基于系統(tǒng)動力學(xué)的裝備維修級別決策研究

魏圣軍，吳法文，張 琳，汪文峰，張 搏，牛 童

(空軍工程大學(xué) 研究生院，西安 710051)

裝備的維修保障是使裝備改善、恢復(fù)、保持規(guī)定的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)而實施的一切活動[1]。本世紀初，美國陸軍依據(jù)未來戰(zhàn)爭和裝備發(fā)展對維修保障的需求，開始研究論證推行裝備維修工作體系由原來的四級維修體系向兩級維修體系轉(zhuǎn)型[2]。準確識別當今和將來不斷出現(xiàn)的新技術(shù)及其在軍事方面的應(yīng)用，對未來戰(zhàn)爭發(fā)揮著越來越重要的作用，從而對軍事能力結(jié)構(gòu)變革和作戰(zhàn)力形成產(chǎn)生重大影響[3]。地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)信息化程度高，裝備故障自檢要求嚴，現(xiàn)行維修任務(wù)分工和作業(yè)體系維修已不適應(yīng)維修保障要求。依據(jù)相關(guān)文件要求，將地空導(dǎo)彈裝備維修作業(yè)體系由基層級、中繼級、基地級三級維修調(diào)整為部隊級、基地級二級維修。

通過對武器裝備各項指標、數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，聯(lián)系部隊實際情況，確定維修等級，選擇最合理修理方案，科學(xué)制定最佳維修方式和維修周期，提高武器裝備完好率和可靠性，極大的縮短裝備修理時間，節(jié)約裝備修理成本，延長武器裝備使用周期[4]。就地空導(dǎo)彈雷達裝備來說，單位基層級主要是對分機、插件和重要部(器)件的隨機備份，采用換件維修方法，基層級把整機故障定位隔離到單個可更換單元，并以備件更換的形式來保障裝備；故障的單個可更換單元部件由大修廠、生產(chǎn)廠等基地級進行修復(fù)，但到目前來說，對于二級維修體制的討論還僅限于在原則和方式方法上，至于實施二級維修體制的條件、時機和方法還有待于仔細研究，本文僅從人力資源系統(tǒng)角度運用系統(tǒng)動力學(xué)模型從仿真假設(shè)、仿真分析、參數(shù)分析進行仿真比較得出科學(xué)結(jié)論，確定實施二級體制的時機及條件。

1 二級維修體制構(gòu)想

二級維修保障體制主要內(nèi)容：加大地空導(dǎo)彈基層級對主要部件、插件的隨機備份，基層級采用換件維修方法，基層級把整個系統(tǒng)故障定位隔離到單個可更換單元，并以備件更換的形式來保障裝備；故障的單個可更換單元元件由基地級進行修復(fù)；基地級采用修復(fù)性維修方式，由基地級修理廠的專業(yè)技術(shù)人員在修理廠利用配套維修設(shè)備隊裝備系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件、組合件進行全面的檢測、調(diào)整和修復(fù)，全面恢復(fù)裝備的性能，同時，對基層級送來的故障件進行檢測和修復(fù)；二級維修保障體制維修技術(shù)人員的確定方法和三級體制下基本相似，兩種體制下基層級維修技術(shù)人員的確定方法是一樣的；而二級體制下，基地級的大修系統(tǒng)和備件修理系統(tǒng)的維修技術(shù)人員確定方法和三級體制下也是一樣，只是基地級事后維修系統(tǒng)的維修技術(shù)人員的確定思路采取三級體制下中繼級事后維修技術(shù)人員的確定思路。在這種二級維修保障體制中，地空導(dǎo)彈旅(團)的中繼級維修機構(gòu)作用沒有得到發(fā)揮，隨著軍隊保障的社會化改革，大修廠和生產(chǎn)廠等基地級維修機構(gòu)要充分做好裝備的保障工作，任務(wù)加重，這樣形成了裝備基層級負責(zé)使用，基地級維修機構(gòu)負責(zé)“售后服務(wù)”的二級保障體制，更有利于裝備保障的社會化改革。

