基于EXTEND的魚雷技術準備過程建模與仿真*

周廣慶 王 睿

(91315部隊1) 大連 116041)(海軍工程大學兵器工程系2) 武漢 430033)

1 引言

魚雷裝備是海軍的主戰武器裝備,其作戰性能是制約戰斗力的重要因素。魚雷技術準備過程是將魚雷裝備由從儲存狀態經分解、測試、組裝等一系列保障環節后轉化為一級戰斗使用狀態的過程,其目的主要是確保魚雷裝備的戰術、技術性能的可靠性。該過程包含多個保障環節,涉及多個保障專業,保障過程復雜。由于保障設備配置不合理,個別保障環節往往成為制約技術準備保障效率的瓶頸。因此,在技術準備作業的作業組織、保障方案擬制等工作中,需要對技術保障部隊完成魚雷技術準備任務的能力和各保障環節保障設備配置的合理性進行評估。

目前,對裝備技術準備過程進行分析的研究很少,主要是基于導彈裝備,多數研究是利用交叉網絡作業法[1]和網絡作業圖[2～3]等方法對其進行靜態分析,建模過程復雜,分析難度大。由于魚雷的技術準備過程是一個復雜、隨機動態離散事件系統,保障環節之間相互依存,相互制約,各保障環節的保障時間隨機波動,靜態的分析方法很難有效對其進行建模,需要通過對模型進行假設來簡化上述隨機因素,利用這些方法難以對技術準備過程進行準確評估。

本文提出運用計算機仿真方法對魚雷技術準備過程進行研究。在對魚雷技術準備過程分析的基礎上,以美國Imagine That公司研制的離散事件仿真軟件(EXTEND)為仿真平臺,建立了該保障過程的仿真模型。通過從系統整體、保障環節、裝備實體等角度出發進行多層面的仿真分析,可以得到規定時間內系統準備完成的裝備數量、規定任務需要的準備時間、各保障環節的排隊長度、裝備實體的技術準備周期等技術準備過程的一些重要指標,進而評價該保障系統的保障能力和保障資源配置的合理性,找出制約技術準備效率的瓶頸,并加以改進,從而達到提高魚雷技術準備能力的目的。

2 魚雷技術準備過程分析

魚雷裝備實體從儲存倉庫開始,在運抵技術準備陣地后,由魚雷技術保障部隊在拆解服務臺將其拆解成動力段、控制段、引信段三個待檢段,各待檢段被分送到相應檢測服務臺利用檢測儀進行檢查、測試,檢測合格段進入組裝服務臺等待組裝,不合格段則進入修理服務臺進行檢修,修理完畢后重新進行檢測。組裝完畢后進行燃料加注和電池充電,最后經過綜合測試合格后交付作戰使用單位。魚雷技術準備過程如圖1所示。

圖1 魚雷技術準備過程

由圖1可見,各技術準備保障環節成串行關系,緊密聯系,相互依存。若任一保障環節保障能力有限,都將制約整個技術準備的保障效率。而在各保障環節中,保障設備的配置是決定該保障環節保障能力的關鍵。

3 基于EXTEND的魚雷技術準備仿真建模

魚雷及其各段部件驅動著整個魚雷技術準備過程的進行,因此,魚雷技術準備過程是典型的離散事件動態系統。本文基于離散事件仿真開發平臺EXT END對魚雷技術準備過程進行仿真建模。EXT END以Modl-c為仿真語言,支持離散事件仿真、連續事件仿真和混合事件仿真,通過對軟件中各模塊的組合連接構建仿真模型[4]。同時,EXTEND支持層次化建模,使仿真模型更加簡潔易懂。魚雷技術準備過程主要包括到達模型、拆解模型、檢測模型、組裝模型、加注充電模型。

