（海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033）

蒸汽動力系統(tǒng)是艦船重要的一級大型復(fù)雜系統(tǒng)，艦船的任何行動和工作幾乎都離不開它。在論證階段，提出的蒸汽動力系統(tǒng)可靠性、維修性、保障性（RMS）指標(biāo)要求是否合適，關(guān)系到艦船建造的成?。辉谑褂秒A段，動力系統(tǒng)工作能力的好壞將影響艦船遂行任務(wù)的能力。因此，在論證階段必須提出明確的蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)要求，并對指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C計算。

基于艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證的意義出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境、使用、故障、維修、保障的特點建立適合蒸汽動力系統(tǒng)特點的RMS 論證指標(biāo)體系，采用基于Monte Carlo 數(shù)字仿真的方法建立了指標(biāo)論證模型，本文在論證模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件，從而形成一套完整的艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證方法。

1 艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)體系的建立

建立一套適用的RMS指標(biāo)體系是RMS 要求論證的前提之一。[1]盡管RMS是各種裝備都具有的通用特性，但是由于使用要求、維修條件、保障環(huán)境等不同，所導(dǎo)致的故障判據(jù)、修復(fù)要求和保障方式也各不相同，不同裝備的RMS指標(biāo)也各不相同。艦船蒸汽動力系統(tǒng)由多個可相互聯(lián)通且與外部有多方面密切聯(lián)系的獨立組構(gòu)成，每個獨立組又包括大量的、相互關(guān)系密切的設(shè)備和系統(tǒng)，本身是一套非常復(fù)雜的熱力系統(tǒng)；[2]同時，艦船在執(zhí)行不同任務(wù)時，又對動力系統(tǒng)提出了不同的要求。此外，與其他類型的艦船動力系統(tǒng)相比，蒸汽動力系統(tǒng)還具有設(shè)備布局相對分散、允許“人在系統(tǒng)內(nèi)工作”等特點，它們?yōu)榕灤羝麆恿ο到y(tǒng)的RMS 帶來了很多特點。

1.1 艦船熱力系統(tǒng)特點分析

1）艦船蒸汽動力系統(tǒng)環(huán)境特點分析

艦船蒸汽動力系統(tǒng)作為艦船的一級系統(tǒng)，盡管其設(shè)備布局相對分散，但與陸用系統(tǒng)相比，仍具有設(shè)備布局相對緊湊、活動空間狹小等艦船系統(tǒng)共有特點。[3]此外，也具有機(jī)艙工作環(huán)境差、高溫高濕、噪音大、人員易疲勞等獨有特點。

這些特點對系統(tǒng)RMS的影響體現(xiàn)在：① 船員工作環(huán)境惡劣；② 艦船環(huán)境下的設(shè)備布局通常較為緊湊，可用于維修的空間狹小，而且動力設(shè)備大多數(shù)安裝在水線以下，設(shè)備的維修可能會帶來吊艙之類的牽連工程，這就導(dǎo)致部分設(shè)備在岸上可修，安裝到艦船后卻不可修；③ 由于艦船空間和排水量的限制，隨艦可攜帶的人力和備件等保障資源有限，而艦船遂行任務(wù)通常遠(yuǎn)離岸基保障，任務(wù)期間裝備的保障人力資源主要是裝備的使用人員，受大多數(shù)船員技術(shù)等級較低的實際情況的限制，所能實施的保障大多局限于簡單的換件維修。

2）艦船蒸汽動力系統(tǒng)使用特點分析

使用是發(fā)揮裝備戰(zhàn)斗力的惟一環(huán)節(jié)，對于艦船蒸汽動力系統(tǒng)，靈活的使用方式是其RMS 得以最大限度發(fā)揮的有效手段之一。

