胡起偉,　王廣彥,　石　全

(軍械工程學(xué)院 裝備指揮與管理系,河北 石家莊　050005)

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基于仿真的裝備修復(fù)率預(yù)計建模研究

胡起偉,王廣彥,石全

(軍械工程學(xué)院 裝備指揮與管理系,河北 石家莊050005)

摘要：裝備修復(fù)率是裝備維修保障系統(tǒng)效能評估的重要指標(biāo),對特定想定下的裝備修復(fù)率進行準(zhǔn)確預(yù)計是實施裝備維修保障準(zhǔn)備的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。針對我軍目前缺乏行之有效的裝備修復(fù)率預(yù)計方法,提出了基于仿真的裝備修復(fù)率預(yù)計方法。對裝備修復(fù)率仿真框架進行了設(shè)計,詳細闡述了裝備修復(fù)率仿真建模方法,包括組織機構(gòu)模型、修理任務(wù)模型、修理過程模型、維修資源模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。運用開發(fā)的修復(fù)率仿真軟件系統(tǒng)進行了實例分析,仿真結(jié)果表明文中提出的裝備修復(fù)率預(yù)計方法是可行而有效的。

關(guān)鍵詞：修復(fù)率; 仿真; 建模; 維修保障系統(tǒng)

1引言

裝備修復(fù)率是指在給定作戰(zhàn)背景和保障條件下,在給定時間內(nèi)采用應(yīng)急診斷與修復(fù)技術(shù)修復(fù)的損傷裝備數(shù)與應(yīng)承擔(dān)的修理裝備總數(shù)的比值。顯然,在特定作戰(zhàn)背景和保障想定下,如果說裝備的修復(fù)率越高,也就表明了建制部隊維修保障系統(tǒng)完成戰(zhàn)場搶修任務(wù)的能力也越高。因此,修復(fù)率常被作為評價裝備維修保障系統(tǒng)效能的重要指標(biāo)之一。從部隊實施裝備維修保障準(zhǔn)備工作的角度來講,如果能夠?qū)ρb備修復(fù)率進行準(zhǔn)確預(yù)計,進而根據(jù)裝備的修復(fù)比例科學(xué)確定攜運行器材的品種和數(shù)量,合理分配保障資源,則對于搞好裝備維修保障工作,提高戰(zhàn)場搶修的任務(wù)成功率都有著十分重要的作用和意義。

目前,我軍對裝備修復(fù)率的預(yù)計方法主要依賴于傳統(tǒng)的作戰(zhàn)經(jīng)驗。而由于我軍的作戰(zhàn)經(jīng)驗只能追溯到上世紀80年代的對越自衛(wèi)還擊戰(zhàn),加之國際上近幾次高技術(shù)戰(zhàn)爭,如海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、車臣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等所取得的作戰(zhàn)經(jīng)驗,與我國國情、軍情和裝備現(xiàn)狀存在很大差別,特別是對這幾次戰(zhàn)爭的實際裝備損傷與修復(fù)數(shù)據(jù)掌握甚少,難以為我軍裝備修復(fù)率預(yù)計提供有力支持。因此,著眼于我軍新時期作戰(zhàn)準(zhǔn)備,研究裝備修復(fù)率預(yù)計方法已顯得非常迫切和必要。

本文在對裝備修復(fù)率仿真框架進行設(shè)計的基礎(chǔ)上,對裝備修復(fù)率建模與仿真方法進行了有益探討,并開發(fā)了仿真系統(tǒng),通過實例分析,驗證了方法的可行性和有效性。

2裝備修復(fù)率仿真框架設(shè)計

通過對裝備修復(fù)過程進行分析,建立裝備修復(fù)率仿真的框架結(jié)構(gòu),主要包括戰(zhàn)損需求產(chǎn)生和修復(fù)率仿真兩個功能模塊,如圖1所示。其中,戰(zhàn)損需求產(chǎn)生模塊主要是采用課題組開發(fā)的戰(zhàn)損仿真系統(tǒng)產(chǎn)生戰(zhàn)損數(shù)據(jù)需求,從而預(yù)計裝備在一定作戰(zhàn)想定和保障想定下的修復(fù)率;修復(fù)率仿真:修復(fù)率仿真模塊以戰(zhàn)損仿真結(jié)果為輸入數(shù)據(jù),將維修保障方案、維修保障力量的配置和維修保障行動抽象成組織機構(gòu)模型、修理任務(wù)模型、修理過程模型、維修資源模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型,對裝備維修過程進行仿真,輸出損傷裝備恢復(fù)狀態(tài),通過損傷修復(fù)統(tǒng)計器統(tǒng)計計算裝備修復(fù)率。

