但 偉,張建元,韓 坤,許 藝
(1.裝甲兵工程學(xué)院,北京 100072;2.95969部隊(duì),湖北 武漢 432200)
裝備備件是組成裝備的所有可拆成單元的組件、部件和零件的總稱,通常指完成裝備維修所需的轉(zhuǎn)用組件、部件和零件[1]。備件是裝備實(shí)施維修的重要物質(zhì)資源之一,使保障裝備處于良好狀態(tài),保持戰(zhàn)斗力的重要因素。備件消耗預(yù)測(cè)通常是根據(jù)備件的可靠性等參數(shù)或備件消耗歷史數(shù)據(jù)來(lái)確定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)備件可能的消耗品種和數(shù)量。但對(duì)于新型裝備,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且缺少備件消耗的歷史數(shù)據(jù),傳統(tǒng)方法很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)備件的消耗規(guī)律。為此,本文提出基于仿真的備件消耗預(yù)測(cè)方法。
由于備件是在裝備維修過(guò)程中消耗的,本文首先分析了裝備維修保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和運(yùn)行規(guī)律,在此基礎(chǔ)上建立面向仿真的裝備維修保障模型,包括裝備使用任務(wù)模型、裝備系統(tǒng)模型、維修保障系統(tǒng)模型、使用與維修保障活動(dòng)模型。通過(guò)運(yùn)行裝備維修保障模型,產(chǎn)生備件消耗的品種和數(shù)量。
裝備維修一般采用的是三級(jí)維修保障體制,即基層級(jí)、中繼級(jí)和基地級(jí)。每一級(jí)別都配備有相應(yīng)的維修機(jī)構(gòu)和維修器材倉(cāng)庫(kù)。保障系統(tǒng)的基層級(jí)維修,對(duì)應(yīng)于部隊(duì)(團(tuán)級(jí)及以下)的基層級(jí)修理所,中繼級(jí)維修對(duì)應(yīng)軍師級(jí)維修單位,基地級(jí)維修對(duì)應(yīng)于基地級(jí)(或支援級(jí))修理機(jī)構(gòu)。這三級(jí)維修主要負(fù)責(zé)對(duì)故障單元的修理或報(bào)廢?;鶎蛹?jí)庫(kù)存負(fù)責(zé)向裝備提供所需的備件,而且接收基層級(jí)維修修復(fù)后的故障件作為備件儲(chǔ)存;中繼級(jí)庫(kù)存負(fù)責(zé)向基層級(jí)庫(kù)存供應(yīng)所需備件,接受中繼級(jí)維修修復(fù)后的故障件作為備件儲(chǔ)存;基地級(jí)庫(kù)存負(fù)責(zé)向中繼級(jí)庫(kù)存供應(yīng)所需備件,接收基地級(jí)維修修復(fù)后的故障件作為備件儲(chǔ)存,而且承擔(dān)備件的購(gòu)置任務(wù)[2-3]。裝備維修保障系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 裝備維修保障系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
若裝備中某一可更換單元(零部件、組件或模塊等)出現(xiàn)故障后,它被馬上從裝備中拆下并送基層級(jí)維修部門進(jìn)行修理,與此同時(shí),基層級(jí)庫(kù)存如果有該種備件,則立即實(shí)施供應(yīng)并將其安裝到裝備上。對(duì)于故障單元,基層級(jí)修理部門首先判斷該故障是否可以在本級(jí)修理,如果可修復(fù),則進(jìn)行修理并將修復(fù)件送往本級(jí)儲(chǔ)存;否則,就將該故障件送中繼級(jí)修理部門修理。同時(shí),從中繼級(jí)庫(kù)存領(lǐng)一個(gè)備件送到基層級(jí)儲(chǔ)存,如此時(shí)中繼級(jí)無(wú)該備件,則判斷該故障件是否能修復(fù),如果可以修復(fù),就將其修復(fù)后送回基層級(jí);否則,將其送往基地級(jí)維修。如果可修則將修復(fù)件送往基層級(jí),若不可修則直接請(qǐng)領(lǐng)一個(gè)備件送基層級(jí)儲(chǔ)存。在保障的過(guò)程中將產(chǎn)生備件、維修人員和費(fèi)用(只考慮運(yùn)輸費(fèi)用和基地級(jí)維修工時(shí)費(fèi))的需求[4]。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外諸多維修保障模型的研究和分析,裝備維修保障建模以對(duì)裝備系統(tǒng)及其維修保障系統(tǒng)的建模為核心,包括裝備使用任務(wù)建模、裝備系統(tǒng)建模、維修保障系統(tǒng)建模和使用與維修保障活動(dòng)建模[5]。