1)到達模型

魚雷裝備實體和燃料實體從儲存倉庫到技術準備陣地的過程是單個隨機到達的,相鄰兩個實體之間的時間間隔服從隨機分布。

2)拆解模型

圖2 拆解過程仿真模型

魚雷裝備在進入拆解服務臺后首先進入拆解隊列進行排隊,若拆解設備空閑,則將魚雷總體拆解為動力段、控制段和引信段,否則在隊列等待,排隊規則為先到先服務(FIFO),拆解服務時間服從于隨機分布,魚雷裝備在拆解過程仿真模型如圖2所示。

圖3 檢測過程仿真模型

3)檢測模型

在檢測過程中,不合格部件或裝備將被送去維修,維修完畢后將被重新檢測,檢測合格后進入下一步技術準備活動,整體檢測合格后,魚雷裝備實體離開技術保障陣地,各檢測臺的技術檢測持續時間服從隨機分布。檢測服務過程和故障件檢修排隊服務規則為先到先服務(FIFO),魚雷檢測過程仿真模型如圖3所示。整個技術準備過程共有動力段、控制段、引信段和整體檢測4個檢測臺。裝備的狀態Sj根據歷史統計數據服從經驗分布,j=1,2,3分別為動力段、控制段、引信段,j=4為魚雷總體,裝備的狀態Sj如式(1)所示。

其中Pj為j#檢測臺檢測軍械裝備不合格的概率,Sj=1表示裝備合格,Sj=0表示裝備不合格。

4)組裝模型

在組裝過程中,檢測合格的動力段、控制段和引信段進入組裝服務臺組裝為魚雷總體,排隊規則為先到先服務(FIFO),組裝服務時間服從于隨機分布,魚雷裝備組裝過程仿真模型如圖4所示。

圖4 組裝過程仿真模型

5)加注充電模型

加注充電過程與組裝模型有些類似,主要是將燃料與魚雷總體進行組裝,并進行燃料加注服務和充電服務,排隊規則為先到先服務(FIFO),加注充電服務時間服從于隨機分布,具體模型不再詳述。

將上述模型進行層次化集成,并按照魚雷技術準備的實際的作業過程關系,建立了魚雷技術準備過程仿真模型,如圖5所示。

圖5 魚雷技術準備過程仿真模型

4 魚雷技術準備過程仿真分析

基于魚雷技術準備過程的仿真模型不僅使技術保障決策者可以對魚雷技術準備流程有一個清晰的認識,而且可以通過仿真定量分析,找出保障瓶頸,對保障過程進行調整改進,提高保障效率。本文根據部隊實際情況,提出了魚雷技術準備過程仿真分析步驟。

4.1 試驗設計

4.1.1 仿真運行方式確定

由于魚雷技術準備過程仿真模型涉及保障時間的隨機波動等隨機因素,一次仿真試驗只能在隨機變量抽樣值的基礎上得到一個結果樣本,難以對技術準備過程進行準確評估。因此,本文基于Monte-Carlo方法對仿真模型進行Nrun次仿真統計試驗,通過結果樣本集估計相應的評價參數。

4.1.2 仿真終止條件確定

技術保障決策者主要關心兩個問題:一是在給定任務時間內能夠完成技術準備的魚雷的數量;二是完成給定技術準備的魚雷的數量需要多少時間。仿真目的不同,仿真的終止條件也不同,對于前者仿真在達到任務時間 Tm時,仿真終止,統計仿真結果,而對于后者則需要在完成任務數量Nm的條件下,仿真才能夠終止。針對不同保障目的,需要選擇相應的仿真終止方式。

4.1.3 仿真評價指標確定

為了能夠科學評價和分析技術準備過程,本文從系統宏觀和保障環節、裝備實體的微觀出發進行多層面的仿真分析,選取規定時間Tm內技術準備完成的裝備平均數量Nmr和規定完成任務數量Nm需要的平均時間Tmr作為技術準備過程總體評價指標,其中,Nmr和Tmr的選取要根據上節的保障目的來進行選取。選取各保障設備的平均排隊等待長度Li和平均利用率ui、裝備實體的平均技術準備周期Tcycle作為技術準備過程的微觀評價指標,通過綜合總體評價指標和微觀評價指標來對魚雷技術準備過程進行仿真評價。

