原宗

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

基于任務流程的艦船RMS建模與仿真

原宗

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

艦船的可靠性、維修性、保障性（RMS）是影響艦船戰(zhàn)備完好性的重要設計特性，為了豐富艦船裝備RMS設計手段與分析方法，運用計算機建模與仿真技術，提出了基于任務流程建立艦船RMS仿真模型的總體思路，建立了反映艦船任務、裝備、保障資源三者之間關聯(lián)關系的動態(tài)描述模型，運用離散事件系統(tǒng)仿真的思想設計了艦船RMS仿真流程，在此基礎上設計了艦船RMS建模與仿真平臺的總體框架、功能模塊和主要用戶界面，并對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠為艦船RMS設計提供技術手段支撐和分析決策支持。

艦船任務；可靠性；維修性；保障性；建模；仿真

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.004.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：原宗.基于任務流程的艦船RMS建模與仿真［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：5-11，26.

YUAN Zong.Warship'sRMS modeling and simulation based on the task proces［sJ］.Chinese Journal of Ship Research，

2016，11（2）：5-11，26.

0　引　言

艦船作為現(xiàn)代海戰(zhàn)的主要裝備，屬于多學科高度集成的技術領域，其組成結構復雜，涉及專業(yè)門類繁多，技術性能要求高；同時，艦船執(zhí)行使命任務期間遠離岸上基地，航程遠、航時長，海洋環(huán)境變幻莫測，各種航態(tài)交替進行，補給保障困難。裝備的復雜性和任務的特殊性決定了艦船與裝甲車、坦克等軍事裝備相比，對可靠性、維修性、保障性（Reliability，Maintainability and Supportability，RMS）具有更高的要求。因此，為了提高艦船的戰(zhàn)備完好性和裝備保障能力，需要在艦船研制過程中同步開展RMS設計。

然而，由于一直缺乏有效的技術手段支撐，艦船RMS設計、分析與評價工作開展起來難度很大，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法和數(shù)學解析方法很難有效解決RMS技術指標難以落實、保障資源配置規(guī)劃不合理等難題［1］。為此，本文將綜合運用計算機建模與仿真技術，建立基于任務流程的艦船裝備RMS仿真模型，研究與開發(fā)艦船RMS仿真平臺，以豐富艦船RMS設計手段，提高設計水平。

1　艦船RMS仿真模型的特點與需求

1.1反映艦船裝備的結構層次關系

艦船裝備結構層次復雜，設備的種類和數(shù)量多，在不同系統(tǒng)、設備之間還存在著復雜的功能交互與依存關系。幾乎每個設備的正常運行都要依賴于艦上其他設備（如發(fā)電設備、冷卻設備等）的運行，對于主機這一類大型、復雜設備來說，其正常工作更是需要一整套輔助系統(tǒng)、設備的支撐。因此，艦船RMS仿真模型應能反映艦船裝備全部組成要素的邏輯關系，以及底層單元故障對上層單元功能實施的影響［2-4］。

1.2反映艦船裝備的任務流程關系

艦船是一個具有多任務剖面的裝備系統(tǒng)，在執(zhí)行不同任務期間，會有不同的系統(tǒng)、設備投入使用，即使在同一任務的不同階段，系統(tǒng)、設備的使用方式與工作流程也會有所區(qū)別，不同系統(tǒng)、設備出現(xiàn)故障后對全艦任務的影響程度也不盡相同。因此，艦船RMS仿真模型應當與艦船的具體任務剖面關聯(lián)起來，反映出在各任務剖面中需要哪些設備參與任務，這些設備采用何種工作模式，在任務各階段的起停機時刻，以及哪些設備可以在任務中維修，哪些設備故障會導致任務中斷等相關因素。

1.3反映艦船裝備維修與保障資源的關聯(lián)關系

艦船保障資源涉及的方面很廣，包括備品備件、保障設備、技術資料、維修人員等，本文主要考慮維修保障資源，暫不考慮使用保障資源。在主裝備出現(xiàn)故障需要進行維修時，會調用相應的保障資源以保證維修工作的實施，在裝備維修與保障資源間存在著復雜的、非線性的對應關系。因此，RMS仿真模型應將裝備故障與維修所需的保障資源關聯(lián)起來，反映出裝備的可靠性、維修性設計與保障資源的關聯(lián)關系，并能具體描述在多個維修活動下保障資源的占有、共享、競爭等維修保障活動過程中的運行特性［5-7］。

