李鵬

(陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西西安710100)

艦船裝備保障維修策略優(yōu)化模型仿真研究

李鵬

(陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西西安710100)

摘要:現(xiàn)代化的艦船系統(tǒng)復(fù)雜度越來(lái)越高，并且艦船活動(dòng)范圍也越加廣泛，在配備固定維修人員的情況下，如何在艦船任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間范圍內(nèi)完成對(duì)設(shè)備的檢測(cè)維修及物資配給是艦船裝備保障策略的重要指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)戰(zhàn)時(shí)維修策略的選擇也是整個(gè)艦船維修體系中重點(diǎn)研究的方向之一。本文在研究現(xiàn)有艦船多種維修策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合艦船在具體執(zhí)行任務(wù)時(shí)對(duì)維修保障體系給出了可行性分析及性能評(píng)估，并針對(duì)現(xiàn)有的保障體系﹑策略方案及物資配給方案進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞:維修策略;性能評(píng)估;任務(wù)可用性

Research on the optimization simulation model of maintenance strategy for warship equipment

LI Peng
(Shanxi Xueqian Normal University，Xi'an 710100，China)

Abstract:The warship ship system is more and more complex，the range of activities also has become more and more wide．How to detect and maintain the equipment quickly in the time range of ship task execution is the key indicator for ship safeguard system．At the same time，the choice of maintenance strategy for wartime is one of the key research directions in the whole ship maintenance system．This paper analyzes the various of existing ship maintenance strategies，give the feasibility analysis and the performance evaluation when the ship is in the concrete task，and optimize existing maintenance strategy，at last simulate and test it．

Key words:maintenance strategy; performance evaluate;mission availability

0　引言

隨著海上艦船數(shù)量的增多，以及活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，對(duì)于艦船的維修保障體系也需要適應(yīng)新環(huán)境的發(fā)展要求，對(duì)海軍艦船從研發(fā)之初到其退役需要建立一個(gè)全壽命周期的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。但是由于我國(guó)海軍對(duì)艦船的維修保障體系建設(shè)起步晚，目前還存在艦船研發(fā)部門﹑使用部門以及維修部門之間脫節(jié)。

艦船保障體系與維修策略是對(duì)艦船在執(zhí)行任務(wù)期間或2個(gè)任務(wù)間隔期間，對(duì)艦船的物資供給及設(shè)備進(jìn)行維護(hù)已保障能夠順利的完成預(yù)定出海及作戰(zhàn)任務(wù)，維修與檢測(cè)包括計(jì)劃內(nèi)的設(shè)備檢測(cè)及不可預(yù)知的故障維修［1］，保障體系則保障艦船的武器及電子通訊設(shè)備配給﹑設(shè)備改裝等任務(wù)順利進(jìn)行，如何在預(yù)計(jì)的時(shí)間段完成對(duì)艦船復(fù)雜系統(tǒng)的檢測(cè)是任務(wù)能順利完成的關(guān)鍵。同時(shí)，對(duì)戰(zhàn)時(shí)維修策略的選擇也是整個(gè)艦船維修過(guò)體系中需要重點(diǎn)研究的方向。

本文在研究現(xiàn)有艦船多種維修策略的基礎(chǔ)上，

針對(duì)艦船維修策略選擇的2種性能指標(biāo):故障維修及常規(guī)檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間﹑物資供給率，結(jié)合艦船在具體執(zhí)行任務(wù)時(shí)對(duì)維修保障體系給出了可行性分析及性能評(píng)估，并針對(duì)現(xiàn)有的保障體系、策略方案及物資配給方案進(jìn)行優(yōu)化。

1　艦船維修策略及性能評(píng)估

1.1艦船檢測(cè)方案

艦船維修與檢測(cè)是確保其任務(wù)執(zhí)行的關(guān)鍵，現(xiàn)有海上維修方案一般有如下幾種［2］:

1)定期維修策略:此種方案是計(jì)劃內(nèi)的方案，對(duì)艦船的各種設(shè)備，如動(dòng)力系統(tǒng)﹑電子通信系統(tǒng)﹑武器裝備系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，以維持艦船各設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)是所有維修策略的最根本要素，這種策略通過(guò)人工進(jìn)行。