3戰(zhàn)損需求產(chǎn)生

戰(zhàn)損仿真[1～3]主要是通過建立我方裝備、敵方威脅和虛擬戰(zhàn)場的計算機仿真模型,并通過相應(yīng)的仿真算法,來分析預(yù)測我軍裝備在特定作戰(zhàn)想定下裝備的戰(zhàn)損率,以及在敵對威脅作用下裝備可能發(fā)生的損傷部位、模式及其發(fā)生概率。戰(zhàn)損仿真以下列數(shù)據(jù)作為輸入:一是裝備模型,對裝備組成部件及其幾何、物理特性、功能、工作狀態(tài)等進行簡化描述,圖2為裝備結(jié)構(gòu)簡化示意圖,圖3為某型自行火炮的結(jié)構(gòu)簡化模型;二是威脅模型,對炮彈、炸彈、火箭彈等爆炸所產(chǎn)生的破片、沖擊波、振動、燃燒等效能單元進行的描述,圖4所示為彈藥效能分解方法;三是作戰(zhàn)事件,是裝備在執(zhí)行任務(wù)期間所經(jīng)歷的一系列事件和環(huán)境的時序描述,將其離散成若干個具體的作戰(zhàn)事件,圖5所示為作戰(zhàn)事件離散化的基本思路。

圖1　裝備修復(fù)率仿真框架結(jié)構(gòu)Fig.1　Framework of equipment repair rate simulation

圖2　裝備結(jié)構(gòu)簡化示意圖Fig.2　Diagram of simplifying equipment structure

以上述數(shù)據(jù)作為戰(zhàn)損仿真系統(tǒng)的輸入,確定我方裝備戰(zhàn)場配置情況、敵方威脅彈著點分布,再進行單威脅單裝備損傷模擬、多威脅裝備群損傷模擬、作戰(zhàn)事件裝備戰(zhàn)損統(tǒng)計,完成整個作戰(zhàn)中裝備在復(fù)雜威脅環(huán)境下的損傷模擬,最終可以得到受損零部件名稱、損傷模式及其發(fā)生概率,以及裝備戰(zhàn)損率等數(shù)據(jù)信息,從而為裝備修復(fù)率仿真提供戰(zhàn)損數(shù)據(jù)需求。

圖3　某型自行火炮結(jié)構(gòu)簡化模型Fig.3　Simplified structure model of gun- howitzer

圖4　彈藥效能分解方法Fig.4　Approach of ammunition effectiveness decomposition

圖5　作戰(zhàn)事件離散化Fig.5　Discretization of combat events

4裝備修復(fù)率仿真建模

通過分析維修保障系統(tǒng)的組成和運行情況,針對裝備修復(fù)率仿真需求,提出用組織機構(gòu)模型、修理任務(wù)模型、修理過程模型、維修資源模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型對裝備維修保障系統(tǒng)進行描述,圖6建立了各類模型之間的關(guān)系。

4.1組織機構(gòu)模型

組織機構(gòu)模型主要用于描述裝備維修保障系統(tǒng)中的組織機構(gòu)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中,維修保障系統(tǒng)中的組織機構(gòu)主要包括保障指揮機構(gòu)、搶修分隊、供應(yīng)分隊等,存在的關(guān)系有組織間的隸屬關(guān)系、支援關(guān)系、協(xié)作關(guān)系等。裝備維修保障過程分解是圍繞組織機構(gòu)而展開的,資源模型、過程模型、任務(wù)模型都是圍繞組織機構(gòu)模型而展開的。典型的組織機構(gòu)模型如圖6中的“組織機構(gòu)”圖。組織機構(gòu)模型中各角色(保障力量)的屬性主要包括:

(1) 各保障力量的職責(zé)。根據(jù)裝備保障預(yù)案,賦予各保障力量擔(dān)負的職責(zé)和任務(wù)分工。

(2) 連續(xù)執(zhí)行任務(wù)持續(xù)時間。人的活動會受到精力、環(huán)境、心理等各方面的制約,在裝備修復(fù)仿真當(dāng)中,通過連續(xù)執(zhí)行任務(wù)持續(xù)時間表示保障力量每天的平均工作時間。

(3) 關(guān)聯(lián)屬性。主要包括四中關(guān)聯(lián)屬性:裝備關(guān)聯(lián)屬性表示保障力量所修復(fù)的裝備;資源關(guān)聯(lián)屬性表示保障力量所配備的保障資源;過程關(guān)聯(lián)屬性表示保障力量與搶修過程的關(guān)聯(lián);任務(wù)關(guān)聯(lián)屬性表示與保障力量相關(guān)聯(lián)的任務(wù)模型和約束條件。