2　艦船RMS仿真模型

2.1艦船裝備結構模型

艦船裝備結構模型主要用于描述艦船裝備的邏輯層次結構關系，并包含有艦船裝備的基本信息、可靠性信息、維修性信息等。其中：基本信息主要是設置裝備的編號、名稱、型號、數(shù)量和當前狀態(tài)（正常、故障、降工況等）；可靠性信息主要是設置裝備的故障分布函數(shù)類型（指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布等）及其參數(shù)；維修性信息主要是設置裝備的維修性分布函數(shù)類型（指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布等）及其參數(shù)。艦船裝備結構模型的建模過程如下：

1）建立艦船裝備結構樹。

根據(jù)艦船的系統(tǒng)劃分和功能結構，將艦船裝備按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設備、部件的層次從上至下逐層分解，建立如圖1所示的艦船裝備結構樹。

圖1　艦船裝備結構樹Fig.1　Ship breakdown structure

2）輸入裝備的基本信息及可靠性、維修性信息。

將艦船裝備結構樹中各層次裝備的基本信息及可靠性、維修性信息等進行輸入。

2.2艦船裝備任務模型

艦船裝備任務模型主要用于描述艦船任務的層次結構及其時序關系。由于艦船任務較為復雜，需要根據(jù)艦船使用方案中對任務剖面的描述，將各任務剖面分別細化為不同的任務階段和任務單元，形成逐步細化、深入的“任務剖面→任務階段→任務單元”3級遞進關系。其中：任務剖面是從宏觀的角度描述艦船在一定時間段內的總體任務要求，以及艦船裝備在任務中所需經(jīng)歷的事件和環(huán)境；任務階段是對任務剖面的展開，具體描述艦船為了完成任務在特定時間段內需運行的工況或具備的功能；任務單元則是構成艦船任務的基本組成元素，詳細描述參與任務的裝備名稱、數(shù)量和使用方式，在每個任務單元中，參與任務的裝備和裝備的使用方式是唯一的。艦船裝備任務模型的建模過程如下：

1）將任務剖面細化到各任務階段。

分析艦船的任務剖面，按照任務剖面的描述中艦船在不同時間段內所需具備的不同功能要求，以此為基礎將任務剖面細化到各任務階段，并明確各任務階段的起始和終止時間。

2）將任務階段細化到各任務單元。

分析艦船執(zhí)行各功能所需參與任務的裝備及裝備的使用方式，以此為基礎將任務階段細化到各任務單元，并明確各任務單元的起始和終止時間。在各任務單元中，一旦影響任務執(zhí)行的裝備發(fā)生故障，將啟動維修事件。需要說明的是，維修事件的發(fā)生不得使任務單元超出規(guī)定的終止時間，否則將判定該任務單元失敗。

艦船裝備任務模型如圖2所示。

圖2　艦船裝備任務模型Fig.2　Task models of ship equipments

2.3艦船裝備保障資源模型

艦船裝備保障資源模型主要用于描述艦船上用于艦員級維修的各類維修保障資源的分類組成和層次結構，并包含有備品備件、保障設備、技術資料、維修人員等各類保障資源的詳細信息。其中：備品備件信息包括備品備件的名稱、型號、數(shù)量、存放位置等；保障設備信息包括保障設備的名稱、型號、數(shù)量、存放位置等；技術資料信息包括技術資料的名稱和數(shù)量；維修人員信息包括人員的數(shù)量、姓名、專業(yè)、技術等級等。艦船裝備保障資源模型的建模過程如下：

