

YU Kui-long, LI Jun, ZHANG Yu, ZHOU Jing-kai

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the existing problems for special support equipment of the army such as excess quantity, poor interoperability, complex specifications and low utilization rate, in accordance with the idea of modularization design, adopting fuzzy clustering method, on the basis of function analysis, the support equipment is divided into basic module, universal support functional module and special support functional module. Through combining with universal support functional module and special support functional module, forming a series of equipment family, basic module can be applied to different support requirements and meet the type spectrum requirement of support equipment. The problems of complex specifications, less association and poor interoperability of different army support equipment are solved, and support resources are optimally combined. Finally, the proposed design methods and ideas are verified using the modularization design example of armored recovery vehicles.

support equipment; modularization design; functional modules; fuzzy clustering

1672-1497(2015)01-0018-07

2014- 11- 06

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

于魁龍(1968-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士。

E92

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.004