[发明专利]一种产品功能结构与维修性设计要素的重要度评估方法

权利要求书

1.一种产品功能结构与维修性设计要素的重要度评估方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤(1)、产品功能结构与维修性设计要素关联输入；

步骤(2)、产品功能结构与维修性定量设计要素重要度评估；

步骤(3)、产品功能结构与维修性定性设计要素重要度评估；

步骤(4)、产品系统级功能结构与维修性设计要素重要度评估；

步骤(2)中产品功能结构与维修性定量设计要素重要度评估是利用功能结构与维修性定量设计要素重要度评估方法，度量产品单元级功能结构与维修性定量设计要素的重要度，对功能结构设计要素进行重要度排序，具体包括：

1)度量单个功能结构设计要素对单个维修性定量设计要素的重要度；

2)计算单个功能结构设计要素对维修性定量总体设计要素的重要度，具体的，

1.单个功能结构设计要素对单个维修性定量设计要素的重要度评估

基于产品功能结构与维修性设计要素的关联矩阵，为了数据的合理利用和结果正确评估，这项工作需要一定数量的数据收集，即需要一定数量的样本量，但是由于各方面条件的限制，所获取的样本量可能较多，也可能较少，以下，对样本收集情况进行分类重要度评估，

1.1样本量收集较多

当收集的产品单元级功能结构与维修性定量设计要素关联矩阵样本份数大于或等于功能结构设计要素的数量，认为样本收集较多；

具体评估步骤如下：

1)若有m个矩阵样本，评估各功能结构设计要素对某一维修性定量设计要素的重要度，首先从各样本中整理得到影响程度数据如表5所示，n为功能结构设计要素的数量，在本方法中，n＝14，P_i为第i个功能结构设计要素，W_i为单个维修性定量设计要素的第i个样本数据，

表5 n个功能结构设计要素与单个维修性定量设计要素的关联数据

构造样本矩阵如下所示：

2)计算样本矩阵每一列矩阵元素的平均值和标准差：

令：

得样本矩阵的标准化矩阵：

3)计算相关系数矩阵如下：

4)利用相关系数矩阵即可求得其特征值和每一个特征值对应的特征向量：

解|R-λI|＝0，得所有特征值λ₁,λ₂,......,λ_m，再解Rb_j＝λ_jb_j，得λ_j对应的特征向量，将特征向量单位化即

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

得决策矩阵：

6)令L＝(l₁,l₂,......,l_n)，l_i为第i个功能结构设计要素对应的权重系数；

7)确定主成分模型为：

构造综合得分模型：

其中α_i为第i个功能结构设计要素对单个维修性设计要素的重要度，其计算公式为：

对α_i进行归一化，最终求得第i个功能结构设计要素对单个维修性设计要素的重要度为IV_i，

1.2样本量收集较少

当收集样本数量较少时，即nm时，采用以下模型计算单个功能结构设计要素对单个维修性设计要素的重要度；

具体评估步骤如下：

1)计算第i个功能结构设计要素对维修性定量设计要素的关联性样本均值s_i，

2)评估第i个功能结构设计要素对维修性定量设计要素的重要度IV_i，

步骤(3)中产品功能结构与维修性定性设计要素重要度评估是利用功能结构与维修性定量设计要素重要度评估方法，度量产品单元级功能结构与维修性定性设计要素的重要度，对功能结构设计要素进行重要度排序，具体包括：

1)度量单个功能结构设计要素对单个维修性定性设计要素的重要度；

2)计算单个功能结构设计要素对维修性定性总体设计要素的重要度；

步骤(4)中产品系统级功能结构与维修性设计要素重要度评估是利用产品系统级功能结构与维修性设计要素评估方法，度量产品系统级功能结构与维修性设计要素的重要度，对功能结构设计要素进行重要度排序，系统级考虑的维修性评价指标主要包括一次可达率，一次可达度，一次可检测率，重量舒适率，系统免调率和系统平均管路折度；

该方法在产品系统级功能结构与维修性设计要素进行评估时，主要从一次可达率，一次可达度，一次可检测率，重量舒适率，系统免调率和系统平均管路折度这六个方面考虑综合的维修性设计要素，用以对系统级别的设计进行维修性层面的评价，具体评估模型如下所示：