4.2修理任務(wù)模型

修理任務(wù)模型主要用于描述各保障力量所承擔(dān)的搶修任務(wù),以便對各保障力量(修理分隊)的裝備修復(fù)率進行統(tǒng)計,為優(yōu)化保障要素奠定基礎(chǔ)。任務(wù)可分為若干個子任務(wù),子任務(wù)又可分為若干個次級子任務(wù),各個子任務(wù)的內(nèi)容及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系都在任務(wù)視圖中進行描述。典型的修理任務(wù)模型如圖6中的“修理任務(wù)”圖,其屬性主要包括:

(1) 一般屬性。主要指修理任務(wù)的標(biāo)識(損傷裝備ID),損傷裝備名稱、損傷等級、損傷部件及損傷模式等等。

(2) 損傷修復(fù)先后順序。根據(jù)損傷仿真中損傷產(chǎn)生的先后順序確定,如果多門裝備同時發(fā)生損傷或者多門裝備同時等待修理,按照先輕后重的次序進行修復(fù)。

圖6　裝備修復(fù)率仿真模型及其關(guān)系Fig.6　Equipment repair rate simulation models and their relationship

(3) 與組織機構(gòu)的關(guān)聯(lián)屬性。裝備修理力量主要分為伴隨修理力量、支援修理力量和后送修理力量,為了明確搶修任務(wù),根據(jù)實際情況由伴隨修理力量修輕損裝備,支援修理力量修中損裝備,重損裝備則由后送修理力量進行后送修理[4]。

4.3修理過程模型

修理過程模型即修理過程仿真流程,主要用于描述修理任務(wù)執(zhí)行過程中所經(jīng)歷的各種維修保障活動及其先后關(guān)系,是裝備修復(fù)率仿真的核心。其它各類模型都與修理過程模型相關(guān)聯(lián)。典型的修理過程模型如圖6中的“修理過程”。在修理過程模型中,六邊形表示判斷符號;?符號為或門,表示流程被分成兩個或多個并行分支;符號為與門,表示事件后有且只有一個可能的路徑;矩形符號表示維修事件,可以設(shè)置完成該事件的屬性[5],主要包括:

(1) 輸入信息:以“記錄修理時間”事件的為例,可以由“趕往裝備受損地點”時間、“備件申請”時間、“備件運輸”時間和“實施現(xiàn)場修理時間”進行計算獲得。

(2) 完成維修事件所需時間,例如:完成“備件運輸”事件所需時間可以設(shè)置成服從某種分布(正態(tài)分布、指數(shù)分布、均勻分布等),并輸入分布函數(shù)的相關(guān)參數(shù)值,在仿真過程中就可以根據(jù)分布函數(shù)隨機產(chǎn)生“備件運輸”的時間。

(3) 輸出信息:經(jīng)過該事件計算、判定完成后的輸出信息,如“備件運輸”的輸出可以設(shè)置成完成該事件所需時間。

4.4維修資源模型

維修資源模型主要用于描述維修保障系統(tǒng)中各種資源以及資源的分配情況、消耗情況等信息,主要包括備件、設(shè)備、工具、技術(shù)資料、計算機資源等,特別是作為消耗品的備件,在修復(fù)率仿真的過程中必須對資源的消耗情況進行實時統(tǒng)計[6]。根據(jù)維修資源使用的特點,可以將維修資源的屬性(狀態(tài))[5][7]分為4種:

(1) 閑置狀態(tài):指資源處于尚未使用的狀態(tài),無任何使用需求。

(2) 使用狀態(tài):指已對維修資源提出請求,資源正在處于使用的狀態(tài)。

(3) 排隊狀態(tài):指維修資源雖然沒有被使用,但已被提出使用需求,在搶修活動中已被占用。這些維修資源的占用是唯一的,此時維修資源狀態(tài)不能被釋放,對維修資源的請求需排隊等待,直到資源使用完畢。

(4) 釋放狀態(tài):對于設(shè)備工具、設(shè)施、技術(shù)資料等非消耗品而言,使用完畢后重新恢復(fù)到原先的閑置狀態(tài);備件屬于消耗品,搶修活動完成后,資源的釋放狀態(tài)則指徹底消耗。

4.5基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型主要用于描述執(zhí)行修復(fù)率仿真所需的部件損傷修復(fù)方法、所需資源與來源、修復(fù)時間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是進行修復(fù)率仿真的基礎(chǔ)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型具體表現(xiàn)為一組相互關(guān)聯(lián)的表格,即型號裝備會發(fā)生什么樣的損傷,各類損傷有什么樣的修復(fù)方法,這些方法在什么情況下采用,具體修理方法需要什么樣的維修保障資源,各種修復(fù)方法所用時間等等。以便在修復(fù)率仿真的過程中,對修復(fù)時間進行統(tǒng)計。

