陳葉楓 趙金超

(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

海上維修保障資源需求預(yù)測(cè)模型*

陳葉楓 趙金超

(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

隨著海軍軍事任務(wù)多樣化,執(zhí)行任務(wù)時(shí)間長(zhǎng),任務(wù)海區(qū)遠(yuǎn)離大陸,可靠、精確的海上維修保障成為了必備的條件。論文從維修保障資源主要包括的保障專業(yè)人員、維修設(shè)施設(shè)和備品備件三個(gè)方面建立了需求預(yù)測(cè)模型,并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明了模型的使用。

海上維修保障; 維修資源; 需求預(yù)測(cè); 預(yù)測(cè)模型

Class Number E911

1 引言

現(xiàn)階段海軍擔(dān)負(fù)的任務(wù)越來(lái)越多,聯(lián)合軍演、反海盜護(hù)航、人道主義搜救等都需要艦船遠(yuǎn)離后方基地長(zhǎng)期在海上航行,海上的維修保障變的越來(lái)越重要。隨著海軍武器裝備越來(lái)越先進(jìn),對(duì)維修保障的時(shí)效性和精確性提出了越來(lái)越高的要求,海上維修保障必須按照任務(wù)要求充分考慮具備的實(shí)際條件,使用一些量化的計(jì)算模型,對(duì)維修專業(yè)人員、維修設(shè)施設(shè)備、備品備件等維修保障資源的需求數(shù)量進(jìn)行較為科學(xué)的預(yù)測(cè),確保任務(wù)順利完成并提高裝備維修保障的效益[1]。

2 需求預(yù)測(cè)模型

2.1 維修保障專業(yè)人員的需求預(yù)測(cè)模型

海上維修保障任務(wù)需要維修保障專業(yè)人員的數(shù)量可以采用以下模型計(jì)算得出:

第一步確定維修任務(wù)中某個(gè)修理等級(jí)某個(gè)專業(yè)的維修總工時(shí)[2]。

海上維修保障中完成某專業(yè)等級(jí)a上第i個(gè)專業(yè)的第j種裝備的維修保障任務(wù)所需要的工時(shí)為

Taij=Nj.wj·dj.Tij

(1)

式中:Nj為艦船上第j中裝備的數(shù)量；wj為第j種裝備在任務(wù)中的損壞率或故障率；dj為某種裝備的使用率；Tij為修復(fù)第j種裝備的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)。由上公式可以方便推出式(2):

(2)

式中:Tai為海上維修保障中本級(jí)本專業(yè)修理任務(wù)分工的總工時(shí)。

第二步確定維修任務(wù)中某個(gè)修理等級(jí)某個(gè)專業(yè)需要的維修人員數(shù)量。

根據(jù)式(2)中計(jì)算得到的Tai本級(jí)本專業(yè)修理任務(wù)分工的總工時(shí)可以確定本級(jí)本專業(yè)修理任務(wù)所需要的維修人員數(shù)量:

(3)

式中:H為晝夜工作時(shí)間,這個(gè)要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)考慮,一般為12～16小時(shí)；F為任務(wù)中規(guī)定的本級(jí)本部門(mén)限定的維修時(shí)間；K1為人員利用系數(shù),通常使用70%～90%；K2為時(shí)間利用系數(shù),通常使用60%～80%。

第三步確定任務(wù)過(guò)程中所需維修人員的總數(shù)量。

根據(jù)式(3)中已經(jīng)算出本級(jí)本專業(yè)修理任務(wù)所需要的維修人數(shù)量,可以確定任務(wù)過(guò)程中某個(gè)修理等級(jí)所需的維修人員數(shù)量。

(4)

式中p為維修保障任務(wù)中本級(jí)包含的專業(yè)數(shù)量。

由于海上維修保障受環(huán)境和自身?xiàng)l件的限制主要進(jìn)行艦員級(jí)和中繼級(jí)維修兩個(gè)級(jí)別的維修。由此可以得到:

M=M中繼+M艦員

2.2 維修設(shè)施設(shè)備的需求預(yù)測(cè)模型

海軍執(zhí)行任務(wù)中使用的艦船大都以編隊(duì)的形式出現(xiàn),因此在海上維修保障中維修設(shè)施設(shè)備需求計(jì)算以整個(gè)編隊(duì)需求來(lái)進(jìn)行,不再分別考慮每艘艦艇獨(dú)立的需求。

海上維修保障的維修設(shè)施設(shè)備的需求計(jì)算能夠依照排隊(duì)論的理論進(jìn)行,所需攜帶的設(shè)備由排隊(duì)論的方法進(jìn)行計(jì)算[3～5]。

