邱志林 戴明強

（海軍工程大學理學院 武漢 430033）

1 引言

大型艦艇編隊維修保障體系作為大型艦艇編隊裝備綜合保障體系的一個主要部分，其根本任務(wù)是在裝備的運行使用期間保持和恢復裝備完好的技術(shù)狀況，保障大型艦艇編隊能夠完成預定的戰(zhàn)備任務(wù)，主要內(nèi)容包括裝備的計劃與非計劃維修、現(xiàn)代化改裝以及器材供應(yīng)等。隨著裝備的現(xiàn)代化程度和復雜度的不斷提高，裝備維修保障己經(jīng)成為戰(zhàn)斗力的重要組成部分，而維修決策活動在很大程度上決定了裝備維修保障的效能，決定了大型艦艇編隊的作戰(zhàn)效能。在國民經(jīng)濟和科學技術(shù)日益發(fā)展的今天，艦船裝備維修在社會發(fā)展和國防建設(shè)中的地位和作用變得越來越重要。科學準確地對現(xiàn)有保障資源的維修保障能力進行評價定位，并據(jù)此制訂出科學合理的維修優(yōu)化決策、提高裝備維修保障系統(tǒng)效能服務(wù)水平，顯得尤為迫切重要。

我國海軍維修保障體系的建設(shè)起步較晚、起點較低，海軍裝備修理部上世紀80年代才剛剛建立，功能單一，技術(shù)水平有待提高。并且，裝備的維修保障與使用管理分離，監(jiān)督管理和使用維護脫節(jié)，這直接造成了裝備完好率的降低和維護費用的上漲[1]。面對著未來大型艦艇編隊裝備的維修保障任務(wù)需求，我們亟待吸收先進的科技經(jīng)驗和理論知識，為大型艦艇編隊維修打造堅實基礎(chǔ)。

迄今為止，國內(nèi)外在裝備維修保障方面已開展了一些有意義的研究，研究較多的是裝備維修資源種類與數(shù)量確定方法、維修保障能力評估指標確定方法、評估方法、維修流程建模與分析、系統(tǒng)可用度模型等。其中對維修保障能力的評估主要集中在以裝備為對象的評估上，取得了一定的成果，主要運用的模型與方法是可靠性框圖方法、故障樹、馬爾可夫模型、布爾代數(shù)方法、BDD、Petri網(wǎng)模型等[2]。美軍提出：未來航母編隊維修保障力量將同時具備海運裝備的大裝載量和遠續(xù)航力特點，以及空運裝備的高速度特點，能夠在非常短的時間內(nèi)實現(xiàn)航母編隊保障部隊的集結(jié)，從而擺脫對港口設(shè)施的依賴，并提供巨大的機動空間，大大增加航母編隊支援部隊的保障靈活性[3]。

2 裝備維修保障能力評估體系

2.1 評估指標體系建設(shè)

在進行指標體系評估[4～6]之前，要合理準確地設(shè)置評估目標，在確切目標的指引下，才能相應(yīng)地確定評估指標及評估策略。

大型艦艇編隊裝備維修保障體系的評估目標，應(yīng)結(jié)合大型艦艇編隊的軍事功能以及其維修保障體系的作戰(zhàn)任務(wù)，評定保障系統(tǒng)的能效設(shè)計，是否足以對保障對象實施維護、維修、保養(yǎng)、恢復的有效活動，保證裝備經(jīng)濟而高效地穩(wěn)定運行，保證配件及備件與主要裝備相匹配。從活動狀態(tài)的不同角度來說，保障體系的靜態(tài)設(shè)計和動態(tài)運行都應(yīng)列入評估平臺當中，一方面要對維修保障系統(tǒng)的建設(shè)進程進行預測和分析，另一方面要對使用中的保障體系進行全面使用狀態(tài)勘察，尤其是在海軍作戰(zhàn)部隊中投入應(yīng)用1～3年的保障系統(tǒng)，應(yīng)對其戰(zhàn)備完好性和即時保障能力進行全面的評價。這兩方面的內(nèi)容分析，都需要詳實而細化的評估目標體系來指導操作，客觀而全面地體現(xiàn)出裝備維修保障系統(tǒng)的多種參數(shù)及屬性。評估指標建立的流程圖見圖1。

圖1 評估指標體系建立流程圖

值得一提的是，大型艦艇編隊裝備維修保障系統(tǒng)的評估指標設(shè)計需要在遵循保障理論三原則的基礎(chǔ)上，考察保障資源四能力，即要求維修任務(wù)的系統(tǒng)性、準確性和實用性并存，考察評估維修人員的保障能力、維修計量的保障能力、備件配置的保障能力和維修信息的保障能力。