1）建立保障資源結構樹。

按照保障資源的種類劃分，建立如圖3所示的保障資源結構樹。

2）輸入保障資源的相關信息。

將保障資源結構樹中備品備件、保障設備、技術資料、維修人員等各類保障資源的相關信息進行輸入。

圖3　保障資源結構樹Fig.3　Structural tree of support resources

2.4建立艦船裝備結構模型、任務模型、保障資源模型之間的關聯(lián)關系

在建立艦船裝備結構模型、任務模型、保障資源模型之后，以裝備任務流程為牽引，采用動態(tài)主邏輯圖的建模方法將3種模型按照內容組成與邏輯結構進行關聯(lián)。具體包括：在艦船任務與艦船裝備之間，將各任務單元與其所需投入任務的設備及設備的工作模式用關聯(lián)矩陣符號關聯(lián)起來；在艦船裝備與保障資源之間，將艦船裝備的部件與其在既定維修級別上所需要的維修保障資源關聯(lián)起來。從而建立如圖4所示的能夠反映艦船任務、裝備、保障資源三者之間關聯(lián)關系的動態(tài)描述模型，即艦船RMS仿真模型。

3　艦船RMS仿真流程

在建立艦船RMS仿真模型的基礎上，利用計算機仿真技術模擬裝備結構模型、任務模型、保障資源模型之間的動態(tài)交互關系，實現(xiàn)對裝備執(zhí)行任務過程的模擬。艦船RMS仿真是一種典型的離散事件系統(tǒng)仿真，它根據(jù)時間順序來組織、調度和處理各類事件，仿真中各實體單元（包括裝備、任務單元、保障資源）的狀態(tài)和活動僅在離散的時間點上發(fā)生，本文采用下次事件時間推進機制設計艦船RMS仿真過程。

艦船RMS仿真過程中有2類基本事件，即故障事件和維修事件。故障事件的產(chǎn)生由基本組成單元的可靠性分布函數(shù)抽樣產(chǎn)生，維修事件的維修時間由維修性分布函數(shù)決定，在維修事件中又涉及到保障資源［8-11］。整個仿真過程具體包括以下步驟：

1）在啟動仿真任務時，首先需要對艦船裝備的RMS數(shù)據(jù)進行設置和賦值。

2）然后根據(jù)裝備的可靠性分布函數(shù)，對裝備在規(guī)定任務剖面中的故障情況進行仿真，得到在各任務單元中裝備的故障發(fā)生時間，即形成裝備故障事件，進而激發(fā)維修事件的產(chǎn)生。

3）當維修事件產(chǎn)生后，就會激發(fā)特定的維修保障過程，此時，會通過查找艦船裝備與保障資源之間的關聯(lián)矩陣來判斷保障資源是否滿足維修工作的需求。若保障資源滿足，則消耗或占用相應的保障資源，開始維修工作；若保障資源不滿足，則維修工作進入維修等待序列，直至保障資源滿足條件后再轉入維修狀態(tài)。

4）當所有維修工作處理完畢后，將仿真時鐘推進到最小時間元，仿真繼續(xù)進行。

5）達到設定的仿真次數(shù)后，記錄在仿真期間的各類數(shù)據(jù)，輸出所需要的統(tǒng)計量，并進行相關參數(shù)的計算，仿真結束。

艦船RMS仿真流程如圖5所示。

此外，由于艦船裝備的數(shù)量很多，在同一時刻往往會有多項維修工作同時進行，而不同的維修工作可能需要調用相同的保障資源，形成對保障資源的競爭。解決保障資源競爭主要是通過裝備對任務的影響程度分析來賦予各裝備不同的優(yōu)先級，如導致任務中止的裝備為最高級、影響任務效率的裝備為次高級等。在出現(xiàn)競爭后，優(yōu)先滿足優(yōu)先級高的裝備的維修工作。對于相同優(yōu)先級的維修工作，則根據(jù)維修事件起始的時間先后順序來進行保障資源調度。

圖4　艦船RMS仿真模型Fig.4　Warship's RMS simulation model

4　艦船RMS建模與仿真平臺的實現(xiàn)

