胡 斌，狄 鵬，劉 剛

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

基于流程仿真的物資接收系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法*

胡 斌，狄 鵬，劉 剛

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

針對(duì)船舶物資接收時(shí)間計(jì)算的問題，新增加了對(duì)設(shè)備發(fā)生故障的考慮，通過引入接收時(shí)間可靠性的概念，將其轉(zhuǎn)換為船舶物資接收系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)問題。為了解決上述可靠性預(yù)計(jì)問題，提出了基于流程仿真的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法。分析了物資接收系統(tǒng)的工作流程，依據(jù)工作流程實(shí)現(xiàn)了仿真程序，用蒙特卡洛法對(duì)物資接收系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了求解，并分析了設(shè)備不同的可靠性水平對(duì)物資接收系統(tǒng)可靠性的影響。仿真結(jié)果表明，增加了對(duì)設(shè)備故障的考慮后，對(duì)物資接收時(shí)間的估計(jì)更加接近實(shí)際；基于流程仿真的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法的模型更容易理解，所得結(jié)論更加具體。

可靠性預(yù)計(jì)，流程仿真，物資接收系統(tǒng)，船舶備航階段

0 引言

船舶出航前需要快速完成航行前的準(zhǔn)備工作。對(duì)于運(yùn)輸船而言，備航階段的主要工作就是將碼頭上的物資裝船，工程上需要對(duì)備航階段的物資接收時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，并確保該時(shí)間滿足使用方要求。

以往在進(jìn)行船舶物資接收時(shí)間計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化問題，在工程上通常不考慮系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障的情況［1-2］。然而，實(shí)際情況中設(shè)備的故障可能導(dǎo)致物資接收時(shí)間延長(zhǎng)。因此，本文在考慮系統(tǒng)中設(shè)備故障的情況下，引入時(shí)間可靠性的概念，將物資接收時(shí)間計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為物資接收系統(tǒng)的時(shí)間可靠性預(yù)計(jì)問題進(jìn)行研究。

由于船舶物資接收過程較為復(fù)雜、物資接收系統(tǒng)的可靠性與接收流程密切相關(guān)，可靠性框圖法［3］、故障樹法［4］、二元決策圖法［5］、馬爾可夫法［6］、貝葉斯網(wǎng)法［7］等可靠性分析方法均難以對(duì)上述問題進(jìn)行建模、求解，因此，提出了基于流程仿真的可靠性預(yù)計(jì)方法。

1 物資接收流程分析

1.1 基本情況

某船舶物資接收系統(tǒng)共包含8各物資倉庫，分別布置在船的01甲板、1甲板、2甲板、3甲板、4甲板和底艙，如圖1所示。每個(gè)倉庫在轉(zhuǎn)運(yùn)接收過程中所需的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備及其數(shù)量（共13輛轉(zhuǎn)運(yùn)車、2部升降機(jī)）也一并標(biāo)注在圖中。

各倉庫的典型存儲(chǔ)量如表1所示。

表1 倉庫典型存儲(chǔ)量

1.2 總體工作流程

船舶從碼頭接收物資的總體流程如下：使用船舶的吊機(jī)或碼頭起重機(jī)將物資吊放到01甲板的甲板面上；利用船內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)車將物資轉(zhuǎn)運(yùn)到01甲板的升降機(jī)內(nèi)，通過升降機(jī)送到指定甲板層；當(dāng)物資轉(zhuǎn)運(yùn)到指定倉庫后，利用轉(zhuǎn)運(yùn)車將物資存放至指定位置，如圖2所示。

1.3 設(shè)備工作流程

從物資接收的總體流程可以看出，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流程仿真，需要明確系統(tǒng)中主要設(shè)備的工作流程，包括轉(zhuǎn)運(yùn)車和升降機(jī)。

1.3.1 轉(zhuǎn)運(yùn)車的工作流程

物資接收系統(tǒng)中包含13輛轉(zhuǎn)運(yùn)車，其工作流程基本相同，如圖3所示。

①判斷堆放點(diǎn)的物資是否已經(jīng)運(yùn)完。如果運(yùn)送完畢則可以停止工作，否則進(jìn)行上貨，時(shí)間約為30 s。

②判斷升降機(jī)是否到達(dá)該層甲板。如果升降機(jī)被占用，則轉(zhuǎn)運(yùn)車需要等待10 s（仿真步長(zhǎng)）后進(jìn)行下一次判斷；如果升降機(jī)空閑，則轉(zhuǎn)運(yùn)車隨著升降機(jī)下行到相應(yīng)的甲板。升降機(jī)的運(yùn)行速度為0.5 m/s，相鄰甲板之間高度為4 m，故升降機(jī)在相鄰甲板之間上行和下行時(shí)間約為10 s。在這里假設(shè)該轉(zhuǎn)運(yùn)車從01甲板運(yùn)送物資到1甲板的倉庫，因此，其下行時(shí)間為10 s。

