海上補(bǔ)給裝備維修保障仿真

邢道奇，龔 銘，張世云

(海軍工程大學(xué) 勤務(wù)學(xué)院，天津 300450)

● 裝備保障 Equipment Support

海上補(bǔ)給裝備維修保障仿真

邢道奇，龔 銘，張世云

(海軍工程大學(xué) 勤務(wù)學(xué)院，天津 300450)

為提高海上補(bǔ)給裝備維修保障能力，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，分析海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)各因素之間的因果關(guān)系，建立維修系統(tǒng)流圖。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Vensim PLE，分析維修備件器材延遲、維修延遲和修理能力等因素對海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)的影響。

海上補(bǔ)給裝備；裝備維修保障；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

隨著海軍使命任務(wù)的不斷拓展，海上補(bǔ)給裝備作為海上后勤保障力量的重要組成部分，其地位和作用日益突顯。近年來，在海軍遠(yuǎn)洋訓(xùn)練、演習(xí)、亞丁灣護(hù)航等任務(wù)中，海上補(bǔ)給裝備的維修保障問題越來越突出。因此，分析研究海上補(bǔ)給裝備維修情況，提高海上補(bǔ)給裝備維修能力，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。海上補(bǔ)給裝備的維修保障涉及因素多、關(guān)系復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的建模方法很難對系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間關(guān)系以及外部因素制約的復(fù)雜性進(jìn)行準(zhǔn)確描述。目前，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics，SD)方法[1]研究解決飛機(jī)[2]、導(dǎo)彈[3]、艦炮武器[4]等的保障系統(tǒng)問題，取得了較好的效果。因此，本文根據(jù)海上補(bǔ)給裝備維修保障的實(shí)際，引入SD方法分析海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)各相關(guān)因素的關(guān)系，并進(jìn)行建模與仿真研究，從而為提高海上補(bǔ)給裝備維修保障水平提供有益參考。

1 海上補(bǔ)給裝備維修保障

海上補(bǔ)給裝備是涉及機(jī)械、液壓、電氣等多項(xiàng)技術(shù)的復(fù)雜裝置系統(tǒng)。海上補(bǔ)給裝備工作環(huán)境惡劣，執(zhí)行任務(wù)時(shí)使用頻度高，裝備運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷大，因此，裝備故障率較高，嚴(yán)重影響海上補(bǔ)給任務(wù)的完成。海上補(bǔ)給裝備現(xiàn)采用三級維修保障，即艦員級維修、中繼級維修和基地級維修，各級保障的人員、工作內(nèi)容以及維修類型等見文獻(xiàn)[5]。其保障流程為：海上補(bǔ)給裝備在使用管理中出現(xiàn)故障，首先進(jìn)行艦員級維修，即由艦員利用艦船配備的裝備手冊、圖紙等技術(shù)資料以及診斷維修工具進(jìn)行維修，修復(fù)的海上補(bǔ)給裝備重新投入使用；由于受到艦員維修知識水平、診斷維修工具、維修備件器材資源等限制，艦員無法修復(fù)的海上補(bǔ)給裝備，則申請中繼級維修。中繼級維修通常在補(bǔ)給艦船靠泊碼頭時(shí)，由中繼級維修機(jī)構(gòu)派遣修理人員攜帶相關(guān)診斷維修工具、維修備件器材到補(bǔ)給艦船上進(jìn)行維修。因此，中繼級維修存在一定的滯后性。中繼級維修機(jī)構(gòu)無法修復(fù)的海上補(bǔ)給裝備，則再申請基地級維修。通常基地級維修需要補(bǔ)給艦船進(jìn)入修船廠或造船廠，依托其先進(jìn)的診斷維修工具、設(shè)施，由專業(yè)維修人員負(fù)責(zé)實(shí)施，維修周期進(jìn)一步加大。

從以上維修保障過程可以看出，海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)是一個(gè)具有時(shí)變性、多參數(shù)、非線性、多重反饋的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)仿真建模方法很難準(zhǔn)確描述系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的相互關(guān)系，也難于控制分析關(guān)鍵因素對系統(tǒng)的影響。而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在解決這樣的維修系統(tǒng)問題時(shí)，能夠從系統(tǒng)全局和整體上進(jìn)行分析，將定性與定量分析相結(jié)合，研究海上補(bǔ)給裝備保障系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)關(guān)系。同時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的行為模式與結(jié)果主要取決于模型結(jié)構(gòu)，而對參數(shù)變化并不敏感，一定范圍內(nèi)參數(shù)的變化，不影響對系統(tǒng)行為的模擬及其結(jié)果，因此，在數(shù)據(jù)缺乏的條件下具有優(yōu)越性。

