基于Monte Carlo仿真的艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證研究

（海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033）

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)是艦船重要的一級(jí)大型復(fù)雜系統(tǒng)，艦船的任何行動(dòng)和工作幾乎都離不開它。在論證階段，提出的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)可靠性、維修性、保障性（RMS）指標(biāo)要求是否合適，關(guān)系到艦船建造的成??；在使用階段，動(dòng)力系統(tǒng)工作能力的好壞將影響艦船遂行任務(wù)的能力。因此，在論證階段必須提出明確的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)要求，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C計(jì)算。

基于艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證的意義出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境、使用、故障、維修、保障的特點(diǎn)建立適合蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)的RMS 論證指標(biāo)體系，采用基于Monte Carlo 數(shù)字仿真的方法建立了指標(biāo)論證模型，本文在論證模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算軟件，從而形成一套完整的艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證方法。

1 艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)體系的建立

建立一套適用的RMS指標(biāo)體系是RMS 要求論證的前提之一。[1]盡管RMS是各種裝備都具有的通用特性，但是由于使用要求、維修條件、保障環(huán)境等不同，所導(dǎo)致的故障判據(jù)、修復(fù)要求和保障方式也各不相同，不同裝備的RMS指標(biāo)也各不相同。艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)由多個(gè)可相互聯(lián)通且與外部有多方面密切聯(lián)系的獨(dú)立組構(gòu)成，每個(gè)獨(dú)立組又包括大量的、相互關(guān)系密切的設(shè)備和系統(tǒng)，本身是一套非常復(fù)雜的熱力系統(tǒng)；[2]同時(shí)，艦船在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)，又對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)提出了不同的要求。此外，與其他類型的艦船動(dòng)力系統(tǒng)相比，蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)還具有設(shè)備布局相對(duì)分散、允許“人在系統(tǒng)內(nèi)工作”等特點(diǎn)，它們?yōu)榕灤羝麆?dòng)力系統(tǒng)的RMS 帶來(lái)了很多特點(diǎn)。

1.1 艦船熱力系統(tǒng)特點(diǎn)分析

1）艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)環(huán)境特點(diǎn)分析

艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)作為艦船的一級(jí)系統(tǒng)，盡管其設(shè)備布局相對(duì)分散，但與陸用系統(tǒng)相比，仍具有設(shè)備布局相對(duì)緊湊、活動(dòng)空間狹小等艦船系統(tǒng)共有特點(diǎn)。[3]此外，也具有機(jī)艙工作環(huán)境差、高溫高濕、噪音大、人員易疲勞等獨(dú)有特點(diǎn)。

這些特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)RMS的影響體現(xiàn)在：① 船員工作環(huán)境惡劣；② 艦船環(huán)境下的設(shè)備布局通常較為緊湊，可用于維修的空間狹小，而且動(dòng)力設(shè)備大多數(shù)安裝在水線以下，設(shè)備的維修可能會(huì)帶來(lái)吊艙之類的牽連工程，這就導(dǎo)致部分設(shè)備在岸上可修，安裝到艦船后卻不可修；③ 由于艦船空間和排水量的限制，隨艦可攜帶的人力和備件等保障資源有限，而艦船遂行任務(wù)通常遠(yuǎn)離岸基保障，任務(wù)期間裝備的保障人力資源主要是裝備的使用人員，受大多數(shù)船員技術(shù)等級(jí)較低的實(shí)際情況的限制，所能實(shí)施的保障大多局限于簡(jiǎn)單的換件維修。

2）艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)使用特點(diǎn)分析

使用是發(fā)揮裝備戰(zhàn)斗力的惟一環(huán)節(jié)，對(duì)于艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)，靈活的使用方式是其RMS 得以最大限度發(fā)揮的有效手段之一。

艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的使用特點(diǎn)可歸納如下：①無(wú)論在平時(shí)還是戰(zhàn)時(shí)，戰(zhàn)斗艦船在絕大部分情況下都不是以全速狀態(tài)航行，因此，艦船動(dòng)力系統(tǒng)的突出使用特點(diǎn)是絕大部分時(shí)間工作在低負(fù)荷狀態(tài)，艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)也不例外；② 艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)通常至少由多個(gè)獨(dú)立組組成，且系統(tǒng)中的設(shè)備大多可變工況工作，因此，動(dòng)力系統(tǒng)可以有多種使用方式；③ 在保證規(guī)定的推進(jìn)功率和對(duì)外提供的蒸汽流量與品質(zhì)不變的情況下，不同的使用方式除投入的設(shè)備不同外，系統(tǒng)所能達(dá)到的其他各種技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)也不同；④ 動(dòng)力系統(tǒng)的可用與否是與任務(wù)要求密切相關(guān)的。

3）艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)故障特點(diǎn)分析

艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)存在大量冗余設(shè)備、系統(tǒng)可通過橋管供汽方式重構(gòu)，帶來(lái)了系統(tǒng)的可靠性邏輯關(guān)系隨任務(wù)要求變化而變化的特點(diǎn)，即系統(tǒng)的故障不能根據(jù)設(shè)備的故障情況通過簡(jiǎn)單的邏輯演繹得到。在艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的故障中，存在兩種典型的故障情形：一是部分設(shè)備故障但系統(tǒng)仍能正常工作；二是各設(shè)備雖未停止工作，但由于其性能發(fā)生了退化，耗能增加、出力下降，從而在系統(tǒng)層面上達(dá)不到要求的功能指標(biāo)而被判定為故障。

對(duì)于艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)，比較典型的故障特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①系統(tǒng)故障與否在很大程度上取決于使用方式的靈活性；②系統(tǒng)故障與否還與任務(wù)對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的功能指標(biāo)要求有關(guān)；③系統(tǒng)的故障與設(shè)備的性能退化相關(guān)；④系統(tǒng)的故障與工作環(huán)境有關(guān)；⑤ 由于部分設(shè)備存在冗余，設(shè)備的故障并不一定能導(dǎo)致系統(tǒng)故障；⑥ 部分自動(dòng)化設(shè)備的故障并不一定導(dǎo)致系統(tǒng)的故障，可以由人工代替操作。

4）艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)維修特點(diǎn)分析

系統(tǒng)一旦被判定為故障，就必須通過維修使系統(tǒng)恢復(fù)正常。與艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的使用特點(diǎn)和故障特點(diǎn)相呼應(yīng)，系統(tǒng)的維修在維修時(shí)機(jī)、維修方式等方面有如下幾個(gè)比較典型的特點(diǎn)：①系統(tǒng)在工作的同時(shí)可以對(duì)部分故障設(shè)備進(jìn)行維修；② 部分任務(wù)允許系統(tǒng)停機(jī)維修；③ 任務(wù)前允許對(duì)系統(tǒng)實(shí)施預(yù)防性維修；④ 任務(wù)期間的維修以換件維修為主；⑤系統(tǒng)在任務(wù)中有設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，允許暫不處理，待任務(wù)結(jié)束后再進(jìn)行維修。

5）艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)保障特點(diǎn)分析

艦船的使用過程是碼頭修整、海上航行、海上修整、碼頭修整的交替過程，與此對(duì)應(yīng)，動(dòng)力系統(tǒng)的保障有碼頭日常保障、海上伴隨保障、任務(wù)前集中保障、返航后集中保障等幾種模式。