2)程序預(yù)防性策略:利用測(cè)試程序?qū)ε灤悄芑脑O(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，包括測(cè)試﹑定位﹑檢查及修護(hù)等幾個(gè)步驟，這種方案是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助手段對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的一種方案，但對(duì)一般的機(jī)械設(shè)備不適用。

3)突發(fā)故障維修策略:這種策略具有不可預(yù)知性，是在艦船執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中出現(xiàn)的突發(fā)故障進(jìn)行檢測(cè)維修的方案，需要故障定位準(zhǔn)確﹑維修及時(shí)等特點(diǎn)。

4)戰(zhàn)時(shí)維修策略:這種維修方案是針對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)的進(jìn)行維修，是所有維修方案中要求最高的一種策略方案。

5)階段性對(duì)策略進(jìn)行改更:由于艦船設(shè)備的更新替換，需要對(duì)之前設(shè)備的維修手段及維修周期進(jìn)行不斷更新。

圖1為艦船維修策略的變化過(guò)程。

圖1　不同時(shí)期的維修策略Fig.1　Maintenance strategy of different periods

1.2艦船維修評(píng)估手段

現(xiàn)有艦船裝備保障及維修策略的性能評(píng)估方法主要有矩陣評(píng)估法和層次評(píng)估法，本文主要介紹層次評(píng)估法。

層次評(píng)估法的步驟如下:

1)建立評(píng)估模型的遞歸層次模型［3］;

2)比較遞歸上一層與下一層的比較矩陣差值;

3)對(duì)矩陣中的元素權(quán)重進(jìn)行賦值。

首先需要對(duì)艦船裝備保障及維修設(shè)備中的各組件按照不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行組合，以進(jìn)行分層管理。每一層元素之間互相關(guān)聯(lián)，上一層決定下一次的選擇依據(jù)和決定因素，同時(shí)又受到更上一層元素的約束。每一層呈現(xiàn)一種遞階關(guān)系。如按照三層遞階關(guān)系而定:艦船的維修評(píng)估模型分為維修總體層﹑中間約束層及下層各設(shè)備維修指標(biāo)。

艦船維修保障體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　艦船維修保障體系結(jié)構(gòu)Fig.2　Ship maintenance support system structure

2　艦船編隊(duì)保障維修模型與評(píng)估

2.1艦船運(yùn)行可用性

對(duì)艦船的可用性進(jìn)行評(píng)估是指以艦船從開始運(yùn)行到退役的整個(gè)生命周期的預(yù)期壽命作為時(shí)間段，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，艦船可滿足執(zhí)行任務(wù)的運(yùn)行成功的概率。

公式如下:

式中: T0為艦船使用時(shí)長(zhǎng); Tst為空閑時(shí)長(zhǎng); Tpm為艦船周期中發(fā)生故障的維修時(shí)長(zhǎng); Tcn為維護(hù)及檢測(cè)的

總時(shí)長(zhǎng); Taldt為一般管理性消耗時(shí)長(zhǎng)。

在此模型中，將T0和Tst進(jìn)行合并，統(tǒng)一稱為艦船在整個(gè)壽命期的使用時(shí)間，并且Taldt對(duì)單獨(dú)的艦船由于具有不確定性，通過(guò)之前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示為如下公式:

式中: Ts為維修時(shí)需要替換的設(shè)備及備件延遲時(shí)長(zhǎng);α為等待其他保障資源等待時(shí)間占Ts的比例，本文取15%。

2.2影響艦船可用性因素分析

上面一節(jié)介紹了艦船可用性運(yùn)行概率模型，對(duì)概率的影響因素［4］主要有如下幾部分:

1)艦船研發(fā)階段的設(shè)計(jì)水平;

2)行駛艦船人員的水平;

3)對(duì)艦船維修水平;

4)艦船執(zhí)行任務(wù)的水平。

其中式(1)中的參數(shù)T0，Tpm，Tcn，Taldt的影響因素如表1所示。

表1　參考因素表Tab.1　Tab of reference factor

2.3艦船執(zhí)行任務(wù)可用性

由于艦船執(zhí)行任務(wù)環(huán)境及作戰(zhàn)任務(wù)情景變化繁多，需要評(píng)估的是艦船各設(shè)備對(duì)整體任務(wù)執(zhí)行的可用性，而不僅僅是針對(duì)艦船各個(gè)單個(gè)設(shè)備的評(píng)估。在此，提出一種加權(quán)可用性模型，來(lái)評(píng)估艦隊(duì)整體執(zhí)行任務(wù)的能力。

