鄧博，甄偉，薛慧聰，劉幗君

某型裝備載車系統(tǒng)維修性人機工程設(shè)計研究

鄧博1，甄偉2，薛慧聰1，劉幗君1

(1.青島工學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 青島 266300；2.92212部隊，山東 青島 266002)

某型裝備載車系統(tǒng)為依據(jù)機動使用要求設(shè)計的特種車輛，為契合任務(wù)需要，在一定程度上提高其使用可用度，針對其維修性需求進行分析。通過建立以維修性核心評價指標(biāo)為中心的人機工程設(shè)計參數(shù)體系，確定“簡化及模塊化設(shè)計、良好的可測試性及可達性、具有完善的防差錯和識別標(biāo)記的設(shè)計、保證維修的安全性”等人機工程設(shè)計原則，并對常用系統(tǒng)建模方法，如PETRI網(wǎng)、IDEF、UML和eEPC等進行比較，選用事件驅(qū)動過程鏈（eEPC）方法進行建模。通過收集統(tǒng)計該型裝備載車系統(tǒng)試驗及試用階段維修性相關(guān)數(shù)據(jù)，運用eEPC的流程模型開展針對性的分析與討論，提出對其維修性人機工程設(shè)計改進的措施與建議，實現(xiàn)縮短其預(yù)防性維修時間、修復(fù)性維修時間，提高應(yīng)急反應(yīng)速度和裝備任務(wù)可靠性。

維修性；人機工程；事件驅(qū)動過程鏈

裝備的載車系統(tǒng)是保障快速反應(yīng)、遠程機動的基礎(chǔ)，對使用單位提高應(yīng)急反應(yīng)速度和裝備任務(wù)可靠性有著至關(guān)重要的作用。區(qū)別于一般運輸車輛保障，裝備載車系統(tǒng)有著與裝備整體一體化設(shè)計、維修關(guān)聯(lián)性強、維修時限要求高等特點。因而開展裝備載車系統(tǒng)維修性人機工程設(shè)計，降低對維修保障人力、物資、環(huán)境需求，提高故障維修速度、保證裝備完好可用，有著極其重要的現(xiàn)實意義。

國外在裝備維修性人機工程學(xué)設(shè)計領(lǐng)域開展研究較早，并將相關(guān)要求以標(biāo)準(zhǔn)的形式予以明確規(guī)定，如美國國防部頒布的MIL-STD-46855A《軍事裝備和設(shè)施的人機工程要求》、美國能源部頒布的DOE- HDBK-1140《易于維修的人的因素和工效學(xué)設(shè)計手冊》等，國內(nèi)近年來也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 2873- 1997《軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準(zhǔn)則》、GJB 3207-1998《軍事裝備和設(shè)施的人機工程要求》和GJB/Z 131-2002《軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計手冊》等[1]，并推進相關(guān)研究[2-3]。吸收相關(guān)文獻內(nèi)容及要求，并針對特定目標(biāo)，以裝備維修性分析為基礎(chǔ)開展相關(guān)研究。

1 裝備載車維修性需求分析

維修性是設(shè)計時即賦予產(chǎn)品的，表征其維修的方便、迅速和經(jīng)濟程度的重要固有特性，定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按照規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力[4]。某型裝備載車系統(tǒng)由動力系統(tǒng)（包括發(fā)動機、燃油系、進氣系、潤滑系、起動系等）、傳動系統(tǒng)（包括變速器、分動器、傳動軸、驅(qū)動橋等）、行走系統(tǒng)（包括車輪、懸架、車架等）、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、駕駛室、電氣系統(tǒng)、上裝接口部分等組成。需完成上裝的負(fù)載機動功能，保證指定的環(huán)境適應(yīng)性（海拔、溫濕度、電磁輻射、霉菌環(huán)境等），且具備規(guī)定的機動性。