2.2 評估指標選取

大型艦艇編隊裝備維修保障能力的評估指標體系建立是一項較為艱深的課題。由于該裝備體系本身就是一個極為龐大和繁瑣的系統(tǒng)，其維修保障項目數(shù)量極多，涉及范圍極廣，可參考數(shù)據(jù)也十分復雜。要從所有的參數(shù)指標中抽取適當?shù)目己嗽u價對象，就要遵照全局性原則、標準性原則、獨立性原則、實用性原則和戰(zhàn)備性原則，切忌盲目地追求大而全，而要從錯綜復雜的因素當中抽取對整體保障能力影響最大的核心要素，并對相關(guān)參數(shù)進行壓縮歸并，避免出現(xiàn)指標功能重合、零散、次要的情況，確保評估體系最終計算結(jié)果的準確性和有效性，實現(xiàn)能夠為裝備維修保障體系的改進提供可行性建議的根本目的。

本文從大型艦艇編隊裝備可用性的角度進行指標選取，構(gòu)建面向任務(wù)的大型艦艇編隊裝備維修保障體系評估指標見表1。

表1 面向任務(wù)的大型艦艇編隊裝備維修保障系統(tǒng)能力評估指標體系

3 保障能力評估建模及仿真

3.1 裝備可用性的一般模型

裝備可用性又叫可用度，通常分為平均可用性、固有可用性和使用可用性等，本文所討論的主要是使用可用性。裝備的使用可用性是裝備處于能工作狀態(tài)的概率，適用于按規(guī)定考慮維修和保障延誤時間。按照一般定義，裝備的的使用可用度A0為

式（1）中MTBF為平均運行時間；MTTR為平均故障修復時間；MLDT＝（1－R（t））TSR，MLDT為平均保障延誤時間，TSR為平均修復反應(yīng)時間；R（t）表示設(shè)備[0，t]內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，且R（0）＝1，R（∞）＝0。

3.2 大型艦艇編隊裝備可用性模型

構(gòu)建面向不同任務(wù)角度的大型艦艇編隊裝備可用性模型，其理論基礎(chǔ)在于完成不同任務(wù)所需的裝備發(fā)揮效用，要消耗不同的維修保障系統(tǒng)資源。利用裝備的可用性來指導維修決策的優(yōu)先級別，可以在資源有限的約束條件下，最大限度地發(fā)揮裝備功效，實現(xiàn)任務(wù)目標及能力。

首先對編隊任務(wù)進行分解，假設(shè)編隊所要執(zhí)行的總體任務(wù)為T，將其按照所涉及到的不同的功能與系統(tǒng)劃分為若干子任務(wù)T1，T2，…，Tn。要完成任一個子任務(wù)Ti，都要分為若干步驟，每一個步驟都要涉及不同的設(shè)備。艦船上每一種設(shè)備都會有冗余備份，例如主機有2～4臺，電站有3～5座等，在1臺設(shè)備工作時，其余同類設(shè)備備變，隨時應(yīng)對故障及突發(fā)情況。這樣完成子任務(wù)所需的前后步驟可以認為是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而每個步驟所使用的設(shè)備又可以認為是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，整個子任務(wù)可以當做串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。將所有子任務(wù)按照其重要程度賦予不同的權(quán)重，在保障資源有限的情況下優(yōu)先保障權(quán)重值大的子任務(wù)，從而保證總體任務(wù)最大程度的實現(xiàn)。

因為單臺設(shè)備是由若干配件組成的，因此單個配件的可用度直接影響了整臺設(shè)備的可用度。假設(shè)某種易損配件在單臺設(shè)備中含有h個單元，配件壽命服從λ指數(shù)分布，且初始備件數(shù)量為u，則該種配件的可用度為

若設(shè)備中有q類易損配件，任一易損配件損壞都會導致設(shè)備故障，因此它們是串聯(lián)關(guān)系；第j類易損配件有mj個，則設(shè)備使用可用度為

式中q為設(shè)備中易損配件種類的數(shù)量；mj為單臺設(shè)備中裝配第j類易損配件的數(shù)量；nj為第j類易損配件的初始備件數(shù)量；λj為第j類易損配件的故障率；A0j為第j類易損配件的使用可用度；A0為設(shè)備的使用可用度；

假設(shè)大型艦艇編隊系統(tǒng)共包括設(shè)備數(shù)量為q，設(shè)計任務(wù)集為T（T＝｛Tk｜k＝1，2，3，…，m｝），它與大型艦艇編隊裝備之間的關(guān)系可以用下列矩陣來表示

