基于仿真的裝備維修保障力量配置優(yōu)化*

曲長征，王 蕾，趙武奎，高 魯

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003;2.后勤學(xué)院管理系，北京 100000)

裝備維修保障力量是保持和恢復(fù)軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重要因素，在很大程度上影響制約著作戰(zhàn)的進(jìn)程和成敗。高技術(shù)條件下，武器裝備的技術(shù)含量及在戰(zhàn)斗中的作用明顯提高，敵我雙方圍繞武器裝備而開展的斗爭日趨激烈，裝備維護(hù)保養(yǎng)、搶救修理任務(wù)異常復(fù)雜繁重，為此，必須針對(duì)高技術(shù)條件下戰(zhàn)斗的發(fā)展變化，努力提高裝備搶救修理的快速性、科學(xué)性和修復(fù)率，使戰(zhàn)損的武器裝備盡可能就地“再生”，保持或恢復(fù)部(分)隊(duì)的連續(xù)戰(zhàn)斗力。

保障資源合理安排、分配與調(diào)整可以最大限度利用資源形成合力，以滿足不斷變化的保障需求。戰(zhàn)時(shí)維修力量分配是維修保障方案的一個(gè)重要方面，是做好戰(zhàn)時(shí)裝備維修保障的一項(xiàng)實(shí)質(zhì)性工作，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

維修資源配置是一個(gè)復(fù)雜的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化問題，可以在一定的假設(shè)條件下應(yīng)用解析方法進(jìn)行分析［1-2］，但其適應(yīng)面窄、分析困難。本文采用離散事件仿真方法對(duì)不同配置方案的維修保障效果進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)選維修保障資源配置方案。

1 問題的描述

平時(shí)維修保障資源按維修級(jí)別進(jìn)行編配，戰(zhàn)時(shí)則在平時(shí)基礎(chǔ)上抽調(diào)各級(jí)保障資源，經(jīng)過合理的分組，配置到不同作戰(zhàn)地域，擔(dān)負(fù)裝備維修保障任務(wù)。對(duì)于戰(zhàn)時(shí)裝備修理任務(wù)，由于修理任務(wù)隨機(jī)性強(qiáng)，難以組織規(guī)模化分工協(xié)作，一般采用小組包修的形式。即以一定數(shù)量的資源組成一個(gè)小組，對(duì)故障裝備包干修理。

裝備維修保障方式一般分為現(xiàn)地修理和定點(diǎn)修理兩類?，F(xiàn)地修理時(shí)，其所包含的維修力量稱為伴隨維修力量;定點(diǎn)修理時(shí)，其所包含的維修力量稱為定點(diǎn)維修力量。兩類修理力量分工協(xié)作，共同完成裝備修理任務(wù)。裝備故障時(shí)，在本地排隊(duì)修理，當(dāng)伴隨點(diǎn)待修裝備數(shù)量達(dá)到一定值時(shí)，新到故障裝備將轉(zhuǎn)送到維修站。裝備后送條件確定涉及裝備維修任務(wù)的科學(xué)調(diào)度，不同策略下會(huì)產(chǎn)生不同系統(tǒng)性能。本文假定戰(zhàn)時(shí)信息暢通，指揮員能即時(shí)掌握各修理分隊(duì)維修任務(wù)情況，對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。具體方法是，對(duì)待修任務(wù)進(jìn)行權(quán)衡，當(dāng)本地待修隊(duì)列大于定點(diǎn)修理待修隊(duì)列時(shí)，將裝備后送修理，否則在本地修理。不考慮損壞裝備的報(bào)廢和向后方修理機(jī)構(gòu)的修理，損壞裝備在戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)層次的使用、損壞、修理運(yùn)行過程如圖1所示。

維修力量分配問題是將有限維修力量(維修小組)以科學(xué)的方式分配給維修站和各基層使用單位(需求點(diǎn))分別實(shí)施定點(diǎn)和現(xiàn)地修理，從而實(shí)現(xiàn)維修保障效益最大化。裝備發(fā)生故障后可能在本地修理也可能后送修理，本地修理時(shí)，節(jié)省裝備運(yùn)輸時(shí)間，但維修資源為本地裝備專用，效率不高;維修站維修資源為多個(gè)保障地域共用，資源效益發(fā)揮充分，但裝備往來運(yùn)輸造成了額外的裝備停機(jī)。所以，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合權(quán)衡。