相對于某型裝備載車系統(tǒng)功能，其維修性要求規(guī)定的條件主要為：一是使用環(huán)境為野外環(huán)境，即為無專業(yè)廠房、修理車間的野外工作場所；二是攜帶備件數(shù)量有限，通常限制為車載工具箱攜帶；三是負(fù)責(zé)的保障人員專業(yè)技能有限，通常視為只具備一般換件修理能力。規(guī)定的時間確定為60 min完成相關(guān)檢查準(zhǔn)備或排除一般故障，影響任務(wù)執(zhí)行的致命性故障排除時間不大于30 min，需嚴(yán)格執(zhí)行。規(guī)定的程序和方法則為按照裝備使用維護說明書確定的故障維修方法，使用隨車工具進行換件修理。規(guī)定的狀態(tài)確定為：平時情況下，通過維護、維修達到保持或恢復(fù)原有功能和執(zhí)行規(guī)定任務(wù)的技術(shù)狀態(tài)；特殊情況下維修方式可采取非標(biāo)替代維修、拆拼維修等方式提高效率和保證總體效能。進一步確定該型載車維修性定量參數(shù)指標(biāo)要求[5]。

1）預(yù)防性維修實施。對載車系統(tǒng)通常情況下定期進行檢查，根據(jù)工作任務(wù)安排，每日不超過60 min，執(zhí)行任務(wù)前檢查也按照日維護項目進行，檢查維護人員以非專業(yè)的人員和司機為主。

2）修復(fù)性維修實施。在野外環(huán)境使用車載備件維修的條件下，以排除影響裝備功能的致命性故障為核心任務(wù)，維修通常由伴隨保障的相關(guān)修理人員進行，為保證任務(wù)需要，搶修時間不超過30 min。

2 裝備載車維修性人機工程設(shè)計及其參數(shù)體系

人機工程又稱為人因工程、人–機–環(huán)境系統(tǒng)工程學(xué)、人類工效學(xué)等。與維修性相結(jié)合時，狹義內(nèi)涵是“以人為本”[6]，為維修操作者創(chuàng)造一個安全、方便、有效的維修條件[7]；進一步拓展，可得出其廣義內(nèi)涵：以維修性要求為目標(biāo)，從產(chǎn)品初始階段就進行設(shè)計和約束，確保對維修人員友好，便于維護和維修實施。本文以此內(nèi)涵將維修性相關(guān)設(shè)計要素進行全面考慮，并進行其人機工程設(shè)計特性研究。

根據(jù)以上內(nèi)涵定義和數(shù)據(jù)分析，得到較好的載車系統(tǒng)維修性人機工程設(shè)計，應(yīng)盡可能簡化系統(tǒng)的維護科目、縮短系統(tǒng)的維修時間、降低維修保障要求、減少供應(yīng)保障需求，進而確定其維修性人機工程相關(guān)設(shè)計原則如下。

1）簡化及模塊化設(shè)計。過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不僅影響系統(tǒng)的可靠性，而且會增加維修保障人員的工作量，簡化設(shè)計可使維修時易于排查、拆卸、復(fù)位，大幅地減少維修時間；采用模塊化設(shè)計，可簡化維修工作成為換件修理，特別是當(dāng)采取速解接口時，可進一步降低對維修人力的要求，提高維修速度。

2）良好的可測試性及可達性。指的是在進行系統(tǒng)維修時，通過設(shè)備自帶的BIT或預(yù)留測試接口，使易于發(fā)現(xiàn)故障部件（部位），提高故障定位速度，且較易接近維修部件/部位，不需要拆卸或搬動其他部件。包含有視覺可達、實體可達和充足操作空間，相關(guān)設(shè)計需考慮特殊情況下的可達性，如冬季衣著較厚，或夏季避免接觸高溫部位，在相關(guān)研究中，可達性仿真工作已經(jīng)有較多的成果[8-10]。

