火炮系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行能力仿真評(píng)估

王 乾，張 煒，李 江

(1.裝備學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì);b.裝備指揮系，北京 101416;2. 71566 部隊(duì)，河南 洛陽 471800)

裝備任務(wù)執(zhí)行能力的高低直接影響部隊(duì)的戰(zhàn)備訓(xùn)練水平。裝備任務(wù)執(zhí)行能力主要取決于裝備自身性能和維修保障系統(tǒng)的保障效能等因素。對(duì)裝備系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估，既是平時(shí)全面了解掌握部隊(duì)裝備維修保障能力的重要手段，也是降低保障費(fèi)用、提升保障效益的主要途徑，更是依據(jù)保障能力合理配備保障力量、提升任務(wù)執(zhí)行能力的重要依據(jù)。

1 火炮系統(tǒng)分析

火炮與其保障系統(tǒng)所構(gòu)成的一個(gè)系統(tǒng)即為某型火炮裝備系統(tǒng)，是包括使用與維修保障人員在內(nèi)的能完成特定任務(wù)的有機(jī)整體(圖1)。對(duì)某型火炮維修保障能力進(jìn)行評(píng)估，包括對(duì)火炮主裝備自身性能及其保障系統(tǒng)的評(píng)估。

圖1 火炮裝備系統(tǒng)構(gòu)成

某型火炮由15 大部份組成(圖2)，每個(gè)部分都由可修復(fù)或可更換的部件組成。平時(shí)，火炮主要擔(dān)負(fù)訓(xùn)練任務(wù)，包括日常訓(xùn)練、演習(xí)訓(xùn)練和實(shí)彈射擊任務(wù)，在訓(xùn)練中，由于環(huán)境影響、使用磨損消耗以及管理等因素，火炮產(chǎn)生各類故障，影響火炮任務(wù)執(zhí)行能力。當(dāng)火炮發(fā)生故障，為確保其正常工作，就需要對(duì)故障件進(jìn)行維修或更換。通過對(duì)一段足夠長的時(shí)間內(nèi)部件消耗的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得每個(gè)消耗部件的平均故障率，在此基礎(chǔ)上，可以利用仿真的方法建立起火炮各部件的未來損耗規(guī)律。

火炮保障系統(tǒng)的基本任務(wù)是在掌握和分析裝備技術(shù)狀況以及各種維修資源狀況的基礎(chǔ)上，根據(jù)擔(dān)負(fù)任務(wù)，制定裝備維修管理的規(guī)劃、計(jì)劃，組織維修設(shè)施、設(shè)備、備件等維修器材的籌措、儲(chǔ)存和供應(yīng)工作，并組織維修專業(yè)訓(xùn)練，對(duì)裝備進(jìn)行維修保養(yǎng)，提高其戰(zhàn)備完好水平和任務(wù)執(zhí)行能力。某型火炮維修實(shí)行基層級(jí)、中繼級(jí)和基地級(jí)3 級(jí)維修作業(yè)［2］，各級(jí)維修站點(diǎn)都包含一定的維修資源，具體包括維修人員、維修設(shè)施、維修設(shè)備和備件等?；鶎蛹?jí)維修主要完成規(guī)定的小修和換件修理任務(wù);中繼級(jí)維修主要完成中修及支援基層級(jí)維修任務(wù)，并可完成所有的基層級(jí)維修任務(wù);基地級(jí)可完成大修及支援下級(jí)維修任務(wù)，向下級(jí)提供備件供應(yīng)，并可完成下級(jí)的所有維修任務(wù)。當(dāng)下級(jí)保障系統(tǒng)的維修資源不能滿足維修任務(wù)時(shí)，交由其上一級(jí)處理該維修任務(wù)。

2 仿真評(píng)估流程設(shè)計(jì)