2 海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.1 因果關(guān)系圖

由于海上補(bǔ)給裝備發(fā)生故障和對故障裝備進(jìn)行維修這兩種狀態(tài)并存，裝備的使用與維修的耦合關(guān)系，隨著時(shí)間的推移，可以用裝備在使用狀態(tài)、故障狀態(tài)、艦員級維修、中繼級維修以及基地級維修之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來描述。運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法分析海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)的因果關(guān)系(如圖1所示)，可以看出，存在4個(gè)因果反饋循環(huán)，包括兩個(gè)正反饋回路R1、R2和兩個(gè)負(fù)反饋回路B1、B2。其中：R1表示故障補(bǔ)給裝備與執(zhí)行艦員級維修的補(bǔ)給裝備之間的因果關(guān)系；R2表示故障補(bǔ)給裝備、執(zhí)行艦員級維修的補(bǔ)給裝備、艦員級不可修補(bǔ)給裝備、執(zhí)行中繼級維修的補(bǔ)給裝備、中繼級不可修補(bǔ)給裝備、基地級維修補(bǔ)給裝備、完好補(bǔ)給裝備之間的因果關(guān)系；B1表示故障補(bǔ)給裝備與完好補(bǔ)給裝備之間的因果關(guān)系；B2表示故障補(bǔ)給裝備、執(zhí)行艦員級維修的補(bǔ)給裝備、艦員級不可修補(bǔ)給裝備、執(zhí)行中繼級維修的補(bǔ)給裝備、完好補(bǔ)給裝備之間的因果關(guān)系。

圖1 海上補(bǔ)給裝備維修因果關(guān)系

(1)完好補(bǔ)給裝備由于使用而發(fā)生故障，因此，使用的補(bǔ)給裝備越多，一段時(shí)間后發(fā)生故障的補(bǔ)給裝備就會(huì)增多。由于補(bǔ)給裝備一段時(shí)間內(nèi)總量是一定的，故障的補(bǔ)給裝備增加必然導(dǎo)致完好補(bǔ)給裝備減少。

(2)補(bǔ)給裝備發(fā)生故障后，首先需要進(jìn)行艦員級維修，因此，隨著故障的補(bǔ)給裝備增加，需要艦員維修的補(bǔ)給裝備也越多，隨著艦員級修理的進(jìn)行，故障補(bǔ)給裝備在減少，完好補(bǔ)給裝備增多。同時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)，艦員級維修成功的補(bǔ)給裝備越多，艦員級不可修補(bǔ)給裝備的數(shù)量必然減少。

(3)隨著時(shí)間推移，艦員級不可修補(bǔ)給裝備的數(shù)量逐漸增加，需要進(jìn)行中繼級維修的補(bǔ)給裝備數(shù)量也相應(yīng)增多，經(jīng)過中繼級維修后，可用的補(bǔ)給裝備的數(shù)量增多，這反過來導(dǎo)致故障補(bǔ)給裝備數(shù)量減少；增加基地級維修因素后，隨著中繼級不可維修的補(bǔ)給裝備越來越多，基地級維修補(bǔ)給裝備數(shù)量必然會(huì)相應(yīng)增加，維修后的完好裝備也會(huì)增多，使故障裝備數(shù)量減少。

2.2 仿真模型假設(shè)

對海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)建模進(jìn)行以下界定：①執(zhí)行補(bǔ)給任務(wù)時(shí)，防衛(wèi)得當(dāng)，不考慮敵情帶來的影響；②現(xiàn)有補(bǔ)給裝備總量不變，初始補(bǔ)給裝備為500臺，裝備的維修相互獨(dú)立，沒有相關(guān)性；③不考慮維修備件器材缺乏造成無法維修的情況；④對故障裝備進(jìn)行修復(fù)性維修，且是完全維修；⑤將各級維修能力主要分解為診斷能力與修理能力，且權(quán)重相同；⑥維修時(shí)只考慮維修延遲與器材備件保障延遲，不考慮其他因素造成的延遲影響；⑦將維修計(jì)劃申報(bào)、審批造成的中繼級維修延遲和基地級維修延遲分別定為5天、15天，初始備件延遲均假設(shè)為0天；⑧補(bǔ)給裝備故障率為0.001臺/天；⑨仿真時(shí)間為500天，仿真步長取0.125，根據(jù)實(shí)際情況確定其他常數(shù)。