③當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車到達(dá)倉庫后，需要判斷倉庫內(nèi)是否已經(jīng)有轉(zhuǎn)運(yùn)車在工作。如果倉庫內(nèi)已經(jīng)有轉(zhuǎn)運(yùn)車（倉庫中只能允許一輛轉(zhuǎn)運(yùn)車工作），則需要等待10 s（仿真的步長(zhǎng)）后再進(jìn)行判斷；如果沒有轉(zhuǎn)運(yùn)車，則可以進(jìn)入倉庫內(nèi)進(jìn)行工作，倉庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知為270 s。

④倉庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)完畢后，需要判斷是否有升降機(jī)空閑，如果沒有需要等待10 s（仿真的步長(zhǎng)）后再判斷；如果有升降機(jī)空閑，則隨升降機(jī)回到最初的堆放點(diǎn)進(jìn)行下一次工作。

1.3.2 升降機(jī)的工作流程

物資接收系統(tǒng)中包含2輛升降機(jī)，其工作流程完全相同，如圖4所示。

①升降機(jī)初始狀態(tài)為空閑，當(dāng)有轉(zhuǎn)運(yùn)車需要達(dá)到指定甲板層時(shí)，該車向升降機(jī)發(fā)出運(yùn)送請(qǐng)求，升降機(jī)接受運(yùn)送任務(wù)。

②升降機(jī)到達(dá)轉(zhuǎn)運(yùn)車所在甲板。

③等待轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)入升降機(jī)后，將轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)送到指定甲板，在轉(zhuǎn)運(yùn)車離開升降機(jī)后，此次任務(wù)完成。在執(zhí)行運(yùn)送任務(wù)期間，升降機(jī)不接收其他轉(zhuǎn)運(yùn)車的運(yùn)送請(qǐng)求。

④升降機(jī)轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)，等待下一次的轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)送申請(qǐng)。

2 仿真分析

2.1 不考慮設(shè)備故障的仿真分析

按照工程上的估算方法，假設(shè)設(shè)備不會(huì)發(fā)生故障，2部升降機(jī)能完全滿足需求，則各倉庫能同時(shí)進(jìn)行接收。對(duì)于不在01甲板的各倉庫，由于有2輛轉(zhuǎn)運(yùn)車交替運(yùn)送，分析可知運(yùn)送的瓶頸不在于甲板間的運(yùn)送，而在于倉庫內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)，故一次運(yùn)送時(shí)間約為4.5min。工程估算各倉庫的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間如表2所示。

由于#7倉庫的物資最多，其接收時(shí)間也最長(zhǎng)，因此，物資接收系統(tǒng)的總接收時(shí)間為#7倉庫的接收時(shí)間9.75 h。

然而，通過仿真得到的系統(tǒng)接收時(shí)間為11.6 h，這說明接收過程中2部升降機(jī)不能完全滿足需求，存在轉(zhuǎn)運(yùn)車等待升降機(jī)的情況。

表2 工程估算各倉庫的接收時(shí)間表

為了更加合理地運(yùn)用升降機(jī)，按照倉庫的存儲(chǔ)量給定倉庫使用升降機(jī)的優(yōu)先級(jí)，存儲(chǔ)量越大則優(yōu)先級(jí)越高，即：#7倉庫＞#6倉庫＞#4倉庫＞#3倉庫＞#2倉庫＞#5倉庫。按上述優(yōu)先級(jí)重新進(jìn)行仿真，得到的系統(tǒng)接收時(shí)間為9.78 h，與前面分析結(jié)果基本相同，表明此時(shí)升降機(jī)完全滿足需求。

由此可見，工程估算方法的假設(shè)—2部升降機(jī)能完全滿足需求—可能并不成立。采用仿真分析，不僅可以得到系統(tǒng)接收時(shí)間，還能給出具體的物資接收方案。

2.2 考慮設(shè)備故障的仿真分析

2.2.1 設(shè)備的可靠性指標(biāo)值不變

在考慮系統(tǒng)中設(shè)備可能發(fā)生故障的情況下，物資接收時(shí)間就不再是一個(gè)定值。因此，參考行程時(shí)間可靠性［9］的概念，定義了接收時(shí)間可靠性。