5仿真研究

根據(jù)裝備修復(fù)率仿真框架,運用Visual C++6.0語言和SQL Server2000開發(fā)完成了裝備修復(fù)率仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)的功能框架如圖7所示。

5.1戰(zhàn)損需求產(chǎn)生

假設(shè)某機步師某炮兵團裝備某型自行加榴炮36門,編制2個戰(zhàn)斗營。在某次戰(zhàn)斗中受到敵先期火力打擊,敵方采用某型戰(zhàn)斗機向我炮兵陣地投射500公斤航彈12枚。通過戰(zhàn)損模擬,獲得該裝備戰(zhàn)損率為47%,其中,輕損2門,中損6門,重損4門,報廢5門。

5.2仿真邊界條件

假設(shè)師級保障力量作為修復(fù)率仿真中維修保障機構(gòu)的最高層次,保障指揮機構(gòu)的通信指揮系統(tǒng)暢通。假設(shè)已進行了戰(zhàn)損評估,準(zhǔn)確地判明了裝備受損部件,考慮伴隨修理、支援修理和后送修理三種情況。修復(fù)率仿真主要輸入數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1所示。

5.3仿真建模

根據(jù)實際情況建立機步師裝備保障組織機構(gòu)模型、修理任務(wù)模型、修理過程模型、維修資源模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。其中,修理任務(wù)模型、維修資源模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型屬于數(shù)據(jù)模型,以數(shù)據(jù)庫表格的形式存放,數(shù)據(jù)庫文件略;建立的組織機構(gòu)模型如圖8所示,修理過程模型如圖9所示。

圖7　裝備修復(fù)率仿真系統(tǒng)功能框架Fig.7　Functionalframework of equipment repair rate simulation system

裝備名稱裝備數(shù)量戰(zhàn)損率損傷比例修理人數(shù)修理工時(小時)其它n時間(分鐘)輕損中損重損報廢伴隨修理支援修理后送修理輕損裝備中損裝備重損裝備信息傳遞趕往時間備件運輸××自行加榴炮360.470.120.350.240.291220302612023052040

圖8　裝備保障組織機構(gòu)模型Fig.8　Model of equipment support organizations

在修理過程模型中,各事件所需時間均按正態(tài)分布處理,按實際情況輸入了分布函數(shù)的相關(guān)參數(shù)值。

5.4仿真運行

在仿真建模的基礎(chǔ)上,錄入各類維修資源數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,設(shè)置仿真次數(shù)為300次,通過仿真運行,可以得到某自行加榴炮的修復(fù)率,圖10為裝備修復(fù)率仿真系統(tǒng)主界面。

6結(jié)束語

裝備修復(fù)率預(yù)計研究是裝備保障準(zhǔn)備的重要問題之一,涉及面廣、工作量巨大。本文對裝備修復(fù)率預(yù)計的仿真建模方法進行了有益探討,對裝備修復(fù)率仿真框架進行了設(shè)計,提出了裝備修復(fù)率仿真的建模方法,并開發(fā)了裝備修復(fù)率仿真系統(tǒng)。實例分析表明:本文所提出的裝備修復(fù)率預(yù)計方法是可行的,對裝備維修保障系統(tǒng)效能評估和戰(zhàn)時裝備保障準(zhǔn)備具有重要的參考價值。

圖10　仿真系統(tǒng)主界面Fig.10　Interface of simulation system

圖9　修理過程模型Fig.9　Model of repair process

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胡起偉男(1979-),河北灤南人,講師,博士研究生,主要研究方向裝備維修保障理論與應(yīng)用。

王廣彥男(1976-),河北邢臺人,講師,博士,主要研究方向裝備戰(zhàn)場搶修理論與應(yīng)用。

中圖分類號：TP 391.9

文獻標(biāo)識碼：A

Modeling of Equipment Repair Rate Prediction Based on Simulation Method

HU Qiwei,WANG Guangyan,SHI Quan

(Department of Management Engineering,Mechanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Abstract：Equipment repair rate is an important evaluation index of maintenance support system effectiveness,and predicting equipment repair rate is the basis and key issue of preparing equipment maintenance support.In order to solve the problem of the equipment repair rate prediction,a simulation based predicting method is proposed.A framework of equipment repair rate prediction based on simulation methodsis presented.The method of modelingequipment repair rate prediction is detailedly described,including maintenance organization modeling,repair task modeling,repair process modeling,maintenance resources modeling and repair basic data modeling.A simulation system is developed to validate the model,and a case study is carried out.The simulation results show that the proposed method of equipment repair rate prediction is feasible and effective.

Key words：repair rate;simulation;modeling;maintenance support system