2 維修技術(shù)人力資源系統(tǒng)系統(tǒng)動力學(xué)模型

系統(tǒng)動力學(xué)模型(System Dynamics,SD)被譽為實際系統(tǒng)的實驗室，是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)J.W.Forrester教授在1960年提出的運用功能、歷史、結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一種方法，借助于計算機仿真而定量地研究非線性、多重反饋、復(fù)雜時變的系統(tǒng)分析技術(shù)[5-6]。SD加強了與最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用、參數(shù)估計、靈敏度分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)科學(xué)、控制理論等方面的聯(lián)系，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛地應(yīng)用和傳播，取了許多新發(fā)展[7-8]。該方法在能力評估、安全管理和庫存管理等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[9-12]。對于維修體制來說，二級、三級體制各有利弊，但對于目前的研究現(xiàn)狀來看，對于二級和三級體制的優(yōu)缺點沒有定量化的說明，很難確定適合采用二級或三級維修體制的條件。本文就這一問題進行初步研究，主要分析兩種體制的優(yōu)缺點，將維修保障技術(shù)人力系統(tǒng)中的支援搶修維修技術(shù)人力資源系統(tǒng)部分，運用系統(tǒng)動力學(xué)理論，分別進行討論分析，在新裝備研制階段，如何選擇其維修體制提供一定的決策依據(jù)。

目前，地空導(dǎo)彈武器裝備支援搶修系統(tǒng)流程為：發(fā)生故障的武器裝備進入部隊一級維修，完成維修后立即投入使用，一級維修不了的裝備轉(zhuǎn)入二級維修[13]。若采用二級體制，如部隊出現(xiàn)基層級無法排除的故障，則直接申請基地級支援搶修，這樣兩種體制下系統(tǒng)的平均支援搶修時間也不相同，在支援搶修時間滿足戰(zhàn)備要求的情況下，該如何選擇維修體制是需要解決的問題。

2.1 支援搶修系統(tǒng)因果關(guān)系

支援搶修系統(tǒng)的因果關(guān)系如圖1所示，重點分析不同體制下維修人員與平均維修時間的關(guān)系。

圖1 支援搶修系統(tǒng)因果關(guān)系

2.2 支援搶修系統(tǒng)流圖

將以上的因果關(guān)系進行變量分門別類，構(gòu)建備件系統(tǒng)流圖。如圖2所示，模型中共有33個變量，其中流位變量有5個，流率變量有5個，其他變量有23個，各變量的符號表示與定義如表1所示。

圖2 支援搶修系統(tǒng)流圖

3 支援搶修系統(tǒng)SD模型仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)流圖(圖2)運用系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件(Vensim PLE 32),通過對仿真結(jié)果的分析，可以得到兩種體制下支援搶修系統(tǒng)平均修復(fù)時間的指標要求，這樣可更好的判斷采用二級體制的時機。

表1 變量的符號表示與定義

3.1 仿真假設(shè)

1)整個系統(tǒng)共30個火力單元，三級體制下分為：6中繼級維修機構(gòu)，1個基地級維修機構(gòu)；二級體制則分為：30個火力單元和1個基地級維修機構(gòu)。

2)在同一級的維修機構(gòu)的不同維修人員修復(fù)能力水平一樣，也就是對于故障的平均修理時間是相同的；但維修人員數(shù)量只對故障的等待修理時間有影響，對故障的處理時間沒影響。

3)假定目前的部隊三級維修體制實際情況下，基層級約能修復(fù)全部故障的60%，中繼級35%，基地級5%，裝備平均每天工作2 h；基層級的平均故障修復(fù)時間不超過0.5 h。

4)兩種體制都采用固有可用度來度量，固有可用度指標僅與修復(fù)性維修時間和工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)[14]，本系統(tǒng)假設(shè)兩種體制下的維修保障系統(tǒng)固有可用度指標都為AI=0.9的條件下進行比較分析，其固有可用度計算公式為[15]

(1)

3.2 仿真分析

1)系統(tǒng)平均無故障時間(MTBF)對兩種體制下支援搶修系統(tǒng)的影響。在MTBF從30 h增加到60 h和支援搶修系統(tǒng)的修復(fù)比例不變的情況下，基層級的平均故障修復(fù)時間不變，隨著MTBF的增加，三級體制下，各級支援搶修系統(tǒng)平均修復(fù)時間的變化，如圖3所示。

圖3 三級體制下平均修復(fù)時間與MTBF的變化圖

對于中繼級支援搶修系統(tǒng)的平均修復(fù)時間的指標來說，在保持固有可用度一定的情況下，裝備MTBF增加，單位周期內(nèi)故障次數(shù)減少，在總的工作時間一定時，總的故障時間一定，所以平均修復(fù)時間就要增加，從圖3中可以看出，MTBF從30 h增加到60 h，中繼級平均修復(fù)時間要從7 h增加到12 h左右；基地級平均修復(fù)時間要從18 h增加到38 h左右，這對支援搶修系統(tǒng)的要求降低。

