導(dǎo)航設(shè)備質(zhì)量論證及評(píng)估仿真軟件設(shè)計(jì)

孔 敏，王鳳芹，閆 沖，閆芳君

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備在設(shè)計(jì)使用過程中所體現(xiàn)的可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性(簡(jiǎn)稱“通用質(zhì)量特性”)是衡量設(shè)備效能的重要指標(biāo)，與設(shè)備的性能指標(biāo)具有同等重要的地位[1-3]。通用質(zhì)量特性要求應(yīng)在設(shè)備立項(xiàng)階段與技術(shù)指標(biāo)同步規(guī)劃論證，在研制生產(chǎn)階段加以落實(shí)，在使用保障階段得以充分體現(xiàn)。科學(xué)合理的通用質(zhì)量特性指標(biāo)參數(shù)，可為提高設(shè)備的完好率、降低壽命周期費(fèi)用和提高保障時(shí)效性提供輔助決策，為開展設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、技術(shù)保障、維修和延長(zhǎng)壽命工作提供技術(shù)支撐。通過設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估，便于維護(hù)保障人員對(duì)設(shè)備及時(shí)形成質(zhì)量監(jiān)控決策，優(yōu)化設(shè)備質(zhì)量保障方案，縮短設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)及性能恢復(fù)時(shí)間，有利于掌握設(shè)備質(zhì)量變化規(guī)律，持續(xù)保持設(shè)備完好狀態(tài)。

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備質(zhì)量特性的要求論證與評(píng)估主要是基于經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量特性論證的數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)境在國(guó)內(nèi)已有一些研究，可基于數(shù)字化模型開展通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)分析，進(jìn)而開展可靠性仿真驗(yàn)證和虛擬維修仿真等分析工作[4-5]，為通用質(zhì)量特性指標(biāo)的落實(shí)提供了積極的解決手段，但其實(shí)現(xiàn)依賴于產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)方案。對(duì)于設(shè)備使用者來說，在未獲得相應(yīng)產(chǎn)品詳細(xì)數(shù)字化設(shè)計(jì)，僅有功能模塊級(jí)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和維修保障方案設(shè)定的情況下，通用質(zhì)量特性指標(biāo)的論證還需要結(jié)合用戶的實(shí)際使用來研究確定。此外，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的通用質(zhì)量特性論證指標(biāo)和實(shí)際指標(biāo)數(shù)據(jù)給出綜合評(píng)價(jià)，也是急需解決的問題。

本文將質(zhì)量特性論證與評(píng)估過程相結(jié)合，提出了衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備質(zhì)量論證及評(píng)估仿真軟件設(shè)計(jì)方法。按照衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備功能和工作體制進(jìn)行類型劃分，通過模擬設(shè)備的維修保障過程，根據(jù)保障性分析和歷史數(shù)據(jù)的輸入，論證出設(shè)備質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系中的各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)論證階段的通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證設(shè)計(jì)，同時(shí)可利用評(píng)估模型對(duì)質(zhì)量特性論證指標(biāo)和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)論證階段和使用保障階段的設(shè)備質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1 總體思路

在論證階段，針對(duì)不同類型衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備、不同保障策略和不同應(yīng)用環(huán)境，以使用保障中表現(xiàn)出的質(zhì)量特性為基礎(chǔ)，建立通用質(zhì)量特性指標(biāo)體系。通過對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備保障過程進(jìn)行分析，有效模擬并發(fā)現(xiàn)各種保障要素，從而針對(duì)性地規(guī)劃各任務(wù)階段的保障活動(dòng)、資源和組織等要素，論證科學(xué)合理的通用質(zhì)量特性指標(biāo)。同時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備在使用保障階段保障好、維修好、貯存好，才能保持較高的質(zhì)量水平，因此使用保障階段的質(zhì)量評(píng)估不僅評(píng)估使用保障階段的質(zhì)量水平，而且為判斷設(shè)備是否滿足總體設(shè)計(jì)要求提供條件和依據(jù)。以通用質(zhì)量特性指標(biāo)體系為基礎(chǔ)建立質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系，建立評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)通用質(zhì)量特性指標(biāo)多層次、多因素、多指標(biāo)的融合評(píng)估。

質(zhì)量特性論證及評(píng)估仿真軟件建立在設(shè)備功能模型、維修模型、保障資源模型和評(píng)估模型的基礎(chǔ)上。質(zhì)量特性論證模型包括3部分：功能模型、維修模型和保障資源模型[6]，如圖1所示。功能模型包括設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)及各組成單元的單元屬性；維修模型包括設(shè)備的預(yù)防性維修和修復(fù)性維修；保障資源模型包括備品備件、設(shè)備設(shè)施和技術(shù)人員。在功能模型和保障資源模型設(shè)定的基礎(chǔ)上開展維修保障模型的構(gòu)建，前二者為后者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。維修模型是評(píng)價(jià)過程的驅(qū)動(dòng)，所有評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都要依據(jù)具體的維修模型。實(shí)現(xiàn)過程是把設(shè)備作為一個(gè)基本的模擬對(duì)象，模擬其執(zhí)行任務(wù)和維修保障活動(dòng)過程，根據(jù)保障性分析和歷史數(shù)據(jù)的輸入，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，統(tǒng)計(jì)分析出設(shè)備一定使用時(shí)間范圍內(nèi)的故障、維修、費(fèi)用和備件消耗等信息。通過建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算出設(shè)備的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)。其輸出結(jié)果具有綜合的評(píng)價(jià)能力，可以用來分析保障系統(tǒng)的特性，如設(shè)備的完好性、任務(wù)成功性和維修保障費(fèi)用等參數(shù)，再利用評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)估。質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估功能的實(shí)現(xiàn)可以使衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控和保障根據(jù)其狀態(tài)進(jìn)行，持續(xù)監(jiān)控和評(píng)估設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)，使保障方式向基于狀態(tài)的精確化保障方向發(fā)展，提高設(shè)備的可靠性和可用性，提高質(zhì)量管理效率，有效提高保障能力。