艦船蒸汽動力系統(tǒng)的使用特點可歸納如下：①無論在平時還是戰(zhàn)時，戰(zhàn)斗艦船在絕大部分情況下都不是以全速狀態(tài)航行，因此，艦船動力系統(tǒng)的突出使用特點是絕大部分時間工作在低負(fù)荷狀態(tài)，艦船蒸汽動力系統(tǒng)也不例外；② 艦船蒸汽動力系統(tǒng)通常至少由多個獨立組組成，且系統(tǒng)中的設(shè)備大多可變工況工作，因此，動力系統(tǒng)可以有多種使用方式；③ 在保證規(guī)定的推進(jìn)功率和對外提供的蒸汽流量與品質(zhì)不變的情況下，不同的使用方式除投入的設(shè)備不同外，系統(tǒng)所能達(dá)到的其他各種技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)也不同；④ 動力系統(tǒng)的可用與否是與任務(wù)要求密切相關(guān)的。

3）艦船蒸汽動力系統(tǒng)故障特點分析

艦船蒸汽動力系統(tǒng)存在大量冗余設(shè)備、系統(tǒng)可通過橋管供汽方式重構(gòu)，帶來了系統(tǒng)的可靠性邏輯關(guān)系隨任務(wù)要求變化而變化的特點，即系統(tǒng)的故障不能根據(jù)設(shè)備的故障情況通過簡單的邏輯演繹得到。在艦船蒸汽動力系統(tǒng)的故障中，存在兩種典型的故障情形：一是部分設(shè)備故障但系統(tǒng)仍能正常工作；二是各設(shè)備雖未停止工作，但由于其性能發(fā)生了退化，耗能增加、出力下降，從而在系統(tǒng)層面上達(dá)不到要求的功能指標(biāo)而被判定為故障。

對于艦船蒸汽動力系統(tǒng)，比較典型的故障特點體現(xiàn)在以下幾個方面：①系統(tǒng)故障與否在很大程度上取決于使用方式的靈活性；②系統(tǒng)故障與否還與任務(wù)對系統(tǒng)或設(shè)備的功能指標(biāo)要求有關(guān)；③系統(tǒng)的故障與設(shè)備的性能退化相關(guān)；④系統(tǒng)的故障與工作環(huán)境有關(guān)；⑤ 由于部分設(shè)備存在冗余，設(shè)備的故障并不一定能導(dǎo)致系統(tǒng)故障；⑥ 部分自動化設(shè)備的故障并不一定導(dǎo)致系統(tǒng)的故障，可以由人工代替操作。

4）艦船蒸汽動力系統(tǒng)維修特點分析

系統(tǒng)一旦被判定為故障，就必須通過維修使系統(tǒng)恢復(fù)正常。與艦船蒸汽動力系統(tǒng)的使用特點和故障特點相呼應(yīng)，系統(tǒng)的維修在維修時機(jī)、維修方式等方面有如下幾個比較典型的特點：①系統(tǒng)在工作的同時可以對部分故障設(shè)備進(jìn)行維修；② 部分任務(wù)允許系統(tǒng)停機(jī)維修；③ 任務(wù)前允許對系統(tǒng)實施預(yù)防性維修；④ 任務(wù)期間的維修以換件維修為主；⑤系統(tǒng)在任務(wù)中有設(shè)備發(fā)生故障時，允許暫不處理，待任務(wù)結(jié)束后再進(jìn)行維修。

5）艦船蒸汽動力系統(tǒng)保障特點分析

艦船的使用過程是碼頭修整、海上航行、海上修整、碼頭修整的交替過程，與此對應(yīng)，動力系統(tǒng)的保障有碼頭日常保障、海上伴隨保障、任務(wù)前集中保障、返航后集中保障等幾種模式。