若采用二級維修體制，在基層級的修復(fù)能力約為60%的情況下，二級體制下的基地級平均修復(fù)時間與MTBF變化的關(guān)系如圖4所示。隨著MTBF從30 h增加到60 h，二級體制下基地級平均修復(fù)時間從8 h增加到16 h左右，這樣的指標要求對于基地級維修來說是很難滿足的。根據(jù)目前基地級的搶修能力，一般來說，基地級距基層級約有1 000多km，其平均修復(fù)時間都要在4 d(32 h)左右，所以這種情況下，如果采用二級維修體制，一要增加裝備的平均無故障時間MTBF，提高裝備的可靠性；二是增加基層級的修復(fù)能力，這樣基地級的修復(fù)次數(shù)減少，在同樣允許的修復(fù)時間條件下，基地級平均修復(fù)時間就會增加，符合基地級的要求；三是對基地級的修復(fù)手段進行改進，目前來說，基地級支援搶修，花在路途上的時間約有1/3，如果采用遠程支援技術(shù)，可將路途時間全部節(jié)省，將會大大降低基地級的平均故障修復(fù)時間，使其滿足二級體制的要求。

圖4 二級體制下平均修復(fù)時間與MTBF變化圖

2)平均每天工作時間(EGZSJ)的影響。在裝備平均無故障時間MTBF為50 h的情況下，平均每天工作時間從2 h到6 h的變化下，若采用三級體制，各級的平均修復(fù)時間指標變化如圖5所示；二級體制的平均修復(fù)時間指標變化如圖6所示。

圖5 三級體制下平均修復(fù)時間與EGZSJ的變化圖

圖6 二級體制下平均修復(fù)時間與EGZSJ的變化圖

從圖5和圖6可以看出：隨著平均每天工作時間EGZSJ的增加，兩種體制下，各級的平均修復(fù)時間都有所增加，幅度都不大，這種上升的趨勢可用固有可用度的定義來解釋。將固有可用度定義公式進行變換可得：

(2)

從式(2)可以看出：在三級體制下，隨著EGZSJ的增加，中繼級和基地級的平均修復(fù)時間指標都略有增加，較符合目前裝備維修保障的實際；但在二級體制下，隨著EGZSJ的增加，基地級平均修復(fù)時間指標略有增加，當EGZSJ為6 h時，二級體制的基地級平均修復(fù)時間指標最大值為13 h，就目前各基地級維修機構(gòu)都不能滿足此要求。

3)修復(fù)比例的影響。新型裝備中繼級修復(fù)能力在減弱，基層級和基地級修復(fù)能力太強，所以就提出要向兩級體制轉(zhuǎn)變的趨勢，這里就以修復(fù)比例來體現(xiàn)各級的修復(fù)能力，修復(fù)比例的計算公式為

(3)

式(3)中：O、I和D分別表示基層級、中繼級和基地級；CO表示基層級修復(fù)的故障次數(shù)，I和D類推；PO表示基層級修復(fù)比例，I和D類推。

隨著基層級修復(fù)比例OXFBL的增加，兩種體制的平均修復(fù)時間指標變化如圖7和圖8所示，在OXFBL為0.8時，三級體制下，中繼級平均修復(fù)時間指標要求達到16 h左右，基地級平均修復(fù)時間指標要求達到28 h左右，如圖7所示；而在二級體制下，基地級平均修復(fù)時間指標要求達到30 h左右，這對于目前裝備支援搶修系統(tǒng)來說是可以滿足其要求的，也就是在OXFBL大于等于0.8時，可以采用二級體制。

圖7 三級體制下平均修復(fù)時間指標與OXFBL的變化關(guān)系圖

圖8 二級體制下平均修復(fù)時間指標與OXFBL的變化關(guān)系圖

4)遠程支援技術(shù)的影響。故障處理時間如圖9所示。三級體制下，不同級別的維修機構(gòu)對于裝備故障處理時間都有一個平均值，比如說路途時間，中繼級到基層級的平均距離約200 km，平均花費3 h，而基地級距基層級至少1 000 km，一般要花一整天時間，這里就以一個工作日(8 h)為單程路途平均時間，這樣可得中繼級和基地級各項數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 故障處理時間關(guān)系圖