定義 接收時(shí)間可靠性R是在規(guī)定的接收時(shí)間內(nèi)完成物資接收任務(wù)的概率，即

其中，t表示實(shí)際接收時(shí)間，T0表示使用方規(guī)定的接收時(shí)間。

假設(shè)物資接收系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)運(yùn)車和升降機(jī)的壽命分布服從指數(shù)分布，轉(zhuǎn)運(yùn)車的平均故障間隔時(shí)間MTBFy=1 000 h、平均修復(fù)時(shí)間MTTRy=2 h，升降機(jī)的平均故障間隔時(shí)間MTBFs=500 h、平均修復(fù)時(shí)間MTTRs=2 h。采用蒙特卡洛法，結(jié)合第1節(jié)中分析得出的物資接收工作流程，實(shí)現(xiàn)工作流程仿真，仿真結(jié)果得到物資系統(tǒng)接收時(shí)間可靠性R。具體流程如下：

①依據(jù)壽命分布，分別仿真13輛轉(zhuǎn)運(yùn)車、2部升降機(jī)在其使用期間是否發(fā)生故障。假設(shè)r為（0，1）區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)變量，故障率為，設(shè)備正常工作時(shí)間tz的隨機(jī)變量抽樣公式為［10］：

若設(shè)備執(zhí)行某項(xiàng)操作（如上貨或倉庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)）的時(shí)間t0≤tz，則設(shè)備可正常執(zhí)行完該項(xiàng)操作；若t0＞tz，則設(shè)備在執(zhí)行操作過程中發(fā)生故障。

②若設(shè)備發(fā)生故障，則對(duì)其進(jìn)行修理，修理時(shí)間為MTTR，修復(fù)后再次投入使用；

③進(jìn)行N次仿真，其中Ns次在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成物資接收，則接收時(shí)間可靠性R的估計(jì)值為

采用上述方法進(jìn)行1 000次仿真，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，考慮設(shè)備故障后，系統(tǒng)中發(fā)生的設(shè)備故障可能導(dǎo)致總接收時(shí)間延長(zhǎng)。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)接收時(shí)間要求的不同，系統(tǒng)會(huì)有不同的可靠性指標(biāo)值，即船舶物資接收系統(tǒng)的可靠性具有多狀態(tài)特性。

2.2.2 設(shè)備的可靠性指標(biāo)值發(fā)生變化

由于實(shí)際中設(shè)備的可靠性指標(biāo)值可能與其預(yù)計(jì)值有偏差，還需進(jìn)一步考慮設(shè)備的可靠性指標(biāo)值發(fā)生變化時(shí)，物資接收系統(tǒng)的可靠性。假設(shè)MTBFy分別為600 h、800 h、1 000 h、1 200 h 和 1 400 h，MTBFs分別為300 h、400 h、500 h、600 h 和 700 h，接收時(shí)間要求分別為10 h和10.5 h，對(duì)物資接收系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

①接收時(shí)間要求為10 h

船舶物資接收系統(tǒng)可靠性R1的仿真結(jié)果如表3和圖5所示。表3和圖5表示的是在升降機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車可靠性指標(biāo)值發(fā)生變化時(shí)，物資接收系統(tǒng)可靠性指標(biāo)值的變化情況。

表3 可靠性的仿真結(jié)果

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)升降機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車的可靠性都對(duì)系統(tǒng)可靠性有一定影響，設(shè)備可靠性越高，則系統(tǒng)可靠性越高。例如，當(dāng)MTBFy一定時(shí)，系統(tǒng)可靠性隨著MTBFs的增加而增大；而當(dāng)MTBFs一定時(shí)，系統(tǒng)可靠性隨著MTBFy的增加而增大。

②接收時(shí)間要求為10.5 h

船舶物資接收系統(tǒng)可靠性R2的仿真結(jié)果如表4和圖6所示。

表4 可靠性的仿真結(jié)果

從圖6中可以看出，將接收時(shí)間要求從10 h放寬到10.5 h后，物資接收系統(tǒng)可靠性有一定增大，但設(shè)備可靠性的變化對(duì)其影響效果是相同的，同樣是設(shè)備可靠性越高，系統(tǒng)可靠性越高。