歸納起來(lái)，艦船動(dòng)力系統(tǒng)的保障有如下幾個(gè)特點(diǎn)：① 在碼頭修整期間，艦船的維修保障由船員級(jí)、中繼級(jí)、基地級(jí)三級(jí)共同完成，各類保障資源也是分三級(jí)儲(chǔ)備，船員級(jí)的保障能力最弱，在該級(jí)別上所能實(shí)施的保障有限，但該級(jí)別的保障是最迅捷的；② 艦船作為一個(gè)獨(dú)立的基本作戰(zhàn)單元，經(jīng)常遂行海上航行任務(wù)，因此，遠(yuǎn)離岸基保障是其比較突出的一個(gè)特點(diǎn)；③ 由于海上航行期間的維修以換件維修為主，器材保障的地位十分突出；④ 艦船遂行任務(wù)返航后，可根據(jù)任務(wù)期間的器材消耗情況向中繼級(jí)或基地級(jí)申領(lǐng)取材，使得艦船倉(cāng)庫(kù)始終保持一定數(shù)量的器材；⑤為克服艦船空間和排水量有限的限制，任務(wù)期間可采取伴隨保障船對(duì)艦船實(shí)施海上伴隨保障；⑥ 動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)了保障的復(fù)雜性，由于設(shè)備眾多，相應(yīng)地，保障資源的種類也很多，動(dòng)力系統(tǒng)的保障水平主要由針對(duì)具體設(shè)備的各類保障資源的儲(chǔ)備水平?jīng)Q定。

6）艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的RMS 特點(diǎn)綜合分析

綜合環(huán)境特點(diǎn)、使用特點(diǎn)、故障特點(diǎn)、維修特點(diǎn)以及保障特點(diǎn)的分析，可以得到，艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的RMS 至少具有如下鮮明的特點(diǎn)：① 使用可用度和任務(wù)可靠度等指標(biāo)必須與任務(wù)要求對(duì)應(yīng)，脫離了任務(wù)背景，這類指標(biāo)就失去了論證的意義；②動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性除了與設(shè)備的可靠性有關(guān)外，還與使用方式和故障判據(jù)密切相關(guān)，指標(biāo)的可行性論證時(shí)必須結(jié)合使用方式和故障判據(jù)；③ 性能退化現(xiàn)象大量存在且不可避免，而且對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的使用與維修保障均有直接的影響，指標(biāo)論證時(shí)不能忽視；④ 動(dòng)力系統(tǒng)的維修性除了與設(shè)備的維修性相關(guān)外，還要考慮設(shè)備故障后允許動(dòng)力系統(tǒng)重構(gòu)對(duì)維修的影響；⑤ 正是由于動(dòng)力系統(tǒng)允許任務(wù)中維修，因而器材保障在動(dòng)力系統(tǒng)RMS 中的地位十分突出，保障性指標(biāo)中必須有專門針對(duì)器材保障的指標(biāo)。

綜上所述，可以建立蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)集如圖1所示。

圖1 艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)參數(shù)集

1.2 艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS 論證指標(biāo)體系的建立

在建立的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)集的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇本文將進(jìn)行論證的指標(biāo)參數(shù)，建立蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS 論證指標(biāo)體系。因?yàn)樵谥笜?biāo)集當(dāng)中，同一類指標(biāo)參數(shù)之中，有些指標(biāo)的概念具有相互包容性，只需要選擇其中一個(gè)即可，而有些指標(biāo)參數(shù)不需要進(jìn)行論證，只需要在設(shè)計(jì)時(shí)加以注意即可。因此，根據(jù)本文論證研究的需要，選擇了9個(gè)具有代表性的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)參數(shù)建立起論證的指標(biāo)體系，作為后續(xù)研究的重點(diǎn)，如圖2所示。

這9個(gè)指標(biāo)分別是反映戰(zhàn)備完好性的使用可用度；反映任務(wù)成功性的任務(wù)可靠度和系統(tǒng)致命故障間隔平均時(shí)間；反映可靠性的系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間；反映維修性的系統(tǒng)平均恢復(fù)時(shí)間、設(shè)備換件維修時(shí)間和備件平均維修時(shí)間；反映保障性的艦上備件獲取平均時(shí)間和備件過剩率。

圖2 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS 論證指標(biāo)體系

2 基于系統(tǒng)使用方案的Monte Carlo仿真論證

Monte Carlo 數(shù)字仿真方法是一種通過隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)、隨機(jī)模擬來(lái)求解工程數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)問題的數(shù)值方法[4]，用于復(fù)雜系統(tǒng)RMS指標(biāo)計(jì)算的基本原理是基于對(duì)系統(tǒng)的使用、維修和保障過程的多次模擬，得到大量的系統(tǒng)故障前工作時(shí)間、維修時(shí)間和保障延誤時(shí)間等，從而按照各RMS指標(biāo)與上述時(shí)間之間的關(guān)系，計(jì)算系統(tǒng)的RMS指標(biāo)。