4.2 仿真結果分析

對仿真模型進行Nrum次仿真統計運行,得到規定時間Tm內技術準備完成的裝備數量Nmr等仿真統計結果。通過對仿真結果的統計分析,可以將仿真總體結果與保障目標要求進行比較,若仿真結果不能達到要求,則通過保障設備的平均排隊等待長度Li和平均利用率ui兩個微觀指標進行分析,對Li和ui過高的保障設備,可確定為瓶頸環節,對第i號保障設備的數量進行調整,通過增加第i號保障設備,提高該保障環節的保障效率,并根據調整好的參數進行進一步的仿真評估,分析是否滿足要求,若仍不滿足則按上述方法反復進行,直到達到保障目標為止。

5 應用實例

為了驗證魚雷技術準備仿真模型的有效性,以某型魚雷裝備為例,基于該仿真模型進行實例分析。該型魚雷裝備技術保障部隊需要在3天時間內完成60個一級雷的技術準備工作。待檢魚雷總體和燃料進入技術保障過程的間隔時間均服從于正態分布,分布參數為(60,10),保障設備的仿真輸入參數如表1所示。

通過仿真運行1000次,得到仿真統計結果,如表2所示。

從表2可以得出,技術準備平均完成數量較保障要求相差甚遠,通過分析各保障設備的評價指標統計結果,可以發現動力段、控制段和引信段的平均等待長度和平均利用率均很高,而其它設備在這兩個指標上卻處于很低的水平,其主要原因是它們的服務時間相比其他保障設備要長很多。因此,這三個保障環節是整個技術準備過程的瓶頸,需要通過調整保障設備配置來提高保障能力。調整后的保障設備方案如表3所示。

對調整后的保障設備方案進行1000次仿真運算,得到該保障方案下的仿真統計結果,如表4所示。

表1 保障設備仿真輸入數據

表2 仿真統計結果

表3 調整后的保障設備方案

表4 調整后的保障設備方案下的仿真統計結果

通過表4說明,調整后的保障設備方案下的技術準備平均完成數量為64.302,達到了預期的保障要求。從各保障環節的統計結果分析,可以發現平均等待長度均處于較低水平,而平均利用率處于較高水平,說明各保障設備都充分發揮了各自的保障能力。無論從技術準備總體目標來看,還是從各保障環節的微觀評價指標分析,調整后的保障設備方案都是合理的。

6 結語

本文根據魚雷技術準備過程的特點,提出了基于計算機仿真的方法對技術準備過程進行分析。該方法相比靜態的分析方法,能夠更準確地描述魚雷技術準備流程,通過仿真定量分析,能夠對技術準備流程進行有效評價,通過試驗設計和敏感性分析,可以優化保障設備配置,提高技術保障效能。最后,通過實例驗證了該方法的有效性和實用性。由于軍械裝備技術準備過程的相似特征,該研究方法可以應用于導彈、水雷等類似的技術保障作業系統,根據裝備的技術保障流程可以快速構建仿真模型,實現技術準備優化,提高技術準備能力。

[1]邱開蘭,張福光.交叉網絡作業法的導彈技術準備流程優化[J].海軍航空工程學院學報,2007,22(4):346～346

[2]彭善國,等.導彈技術準備網絡作業流程優化[J].海軍航空工程學院學報,2005,20(5):551～555

[3]李明雨,楊萍.網絡計劃在導彈批量測試中的應用[J].兵工自動化,2005,24(4):19～21

[4]Krahl D.EXTEND:AN INTERACTIVE SIMULATION TOOL[C]//Proceedings of the 2003 Winter Simulation Conference,2003:188～196

[5]Krahl D.THE EXTEND SIM ULA TION ENVIRONM ENT[C]//Proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference,2001:217～225