圖1 質(zhì)量特性論證模型Fig.1 Argumentation model of quality characteristic

2 流程設(shè)計(jì)

2.1 仿真機(jī)制

仿真機(jī)制是把設(shè)備作為一個(gè)基本的模擬對(duì)象，模擬設(shè)備的實(shí)際使用保障過程，即執(zhí)行任務(wù)和維修保障活動(dòng)過程。仿真系統(tǒng)首先初始化設(shè)備數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)和保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真機(jī)制和仿真算法，再利用統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算設(shè)備的完好性、任務(wù)成功性和維修保障費(fèi)用等信息，作為輸出給用戶，形成論證結(jié)果，并進(jìn)行評(píng)估，給出評(píng)價(jià)結(jié)果。

設(shè)備使用和維修保障的仿真過程，本質(zhì)上是一種離散事件系統(tǒng)，即指受事件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)狀態(tài)跳躍變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的遷移發(fā)生在一串離散事件點(diǎn)上。離散事件系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng)狀態(tài)只在一些離散的事件點(diǎn)上發(fā)生的變化，本身是模擬了系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程。在設(shè)備維修保障過程中，系統(tǒng)的狀態(tài)只在某些時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化，其系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)應(yīng)基于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬方法。在仿真系統(tǒng)開始時(shí)將時(shí)鐘置零，之后按照一定機(jī)制推進(jìn)，在時(shí)鐘推進(jìn)的過程中，不斷記錄各離散事件發(fā)生的時(shí)刻，并進(jìn)行事件統(tǒng)計(jì)。在仿真系統(tǒng)中，采用了面向時(shí)間間隔和面向事件的時(shí)鐘推進(jìn)機(jī)制并行的方式。

2.2 仿真流程

衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備質(zhì)量特性論證與評(píng)估仿真軟件是建立在功能模型、維修模型和保障資源模型的基礎(chǔ)上，模擬了設(shè)備在使用過程中的維修保障工作。以維修保障費(fèi)用、平均修復(fù)時(shí)間和設(shè)備完好性等通用質(zhì)量特性參數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)仿真流程，計(jì)算出設(shè)備質(zhì)量特性要求的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)并進(jìn)行評(píng)估。仿真系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)工作流程Fig.2 Flow chart of simulation system

整個(gè)仿真流程包括6部分：身份認(rèn)證、設(shè)備類型選擇、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、論證、評(píng)估和歷史信息查詢。其中，身份認(rèn)證是對(duì)用戶輸入的用戶名和密碼進(jìn)行認(rèn)證；設(shè)備類型選擇是從給定戶設(shè)備類型中進(jìn)行選擇；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入包括設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)際數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入；數(shù)據(jù)錄入后進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量特性要求的參數(shù)論證，計(jì)算設(shè)備的各通用質(zhì)量特性參數(shù)指標(biāo)；評(píng)估后各參數(shù)進(jìn)行信息融合，給出設(shè)備的綜合質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估；歷史信息查詢用于查詢歷次論證和評(píng)估的信息。

質(zhì)量特性論證過程包括預(yù)防性維修過程和修復(fù)性維修過程參數(shù)的論證。預(yù)防性維修過程主要對(duì)設(shè)備各組成單元的預(yù)防性維修費(fèi)用、時(shí)間進(jìn)行計(jì)算；修復(fù)性維修過程主要對(duì)設(shè)備進(jìn)行修復(fù)性工作的時(shí)間、費(fèi)用、所需的備品備件和技術(shù)人員的等級(jí)、費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出平均修復(fù)時(shí)間，使用可用度等參數(shù)值。裝備質(zhì)量評(píng)估過程是整個(gè)裝備質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)控體系的中心環(huán)節(jié)，是聯(lián)接監(jiān)控參數(shù)與實(shí)際評(píng)定決策的橋梁。質(zhì)量評(píng)估是一個(gè)涉及多階段、需要周密組織、逐步實(shí)施的復(fù)雜管理活動(dòng)，其一般流程包括評(píng)估準(zhǔn)備階段、評(píng)估實(shí)施階段、評(píng)估分析與反饋階段，通過建立合理的質(zhì)量特性評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)采用具有人機(jī)交互與問題處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的三級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如圖3所示。用戶輸入用戶信息，進(jìn)行身份認(rèn)證，錄入設(shè)備基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行論證和評(píng)估，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。用戶通過人機(jī)交互界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。錄入數(shù)據(jù)分為2類：一是手動(dòng)輸入的數(shù)據(jù)庫中不存在的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；二是調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。