第一步確定出現(xiàn)故障需求維修的裝備到達(dá)維修設(shè)備處的輸入流。

設(shè)海上編隊(duì)在進(jìn)行任務(wù)的過(guò)程中,各種裝備出現(xiàn)故障是偶然的,可以確定出在t時(shí)間內(nèi)有k個(gè)需要進(jìn)行維修的裝備的概率服從泊松分布:

(5)

當(dāng)需要維修的裝備出現(xiàn)的概率服從泊松分布時(shí),故障裝備到達(dá)維修設(shè)施和設(shè)備處的間隔時(shí)間T是一個(gè)服從參數(shù)為λ的負(fù)指數(shù)分布的隨機(jī)變量,λ就可以稱為裝備的需維修率。

第二步確定不同維修設(shè)施和設(shè)備數(shù)量下的服務(wù)性能的關(guān)鍵參數(shù)和裝備完好率。

根據(jù)輸入流的數(shù)據(jù),可以進(jìn)一步分析確定整個(gè)維修服務(wù)過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù),主要包括裝備全部正常的概率、平均的故障裝備數(shù)量、平均等待修理的故障裝備數(shù)量等。設(shè)海上編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的艦艇上某型裝備的數(shù)量為m,編隊(duì)一共配有維修設(shè)備的數(shù)量為c,u為裝備修復(fù)率或者維修服務(wù)率(單位時(shí)間內(nèi)能夠修復(fù)的故障裝備臺(tái)數(shù)),ρ=mλ/cu為服務(wù)強(qiáng)度,m為裝備數(shù)量?？梢缘贸?

1) 裝備全部正常的概率為

(6)

2) 有n臺(tái)裝備出現(xiàn)故障的概率Pn為

(7)

3) 出現(xiàn)故障的平均裝備數(shù)量Ls為

(8)

4) 等待修理的平均裝備數(shù)量Lq為

(9)

依據(jù)上式和數(shù)據(jù),可以進(jìn)一步推算出在一定的裝備需維修率λ、維修服務(wù)率u下,c個(gè)維修設(shè)備可以確保m個(gè)裝備達(dá)到的裝備完好率:

(10)

在海上維修保障資源需求計(jì)算中,可以根據(jù)一定的裝備需維修率λ、維修服務(wù)率u和裝備數(shù)量m推算出達(dá)到要求的裝備完好率η所需要的維修設(shè)備數(shù)量c,其具體方法是根據(jù)維修設(shè)備數(shù)量的不同取值,分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的裝備完好率,然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇一個(gè)合適的維修設(shè)備數(shù)量c,作為海上編隊(duì)對(duì)于設(shè)施和維修設(shè)備需求的數(shù)量。

2.3 備品備件的需求預(yù)測(cè)模型

海上編隊(duì)中艦船、飛機(jī)、通信、槍械等裝備的大量機(jī)件都服從指數(shù)、正態(tài)和威布爾三類壽命分布,可以根據(jù)機(jī)件壽命分布、任務(wù)時(shí)間(維修保障時(shí)間)T和備件保障率P推算所需備品備件的數(shù)量。其基本方法是以P為規(guī)定可靠度,按機(jī)件的壽命分布類型計(jì)算出相應(yīng)的可靠壽命tp；然后,以tp為更換周期,計(jì)算在保障時(shí)間T內(nèi)需要更換的次數(shù)；再乘以一部裝備中該機(jī)件數(shù)(機(jī)用數(shù))M和裝備的總數(shù)量N,即對(duì)應(yīng)得出相應(yīng)備品備件的數(shù)量[6～10]。其具體預(yù)測(cè)計(jì)算模型如下:

1) 指數(shù)分布?jí)勖枨箢A(yù)測(cè)模型:

(11)

其中λ為失效率

2) 正態(tài)分布?jí)勖枨箢A(yù)測(cè)模型:

(12)

式中μ為正態(tài)分布的均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μp為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)。

3) 威布爾分布?jí)勖枨箢A(yù)測(cè)模型:

(13)

式中t0為最小壽命；ta為特征壽命；b為形狀參數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)海軍參加一次多國(guó)聯(lián)合演習(xí)任務(wù),演習(xí)中包括海上搜救、反恐護(hù)航、反潛等科目,出動(dòng)兵力為:2艘驅(qū)逐艦,2艘護(hù)衛(wèi)艦,1艘大型登陸艦,1艘綜合補(bǔ)給艦；7架艦載直升機(jī)；24臺(tái)兩棲登陸步兵戰(zhàn)車。本次演習(xí)時(shí)間30日,海上航行時(shí)間45天。

3.1 維修保障專業(yè)人員的需求預(yù)測(cè)

以演習(xí)任務(wù)中的艦載直升機(jī)的中繼級(jí)維修為例,其維修專業(yè)主要包括無(wú)線電、機(jī)械、特設(shè),在計(jì)算中假設(shè)每個(gè)專業(yè)維修人員的維修能力相同并且他們每個(gè)人都只負(fù)責(zé)一個(gè)維修專業(yè)。