3）具有完善的防差錯和識別標(biāo)記的設(shè)計。其中包括了接口的區(qū)別及特殊部位的長期有效標(biāo)記，減少在應(yīng)急維修的情況下，人為錯誤的產(chǎn)生，提高人員在進行重點操作時的注意力。

4）保證維修的安全性。防止維修時傷害有關(guān)人員、裝備的設(shè)計，特別是區(qū)別于使用安全性要求，必須考慮故障時不完整狀態(tài)的運轉(zhuǎn)安全，部分故障后帶電、帶載操作可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，需要在相關(guān)說明書中警示，并盡可能地保證設(shè)備故障后的自歸零特性。

在野外使用條件下通常不具備貴重件修復(fù)條件，因而貴重件可修復(fù)性相關(guān)內(nèi)容不列入維修性人機工程相關(guān)設(shè)計研究。提高標(biāo)準(zhǔn)化和互換性程度指標(biāo)與人機工程關(guān)聯(lián)不是十分緊密，也不列入本文探討范圍。

以維修性的核心評價指標(biāo)MTTR（平均修復(fù)時間）和MPMT（預(yù)防性維修時間）[11]作為維修性人機工程設(shè)計的評價指標(biāo)，以相關(guān)設(shè)計原則轉(zhuǎn)換的定性指標(biāo)為設(shè)計要素，構(gòu)建其參數(shù)體系，見圖1。

圖1 維修性人機工程設(shè)計參數(shù)體系

3 維修性人機工程設(shè)計建模方法

維修性人機工程的設(shè)計與實施是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在進行規(guī)劃及實施過程中，首先遇到的問題是如何描述系統(tǒng)，即系統(tǒng)建模問題。為更全面把握本質(zhì)，避免由于考慮問題不全面而造成模型失真，需選擇一套全方位的系統(tǒng)分析框架和建模方法[12]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對建模理論已經(jīng)進行了比較系統(tǒng)的研究，主要應(yīng)用的有如PETRI網(wǎng)方法、IDEF方法、UML方法和eEPC方法等。

1）PETRI網(wǎng)方法。一種描述復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)行為的圖形化、數(shù)學(xué)化建模工具，采用一種被稱為Petri網(wǎng)的模型來描述計算機系統(tǒng)事件之間的因果關(guān)系[13]，兼顧了嚴(yán)格語義和圖形語言兩個方面，可較好地描述復(fù)雜系統(tǒng)中常見的同步、并發(fā)、沖突、資源共享等 現(xiàn)象[14]。

2）IDEF方法。最初的IDEF方法是在美國空軍ICAM項目中建立的，并隨著信息系統(tǒng)的相繼開發(fā)，又開發(fā)出了方法族：數(shù)據(jù)建模（IDEF1X）[15]、過程描述獲取方法（IDEF3）、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法（IDEF4）、實體描述獲取方法（IDEF5）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法（IDEF14）等。以自然的方式記錄狀態(tài)和事件之間的優(yōu)先和因果關(guān)系，為表達一個系統(tǒng)、過程或組織如何工作提供一種結(jié)構(gòu)化的方法[16]。

3）UML方法。是一種開發(fā)階段編制系統(tǒng)藍圖的標(biāo)準(zhǔn)化語言，可以對大型復(fù)雜系統(tǒng)（軟件密集系統(tǒng)）進行各種成分說明、可視化，并構(gòu)造和書寫系統(tǒng)模型[17]，以及建立各種所需的文檔，也可應(yīng)用于描述非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)，如處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)、具有實時要求的工業(yè)系統(tǒng)或工業(yè)過程等。

4）eEPC方法。即事件驅(qū)動過程鏈，也稱為擴展事件過程鏈，是在由SAP公司資助的研究和開發(fā)項目中開發(fā)的，基于隨機網(wǎng)絡(luò)與PETRI網(wǎng)的概念的擴展，它目前已成為支持SAP R/3系統(tǒng)配置的一種主要模型。其面向過程、可理解性、支持動態(tài)、形式化、層次化等特點明顯，在應(yīng)用中較易于掌握。