仿真以動(dòng)態(tài)蒙特卡洛和排隊(duì)論為基礎(chǔ)，依據(jù)裝備系統(tǒng)使用剖面對(duì)執(zhí)行任務(wù)的方案進(jìn)行仿真，主要著眼于系統(tǒng)的保障性、維修性以及保證系統(tǒng)在有限備件和維修資源的情況下完成規(guī)定任務(wù)剖面的能力，其基本假設(shè)是:系統(tǒng)維修的大部分活動(dòng)是對(duì)故障部件的替換。

在對(duì)裝備結(jié)構(gòu)、保障系統(tǒng)、使用任務(wù)和維修活動(dòng)進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，依據(jù)裝備失效率分布函數(shù)，對(duì)裝備故障時(shí)間隨機(jī)抽樣，建立未來時(shí)間表，進(jìn)行事件排序;然后將仿真時(shí)間推進(jìn)到故障事件發(fā)生時(shí)間，按步驟處理故障事件，包括維修策略、資源調(diào)配、維修作業(yè)、備件供應(yīng)等，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，直至滿足仿真停止條件，最后對(duì)仿真過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到相關(guān)分析結(jié)論。仿真流程如圖3 所示。

3 評(píng)估模型構(gòu)建

對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行模型構(gòu)建是進(jìn)行仿真評(píng)估的基礎(chǔ)。構(gòu)建評(píng)估模型主要包含裝備結(jié)構(gòu)建模、保障系統(tǒng)建模、使用任務(wù)建模和維修保障活動(dòng)建模［3］。

圖3 仿真運(yùn)行流程

3.1 裝備結(jié)構(gòu)建模

裝備結(jié)構(gòu)模型描述裝備與各功能單元的層次關(guān)系，包括單元間的從屬關(guān)系和單元數(shù)量，以產(chǎn)品樹的形式進(jìn)行描述(如圖4)。每個(gè)系統(tǒng)都是由許多可更換產(chǎn)品組成，包括可修和可更換單元，每個(gè)產(chǎn)品又是由更小的可更換部件組成，這樣分解下去可以定義出一個(gè)完整的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。模型中將部件分為外場(chǎng)可更換單元LRU、內(nèi)場(chǎng)可更換單元SRU 和可廢棄單元DU，其中，LRU 在系統(tǒng)中可更換、可修復(fù)，SRU 在可修復(fù)單元中可修復(fù)可更換，DU 在系統(tǒng)中不可修復(fù)。

圖4 主裝備結(jié)構(gòu)樹

3.2 保障系統(tǒng)建模

裝備保障系統(tǒng)模型描述裝備保障機(jī)構(gòu)的組成、位置、保障資源數(shù)量、種類及配置、備件庫存、保障關(guān)系、保障規(guī)則等，其保障系統(tǒng)保障流程構(gòu)成如圖5 所示。對(duì)裝備使用分隊(duì)，應(yīng)描述裝備種類、數(shù)量等;對(duì)維修機(jī)構(gòu)，應(yīng)描述其所承擔(dān)的維修工作范圍、資源需求和工作時(shí)間分布，以及與使用分隊(duì)的保障關(guān)系及故障裝備維修的排隊(duì)規(guī)則;對(duì)于備件供應(yīng)單位，必須描述清楚備件的品種、數(shù)最、庫存控制模型、供應(yīng)保障的排隊(duì)規(guī)則等。

圖5 某型火炮維修保障系統(tǒng)保障流程

3.3 使用任務(wù)建模

裝備在任務(wù)的執(zhí)行過程中將產(chǎn)生維修任務(wù)。任務(wù)剖面為裝備在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序描述，其中包括任務(wù)成功或故障的判斷準(zhǔn)則。任務(wù)周期(圖6)以任務(wù)作業(yè)區(qū)域思想為基礎(chǔ)，任務(wù)周期可以劃分為出發(fā)、工作、返回3 個(gè)階段。一個(gè)任務(wù)總是從出發(fā)階段開始，到達(dá)作業(yè)區(qū)域，然后進(jìn)入工作階段，直到返回基地為止。