首先,計(jì)算無(wú)線電專業(yè)所需要的專業(yè)維修人員。以演習(xí)期間每天每架艦載直升飛機(jī)飛行4架次,故障率25%,每次無(wú)線電專業(yè)維修的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)為2h,則根據(jù)公式可算得演習(xí)過(guò)程中無(wú)線電專業(yè)的維修總工時(shí):Tak=630(h)。

晝夜工作時(shí)間取12h,演習(xí)中規(guī)定的本級(jí)本專業(yè)維修工作日數(shù)40天,人員利用系數(shù)和時(shí)間利用系數(shù)均取80%,得出無(wú)線電專業(yè)所需人員數(shù)量:Mak=12(人)。

依據(jù)這個(gè)方法可分別算出特設(shè)、機(jī)械專業(yè)所需人數(shù)為8人、14人,則7架艦載直升機(jī)在演習(xí)過(guò)程中繼級(jí)維修所需總?cè)藬?shù)約為34人。

3.2 維修設(shè)施設(shè)備的需求預(yù)測(cè)

以本次演習(xí)中的兩棲登陸步兵戰(zhàn)車為例,可以根據(jù)裝備完好率指標(biāo)和裝備的數(shù)量、故障間隔時(shí)間等,確定其維修設(shè)備的需求數(shù)量。設(shè)24臺(tái)兩棲登陸步兵戰(zhàn)車的故障間隔時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布,平均無(wú)故障時(shí)間為40h,平均無(wú)故障率λ為0.025臺(tái)/小時(shí),平均每次維修時(shí)間為11h,即平均修復(fù)率μ為0.0909臺(tái)/小時(shí),設(shè)演戲中任務(wù)要求的裝備完好率η為0.85,則可根據(jù)計(jì)算模型確定出所需的維修設(shè)備數(shù)量,具體方法為根據(jù)不同數(shù)量的維修設(shè)備,分別確定達(dá)到的完好率,從中選擇合適的數(shù)量。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 兩棲步兵戰(zhàn)車維修設(shè)備需求表

從表1可以看出,當(dāng)攜帶的維修保障設(shè)備為4套時(shí),能夠保障裝備的完好率為86.9%,即要滿足裝備完好率為0.85的任務(wù)要求,所需的維修設(shè)備至少為4套。

3.3 備品備件的需求預(yù)測(cè)

備品備件的海上維修保障需求預(yù)測(cè)模型建立中主要障針對(duì)指數(shù)、正態(tài)和威布爾三類壽命分布,下面分別對(duì)這三種情況進(jìn)行舉例說(shuō)明。

正態(tài)分布的模型以模型艦載直升機(jī)尾部旋翼葉片為例。海上編隊(duì)共配備艦載直升機(jī)7架,每架飛機(jī)的尾部旋翼葉片為4個(gè)。直升機(jī)尾部旋翼葉片故障率在整個(gè)壽命期內(nèi)呈正態(tài)分布。該型裝備的平均壽命為2000h,方差為500h,此裝備在任務(wù)期內(nèi)平均累積工作200h,則在保障度為0.9的條件下所需的備件數(shù)量為

威布爾分布的模型以模型艦載小口徑火炮的機(jī)械液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例。海上編隊(duì)共裝備某一型號(hào)的小口徑防空火炮六部,其機(jī)械液壓傳動(dòng)部件的數(shù)量為3個(gè)。該部件的故障率在整個(gè)壽命期內(nèi)依其模型參數(shù)是遞減的,該部件的特征壽命為180h,最小壽命為100h,形狀參數(shù)為1.8。此裝備在保證期內(nèi)平均累積工作50h,則在保障度為0.95的條件下所需的備件數(shù)量為

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在,海軍遠(yuǎn)洋任務(wù)越來(lái)越多,作為高技術(shù)軍種海上開(kāi)展維修保障的作用和地位重要。為了做好海上維修保障工作,必須要重視保障的科學(xué)籌劃和組織,通過(guò)科學(xué)化、定量化的分析研究,實(shí)施精確化的保障提高保障效果和效率,發(fā)揮好保障資源的保障能力。

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Marine Maintenance Support Resource Demand Forecasting Model

CHEN Yefeng ZHAO Jinchao

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

With the naval task becoming more complicated, task execution time becoming longer and the task area far away from land, reliable and accurate marine maintenance support has become a necessary condition to complete the task. This paper establishes the demand forecasting model from three aspects of maintenance support resources which mainly contain support professionals, repair facility and spare parts and combine with examples to illustrate how to use the model.

marine maintenance support, maintenance resource, demand forecasting, forecasting model

2014年6月3日,

2014年7月24日

陳葉楓,男,碩士,研究方向:軍事系統(tǒng)建模與運(yùn)籌決策。

E911

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.029