表2 兩級時間

注：括號內(nèi)為二級體制下時間

從表2可以看三級體制下，中繼級最小故障平均修復(fù)時間8.5 h，基地級為33 h。如果對傳統(tǒng)的維修技術(shù)手段不進行改進的話，結(jié)合前面的分析，只有OXFBL大于等于0.8時，采用二級體制的基地級平均修復(fù)時間才能滿足要求。分析上表2，花在路途的時間約50%，如果把路途時間節(jié)省下來，則采用二級體制更容易實現(xiàn)，可以采用遠程支援技術(shù)，遠程支援技術(shù)是武器裝備維護保障領(lǐng)域發(fā)展十分迅速的一項技術(shù)，是隨著高技術(shù)武器裝備的大量使用和計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的一種先進的裝備保障手段[16]。它使一線技術(shù)人員與后方技術(shù)專家用網(wǎng)絡(luò)緊密的聯(lián)系在一起，為武器裝備的管理提供及時、準確的指導(dǎo)。當一線技術(shù)人員遇到短時間內(nèi)難以解決的故障時，可以通過互聯(lián)網(wǎng)將裝備的各種技術(shù)參數(shù)，傳輸給后方的技術(shù)專家，以求支援；后方的技術(shù)專家在進行分析研究后，迅速做出結(jié)論，并通過網(wǎng)絡(luò)對前方的維護保障工作進行實時指導(dǎo)，協(xié)助前方人員迅速、準確地完成任務(wù)[17]。探討應(yīng)用這種技術(shù)，可以加快受損裝備的維修時間，以提高武器裝備的利用率，遠程維修示意圖如圖10所示。

圖10 遠程維修示意圖

這里針對遠程支援技術(shù)，提出一種遠程支援技術(shù)因子，用百分比PYZJ表示，它含義為有一定百分比PYZJ的維修任務(wù)可以通過遠程支援技術(shù)來實施，這樣，二級體制下，基地級的平均故障處理時間與遠程支援技術(shù)因子的關(guān)系如圖11所示，其最小處理時間是在PYZJ=1時，TDPJXFSJmin=16.5 h。

圖11 二級體制下基地級平均故障處理時間與PYZJ的關(guān)系圖

3.3 參數(shù)分析

在以上的系統(tǒng)中，努力提高一些參數(shù)，如基層級修復(fù)比例等，可以大大降低維修保障系統(tǒng)的指標要求，因此，模型具有一定的實用性。通過對MTBF、EGZSJ、修復(fù)比例和遠程支援技術(shù)的分析，綜合考慮可得在采用二級體制下的裝備MTBF、EGZSJ、基層級修復(fù)比例OXFBL和遠程支援技術(shù)之間的關(guān)系。

1)MTBF與PYZJ的關(guān)系。在圖5中，OXFBL=0.6，EGZSJ=2，只有在MTBF≥60時，才能滿足該要求TDPJXFSJ≥TDPJXFSJmin，實行二級體制。因此分析在60≤MTBF≤120間PYZJ的關(guān)系圖，如圖12，從圖中可看出不同的MTBF對PYZJ的最低要求值，MTBF越大，對遠程支援技術(shù)要求就越低。

圖12 PYZJ與MTBF的關(guān)系圖

2)EGZSJ與PYZJ的關(guān)系。從圖8中可以看出，OXFBL=0.6，MTBF=50，隨著EGZSJ增大，其TDPJXFSJ都小于TDPJXFSJmin，所以，只有改善OXFBL和MTBF參數(shù)，才能實行二級體制。

3)OXFBL與PYZJ的關(guān)系。OXFBL與PYZJ的關(guān)系如圖13所示,MTBF=50，EGZSJ=4，在OXFBL<0.68時，TDPJXFSJ0.84時，TDPJXFSJ>32.5，沒有遠程支援技術(shù)也能滿足要求，可以實行二級體制。

圖13 OXFBL與PYZJ的關(guān)系

4 結(jié)論

地空導(dǎo)彈武器裝備作為典型的復(fù)雜裝備系統(tǒng)，其搶修任務(wù)之間存在著關(guān)聯(lián)性和約束性，搶修任務(wù)分配問題具有一定的特殊性和復(fù)雜性，只有在充分考慮裝備的MTBF、OXFBL和PYZJ的實際情況下，才能選擇合適的維修體制。