5）典型過程建模方法的比較（見表1），從比較結(jié)果來看，eEPC過程建模相對其他方法在多個方面具有一定的優(yōu)勢，其既能全面表達維修性人機工程建模所需的各種元素和信息，又便于理解和交流，是一種比較全面的技術(shù)。

表1 典型過程建模方法比較

Tab.1 Comparison of typical process modeling methods

6）維修性人機工程模型框架（見圖2），以維修性人機工程設(shè)計實施目標(biāo)為主線驅(qū)動建模，即從設(shè)計需求、組織結(jié)構(gòu)、設(shè)計流程、設(shè)計功能，把ARIS的5個視圖和方法有機地整合到各個環(huán)節(jié)。具體分布如圖所示，其實施過程分為5步：確定設(shè)計指標(biāo)、提出設(shè)計需求、描述設(shè)計組織結(jié)構(gòu)、提取維修性數(shù)據(jù)、依流程開展設(shè)計。以事件觸發(fā)活動、活動產(chǎn)生事件結(jié)果，從而實現(xiàn)對流程的描述。

圖2 維修性人機工程設(shè)計的ARIS建?？蚣軐崿F(xiàn)

4 某型裝備載車維修性人機工程設(shè)計分析

以某型裝備載車系統(tǒng)試驗樣機進行維修性人機工程設(shè)計分析，在其eEPC過程模型下，根據(jù)其研制總要求引入相關(guān)維修性參數(shù)指標(biāo)為最終目標(biāo)，以日常維護工作、裝備故障維修為事件觸發(fā)，并以簡化設(shè)計、可測試性設(shè)計、可達性、防差錯、安全性等相關(guān)要求進行約束。

區(qū)別于一般車輛，該型裝備載車由于大載重、高復(fù)雜，且由于其承載核心裝備，為確保系統(tǒng)的完好可用，日常預(yù)防性維修檢查需每日進行，為確保訓(xùn)練及其它工作時間，每日預(yù)防性維修檢查時間不超過60 min。另外，該型載車維修工具一般應(yīng)為車載便捷機械類工具，在無外部氣源、電源情況下亦可完成常見故障維修；維修人員為司機兼職修理人員，不具備專業(yè)修理技能；為滿足該型載車大載重、有限高度的要求，采用高負(fù)荷全鋼子午線真空胎，且胎壓控制嚴(yán)格，高于一般車輛胎壓；載車與裝載設(shè)備為非快速解脫結(jié)合方式，野外維修時無法分離，易故障部位應(yīng)外露或易達，為保證機動轉(zhuǎn)移要求，平均故障維修時間不超過30 min。

4.1 預(yù)防性維修實施要求

根據(jù)載車系統(tǒng)運行過程關(guān)鍵性部位情況，確定預(yù)防性維修檢查項目及內(nèi)容（活動），主要包括。

1）外觀檢查：車門、后視鏡、車窗、油箱、輪胎；

2）動力系統(tǒng)檢查：機油及發(fā)動機管路、起動熄火裝置、冷卻系統(tǒng)、動態(tài)工作情況；

3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)檢查：方向盤、動態(tài)工作情況；

4）傳動系統(tǒng)檢查：換擋工作情況、傳動軸緊固情況；

5）制動系統(tǒng)檢查：氣壓、干燥筒、動態(tài)低速制動、動態(tài)高速制動；

6）電氣儀表檢查：各儀表、喇叭、燈光、雨刮。

通過在試用階段統(tǒng)計預(yù)防性維修檢查項目平均實施時間：外觀檢查（10 min）、動力系統(tǒng)檢查 （15 min）、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)檢查（10 min）、傳動系統(tǒng)檢查（10 min）、制動系統(tǒng)檢查（20 min）、電氣儀表系統(tǒng)檢查（5 min），合計共需時間70 min，高于維修性預(yù)防維修指標(biāo)要求。油液、橡膠件及其他定期更換項目一般不在野外實施，行走系統(tǒng)檢查通常結(jié)合跑車試驗 進行。