裝備使用任務(wù)建模以對(duì)任務(wù)或者裝備系統(tǒng)的使用想定、使用方案為建模描述對(duì)象,描述任務(wù)的發(fā)生、任務(wù)剖面、任務(wù)內(nèi)容、任務(wù)時(shí)間、任務(wù)約束、任務(wù)成功條件以及任務(wù)執(zhí)行中突發(fā)事件的處理等。任務(wù)剖面為產(chǎn)品在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序描述,其中包括任務(wù)成功或故障的判斷準(zhǔn)則。對(duì)于完成一種或多種任務(wù)的產(chǎn)品都應(yīng)制定一種或多種任務(wù)剖面。裝備使用任務(wù)模型是仿真過(guò)程的輸入,裝備在任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中將產(chǎn)生維修任務(wù)[6]。
建立裝備本身的結(jié)構(gòu)模型、可靠性模型等。裝備結(jié)構(gòu)模型描述裝備各個(gè)功能單元的層次關(guān)系,包括單元間的從屬關(guān)系和各個(gè)單元的數(shù)量,如可能還需提供父單元與子單元的運(yùn)行比。裝備結(jié)構(gòu)模型通??梢援a(chǎn)品樹(shù)的形式進(jìn)行描述。系統(tǒng)可靠性模型是以系統(tǒng)的可靠性框圖的形式表現(xiàn)裝備各功能單元之間的關(guān)系。它反映了系統(tǒng)的各個(gè)功能單元對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性的影響。
建立裝備保障系統(tǒng)的概念模型,描述裝備保障機(jī)構(gòu)的組成、位置、保障資源配置、保障關(guān)系、保障規(guī)則等。對(duì)裝備使用分隊(duì),應(yīng)描述其裝備種類、數(shù)量,戰(zhàn)備車數(shù)量等;對(duì)于維修機(jī)構(gòu),應(yīng)描述其所承擔(dān)的維修工作范圍,維修工作任務(wù)的資源需求和工作時(shí)間分布,以及與使用分隊(duì)的保障關(guān)系及故障裝備維修的排隊(duì)規(guī)則;對(duì)于備件供應(yīng)單位,必須描述清楚其備件的品種、數(shù)量、庫(kù)存控制模型、供應(yīng)保障的排隊(duì)規(guī)則等。這些信息是仿真系統(tǒng)模擬保障系統(tǒng)工作過(guò)程的關(guān)鍵。
對(duì)使用與維修保障活動(dòng)進(jìn)行建模,是將保障裝備的使用與維修工作區(qū)分為各種工作類型和分解為作業(yè)步驟進(jìn)行詳細(xì)分析,以確定工作頻度、工作間隔、工作時(shí)間,需要的備件、保障設(shè)備、保障設(shè)施、技術(shù)資料,各維修級(jí)別所需的人員數(shù)量、維修工時(shí)及技能等要求。維修活動(dòng)可以分為預(yù)防性維修和修復(fù)性維修。武器裝備需要不斷地進(jìn)行預(yù)防性維修,以減少故障的發(fā)生,保持其可用狀態(tài),通過(guò)修復(fù)性維修對(duì)發(fā)生故障后的武器裝備進(jìn)行修復(fù),以恢復(fù)其可用狀態(tài)[7]。
(1)預(yù)防性維修:預(yù)防性維修活動(dòng)與任務(wù)數(shù)量、任務(wù)時(shí)間、日歷時(shí)間參數(shù)有關(guān)。為了預(yù)防在同一時(shí)間所有系統(tǒng)都要求進(jìn)行預(yù)防性維修,預(yù)防性維修根據(jù)下一次預(yù)防性維修任務(wù)、下一次預(yù)防性維修任務(wù)時(shí)間、最近一次預(yù)防性維修的時(shí)間等參數(shù)隨機(jī)的進(jìn)行預(yù)調(diào)整。
(2)修復(fù)性維修:修復(fù)性維修工作用于在武器裝備使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障后,排除故障并恢復(fù)武器裝備的可用狀態(tài)。修復(fù)任務(wù)是模型中最重要和最復(fù)雜的部分之一。修復(fù)任務(wù)可以通過(guò)更換子產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù),也可以直接對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)。
本案例基于SIMLOX仿真平臺(tái)對(duì)裝備維修保障進(jìn)行建模。SIMLOX仿真平臺(tái)是由瑞典系統(tǒng)與后勤工程公司(SYSTECON)開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于蒙特卡洛、資源排隊(duì)論和系統(tǒng)工程的多功能計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái),它能夠?qū)ρb備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和保障體系進(jìn)行仿真,模擬并分析復(fù)雜的使用和保障方案,同時(shí)支持對(duì)戰(zhàn)備完好性和系統(tǒng)使用保障的相關(guān)投資之間的定量權(quán)衡,可以解決與維修保障相關(guān)的問(wèn)題。
