基于ExtendSim的艦炮維修保障過(guò)程建模與仿真*

米巧麗，徐廷學(xué)，劉旭寧

(1. 海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)，b. 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍91206部隊(duì) 航材教研室，山東 青島 266108)

基于ExtendSim的艦炮維修保障過(guò)程建模與仿真*

米巧麗1a，徐廷學(xué)1b，劉旭寧2

(1. 海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)，b. 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍91206部隊(duì) 航材教研室，山東 青島 266108)

針對(duì)某型艦炮維修保障過(guò)程的復(fù)雜性，在保障需求與仿真評(píng)價(jià)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ExtendSim軟件構(gòu)建了任務(wù)階段的多層次、模塊化的維修保障過(guò)程模型，通過(guò)將具體維修過(guò)程封裝在子模塊中降低了仿真建模的復(fù)雜性，并實(shí)現(xiàn)了維修過(guò)程的可視化與模型的重用性。通過(guò)具體的仿真案例分析，驗(yàn)證了模型的正確性與可執(zhí)行性，并對(duì)關(guān)鍵因素的敏感性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為分析和優(yōu)化艦炮保障系統(tǒng)提供了可靠的參考與依據(jù)。

艦炮；維修保障；ExtendSim；建模仿真

0 引言

現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)最突出的特點(diǎn)表現(xiàn)為作戰(zhàn)雙方裝備體系之間的對(duì)抗，其中裝備的綜合保障能力對(duì)裝備性能與作戰(zhàn)能力的發(fā)揮起到了關(guān)鍵性的影響[1]。作為現(xiàn)代海戰(zhàn)主戰(zhàn)裝備之一的某型艦炮，承擔(dān)著對(duì)岸、對(duì)海攻擊及空中攔截等多使命任務(wù)，其維修保障過(guò)程涉及到多活動(dòng)、多資源在多任務(wù)階段的有效協(xié)調(diào)和應(yīng)用?，F(xiàn)代建模與仿真技術(shù)通過(guò)對(duì)艦炮在特定作戰(zhàn)與訓(xùn)練任務(wù)中的維修保障過(guò)程進(jìn)行模擬，將軍事需求轉(zhuǎn)化為定量的保障性要求，從而提高艦炮戰(zhàn)備完好性與任務(wù)成功性、降低保障費(fèi)用。

基于裝備發(fā)展戰(zhàn)略所需，各國(guó)均大力地推動(dòng)建模與仿真技術(shù)在訓(xùn)練、分析和實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)已成功建立并應(yīng)用了諸如OPUS10，SIMLOX，LCOM和TOPSAM等裝備保障仿真模型[2-3]。我國(guó)在日益完善建模與仿真理論方法體系的同時(shí)，也相繼展開(kāi)了仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐。艦炮保障系統(tǒng)具備典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)特征，目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、物流、軍事等領(lǐng)域的仿真軟件主要包括Arena，AutoMod，ExtendSim，F(xiàn)lexsim和ProModel等[4-7]。相對(duì)而言，ExtendSim仿真軟件提供開(kāi)放源代碼和二次開(kāi)發(fā)引擎，采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)與多層次模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的統(tǒng)計(jì)功能和圖形輸出功能等，可很好地增強(qiáng)艦炮維修保障過(guò)程仿真的可操作性，降低仿真建模的復(fù)雜度，提高仿真過(guò)程與結(jié)果的可視化等[8-9]。因此，本文擬應(yīng)用ExtendSim仿真軟件對(duì)基于作戰(zhàn)與訓(xùn)練任務(wù)剖面的艦炮維修保障過(guò)程進(jìn)行分析，有效地模擬并發(fā)現(xiàn)艦炮的各種維修保障缺陷，從而針對(duì)性地規(guī)劃艦炮在各任務(wù)階段中的保障活動(dòng)、資源和組織等要素，提升保障系統(tǒng)的保障能力。