任務(wù)仿真就是以系統(tǒng)實(shí)際使用過程中的設(shè)備使用、故障維修、備件供應(yīng)、人員調(diào)用等各種事件為模板，經(jīng)過多次反復(fù)的“抽樣”模擬，從每次任務(wù)中獲取所需的RMS參數(shù)，在多次循環(huán)后統(tǒng)計(jì)參數(shù)的平均值。在文獻(xiàn)[5]思路的基礎(chǔ)上，基于可行作戰(zhàn)使用方案的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS仿真基本流程如圖3所示。在仿真開始時(shí)，首先初始化仿真的輸入?yún)?shù)，包括給定設(shè)備可靠性和維修性指標(biāo)；給定各種隨艦維修保障資源的數(shù)量；給定各階段任務(wù)時(shí)間和功能要求及故障判據(jù)等任務(wù)剖面數(shù)據(jù)；預(yù)置各任務(wù)階段的可行系統(tǒng)使用方案、方案的使用順序及各方案所對(duì)應(yīng)的最小設(shè)備清單；給定仿真循環(huán)次數(shù)；仿真時(shí)鐘、系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間、維修時(shí)間、維修延誤時(shí)間等清零；然后進(jìn)入任務(wù)過程的仿真邏輯，主要包括按任務(wù)階段要求確定可行的使用方案、按使用方案要求投入工作設(shè)備、對(duì)故障設(shè)備定位并確認(rèn)修理?xiàng)l件、對(duì)故障件的修復(fù)確認(rèn)并及時(shí)更新備件庫(kù)存數(shù)量、根據(jù)維修情況對(duì)保障資源進(jìn)行占用與釋放、根據(jù)設(shè)備故障情況及維修條件對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修確定、搜索是否有故障件及維修條件、判斷故障件的修復(fù)情況并釋放保障資源等主要事件；最后根據(jù)仿真時(shí)鐘判斷本次循環(huán)是否結(jié)束，根據(jù)仿真次數(shù)判斷整個(gè)仿真是否結(jié)果，達(dá)到仿真次數(shù)后進(jìn)行RMS參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，輸出仿真結(jié)果。

圖3 基于可行使用方案的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS仿真流程

3 艦船熱力系統(tǒng)RMS 論證軟件的編制

為了建立快速高效的模型解算工具，根據(jù)圖3的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS仿真流程，采用C#和Matlab 語(yǔ)言聯(lián)合編制了相應(yīng)的計(jì)算論證軟件。軟件使用Matlab 語(yǔ)言建立核心函數(shù)，所有仿真運(yùn)算的編碼均在Matlab代碼中實(shí)現(xiàn)，C#程序負(fù)責(zé)完成與用戶交互的輸入、仿真結(jié)果輸出界面。

軟件編制完成后，選擇一組典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，所得結(jié)果令人滿意，符合仿真的邏輯與工程實(shí)踐，計(jì)算后的軟件界面如圖4所示。

圖4 基準(zhǔn)方案計(jì)算結(jié)果截圖

4 結(jié)論

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)是艦船重要的一級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)，在研制論證初期就必須明確其RMS 要求，并進(jìn)行論證；由于艦船熱力系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)，本文在對(duì)其6個(gè)方面特點(diǎn)總結(jié)研究的基礎(chǔ)上建立了艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)集，并從中選擇適合系統(tǒng)指標(biāo)論證的參數(shù)建立了RMS 論證指標(biāo)體系；在Monte Carlo仿真方法的基礎(chǔ)上，給出了基于系統(tǒng)使用方案的仿真論證模型，并據(jù)此開發(fā)了艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證軟件。從軟件計(jì)算結(jié)果來(lái)看，令人滿意，從而證明軟件的有效性和本文方法的正確性。本文的研究形成了一套完整的艦船熱力系統(tǒng)RMS指標(biāo)論證方法，開發(fā)的軟件亦具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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