某部隊(duì)先進(jìn)行一個(gè)月的日常訓(xùn)練之后,執(zhí)行為期半個(gè)月的演習(xí)任務(wù),主戰(zhàn)裝備包括47臺(tái)主戰(zhàn)坦克和26臺(tái)裝甲車。在日常訓(xùn)練期間,由基層級(jí)保障系統(tǒng)、以及相應(yīng)的中繼級(jí)保障系統(tǒng)和基地級(jí)保障系統(tǒng)三級(jí)保障體系提供保障,在執(zhí)行演習(xí)任務(wù)期間,裝備的保障工作將只有基層級(jí)保障系統(tǒng)提供。
裝備使用任務(wù)主要描述為:日常訓(xùn)練任務(wù)每天執(zhí)行兩次,每次間隔12小時(shí)。如果系統(tǒng)有異常,允許每一訓(xùn)練任務(wù)有15分鐘的延遲。訓(xùn)練任務(wù)執(zhí)行時(shí)至少需要1架主站坦克。演習(xí)任務(wù)持續(xù)半個(gè)月,其中每個(gè)子任務(wù)執(zhí)行4小時(shí)。演習(xí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)需要至少1輛主戰(zhàn)坦克和1輛裝甲車。基于SIMLOX對(duì)任務(wù)建模后,可以通過(guò)任務(wù)剖面視圖來(lái)查看分析所建立的任務(wù)剖面,由于篇幅原因,這里不再給出任務(wù)剖面視圖。
裝甲車和主站坦克這兩個(gè)系統(tǒng)由外場(chǎng)可更換單元(LRU)、車間可更換單元(SRU)、直接替換單元(DU)和可廢棄件(DP)等不同的部件組成。裝備系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖2所示。
輸入信息包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、各組成部分的故障率和類型等信息。每輛主戰(zhàn)坦克由107個(gè)LRU,39個(gè)SRU,11個(gè)DU和1個(gè)DP組成;裝甲車由89個(gè)LRU,29個(gè)SRU,15個(gè)PRU11個(gè)DU和1個(gè)DP組成。
保障組織包括三個(gè)用于日常訓(xùn)練的使用外場(chǎng):訓(xùn)練外場(chǎng)1、訓(xùn)練外場(chǎng)2和訓(xùn)練外場(chǎng)3。在這三個(gè)使用外場(chǎng)中都備有一定數(shù)量的備件和維修資源。中繼級(jí)維修廠(DEPOT)是這三個(gè)外場(chǎng)的上級(jí)保障站點(diǎn),為三個(gè)外場(chǎng)提供保障。部件級(jí)維修活動(dòng)都在基地級(jí)維修廠(WS)進(jìn)行。而那些易于維修的部件故障模式的故障件在中繼級(jí)維修廠進(jìn)行。還有一些產(chǎn)品需要承制方(CONTRACTOR)負(fù)責(zé)維修。此外為了執(zhí)行演習(xí)任務(wù),還有一個(gè)任務(wù)前線站點(diǎn)。一定數(shù)量的裝備與保障資源會(huì)被轉(zhuǎn)移到任務(wù)前線,這些資源要能夠保障裝備執(zhí)行完整個(gè)演習(xí)任務(wù)。整個(gè)保障組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。
以預(yù)防性維修為例,定義了3種預(yù)防性維修,分別是針對(duì)主戰(zhàn)坦克的產(chǎn)品維修(ITEM PM A62),針對(duì)裝甲車的每隔200小時(shí)和700小時(shí)的預(yù)防性維修。其中輸入信息如圖4所示。
建模完成以后,設(shè)置SIMLOX的仿真控制參數(shù),運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn),根據(jù)需要可以生成詳細(xì)的仿真結(jié)果報(bào)告。如圖5所示為各站點(diǎn)的產(chǎn)品故障、修復(fù)和備件的庫(kù)存情況,如第11項(xiàng)為車體陀螺儀在中繼級(jí)的維修,可以看到,車體陀螺儀在中繼級(jí)庫(kù)存為1個(gè),產(chǎn)生的備件需求為6.87個(gè),存在庫(kù)存不足的情況。
備件是裝備維修保障的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。為解決預(yù)測(cè)備件消耗時(shí)遇到的難題,本文提出基于仿真的備件消耗預(yù)測(cè)方法。首先分析了裝備維修保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和運(yùn)行規(guī)律,構(gòu)建了面向仿真的裝備維修保障模型,包括裝備使用任務(wù)模型、裝備系統(tǒng)模型、維修保障系統(tǒng)模型、使用與維修保障活動(dòng)模型。通過(guò)借助SIMLOX仿真軟件,運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn),得出備件消耗的品種和數(shù)量。
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