1 任務(wù)階段的保障需求

艦炮維修保障的目的是確保艦炮能夠成功完成所承擔(dān)的任務(wù)，即全部維修保障活動(dòng)都是圍繞系統(tǒng)任務(wù)展開(kāi)的。每項(xiàng)基本任務(wù)主要分為待命、任務(wù)準(zhǔn)備、任務(wù)執(zhí)行與任務(wù)結(jié)束4個(gè)階段。在待命階段，根據(jù)任務(wù)需求從可用系統(tǒng)中按照規(guī)定的任務(wù)配置原則為系統(tǒng)分配任務(wù)；在任務(wù)準(zhǔn)備階段完成任務(wù)執(zhí)行前的各種準(zhǔn)備工作，如補(bǔ)充彈藥、加注燃料、加掛武器系統(tǒng)等；在任務(wù)執(zhí)行階段，根據(jù)任務(wù)安排執(zhí)行對(duì)應(yīng)訓(xùn)練或作戰(zhàn)任務(wù)，其間任務(wù)系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障或戰(zhàn)損，此時(shí)將根據(jù)任務(wù)性質(zhì)或終止或掛起；任務(wù)結(jié)束階段對(duì)艦炮進(jìn)行使用后的維護(hù)與補(bǔ)給，對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的裝備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修理或送修。艦炮的預(yù)防性維修(preventive maintenance，PM)通常按照一定的周期在待命與任務(wù)結(jié)束階段進(jìn)行，如若艦炮動(dòng)用時(shí)間到達(dá)預(yù)防性維修周期后，在任務(wù)結(jié)束后且不影響下次任務(wù)執(zhí)行的條件下則進(jìn)入預(yù)防維修流程。某型艦炮任務(wù)過(guò)程中具體的維修保障工作如圖1所示。

圖1 艦炮任務(wù)過(guò)程中的維修保障工作Fig.1 Maintenance support work in the task process

在任務(wù)準(zhǔn)備與任務(wù)執(zhí)行階段，如艦炮系統(tǒng)和產(chǎn)品發(fā)生故障，則觸發(fā)修復(fù)性維修(corrective maintenance，CM)事件，從而排除故障并恢復(fù)到故障前可用狀態(tài)。艦炮在任務(wù)過(guò)程中可能出現(xiàn)多個(gè)故障，每個(gè)故障部件具有多種故障模式，不同的故障模式對(duì)應(yīng)著不同的維修過(guò)程，因此修復(fù)性維修作業(yè)可以在不同的級(jí)別和站點(diǎn)中完成。當(dāng)某一系統(tǒng)或產(chǎn)品故障后，首先在艦員級(jí)進(jìn)行排故和修復(fù)，若本級(jí)無(wú)法完成該修復(fù)任務(wù)，需將故障件送往中繼級(jí)或基地級(jí)進(jìn)行修復(fù)。對(duì)故障件進(jìn)行維修時(shí)，首先看故障件是否達(dá)到最大維修次數(shù)，達(dá)到則直接進(jìn)行換件，并將故障部件報(bào)廢，否則需要判斷是采用直接維修還是換件維修方式。

2 仿真評(píng)價(jià)參數(shù)模型

艦炮維修保障過(guò)程仿真是以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，利用任務(wù)數(shù)據(jù)，RMS數(shù)據(jù)、保障資源及維修保障活動(dòng)等數(shù)據(jù)，模擬任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中與維修保障相關(guān)的各種活動(dòng)，仿真得出艦炮在給定的訓(xùn)練/任務(wù)安排、使用要求和維修策略等條件下的任務(wù)執(zhí)行、故障維修及維修保障能力評(píng)價(jià)等信息。其中，任務(wù)執(zhí)行相關(guān)輸出主要包括任務(wù)累積時(shí)間、執(zhí)行次數(shù)和成功次數(shù)等數(shù)據(jù)；故障維修相關(guān)輸出主要是對(duì)艦炮在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的故障次數(shù)、維修時(shí)間及備件延誤等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；基于仿真直接或間接統(tǒng)計(jì)得到的艦炮維修保障能力評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括任務(wù)成功率、使用可用度及平均備件延誤時(shí)間等參數(shù)[10-11]。

(1) 任務(wù)成功率

PMSC=任務(wù)成功次數(shù)/仿真任務(wù)總次數(shù)=

(1)

(2)使用可用度

使用可用度的定義是裝備能工作時(shí)間與總工作時(shí)間的比值。在任務(wù)層面上，艦炮工作時(shí)間反映的是其執(zhí)行任務(wù)累積時(shí)間，總工作時(shí)間(任務(wù)周期)內(nèi)根據(jù)任務(wù)安排反映的是任務(wù)規(guī)定時(shí)間。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，如果執(zhí)行到第i個(gè)任務(wù)時(shí)，由于故障等原因，該任務(wù)沒(méi)有成功完成，即對(duì)應(yīng)任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間TFEi沒(méi)有達(dá)到規(guī)定任務(wù)時(shí)間TMi，則對(duì)應(yīng)第m次仿真的任務(wù)累積時(shí)間將累加到第i-1個(gè)任務(wù)完成時(shí)刻。設(shè)仿真設(shè)定次數(shù)為M，則使用可用度的仿真統(tǒng)計(jì)模型為