歸納起來，艦船動力系統(tǒng)的保障有如下幾個特點：① 在碼頭修整期間，艦船的維修保障由船員級、中繼級、基地級三級共同完成，各類保障資源也是分三級儲備，船員級的保障能力最弱，在該級別上所能實施的保障有限，但該級別的保障是最迅捷的；② 艦船作為一個獨立的基本作戰(zhàn)單元，經(jīng)常遂行海上航行任務(wù)，因此，遠(yuǎn)離岸基保障是其比較突出的一個特點；③ 由于海上航行期間的維修以換件維修為主，器材保障的地位十分突出；④ 艦船遂行任務(wù)返航后，可根據(jù)任務(wù)期間的器材消耗情況向中繼級或基地級申領(lǐng)取材，使得艦船倉庫始終保持一定數(shù)量的器材；⑤為克服艦船空間和排水量有限的限制，任務(wù)期間可采取伴隨保障船對艦船實施海上伴隨保障；⑥ 動力系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了保障的復(fù)雜性，由于設(shè)備眾多，相應(yīng)地，保障資源的種類也很多，動力系統(tǒng)的保障水平主要由針對具體設(shè)備的各類保障資源的儲備水平?jīng)Q定。

6）艦船蒸汽動力系統(tǒng)的RMS 特點綜合分析

綜合環(huán)境特點、使用特點、故障特點、維修特點以及保障特點的分析，可以得到，艦船蒸汽動力系統(tǒng)的RMS 至少具有如下鮮明的特點：① 使用可用度和任務(wù)可靠度等指標(biāo)必須與任務(wù)要求對應(yīng)，脫離了任務(wù)背景，這類指標(biāo)就失去了論證的意義；②動力系統(tǒng)的可靠性除了與設(shè)備的可靠性有關(guān)外，還與使用方式和故障判據(jù)密切相關(guān)，指標(biāo)的可行性論證時必須結(jié)合使用方式和故障判據(jù)；③ 性能退化現(xiàn)象大量存在且不可避免，而且對動力系統(tǒng)的使用與維修保障均有直接的影響，指標(biāo)論證時不能忽視；④ 動力系統(tǒng)的維修性除了與設(shè)備的維修性相關(guān)外，還要考慮設(shè)備故障后允許動力系統(tǒng)重構(gòu)對維修的影響；⑤ 正是由于動力系統(tǒng)允許任務(wù)中維修，因而器材保障在動力系統(tǒng)RMS 中的地位十分突出，保障性指標(biāo)中必須有專門針對器材保障的指標(biāo)。

綜上所述，可以建立蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)集如圖1所示。

圖1 艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)參數(shù)集

1.2 艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS 論證指標(biāo)體系的建立

在建立的艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)集的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇本文將進(jìn)行論證的指標(biāo)參數(shù)，建立蒸汽動力系統(tǒng)RMS 論證指標(biāo)體系。因為在指標(biāo)集當(dāng)中，同一類指標(biāo)參數(shù)之中，有些指標(biāo)的概念具有相互包容性，只需要選擇其中一個即可，而有些指標(biāo)參數(shù)不需要進(jìn)行論證，只需要在設(shè)計時加以注意即可。因此，根據(jù)本文論證研究的需要，選擇了9個具有代表性的蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)參數(shù)建立起論證的指標(biāo)體系，作為后續(xù)研究的重點，如圖2所示。

這9個指標(biāo)分別是反映戰(zhàn)備完好性的使用可用度；反映任務(wù)成功性的任務(wù)可靠度和系統(tǒng)致命故障間隔平均時間；反映可靠性的系統(tǒng)平均故障間隔時間；反映維修性的系統(tǒng)平均恢復(fù)時間、設(shè)備換件維修時間和備件平均維修時間；反映保障性的艦上備件獲取平均時間和備件過剩率。

圖2 蒸汽動力系統(tǒng)RMS 論證指標(biāo)體系

2 基于系統(tǒng)使用方案的Monte Carlo仿真論證

Monte Carlo 數(shù)字仿真方法是一種通過隨機(jī)變量的統(tǒng)計試驗、隨機(jī)模擬來求解工程數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)問題的數(shù)值方法[4]，用于復(fù)雜系統(tǒng)RMS指標(biāo)計算的基本原理是基于對系統(tǒng)的使用、維修和保障過程的多次模擬，得到大量的系統(tǒng)故障前工作時間、維修時間和保障延誤時間等，從而按照各RMS指標(biāo)與上述時間之間的關(guān)系，計算系統(tǒng)的RMS指標(biāo)。