1)一次可达率

一次可达率是指不需经过拆卸其他系统或单元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，其中，电气系统蓄电池都安装在电池柜中，只需要打开电池柜门即可拆卸蓄电池，因此蓄电池满足一次可达的条件，而附着在复杂系统发动机上，需要随发动机整体吊装出来，才可以进行维修的单元不符合一次可达的条件，用R_a表示一次可达率，其计算方法为：

R_a＝n_a/N (25)

其中，N为系统总单元数，n_a为系统中可实现一次可达的单元数；

一次可达率指标从一定程度上可以衡量系统设计中，各单元可达性的好坏，一次可达率高，则说明系统中大部分单元都可以在不用拆卸其他设备单元的情况下即可进行维修操作，因而维修时间减少，整个系统的平均修复时间也相应减少；

2)一次可达度

虽然一次可达率可以用来衡量系统中各单元可达性的好坏，但是并不是所有的单元都有一次可达的要求，一次可达率也不是越高越好，因为一个系统的一次可达率的提高必然会带来另一个系统的一次可达率降低，故障率是影响维修操作频率的最主要因素，故障率越高，意味着故障发生次数多，因而需要频繁进行维修操作，这样的话如果这些单元可达性不好，必然会使得装备的维修时间和维修费用大大增加，为了将故障率对维修频率的影响纳入衡量指标中考虑，提出了一次可达度的概念；

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，一次可达度越高，说明一次可达设计覆盖的故障率越多，系统可达性也越好，但是一次可达度也不是越高越好，与一次可达率一样，一个系统的一次可达度的提高必然导致另一个系统的一次可达度的降低，因此在进行复杂系统可达性设计的时候，需要根据各系统特点进行衡量决策，可以根据现有采集的信息和各系统特点，对各系统的一次可达度水平进行限定，以指导并约束产品设计和验证；

用Q_a表示一次可达度，其计算方法为：

其中，N为系统总单元数，n_a为系统中可实现一次可达的单元数，λ_i为单元的故障率数据；

相比于一次可达率，一次可达度是一个同时考虑符合一次可达要求的单元数与故障率的综合指标，在有足够的故障率数据的情况下，一次可达度相比一次可达率可以更好的反映系统的可达性设计；

3)一次可检测率

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，符合一次可检测条件的单元包括已设计有BIT功能的单元和仅需要外部测试诊断设备就能进行测试诊断的单元，用R_t表示一次可检测率，其计算方法为：

R_t＝n_t/N (27)

其中，N为系统总单元数，n_t为系统中满足一次可检测条件的单元数；

一次可检测率从一定程度上可以衡量系统设计中，各单元测试诊断设计的好坏，一次可检测率越高，则说明系统中各单元的诊断检测越容易进行，在诊断检测中，如果没有BIT，则接近待诊断部位的过程要消耗一部分时间，同时在测试完毕后恢复系统的过程又要消耗一部分时间，使得一旦发生故障，进行故障定位就要花去很多的时间，因此提高系统一次可检测率可以大大缩短系统的平均修复时间；

4)重量舒适率

对于复杂系统来说，由于大部分时间都在野外，一旦发生故障，一般都是直接在外场由乘员级或者外场维修小组进行维修工作，由于条件与设备有限，不可能与内场维修一样可以对系统进行吊装，因而这对复杂系统中系统和单元重量提出了要求，根据人素工程的要求，一般单人进行维修操作时，要搬运的单元不应超过16Αg，过于超重的单元在维修时间、操作舒适性与维修安全方面都有一定的影响，因此，用重量舒适率来衡量系统设计中单元功能分解的好坏，这里涉及到维修性设计中模块化、简化设计与人素工程的要求；

重量舒适率指系统中重量不超过16Αg的单元数占系统中总单元数的比率，用R_w来表示，具体计算为：

R_w＝n_w/N (28)

其中，N为系统总单元数，n_w为系统中满足重量小于16Αg的单元数；

重量舒适率从一定程度上可以用来衡量系统的人素工程与维修安全设计如何，重量舒适率越高相应地也会减少一定的维修时间与维修操作中事故发生概率；

5)系统免调率

调试是维修工作的最后部分，一般的电子设备在维修后以及某些机械结构在装配后都需要进行调试工作，调试不仅需要时间成本，有的时候还需要用到一些工具，这为维修工作带来了负担，与一次可检测率类似地，可以用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，称为系统免调率，用R_d表示，与一次可检测率不同，各个系统的系统免调率越高越好，最终达到1的时候，说明系统中所有单元都可以免去手动调试的工作，大大减少了系统的平均修复时间，R_d的计算方法为：