圖3 軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of simulation system

3.2 軟件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求和軟件模塊化設(shè)計(jì)原則，將系統(tǒng)分為用戶身份認(rèn)證模塊、設(shè)備類型選擇模塊、設(shè)備信息管理模塊、質(zhì)量特性論證模塊和質(zhì)量特性評(píng)估模塊共5個(gè)功能模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Diagram of simulation system function

用戶身份認(rèn)證模塊：完成用戶名和密碼的認(rèn)證，只有合法用戶才能登錄系統(tǒng)。

設(shè)備類型選擇模塊：完成設(shè)備的類型選擇功能，各類設(shè)備的結(jié)構(gòu)信息已預(yù)先內(nèi)置。

設(shè)備信息管理模塊：完成設(shè)備預(yù)防性維修數(shù)據(jù)和修復(fù)性維修數(shù)據(jù)的錄入。

質(zhì)量特性論證模塊：根據(jù)用戶錄入的單元屬性信息、預(yù)防性維修信息和修復(fù)性維修信息，利用算法進(jìn)行仿真分析計(jì)算，完成設(shè)備質(zhì)量特性指標(biāo)參數(shù)的論證。

質(zhì)量特性評(píng)估模塊：使用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備質(zhì)量特性論證結(jié)果或基于大數(shù)據(jù)提取實(shí)際設(shè)備質(zhì)量特性數(shù)據(jù)[7]，基于改進(jìn)的群體層次分析(IGAHP)模型[8-12]和模糊綜合評(píng)判算法[13]對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估[14-15]，而后將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，以備后續(xù)查詢參考。

3.3 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面是用戶與計(jì)算機(jī)之間連接的橋梁，用戶通過界面實(shí)現(xiàn)各種功能，界面的完備性、準(zhǔn)確性、美觀性十分重要。系統(tǒng)界面是直接反映系統(tǒng)功能的窗口，因此對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)十分重要。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)界面應(yīng)該滿足方便性、美觀性、準(zhǔn)確性和完備性的特點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)利用Visual C# 2012中的一些可視化控件，設(shè)計(jì)出帶級(jí)聯(lián)導(dǎo)航菜單的主界面。通過主界面進(jìn)入各個(gè)子界面。

3.4 軟件工作流程設(shè)計(jì)

軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)對(duì)軟件整體架構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，下面將介紹的軟件工作流程設(shè)計(jì)是對(duì)軟件內(nèi)具體工作過程的梳理，以一個(gè)脈絡(luò)將各個(gè)模塊整合，設(shè)計(jì)出完整順暢的系統(tǒng)。軟件整體的工作流程描述如下：

用戶通過登錄界面，進(jìn)入主窗體，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量特性評(píng)估、維修保障方案錄入、質(zhì)量特性論證的功能。用戶錄入不同型號(hào)的衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備的維修保障方案，然后在質(zhì)量特性論證模塊中，仿真計(jì)算出質(zhì)量特性論證的結(jié)果，在質(zhì)量評(píng)估模塊中，選擇要評(píng)估的仿真論證結(jié)果，得到質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。關(guān)閉界面，用戶退出系統(tǒng)。

3.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

評(píng)估算法的實(shí)現(xiàn)，主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要。數(shù)據(jù)庫選取MySQL來設(shè)計(jì)，采取MySQL身份驗(yàn)證的方式進(jìn)行登錄，以確保軟件移植到其他軟件上可用。MySQL是基于客戶機(jī)、服務(wù)器的關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，繼承了以往版本的高性能、可靠性和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，同時(shí)完全支持Web，通過使用可擴(kuò)展標(biāo)記語言可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)松散耦合系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，是具有高可用性和可伸縮性的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中分別創(chuàng)建設(shè)備層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表、單元屬性表、設(shè)施設(shè)備表、技術(shù)人員表、備品備件表、預(yù)防性維修信息表、修復(fù)性維修信息表、質(zhì)量特性論證結(jié)果表和質(zhì)量特性論證評(píng)估結(jié)果表等，來存放設(shè)備各類數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備的質(zhì)量特性與評(píng)估工作是其全壽命周期過程中不可缺少的環(huán)節(jié)?；谀M衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備執(zhí)行任務(wù)和維修保障活動(dòng)過程和建立合理的質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估模型，提出了衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備質(zhì)量論證及評(píng)估仿真軟件設(shè)計(jì)方法，為衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備質(zhì)量論證及評(píng)估提供了有效的方法和途徑，可為實(shí)現(xiàn)設(shè)備質(zhì)量指標(biāo)的科學(xué)論證與精確化保障提供技術(shù)支撐。軟件實(shí)現(xiàn)后，針對(duì)進(jìn)一步精準(zhǔn)化設(shè)備類型和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證方面，還需要做相關(guān)研究。