裝備故障或戰(zhàn)損具有隨機(jī)性，因此，裝備保障系統(tǒng)是一個(gè)隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)，即排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對(duì)資源配置效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)可以采用裝備的平均停機(jī)時(shí)間指標(biāo)，裝備停機(jī)時(shí)間主要包括修理時(shí)間、排隊(duì)等待時(shí)間和裝備運(yùn)輸時(shí)間。

圖1 裝備使用-維修保障過程

2 仿真模型

2.1 GPSS 仿真原理

系統(tǒng)仿真是繼理論分析、實(shí)踐后，人類認(rèn)識(shí)和改造世界的第三種手段。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展，利用仿真技術(shù)分析和解決系統(tǒng)管理問題已越來越簡單便捷。GPSS(General Purpose Simulation System)就是一種便捷實(shí)用的仿真工具。

GPSS是一種面向過程的離散事件系統(tǒng)仿真語言。GPSS提供了大量的語言模塊，使用方便。系統(tǒng)的模型由各功能的程序塊組成，每一程序塊代表系統(tǒng)中可能發(fā)生的規(guī)定動(dòng)作或事件，仿真時(shí)，用戶只需按照實(shí)際問題的流程，建立一一對(duì)應(yīng)的GPSS程序塊，各程序塊聯(lián)接構(gòu)成程序塊圖，然后翻譯成能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的一組GPSS語言，賦于事件推進(jìn)過程中的相應(yīng)參數(shù)，即執(zhí)行仿真。仿真運(yùn)行時(shí)，流動(dòng)實(shí)體在模塊中流動(dòng)，引發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)改變，推進(jìn)仿真進(jìn)程。運(yùn)行后，解釋程序的GPSS處理器自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并輸出仿真統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

GPSS語言的特點(diǎn)是模型直觀，可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際事件發(fā)生的進(jìn)程細(xì)致地進(jìn)行模擬，還可較多地考慮隨機(jī)因素的影響。由于一個(gè)程序塊對(duì)應(yīng)一條仿真語言，相當(dāng)于用通用語言所編的一個(gè)子程序，使得仿真程序的語言數(shù)比用通用語言所編的仿真程序大為減少，因而所編程序簡潔，用戶可以不必為編制輸出程序花費(fèi)時(shí)間和精力。模擬模型容易更改，描述功能強(qiáng)，而且具有標(biāo)準(zhǔn)的輸出，可獲得較多的模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)，可滿足大多數(shù)用戶的需要。

2.2 仿真模型

利用GPSS提供的仿真模塊，將其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合描述裝備維修過程即可形成仿真模型，如圖2所示。

圖2 仿真模型框圖

模型實(shí)現(xiàn)的基本過程是:故障裝備按一定規(guī)律由GENERATE模塊產(chǎn)生，經(jīng)由TEST模塊判斷維修場所，確定裝備流向。本地維修裝備經(jīng)ENTER模塊占用一個(gè)修理小組，延遲一段時(shí)間修理(ADVANCE)，釋放維修小組(LEAVE)，離開系統(tǒng)(TERMINATE)。后送修理過程與本地修理類似，只是多出了兩個(gè)裝備運(yùn)輸過程(ADVANCE)。

模型通過三次使用進(jìn)入隊(duì)列QUEUE模塊和離開隊(duì)列DEPART模塊分別定義了三個(gè)隊(duì)列:一是本地維修隊(duì)列l(wèi)ocal，二是定點(diǎn)維修隊(duì)列back，三是虛擬隊(duì)列total。仿真過程中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄流動(dòng)實(shí)體進(jìn)入隊(duì)列和離開隊(duì)列時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)隊(duì)列中實(shí)體的平均等待時(shí)間、平均隊(duì)列長度等數(shù)值。虛擬隊(duì)列用于統(tǒng)計(jì)裝備故障到修竣的時(shí)間，即停機(jī)時(shí)間。

TEST模塊通過比較本地維修隊(duì)列和定點(diǎn)維修隊(duì)列長度確定新的待修裝備流向。其程序語句為:

TEST L Q$local，Q$back，pointG

其功能為當(dāng)本地維修隊(duì)列l(wèi)ocal的待修裝備小于維修站隊(duì)列back時(shí)，流動(dòng)實(shí)體轉(zhuǎn)入下一模塊，即在本地維修，否則轉(zhuǎn)向G點(diǎn)，即后送修理。其中Q$為制定隊(duì)列的當(dāng)前長度，是系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值屬性之一，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值屬性可以調(diào)用系統(tǒng)狀態(tài)變量。

ENTER和LEAVE模塊指定了倉庫實(shí)體，代表伴隨修理點(diǎn)或固定修理點(diǎn)的維修力量。要通過STORAGE語句定義倉庫實(shí)體庫存容量，分別表示伴隨修理點(diǎn)和固定修理點(diǎn)的修理小組數(shù)量。系統(tǒng)仿真運(yùn)行時(shí)，流動(dòng)實(shí)體判斷倉庫實(shí)體庫存是否有空閑，即是否有空閑維修小組，有空閑則進(jìn)入，占用一個(gè)庫存(維修小組)，倉庫空閑容量數(shù)減1，否則等待。占用維修小組后，通過ADVANCE模塊延遲一段時(shí)間進(jìn)行修理之后，由LEAVE模塊將倉庫空閑容量數(shù)加1。

3 實(shí)例分析

假設(shè)某次戰(zhàn)役中，某部隊(duì)所轄各作戰(zhàn)分隊(duì)按照作戰(zhàn)方案分布在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)，依照部隊(duì)分布、作戰(zhàn)對(duì)象、對(duì)抗強(qiáng)度等特征將該區(qū)域分為3個(gè)區(qū)域，分別配置伴隨維修力量，標(biāo)記為A，B，C。維修站位置已定，標(biāo)為G。已知三個(gè)區(qū)域的故障裝備產(chǎn)生速率(即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的故障裝備數(shù)量)分別為λA=0.1，λB=0.15，λC=0.2，平均故障修理時(shí)間為40min，各區(qū)域到維修站的單程運(yùn)輸時(shí)間分別為 TA=50min，TB=20min，TC=30min。服務(wù)小組總數(shù)為20個(gè)，試通過模擬確定三個(gè)伴隨修理點(diǎn)和固定修理點(diǎn)的裝備維修小組配置數(shù)量NA、NB、NC、NG。

實(shí)例中，以三個(gè)相同的圖2所示模型代表不同使用地域的故障裝備維修過程，配置相應(yīng)參數(shù)即可進(jìn)行仿真。GPSS/world版本中，增加了仿真條件下的編程語言(Programming Language Under Simulation，PLUS)，可對(duì)仿真試驗(yàn)進(jìn)行編程控制，通過設(shè)置不同的維修小組配置參數(shù)進(jìn)行反復(fù)仿真，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)(平均停機(jī)時(shí)間最小)，可以自動(dòng)優(yōu)選出最優(yōu)的配置方案。

仿真結(jié)果顯示，最優(yōu)配置方案為NA=4、NB=5、NC=7、NG=4，故障裝備平均停機(jī)時(shí)間為 63.2min。結(jié)果顯示，各區(qū)域的維修力量配置與該區(qū)域的故障裝備產(chǎn)生速率(任務(wù)量)有一定的比例關(guān)系，同時(shí)受后送運(yùn)輸時(shí)間的影響和維修站修理能力的影響，是各方面因素綜合作用的結(jié)果。如某區(qū)域后送到修理站時(shí)間長，則應(yīng)多配置維修力量，增強(qiáng)獨(dú)立維修能力，反之亦然;維修站與各保障區(qū)域距離是影響其效能發(fā)揮的主要因素，保障距離近則可在維修站多配置維修力量，實(shí)現(xiàn)資源共享。

4 結(jié)束語

裝備維修保障力量的優(yōu)化配置是最大限度發(fā)揮維修保障效益，縮短裝備故障停機(jī)時(shí)間，確保裝備高完好率的重要手段。本文基于GPSS語言編制的仿真程序簡單實(shí)用，可有效輔助指揮決策。

［1］王文峰，劉亞杰，郭波.戰(zhàn)役裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，29(12):1501-1508.

［2］李明，曲長征，張波，等.戰(zhàn)時(shí)戰(zhàn)術(shù)級(jí)維修力量分配模型［J］.艦船電子工程，2010，30(9):142-144.

［3］孔令茂，等.戰(zhàn)術(shù)裝備保障學(xué)［M］.北京:國防大學(xué)出版社，2001.