任務(wù)仿真就是以系統(tǒng)實際使用過程中的設(shè)備使用、故障維修、備件供應(yīng)、人員調(diào)用等各種事件為模板，經(jīng)過多次反復(fù)的“抽樣”模擬，從每次任務(wù)中獲取所需的RMS參數(shù)，在多次循環(huán)后統(tǒng)計參數(shù)的平均值。在文獻(xiàn)[5]思路的基礎(chǔ)上，基于可行作戰(zhàn)使用方案的艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS仿真基本流程如圖3所示。在仿真開始時，首先初始化仿真的輸入?yún)?shù)，包括給定設(shè)備可靠性和維修性指標(biāo)；給定各種隨艦維修保障資源的數(shù)量；給定各階段任務(wù)時間和功能要求及故障判據(jù)等任務(wù)剖面數(shù)據(jù)；預(yù)置各任務(wù)階段的可行系統(tǒng)使用方案、方案的使用順序及各方案所對應(yīng)的最小設(shè)備清單；給定仿真循環(huán)次數(shù)；仿真時鐘、系統(tǒng)停機(jī)時間、維修時間、維修延誤時間等清零；然后進(jìn)入任務(wù)過程的仿真邏輯，主要包括按任務(wù)階段要求確定可行的使用方案、按使用方案要求投入工作設(shè)備、對故障設(shè)備定位并確認(rèn)修理條件、對故障件的修復(fù)確認(rèn)并及時更新備件庫存數(shù)量、根據(jù)維修情況對保障資源進(jìn)行占用與釋放、根據(jù)設(shè)備故障情況及維修條件對設(shè)備進(jìn)行維修確定、搜索是否有故障件及維修條件、判斷故障件的修復(fù)情況并釋放保障資源等主要事件；最后根據(jù)仿真時鐘判斷本次循環(huán)是否結(jié)束，根據(jù)仿真次數(shù)判斷整個仿真是否結(jié)果，達(dá)到仿真次數(shù)后進(jìn)行RMS參數(shù)的統(tǒng)計計算，輸出仿真結(jié)果。

圖3 基于可行使用方案的艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS仿真流程

3 艦船熱力系統(tǒng)RMS 論證軟件的編制

為了建立快速高效的模型解算工具，根據(jù)圖3的艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS仿真流程，采用C#和Matlab 語言聯(lián)合編制了相應(yīng)的計算論證軟件。軟件使用Matlab 語言建立核心函數(shù)，所有仿真運算的編碼均在Matlab代碼中實現(xiàn)，C#程序負(fù)責(zé)完成與用戶交互的輸入、仿真結(jié)果輸出界面。

軟件編制完成后，選擇一組典型試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗，所得結(jié)果令人滿意，符合仿真的邏輯與工程實踐，計算后的軟件界面如圖4所示。

圖4 基準(zhǔn)方案計算結(jié)果截圖

4 結(jié)論

蒸汽動力系統(tǒng)是艦船重要的一級復(fù)雜系統(tǒng)，在研制論證初期就必須明確其RMS 要求，并進(jìn)行論證；由于艦船熱力系統(tǒng)的諸多特點，本文在對其6個方面特點總結(jié)研究的基礎(chǔ)上建立了艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)集，并從中選擇適合系統(tǒng)指標(biāo)論證的參數(shù)建立了RMS 論證指標(biāo)體系；在Monte Carlo仿真方法的基礎(chǔ)上，給出了基于系統(tǒng)使用方案的仿真論證模型，并據(jù)此開發(fā)了艦船蒸汽動力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證軟件。從軟件計算結(jié)果來看，令人滿意，從而證明軟件的有效性和本文方法的正確性。本文的研究形成了一套完整的艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證方法，開發(fā)的軟件亦具有良好的工程應(yīng)用價值。

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