本文對(duì)艦船的任務(wù)可用性基于如下假設(shè):

1)艦船執(zhí)行任務(wù)的有用設(shè)備數(shù)量為q。

2)將艦船需要執(zhí)行的整體任務(wù)進(jìn)行分解，分解為各個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，并且每個(gè)任務(wù)執(zhí)行階段中關(guān)聯(lián)一定的設(shè)備，并且各設(shè)備功能互不影響。

在此建立艦船執(zhí)行的總?cè)蝿?wù)集合T(T = { Tk| k = 1，2，…，m} )與艦船維護(hù)設(shè)備之間的相關(guān)矩陣:

其中aj，kl為艦船任務(wù)Tk與艦船設(shè)備j之間的矩陣相關(guān)權(quán)系數(shù)，若設(shè)備j與任務(wù)Tk相關(guān)，則aj，k= 1，否則aj，k= 0。

對(duì)矩陣Ad進(jìn)行分析，可得到:

1)矩陣中的列表示執(zhí)行任務(wù)集中對(duì)應(yīng)任務(wù)所需要的設(shè)備集合。若值為1，表示此任務(wù)與此設(shè)備相關(guān)，否則說(shuō)明無(wú)關(guān)。

2)矩陣中的行則表示艦船一個(gè)設(shè)備與所有任務(wù)集的相關(guān)性，每行元素之和表示此設(shè)備對(duì)艦船執(zhí)行任務(wù)集的比重。

對(duì)艦船任務(wù)可用性的進(jìn)行計(jì)算，假設(shè):

1)艦船任務(wù)集在邏輯及時(shí)序上相互獨(dú)立，互不影響。

2)每一個(gè)任務(wù)發(fā)揮作用的設(shè)備沒有備用設(shè)備。

3)任務(wù)之間有權(quán)重對(duì)比關(guān)系。

對(duì)所有任務(wù)的加權(quán)可用表達(dá)式如下:

式中: A0為艦船執(zhí)行任務(wù)集T的可用性權(quán)值總和; Tk為單一任務(wù)Tk的值; Wk為任務(wù)Tk占所有任務(wù)的權(quán)值; Sik為艦船設(shè)備j在執(zhí)行任務(wù)Tk時(shí)是否可用，值為1代表可用，值為0代表不可用; m為任務(wù)總數(shù); n為執(zhí)行任務(wù)時(shí)間，以天為單位。

3　算法仿真

本仿真模型假設(shè)任務(wù)總數(shù)為4，任務(wù)的權(quán)重值分別為{ 0.1，0.2，0.3，0.4}，艦船與執(zhí)行任務(wù)有關(guān)的設(shè)備數(shù)為12，日故障率為0.50%，0.66%，

0.33%，0.50%，0.66%，1.32%，0.66%，1.81%，0.82%，1.64%，0.50%，0.38%。

算法仿真流程如圖3所示。

圖3　算法仿真流程圖Fig.3　The flow chart of algorithm

對(duì)本文算法進(jìn)行1000次試驗(yàn)，計(jì)算均值如表2所示。

表2　仿真結(jié)果Tab.2　Simulation result

4　結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步以及艦船自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加，對(duì)現(xiàn)代艦船的保障維修策略也越加系統(tǒng)和全面，同時(shí)艦隊(duì)保障維修策略的評(píng)估也不僅僅是對(duì)靜態(tài)的修復(fù)成功率﹑及時(shí)率等靜態(tài)參數(shù)的考核，而需要對(duì)維修策略對(duì)艦船成功執(zhí)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)影響進(jìn)行全面評(píng)估。

本文在研究現(xiàn)有的艦船多種維修策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合艦船在具體執(zhí)行任務(wù)時(shí)對(duì)維修保障體系給出了可行性分析及性能評(píng)估，并針對(duì)現(xiàn)有的保障體系﹑策略方案及物資配給方案進(jìn)行優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介:李鵬(1969－)，男，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

收稿日期:2014－11－23;修回日期: 2015－01－27

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0196－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.046

中圖分類號(hào):U627．7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A