4.2 試驗及試用期間修復(fù)性維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

匯總研制試驗及試用保修期間裝備載車常見故障維修數(shù)據(jù)，如表2所示，其中輪胎故障修理超出相關(guān)維修性要求的30min指標(biāo)。其它常見故障均可在規(guī)定時間內(nèi)完成，且更換部件相對外露易達，較便于修理人員操作。

4.3 修復(fù)性維修步驟

該型載車為滿足大載重、有限裝備總高度（通過性）的要求，選用專用高負(fù)荷全鋼子午線真空輪胎（無內(nèi)胎），在試用階段，發(fā)現(xiàn)故障率相對較高，且維修更換時間超出維修性指標(biāo)要求，以其更換流程及平均時間為修復(fù)性維修實施案例開展深入分析。區(qū)別于一般車輛可依托修理廠進行維修，野外無輔助條件下（所需維修工具均包含于維修工具箱中），維修最低用時31 min，平均維修時間約40 min。

表2 修復(fù)性維修情況統(tǒng)計

Tab.2 Statistical table of corrective maintenance

1）定點千斤頂支撐（5 min）；

2）用三角墊木將車輪固定，并拉起手剎（3 min）；

3）用加力扳手拆卸車輪鎖緊螺母（5 min）；

4）借助撬杠、大錘等工具卸下車輪（5～10 min）；

5）取下備用輪胎，檢查擬替換車輪完好情況，用輪胎氣壓表檢查安裝好輪胎氣壓符合規(guī)定要求（5～10 min）；

6）借助撬杠將輪胎安裝上車橋（3～5 min）；

7）用加力扳手對角將車輪鎖緊螺母擰緊，安裝車輪鎖緊螺母時必須對角依次擰緊（3 min）；

8）用扭力扳手依次檢查車輪鎖緊螺母擰緊力矩，車輪鎖緊螺母擰緊力矩為500 Nm（1 min）；

9）確認(rèn)正常后，將工具、三角墊木收攏（1 min）。

4.4 技術(shù)資料及保障設(shè)備、備件要求

在裝備使用維護說明書中，需包含日常定期維護要求、開展工作的方法，維護所需設(shè)備應(yīng)在隨車附件中配備；需說明常見故障處置流程和方法，并配備滿足試用保修期所需更換備件。對可能造成嚴(yán)重后果的人為操作失誤，必須予以禁止。

5 維修性人機工程設(shè)計改進流程示例

圍繞裝備載車系統(tǒng)維修性人機工程改進，建立修復(fù)性維修eEPC模型，并進一步細(xì)化維修驗證的過程模型，以某型載車部分預(yù)防性維修項目及特定故障維修為例，對照維修性人機工程設(shè)計原則提出改進建議。

5.1 修復(fù)性維修設(shè)計改進流程

使用ARIS express軟件建立由驗證需求至維修設(shè)計定型的事件驅(qū)動過程模型，見圖3。

進一步細(xì)化維修驗證流程模型，相關(guān)模型與實際維修流程相吻合，見圖4。

圖3 eEPC模型

圖4 工作流模型

圖5 維修案例BPMN

應(yīng)用于特種輪胎更換修復(fù)性維修案例，構(gòu)建BPMN（業(yè)務(wù)流程建模與標(biāo)注）見圖5。

因論文相關(guān)性及內(nèi)容要求，組織圖與功能樹模型未在文中列出。

5.2 預(yù)防性維修改進措施

對照GJB 1909A-2009、GJB 1391-2006，GJBZ 57-94等標(biāo)準(zhǔn)，進行用時模擬，查找可改進環(huán)節(jié)，引入自動測試設(shè)備、高可靠性部件或定期更換部件，針對該載車系統(tǒng)預(yù)防性維修改進提出如下措施。