2.3 模型流圖與SD方程

將圖1中因果關(guān)系進(jìn)行變量分類，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Vensim PLE，構(gòu)建海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)流圖(如圖2所示)。流圖中選取完好補(bǔ)給裝備數(shù)量E作為水平變量，將維修補(bǔ)給裝備M、故障補(bǔ)給裝備F作為速率變量。將診斷能力、修理能力定義為[0,1]區(qū)間內(nèi)的無量綱數(shù)值，通過專家咨詢法獲得相應(yīng)取值[6]，形成診斷能力表函數(shù)RT、修理能力表函數(shù)DT。建立維修系統(tǒng)的SD方程。

圖2 海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)流圖

(1)完好補(bǔ)給裝備情況。

E=INTEG(M-F) +I

M=M1+M2+M3

F=E*λ

r=E/I

I=500

λ=0.001

(2)艦員級修理情況。

M1=DELAY1I(F*MC1,MD1+T1,0)

MC1 =(D1+R1)/2

D1 =DT1(time)

R1=RT1(time)

MD1 =0

T1=0.1

(3)中繼級修理情況。

M2=DELAY1I(UM1*MC2,MD2+T2,0)

UM1 =F-M1

MC2 =(D2+R2)/2

D2 =DT2(time)

R2=RT2(time)

MD2 =0

T2=5

(4)中繼級修理情況。

M3=DELAY1I(UM2*MC3,MD3+T3,0)

UM2 =UM1-M2

MC3 =(D3+R3)/2

D3=DT3(time)

R3=RT3(time)

MD3 =0

T3=15

3 模型仿真及分析

3.1 備件器材延遲影響仿真

為了分析備件器材延遲對補(bǔ)給裝備維修的影響，分3種情況進(jìn)行仿真。第1種情況exam1，保持各參數(shù)初始值不變；第2種情況exam2，僅調(diào)整艦員級維修的備件器材延遲為MD1=10天，其他參數(shù)保持初始值；第3種情況exam3，僅調(diào)整中繼級維修的備件器材延遲為MD2=10天，其他參數(shù)保持初始值。實(shí)際情況下，基地級維修由于其備件器材比較充足，因此，不對基地級維修的備件器材延遲情況進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，備件器材延遲增加將導(dǎo)致完好補(bǔ)給裝備數(shù)量下降，特別是在維修初期補(bǔ)給裝備完好數(shù)量下降幅度較大，隨著維修時(shí)間的推移，裝備完好數(shù)量有所回升并穩(wěn)定在第1種情況下方。從長遠(yuǎn)來看，在艦員級維修、中繼級維修中，相同的備件器材延遲對完好補(bǔ)給裝備數(shù)量的影響效果是相同的，只是在維修初期，艦員級維修的備件器材延遲帶來的影響更明顯也更快。從圖3(b)、(c)中可以看出，由于前兩級維修的備件器材延遲導(dǎo)致艦員級維修情況M1下降，使艦員級不可修補(bǔ)給裝備的數(shù)量增加，于是更多的故障補(bǔ)給裝備申請進(jìn)行中繼級維修，從而使中繼級維修情況M2增加，且在初期增加尤為明顯。從圖3(d)中可以看出，在維修初期，前兩級維修的備件器材延遲對基地級維修情況M3的影響較大，隨后下降，但仍高于第1種情況。