從圖5和圖6中可以看到，存在少部分的反常情況，即設(shè)備可靠性增加了，系統(tǒng)可靠性反而下降。這是因?yàn)樵O(shè)備故障的發(fā)生具有偶然性，繼續(xù)增大仿真次數(shù)將會(huì)減少這種情況。但從總體來看，“設(shè)備可靠性越高，則系統(tǒng)可靠性越高”是主要規(guī)律。

通過對(duì)設(shè)備可靠性指標(biāo)值發(fā)生變化的分析，工程人員可以對(duì)系統(tǒng)的可靠性范圍有更清楚的認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)論

采用基于流程仿真的方法，對(duì)船舶物資接收系統(tǒng)的時(shí)間可靠性問題進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)的物資接收時(shí)間計(jì)算相比，主要有以下改進(jìn)：①考慮了物資接收過程中設(shè)備發(fā)生故障的情況，仿真結(jié)果表明設(shè)備故障可能導(dǎo)致接收物資時(shí)間延長(zhǎng)，物資接收系統(tǒng)可靠性呈現(xiàn)多狀態(tài)特性；②通過仿真分析，不僅能夠得到物資接收時(shí)間，還得到了相應(yīng)的具體接收方案，即庫存量大的倉庫優(yōu)先使用升降機(jī)；③進(jìn)一步分析了設(shè)備不同的可靠性水平，對(duì)物資接收系統(tǒng)可靠性的影響，便于工程人員掌握系統(tǒng)可靠性可能的變化范圍；④該方法對(duì)實(shí)際工作流程進(jìn)行仿真，對(duì)于非可靠性專業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、使用人員而言更加容易理解。當(dāng)然，上述方法對(duì)數(shù)據(jù)量的需求較大，特別是要求對(duì)工作流程非常清楚，而更細(xì)致的工作流程模型會(huì)帶來更大的計(jì)算量。因此，在工程上，該方法適用于一些重要系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)。

［1］劉偉超，李大龍，王愛娟.船舶內(nèi)部物流轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)仿真［J］.工業(yè)工程，2009，12（4）：100-105.

［2］武晶.船舶補(bǔ)給物資調(diào)運(yùn)仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

［3］陳志誠(chéng)，齊歡，魏軍.基于可靠性框圖的可靠性建模研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18（6）：407-411.

［4］葉俊，龍志強(qiáng).基于動(dòng)態(tài)故障樹的中低速磁懸浮列車供電系統(tǒng)可靠性分析 ［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2007，30（1）：25-28.

［5］張濤，郭波，譚躍進(jìn).一種基于BDD的多階段任務(wù)系統(tǒng)可靠度新算法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，29（3）：446-470.

［6］崔利榮.馬爾可夫鏈在可靠性計(jì)算中的一些新應(yīng)用［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1999，21（12）：89-91.

［7］趙俊閣，張琪，付鈺.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理在信息系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，19（6）：67-70.

［8］寧波，陳剛，陳衛(wèi)東.基于蒙特卡洛法的水下火箭攻擊彈道數(shù)學(xué)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（Suppl.2）：8-12.

［9］張勇，白玉，楊曉光.城市道路網(wǎng)絡(luò)的行程時(shí)間可靠性［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2009，29（8）：171-176.

［10］熊堯，徐巍，張文俊.面向大型船舶裝備的系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)方法研究 ［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37（6）：122-126.

Reliability Prediction Method of Ship Supplies Receive System Based on Flow Simulation

HU Bin，DI Peng，LIU Gang
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Aiming at the calculation of time for receiving the ship supplies，the consideration of equipment failures is added，and the calculation problem is converted to by introducing the concept of receive time reliability.To solve the problem of reliability prediction，system reliability prediction method based on flow simulation is proposed.Firstly，the work flow of supplies receive system is analyzed.Secondly，the simulation of the work flow is achieved.Finally，the reliability of supplies receive system is solved by Monte Carlo method，and the influence of different reliability levels of equipment to supplies receive system.The simulation results indicate that the assessment of supplies receiving time is closer to the actual after the equipment failures is considered.The model of the reliability prediction method based on flow simulation is easier to understand and the conclusion is more specific.

reliability prediction，flow simulation，supplies receive system，ship preparing phase

TP14

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.04

1002-0640（2017）11-0014-05

2016-08-29

2016-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（71401171）；海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金（HGDQNEQJJ15017）；軍隊(duì)院校2110工程基金資助項(xiàng)目

胡 斌（1982- ），男，湖北武漢人，博士，講師。研究方向：可靠性工程，綜合保障工程。