圖6 任務(wù)周期

裝備使用任務(wù)以作戰(zhàn)單元為單位，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行剖面執(zhí)行。作戰(zhàn)單元中系統(tǒng)的數(shù)量和種類達(dá)到任務(wù)要求，則啟動(dòng)任務(wù)，在任務(wù)執(zhí)行過程中(圖7)，可能發(fā)生故障和損傷，或者在任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)被送到中轉(zhuǎn)站進(jìn)行檢修，故障的系統(tǒng)被送去維修，按維修作業(yè)步驟進(jìn)行。沒有故障的系統(tǒng)，返回作戰(zhàn)單元，等待下一次任務(wù)。

圖7 任務(wù)過程

3.4 維修保障活動(dòng)建模

對(duì)維修保障活動(dòng)進(jìn)行建模，是將保障裝備的使用與維修工作區(qū)分為各種工作類型和分解為作業(yè)步驟進(jìn)行詳細(xì)分析，以確定工作頻度、工作間隔、工作時(shí)間，需要的備件、保障設(shè)備、保障設(shè)施、技術(shù)資料，各維修級(jí)別所需的人員數(shù)量、維修工時(shí)及技能等要求。保障活動(dòng)包括預(yù)防性維修和修復(fù)性維修。

1)預(yù)防性維修:通過對(duì)裝備的系統(tǒng)檢查和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障征兆并采取維修措施以防止故障發(fā)生，使其恢復(fù)和保持規(guī)定功能和狀態(tài)所進(jìn)行的全部技術(shù)和管理活動(dòng)，包括擦拭、潤滑、調(diào)整、監(jiān)控、定期檢查、定期拆修和定期更換等技術(shù)環(huán)節(jié)［4］。預(yù)防性維修活動(dòng)與任務(wù)數(shù)量、任務(wù)時(shí)間、日歷時(shí)間參數(shù)有關(guān)。

2)修復(fù)性維修:裝備出現(xiàn)故障或損傷后，為使裝備恢復(fù)規(guī)定功能和技術(shù)狀態(tài)所進(jìn)行的全部技術(shù)和管理活動(dòng)，包括故障定位、故障隔離、部件分解、零件更換、組裝調(diào)準(zhǔn)、技術(shù)檢驗(yàn)等技術(shù)工作［4］。修復(fù)任務(wù)可以通過更換子產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)，也可以直接對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)。

4 仿真實(shí)例驗(yàn)證

4.1 想定描述

以摩步師某炮兵團(tuán)為例，該團(tuán)配置某型火炮36 門，平均分配至6 個(gè)連隊(duì)，平時(shí)主要擔(dān)負(fù)訓(xùn)練任務(wù)，包括班排階段訓(xùn)練、營連階段訓(xùn)練和演習(xí)階段訓(xùn)練任務(wù)，其保障系統(tǒng)包含基層級(jí)、中繼級(jí)和基地級(jí)3 級(jí)保障系統(tǒng)，以滿足火炮執(zhí)行任務(wù)的需求。

4.2 仿真模型實(shí)例

4.2.1 某型火炮結(jié)構(gòu)模型

某型火炮結(jié)構(gòu)模型的信息主要包括部件編碼、部件名稱、部件類型、部件單機(jī)安裝數(shù)、故障率等信息。

表1 火炮結(jié)構(gòu)模型

4.2.2 保障系統(tǒng)模型

某型火炮保障系統(tǒng)包括軍區(qū)修理廠、師修理營和團(tuán)修理所。表2、表3、表4 分別從保障機(jī)構(gòu)、保障資源和維修備件方面對(duì)某型火炮裝備維修保障系統(tǒng)進(jìn)行建模。