R_d＝n_d/N (29)

其中，N为系统总单元数，n_d为系统中在维修后不需要手动进行调试的单元数；

6)系统平均管路折度

管路管线设计与布局是复杂系统设计的一个重要部分，管路管线配置合理，易于维护检测可以大大提高复杂系统的测试性和维修性水平，传统的管路管线设计配置一般是等到所有系统和单元设计完毕之后进行，但是对于管路管线来说，接口的设计位置与朝向以及系统和单元的布局对管路管线配置的影响很大，在所有设计都完成才开始连接管路管线的方式不可取的，主要会带来以下几个问题：

(1)管路管线连接被阻挡，需要绕行很远，导致管路管线长度增大；

(2)有的接口之间方向不协调，导致管路管线连接后存在过多折弯，影响管路管线寿命；

(3)有些特殊的管路管线对长度和安装位置有特殊的要求，但是在装配的最后阶段很难满足，导致故障率增大；

(4)没有区别对待不同的管路管线，一味捆扎可能会引发电磁兼容性问题以及由管路管线温度引发的安全问题；

管路管线的设计与评价一直以来都被人们所忽视，但是由管路管线设计不合理引发的各类故障问题又层出不穷，为了对复杂系统中管路管线设计进行评价验证，提出了折度的概念，以对管路管线设计进行衡量；

其中，管路管线因材质不同其物理性质而有所不同，但是所有管路管线都存在一个最小曲率半径，即把管路管线弯折所能达到的最小但是又不损伤管路管线本身的折弯半径，总是希望管路管线在连接的时候可以直线前进而不需要折弯，对于油管，如果弯折过多，必然会导致节点压力损失以及杂质在弯折处沉积的问题，而为了抵消这一影响，必然需要更多的能耗和更大功率的压力设备，同时，管道因折弯而导致的机械性能下降的问题也是不容忽视的，为了评价系统中管路的折弯情况，定义管路管线弯曲90°为一个折度，可知管路管线折度越大，可以认为其设计越不好；

有了折度的概念，就可以通过计算系统中所有管路管线的折度和来衡量一个系统中管路管线设计的好坏，为了消除单元数量不同的影响，可以用系统平均管路折度，即系统中管路管线的折度和与计算在内的管路管线数量的比值，来进行设计方案间的比较，系统平均管路折度的具体计算方法为：

其中，n_b0为系统平均管路折度，n为系统中计算在内的管路管线数量，n_bi为第i根管路管线的折度；

针对车辆典型润滑系统，

步骤(1)、分析产品功能结构与维修性设计关联关系，输入产品功能结构与维修性关联矩阵；输入数据主要包括产品单元级功能结构与维修性定量设计要素关联矩阵、产品单元级功能结构与维修性定性设计要素关联矩阵以及产品系统级功能结构与维修性评价指标关联矩阵，为后续的重要度评估方法提供数据来源；

润滑系统属于车辆动力辅助系统的重要部分，其设计需要根据各种机械设备的特点和使用条件而定，润滑系统的功能是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却，燃料进入引擎燃烧后，将燃料的内能转换成功来使引擎运转，然而并不是所有的功都用来驱动引擎的运转，因为引擎中机件间的摩擦会消耗引擎产生的功，而将其转换为热能；为了降低磨擦来保护引擎，必须由润滑系统来润滑引擎；

润滑系通常由机油箱、机油泵、机油滤清器、机油热交换器、机油预润泵和一些阀门组成；

通过分析机油箱的功能结构与维修性关联关系，设计人员需要填写功能结构与维修性设计要素关联矩阵，并收集矩阵样本，完成关联关系的分析工作；

步骤(2)、利用功能结构与维修性定量设计要素重要度评估方法，度量产品单元级功能结构与维修性定量设计要素的重要度，对功能结构设计要素进行重要度排序，具体包括：

1)度量单个功能结构设计要素对单个维修性定量设计要素的重要度；

计算单个功能结构设计要素对维修性定量总体设计要素的重要度；

该方法提出了量化方法，评估产品维修性对功能结构设计影响的重要程度，解决了将维修性的要求和指标转换成功能结构设计约束的技术难点，丰富了维修性与功能结构设计一体化的方法和技术手段；

该方法为设计人员提供客观有效的量化数据依据，为功能性能与维修性一体化设计提供可操作的方法，提高了产品的维修性。