式中，q為大型艦艇編隊系統(tǒng)可用性模型所需裝備的數(shù)量；m為大型艦艇編隊系統(tǒng)可用性模型所面向任務(wù)集中任務(wù)子集的數(shù)量；ajk為設(shè)計任務(wù)Tk和大型艦艇編隊裝備中裝備j之間的關(guān)系（當完成設(shè)計任務(wù)時Tk，如果需要用到裝備j，則aj.k值為1；如果不需要用到裝備j，則aj.k值為0）；Ad為代表設(shè)計任務(wù)集T和大型艦艇編隊所有裝備之間的關(guān)聯(lián)矩陣。

通過上文的分析，可以認為某一子任務(wù)為串并聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由n個子系統(tǒng)串聯(lián)而成，第i個子系統(tǒng)又由mi個單元并聯(lián)而成。串并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 串并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

假設(shè)第i個子系統(tǒng)中的第j個單元的可靠度為Aij。串并聯(lián)系統(tǒng)的可用度Aos的數(shù)學模型為

將大型艦艇編隊的總?cè)蝿?wù)劃分為若干子任務(wù)集，并給不同的子任務(wù)賦予權(quán)重值。大型艦艇編隊裝備可用性模型如下所示：

式（6）中的各項變量分別代表：Ap為全運行周期開始時大型艦艇編隊裝備面向任務(wù)角度加權(quán)可用度；Ak為編隊裝備對于子任務(wù)Tk的可用度，由式（5）求出；Wk為設(shè)計任務(wù)Tk在任務(wù)集合T（T＝｛Tk｜k＝1，2，3，…，m｝）中的權(quán)重值；m為任務(wù)集合T（T＝｛Tk｜k＝1，2，3，…，m｝）中的任務(wù)數(shù)量。

3.3 面向不同任務(wù)的保障能力仿真評估

如果對裝備j采取維修行為所需要消耗的系統(tǒng)資源量Yj服從正態(tài)分布條件，對于上文的任務(wù)集，給出三種不同維修策略，如表2所示：

表2 三種不同任務(wù)角度及其對應(yīng)維修策略設(shè)計

按以上要求進行計算機仿真試驗，試驗1中，維修資源滿足率平均值在0.3～0.95的范圍內(nèi)，維修保障行為進行前的裝備故障率平均值，也就是產(chǎn)生故障的大型艦艇編隊裝備數(shù)量占到所有裝備總數(shù)量的比例為20%，評估對象為維修資源滿足率對不同任務(wù)角度可用性的影響，結(jié)果如圖3所示；試驗2中，維修保障行為進行前的裝備故障率平均值在0.05～0.3的范圍內(nèi)，維修資源滿足率平均值為60%，評估對象為裝備故障率對不同任務(wù)角度可用性的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖3 維修資源滿足率對維修后任務(wù)可用性的影響

圖4 裝備故障率對維修后任務(wù)可用性的影響

從圖中可以看出，在裝備故障率相同的前提下，當維修資源滿足率較低時，具有選擇性的維修策略比隨機維修的策略對任務(wù)可用性有更加明顯的促進作用，當維修資源滿足率越大，3種維修策略的效果越接近，但是在實際使用中，尤其是編隊海上航行時，不可能一直保持較高的維修資源滿足率；而在維修資源滿足率相同的前提下，裝備故障率越低，系統(tǒng)面向任務(wù)角度的可用性越高，在可選性維修策略條件下，當裝備故障率平均值低于15%時，大型艦艇編隊裝備系統(tǒng)整體的可用性可以達到85%以上。隨著故障率的提升，系統(tǒng)可用性逐漸下降，而相比較而言，具有選擇性的維修策略比隨機維修的策略使任務(wù)可用性下降速度減慢，或者說其適應(yīng)性更好。仿真結(jié)果可以說明，面向任務(wù)可用性對維修方案加以選擇能夠在有限的維修資源滿足率，及較高的故障率下，較好地保障系統(tǒng)的任務(wù)可用性。

4 結(jié)語

根據(jù)大型艦艇編隊維修保障體系的特點，從裝備可用性的角度構(gòu)建了裝備維修保障能力評估指標。將編隊總體任務(wù)劃分為若干任務(wù)子集，并賦予不同權(quán)值，在此基礎(chǔ)上，提出三種不同裝備維修策略。以總體任務(wù)可行性為目標，對三種維修策略進行計算機仿真試驗，仿真結(jié)論表明，在裝備故障率相同的前提下，具有選擇性的維修方案比隨機維修的方案對任務(wù)可用性有更加明顯的促進作用。

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