由上文可見，艦船RMS建模與仿真是一個非常復雜、需要反復迭代和逐步細化的過程，并需要建立在大量的裝備RMS數(shù)據(jù)同步計算的基礎之上，在建模與仿真過程中還需要綜合運用系統(tǒng)分析、對比、預計和評估等手段，這使得整個建模與仿真工作中模型的層次很多，涉及的因素很廣，建模的工作量和仿真的計算量很大。僅依靠手工建模顯然無法滿足艦船RMS建模與仿真的工程需求，采用計算機建模與仿真技術來解決這類影響因素多、復雜性和隨機性高的動態(tài)系統(tǒng)仿真問題已成為重要的發(fā)展趨勢。只有充分利用計算機建模與仿真技術計算效率高、可多次重復、可視性好的特點，研制并開發(fā)專門針對艦船裝備特點的計算機輔助RMS建模與仿真軟件，才能夠將艦船RMS建模與仿真技術推廣至工程實際應用。

圖5　艦船RMS仿真流程圖Fig.5　Flow chart of ship RMS simulation

4.1艦船RMS建模與仿真平臺的功能模塊

艦船RMS建模與仿真平臺由建模管理模塊、仿真控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、輔助功能模塊等幾大功能模塊和數(shù)據(jù)庫組成，平臺總體框架如圖6所示。

1）建模管理模塊。

建模管理模塊的主要功能是利用模型庫中預設的建模符號及單元，構建艦船RMS仿真模型，并對模型進行有效的管理與配置，以支持仿真過程中對各層次模型的精確調度。

2）仿真控制模塊。

仿真控制模塊的主要功能包括進行艦船RMS仿真的初始化，在此基礎上開始仿真運行，按照仿真邏輯安排各故障事件和維修事件的發(fā)生，進行相應的仿真運算。

3）數(shù)據(jù)分析模塊。

數(shù)據(jù)分析模塊的主要功能是完成對仿真結果的計算與分析，在艦船RMS建模與仿真結束后，對各個指標按照相應的公式進行計算，并按用戶所關心的評價指標進行輸出。

4）輔助功能模塊。

輔助功能模塊的主要功能是保證平臺正常、安全、可靠的運行，具體包括用戶權限管理、登錄/退出管理、安全管理等子功能。

5）數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫中主要存儲裝備基本數(shù)據(jù)、裝備RMS數(shù)據(jù)、裝備保障資源數(shù)據(jù)、仿真模型數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)在運行過程中按照規(guī)定的讀寫規(guī)則和組織形式對數(shù)據(jù)庫中相應的數(shù)據(jù)進行調用、存儲和更新。

圖6　艦船RMS建模與仿真平臺總體框架Fig.6　General structure of ship RMS modeling and simulation platform

4.2艦船RMS建模與仿真平臺的用戶界面

艦船RMS建模與仿真平臺的主要用戶為艦船裝備設計人員，為了使其能夠迅速、方便地掌握平臺的基本操作功能，艦船RMS建模與仿真平臺應當具備良好的可視化特征以及友好的用戶界面，以使用戶即使在不深入研究RMS建模與仿真機理的情況下，也能利用該平臺進行裝備RMS設計與分析。

艦船RMS建模與仿真平臺的部分用戶界面如圖7～圖9所示。

5　算　例

本文選取某艦船赴規(guī)定海域執(zhí)行巡邏任務為算例，將整個任務剖面分為航渡、待機、巡邏、返航4個任務階段，并將各任務階段細分為任務單元。參與任務的主要裝備包括推進柴油機、齒輪箱、軸系、發(fā)電機組、舵裝置、雷達、導航設備、通信設備等。

圖7　裝備結構建模界面Fig.7　Interface of composition modeling for ship equipments

圖8　裝備任務建模界面Fig.8　Interface of task modeling for ship equipments

圖9　仿真結果輸出界面Fig.9　Interface of simulation results

在建立該艦船RMS模型的基礎上，輸入推進柴油機、發(fā)電機組、舵裝置的RMS基礎數(shù)據(jù)，如表1所示。設定任務時間為200 h，仿真次數(shù)為1 000。在仿真結束后進行仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計，推進柴油機、發(fā)電機組、舵裝置的使用可用度、任務可靠度和保障資源滿足率等指標的統(tǒng)計值如表2所示。

表1　部分裝備RMS基礎數(shù)據(jù)Tab.1　Equipments'RMS essential data

表2　部分裝備RMS指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.2　Equipments'RMS statistical data