表中:WS 為可維修產(chǎn)品，無備件;DEPOT 為可維修產(chǎn)品，有備件;OP 為無備件，無維修資源。

表2 維修保障系統(tǒng)模型

表3 維修資源模型

表4 庫存方案及訂購模型

4.2.3 使用任務(wù)模型

表5、表6 對(duì)火炮裝備年度訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行建模，描述了某型火炮裝備使用任務(wù)名稱、滿裝備數(shù)、最小裝備數(shù)、任務(wù)開始時(shí)間、任務(wù)次數(shù)、任務(wù)持續(xù)時(shí)間、裝備配置信息、任務(wù)故障率影響因子等信息。

表5 任務(wù)類型信息

表6 任務(wù)剖面信息

4.2.4 保障活動(dòng)模型

表7 為預(yù)防性維修模型，表8、表9 為修復(fù)性維修模型。主要描述了維修活動(dòng)的維修對(duì)象、維修站點(diǎn)、維修時(shí)間以及維修間隔期等信息。

表7 預(yù)防性維修模型

表8 維修資源需求

表9 修復(fù)性維修部件更換信息

4.3 仿真結(jié)果分析

任務(wù)執(zhí)行能力為仿真輸出結(jié)果，任務(wù)執(zhí)行能力是指裝備或武器系統(tǒng)在規(guī)定條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，成功完成規(guī)定任務(wù)的能力，可以用裝備系統(tǒng)的使用可用度AO度量，即系統(tǒng)完好，能在某種作戰(zhàn)環(huán)境下，滿意地運(yùn)行的預(yù)期百分?jǐn)?shù)，用下式表達(dá)［5］:

式中:TU為裝備能工作時(shí)間，為系統(tǒng)能運(yùn)行的時(shí)間，包括待命、關(guān)機(jī)期間，或者在允許停機(jī)時(shí)間內(nèi)，能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間;TD為裝備不能工作時(shí)間，包括由一次致命性(任務(wù)中斷)或一次重大(任務(wù)降級(jí))故障，系統(tǒng)不能應(yīng)召完成其任務(wù)期間的時(shí)間。

圖8 為任務(wù)執(zhí)行能力隨時(shí)間變化狀況，圖9 為任務(wù)執(zhí)行能力總體狀況，由圖可知，想定條件下，36 門火炮需完成訓(xùn)練任務(wù)總量為26 496 h，已完成任務(wù)量為20 366 h，未完成任務(wù)量為6 130 h，其裝備使用可用度即任務(wù)執(zhí)行能力為0.77。

裝備任務(wù)執(zhí)行能力由裝備狀態(tài)決定，我們最關(guān)心的是不可用裝備的數(shù)量及原因。圖10 顯示了任務(wù)執(zhí)行過程中裝備狀態(tài)的平均水平，其中不可用裝備狀態(tài)包括等待備件、等待資源、修復(fù)性維修、預(yù)防性維修和轉(zhuǎn)移/報(bào)廢幾種情況。圖11反映了不可用裝備數(shù)量總體情況，裝備不可用的主要原因?yàn)榈却齻浼?，即備件的庫存和訂貨方案不能滿足當(dāng)前任務(wù)想定，通過修改備件庫存方案和訂購策略，可提高裝備任務(wù)執(zhí)行能力。其他問題的解決，可通過重新配置維修力量、調(diào)整設(shè)施設(shè)備等實(shí)現(xiàn)。

圖8 任務(wù)執(zhí)行能力隨時(shí)間變化狀況

圖9 任務(wù)執(zhí)行能力總體狀況

圖10 裝備狀態(tài)

圖11 不可用裝備數(shù)量總體情況

5 結(jié)束語

本文提出了裝備任務(wù)執(zhí)行能力仿真評(píng)估方法，在分析仿真原理和設(shè)計(jì)仿真流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合火炮的訓(xùn)練任務(wù)，建立評(píng)估模型，并運(yùn)用實(shí)例對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法可為部隊(duì)掌握維修保障系統(tǒng)維修保障能力，優(yōu)化配置保障資源，降低維修保障費(fèi)用，依據(jù)具體任務(wù)制定科學(xué)合理的保障方案提供輔助決策，有一定現(xiàn)實(shí)意義。

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