1）加裝胎壓傳感器，可減少輪胎壓力監(jiān)測時間5 min。

2）電瓶換裝免維護電瓶，之后每2年定期更換，可取消啟動熄火裝置專項檢查，減少3 min。

3）更換高可靠性剎車制動氣室，可取消動態(tài)低速制動測試項目，減少維修時間10 min。

4）更換高可靠性風(fēng)扇皮帶，之后每年定期更換，可取消冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇皮帶檢查，減少維修時間3 min。

統(tǒng)計改進后相關(guān)流程時間：外觀檢查（5 min）、動力系統(tǒng)檢查（12 min）、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)檢查（10 min）、傳動系統(tǒng)檢查（10 min）、制動系統(tǒng)檢查（10 min）、電氣儀表系統(tǒng)檢查（5 min），合計總體用時為52 min，達到預(yù)防性維修指標(biāo)要求。

5.3 維修性維修改進措施

運用模型進行用時模擬，查找可改進環(huán)節(jié)，以輪胎更換為故障維修實施案例提出如下人機工程改進措施。

1）簡化及模塊化設(shè)計：改進鎖緊螺母鎖定方式，減少鎖緊螺母個數(shù)，可縮減故障部位拆卸時間1 min；

2）良好的測試性與可達性：加裝胎壓傳感器，可縮減備胎氣壓測試時間1 min；

3）防差錯和識別標(biāo)記設(shè)計：設(shè)計鎖緊螺母擰緊位置標(biāo)記，可減少維修后扭力扳手檢查測試時間 1 min。

統(tǒng)計改進后相關(guān)流程時間，合計減少用時3 min，輪胎更換最少總用時28 min，達到修復(fù)性維修需求，且無高難度技術(shù)需學(xué)習(xí)，一般兼職人員通過訓(xùn)練可完成。

6 結(jié)語

維修性人機工程設(shè)計應(yīng)貫穿產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用的整個過程，建立起系統(tǒng)的設(shè)計與評價體系，在研制階段即將其定性與定量指標(biāo)進行考慮與分配，將可起到更為良好的效果。在設(shè)計中應(yīng)充分考慮裝備使用保障條件，并通過試驗驗證與評價，將可有效的提高保障能力，改善設(shè)計脫離使用的相關(guān)問題。相關(guān)研究可進一步擴展應(yīng)用于其他相似裝備設(shè)備，促進裝備維修性能指標(biāo)的提升。

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Maintainability Ergonomic Design of a Certain Type Equipment Loaded Vehicle System

DENG Bo1, ZHEN Wei2, XUE Hui-cong1, LIU Guo-jun1

(1.Department of Mechanical Engineering, Qingdao Institute of Technology, Qingdao Shandong 266300, China; 2.Unit 92212, PLA, Qingdao Shandong 266002, China)

A certain type of equipment-loaded vehicle system is a special vehicle designed according to the operating requirements of motor vehicles. The work aims to meet the demand of missions and tasks, improve its availability to a certain extent, and analyze its maintainability requirements. An ergonomic design parameter system focusing on the core evaluation index of maintainability was established. Ergonomic design principles such as "simplified and modular design, good testability and accessibility, perfect error prevention and identification mark design, and ensuring the safety of maintenance" were determined. Common system modeling methods, such as Petri net, IDEF, UML and eEPC were compared. The event driven process chain (eEPC) method was selected for modeling. Collecting and counting the maintainability related data in the test and trial stage of this equipment-loaded vehicle system, deploying targeted analysis and discussion through the eEPC process model, and giving measures and suggestions for the improvement of its maintainability ergonomic design can shorten the preventive maintenance time and repair maintenance time, and speed up emergency response and improve mission reliability.

maintainability; ergonomics; event driven process chain (EPC)

TB472

A

1001-3563(2023)12-0111-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.12.011

2023–01–17

鄧博（1984—），女，碩士，副教授，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計。

責(zé)任編輯：陳作