6　結　語

本文針對艦船裝備RMS難于定量化、精確化設計的問題，利用計算機建模與仿真技術，提出以裝備任務流程串聯(lián)起艦船主裝備與保障資源的對應關系，建立了反映“裝備結構—裝備任務—保障資源”三者之間動態(tài)聯(lián)系的艦船RMS仿真模型，再引用離散事件系統(tǒng)仿真的思想，對艦船RMS仿真的流程進行研究，在此基礎上設計了艦船RMS建模與仿真平臺的總體框架和功能模塊，達到了為艦船RMS設計提供技術手段支撐和分析決策支持的目的。

［1］徐宗昌.保障性工程［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002.

［2］許雙偉.艦船RMS建模仿真與綜合評價技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2007.

［3］LANDERS T L，TAHA H A，KING C L.A reliability simulation approach for use in the design process［J］. IEEE Transactions on Reliability，1991，40（2）：177-181.

［4］RAIVIO T，KUUMOLA E，MATTILA V A，et al.A simulation model for military aircraft maintenance and availability［C］//ESM2001 15th European Simulation Multiconference.Prague，Czech：［s.n.］，2001.

［5］徐東，徐永成.裝備綜合保障中的若干關鍵技術［J］.兵工自動化，2006，25（7）：30-31，36. XU Dong，XU Yongcheng.Key technologies of inte?grated equipment support［J］.Ordnance Industry Auto?mation，2006，25（7）：30-31，36.

［6］杜海東，吳緯，曹軍海，等.基于系統(tǒng)效能的裝甲裝備RMS指標權衡仿真方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2013，25（8）：1947-1951. DU Haidong，WU Wei，CAO Junhai，et al.Simulation research for RMS indexes of armored equipment based on system effectiveness analysis［J］.Journal of System Simulation，2013，25（8）：1947-1951.

［7］JONES J V.Integrated logistics support handbook［M］. New York：McGraw-Hill，2006.

［8］程文鑫，陳立強，龔沈光，等.基于蒙特卡洛法的艦船裝備戰(zhàn)備完好性仿真［J］.兵工學報，2006，27 （6）：1090-1094. CHENG Wenxin，CHEN Liqiang，GONG Shenguang，et al.Readiness simulation of ship equipment based on Monte-Carlo method［J］.Acta Armamentarii，2006，27（6）：1090-1094.

［9］ 吳軍，方強，董星，等.強占型排隊模型在艦船RMS仿真中的應用［J］.四川兵工學報，2013，34（2）：76-79.

WU Jun，F(xiàn)ANG Qiang，DONG Xing，et al.The appli?cation of a preemptive priority queuing model on RMS simulation analysis［J］.Journal of Sichuan Ordnance， 2013，34（2）：76-79.

［10］JUDGE S D，LUETJEN P.Determination of ship?board repair parts level［J］.Naval Engineering Jour?nal，1999（4）：37-43.

［11］CASTILLO S A.Construction of a methodology to re?fine a spares suite［M］.Monterey，California：Naval Postgraduate School，1999：7-60.

Warship's RMS modeling and simulation based on the task process

YUAN Zong
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Reliability，Maintainability and Supportability（RMS）are important design features that signifi?cantly affect the availability of the warship.In order to enrich the design and analyzing methods of war?ship's RMS，this paper，based on the task process，proposes a modeling method for warship's RMS simula?tion by using the computer simulation modeling technology，establishes a dynamic description model re?flecting the relationship among the warship's tasks，equipment，and support resources，and designs a simula?tion process of the warship's RMS by exploiting the simulation method for the discrete event system.Final?ly，the modeling and simulation software system is implemented，which includes the overall frame，function module，and main user interface.It is concluded that the proposed system could provide technical and ana?lytical support for the design of warship's RMS.

warship's task；reliability；maintainability；supportability；modeling；simulation

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.002

2015-05-20網(wǎng)絡出版時間：2016-3-17 10:56

國家部委基金資助項目

原宗（通信作者），男，1984年生，碩士，工程師。研究方向：艦船綜合保障。

E-mail：yuanzong93@163.com