AO=執(zhí)行任務(wù)累積時(shí)間/規(guī)定任務(wù)時(shí)間=

(2)

(3) 平均備件延誤時(shí)間

采樣點(diǎn)的布置根據(jù)不同的工作比例尺，遵循相應(yīng)的化探規(guī)范，要求每個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)最大限度地控制上游匯水域。在面積較小的殘山區(qū)選擇在殘山腳部低洼處布置采樣點(diǎn)，布置1～2個(gè)點(diǎn)能有效控制殘山面積即可。在這樣的景觀區(qū)由于受殘山的面積大小和密集程度的制約，因此采樣點(diǎn)布設(shè)不遵循“均勻性和不能連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)空白小格”的原則。

(3)

式中：J為第j種備件的維修任務(wù)總數(shù)；K為備件種類；t為仿真時(shí)間；TS為仿真運(yùn)行總時(shí)間；TSijd為在第i次維修任務(wù)中備件j在d級(jí)維修機(jī)構(gòu)修復(fù)時(shí)間。

3 基于ExtendSim的仿真模型

某型艦炮主要由自動(dòng)機(jī)(A)、雙彈鼓(B)、瞄準(zhǔn)隨動(dòng)系統(tǒng)(C)、引信測(cè)合系統(tǒng)(D)、電氣控制系統(tǒng)(E)、揚(yáng)彈機(jī)(F)、炮架(G)與工具附件(H)等8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(line replaceable unit,LRU)單元組成，每個(gè)單元可進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)LRU和車間可更換單元(shop replaceable unit,SRU)。假設(shè)艦炮與各單元、各單元與其組成單元的可靠性模型為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，壽命分布服從指數(shù)分布。通過(guò)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，70%以上故障主要發(fā)生在A，B，C，D等4個(gè)單元中。如對(duì)A，B，C，D各考慮1種典型的故障模式，對(duì)應(yīng)故障模式與維修策略如表1所示。

表1 故障模式與維修策略信息Table 1 Failure mode and maintenance strategy information

依據(jù)艦炮的任務(wù)與維修保障過(guò)程，利用ExtendSim仿真軟件，對(duì)特定任務(wù)安排下的各任務(wù)階段的維修保障活動(dòng)、維修過(guò)程中人員、設(shè)備、設(shè)施等資源的調(diào)用、備件的供應(yīng)等相關(guān)的實(shí)體、屬性、變量及相互關(guān)系進(jìn)行描述，構(gòu)建任務(wù)周期內(nèi)維修保障過(guò)程的仿真模型。任務(wù)過(guò)程頂層仿真模型、預(yù)防性維修與修復(fù)性維修過(guò)程仿真子模型分別如圖2～4所示。

圖2 任務(wù)過(guò)程頂層仿真模型Fig.2 Top-layer simulation model of the task phases

圖3 預(yù)防性維修過(guò)程仿真子模型Fig.3 Simulation sub-model of the preventive maintenance process

圖2所示的任務(wù)過(guò)程模型中，任務(wù)準(zhǔn)備、預(yù)防性維修、任務(wù)執(zhí)行、修復(fù)性維修4個(gè)過(guò)程為封裝的層級(jí)模塊，每個(gè)層級(jí)模塊中包含對(duì)應(yīng)的子模塊。仿真運(yùn)行以單個(gè)任務(wù)周期為仿真單元，通過(guò)對(duì)任務(wù)實(shí)體模塊屬性的設(shè)置來(lái)滿足艦炮使用方案中的任務(wù)安排。圖3所示的預(yù)防性維修子模型中，通過(guò)函數(shù)模塊對(duì)是否達(dá)到預(yù)防性維修的條件進(jìn)行判斷，利用“Select Item Out”模塊根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)是否執(zhí)行預(yù)防性維修過(guò)程進(jìn)行路徑分流。圖4所示的修復(fù)性維修模型中，通過(guò)“Random Number”與“Set”模塊對(duì)艦炮各個(gè)單元部件的故障率進(jìn)行抽樣，利用“Select Item Out”模塊根據(jù)仿真抽樣結(jié)果對(duì)發(fā)生故障單元修復(fù)性維修過(guò)程進(jìn)行路徑分流。仿真中資源等待、故障檢測(cè)、故障隔離與故障維修等時(shí)間的分布與參數(shù)可通過(guò)“Queue”，“Activity”或“Random Number”等模塊的屬性進(jìn)行設(shè)置[12]。