(a)完好補(bǔ)給裝備數(shù)量E

(b)艦員級維修情況M1

(c)中繼級維修情況M2

(d)基地級維修情況M3圖3 備件器材延遲帶來的影響

3.2 維修延遲影響仿真

仍分3種情況對維修延遲影響進(jìn)行仿真。第1種情況exam1保持各參數(shù)初始值不變；第2種情況exam2僅調(diào)整中繼級維修的維修延遲為T2=10天，其他參數(shù)保持初始值；第3種情況exam3僅調(diào)整基地級維修的維修延遲為T3=20天，其他參數(shù)保持初始值。也就是分析中繼級維修和基地級維修分別增加5天維修延遲產(chǎn)生的影響。由于在實(shí)際情況下，補(bǔ)給裝備一旦發(fā)生故障，艦員通常會(huì)立即著手進(jìn)行維修，因此，不對艦員級維修的維修延遲影響進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，后兩級維修的維修延遲，使完好補(bǔ)給裝備數(shù)量下降，但是影響相對較小。從圖4(b)—(d)中可以看出，后兩級維修的維修延遲，對艦員級維修沒有影響，對中繼級維修和基地級維修也只在維修初期有所影響，中后期影響均較小。總的來看，中繼級維修的維修延遲對基地級維修情況M3帶來的影響最大，特別是在初期，基地級維修的補(bǔ)給裝備數(shù)量明顯增加。

(a)完好補(bǔ)給裝備數(shù)量E

(b)艦員級維修情況M1

(c)中繼級維修情況M2

(d)基地級維修情況M3圖4 維修延遲帶來的影響

3.3 維修能力影響仿真

維修能力帶來的影響，主要從艦員級維修與中繼級維修的修理能力提高來分析。基地級維修主要由修船廠或造船廠來負(fù)責(zé)，其修理能力通常較高且穩(wěn)定，因此，可以不考慮其影響。分3種情況對修理能力影響進(jìn)行仿真。第1種情況exam1保持各參數(shù)初始值不變；第2種情況exam2僅提高艦員級維修的修理能力10%，其他參數(shù)保持初始值；第3種情況exam3僅提高中繼級維修的修理能力10%，其他參數(shù)保持初始值。仿真分析結(jié)果如圖5所示。

(a)完好補(bǔ)給裝備數(shù)量E

(b)艦員級維修情況M1

(c)中繼級維修情況M2

(d)基地級維修情況M3圖5 維修能力帶來的影響

從圖5(a)中可以看出，前兩級維修的修理能力提高，可以增加完好補(bǔ)給裝備數(shù)量E，且中繼級維修能力提高帶來的效果要好于艦員級維修。因此，不考慮基地級維修影響情況下，應(yīng)優(yōu)先提高中繼級維修的維修能力，來提高補(bǔ)給裝備完好率。從圖5(b)—(d)中可以看出，前兩級維修能力提高，相應(yīng)地其維修好的補(bǔ)給裝備數(shù)量增加，從而使基地級維修的故障數(shù)量下降，維修任務(wù)減少。

4 結(jié) 語

海上補(bǔ)給裝備維修是完成海上補(bǔ)給任務(wù)的重要基礎(chǔ)，更是提高海上后勤保障能力的倍增器。本文將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法引入到海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)的分析中，通過因果關(guān)系分析，有效地展現(xiàn)維修系統(tǒng)中諸多因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響的復(fù)雜關(guān)系。通過仿真分析，分別研究了維修備件器材延遲、維修延遲和維修能力對海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)帶來的影響。以上分析有助于深入認(rèn)識海上補(bǔ)給裝備維修系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，也為提高海上補(bǔ)給裝備維修能力提供了參考，具有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 鐘永光，賈曉菁，李旭．系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，2009：3-5．

[2] 黎漫斯，陳春良，張惠霞，等．視情維修條件下艦載機(jī)維修保障的動(dòng)態(tài)分析[J]．電光與控制，2014，21(3)：97-103．

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(編輯：孫協(xié)勝)

Simulation on Maintenance Support of Replenishment Equipment at Sea

XING Daoqi, GONG Ming, ZHANG Shiyun

(Service College, Naval University of Engineering, Tianjin 300450, China)

In order to improve the maintenance support ability of replenishment equipment at sea, the paper firstly analyzes the causality among each factor of replenishment equipment maintenance system with system dynamics (SD), and establishes flow figures of the maintenance system. Then, it analyzes the impact of maintenance spare parts delay, maintenance delay, and maintenance ability on replenishment equipment maintenance system by using the system dynamics software Vensim PLE.

replenishment equipment at sea; equipment maintenance support; system dynamics (SD)

2016-12-09；

2017-01-12． 作者簡介： 邢道奇(1980—)，男，博士，講師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.07.005

U672

A

1674-2192(2017)07- 0016- 06