4 仿真案例

在和平時(shí)期，艦炮的動(dòng)用主要以日常訓(xùn)練為主，在單項(xiàng)和綜合訓(xùn)練中所產(chǎn)生的磨損和損耗是影響艦炮裝備壽命和保障性的重要因素。以下以某驅(qū)逐艦支隊(duì)配備的5座某型艦炮(JP1，JP2，JP3，JP4，JP5)為例，仿真模擬艦炮在訓(xùn)練中的維修保障過(guò)程，并對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該型艦炮訓(xùn)練任務(wù)主要包括科目1的部署及部署轉(zhuǎn)換、備戰(zhàn)備航、部門射擊操演與單炮射擊操演等4項(xiàng)內(nèi)容，及科目2的對(duì)海射擊、聯(lián)合對(duì)岸攻擊、與航空兵協(xié)同射擊、主副炮聯(lián)合對(duì)空射擊操演等8項(xiàng)內(nèi)容。支隊(duì)要求在年度計(jì)劃安排的60個(gè)訓(xùn)練日內(nèi)完成兩個(gè)科目的12項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容累積52次，每次為0.5 h。部隊(duì)單次訓(xùn)練的時(shí)間包括訓(xùn)練時(shí)間、休息時(shí)間、往返航渡時(shí)間等。

圖4 修復(fù)性維修過(guò)程仿真子模型Fig.4 Simulation sub-model of the corrective maintenance process

仿真中假定艦炮的故障率由A，B，C，D4個(gè)LRU單元的故障率經(jīng)可靠性模型抽樣得到，而4個(gè)LRU單元的故障率又可由其組成單元的故障率經(jīng)可靠性模型抽樣得到。設(shè)定這4個(gè)單元故障率分別為0.010 8，0.009 6，0.012 9，0.008 3。仿真設(shè)定艦炮動(dòng)用累積時(shí)間達(dá)到100 h后執(zhí)行預(yù)防性維修，持續(xù)時(shí)間約10 h。修復(fù)性維修過(guò)程仿真中，資源與維修等待時(shí)間、故障隔離時(shí)間通常服從均勻分布，維修時(shí)間服從指數(shù)分布，具體的故障維修時(shí)間參數(shù)如表2所示(仿真中時(shí)間參數(shù)單位均統(tǒng)一為小時(shí))。備件是維修過(guò)程中重要保障資源之一，其配置數(shù)量可能影響著任務(wù)延誤時(shí)間及任務(wù)的成功與否。因此，仿真中設(shè)定2個(gè)保障方案，方案2在方案1的基礎(chǔ)上增加了艦員級(jí)攜行的備件數(shù)量。具體的備件庫(kù)存數(shù)據(jù)如表3所示。其中同級(jí)倉(cāng)庫(kù)備件請(qǐng)領(lǐng)時(shí)間約為0.5～1 h，鄰級(jí)和隔級(jí)請(qǐng)領(lǐng)時(shí)間約為10～20和30～60 h。

表2 故障維修時(shí)間參數(shù)Table 2 Maintenance time parameters of the failures h

表3 各保障站點(diǎn)備件庫(kù)存數(shù)據(jù)Table 3 Spare parts inventory in all support stations

假定在仿真中不考慮不同艦炮之間的差異，仿真時(shí)間設(shè)置為1 440 h(年度訓(xùn)練計(jì)劃時(shí)間)。以下以方案1為基線保障方案，運(yùn)行ExtendSim仿真模型，仿真得出的任務(wù)、維修相關(guān)信息分別如表4,5所示。

表4 艦炮執(zhí)行任務(wù)信息Table 4 Task information executed by the shipborne guns

表5 艦炮維修統(tǒng)計(jì)信息Table 5 Maintenance statistic information of the shipborne guns

如表4所示的任務(wù)統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)表明，仿真得出的未執(zhí)行、成功與失敗任務(wù)次數(shù)相加之和的任務(wù)總數(shù)約為52，說(shuō)明模型得出的任務(wù)仿真數(shù)據(jù)基本與使用方案中制定的訓(xùn)練計(jì)劃一致。由表5中的故障信息可知，艦炮動(dòng)用時(shí)間與預(yù)防性維修次數(shù)的關(guān)系符合預(yù)設(shè)的預(yù)防性維修周期。且仿真中各單元故障次數(shù)及時(shí)間反映了艦炮的可靠性情況，其可靠性之比與設(shè)計(jì)方案中的數(shù)據(jù)基本一致。同時(shí)，仿真中反映出單元A與C的故障次數(shù)明顯多于B與D，即自動(dòng)機(jī)與瞄準(zhǔn)隨機(jī)動(dòng)系統(tǒng)是艦炮故障發(fā)生的主要系統(tǒng)，這與實(shí)際的艦炮故障發(fā)生情況基本一致。

為消除每次仿真中隨機(jī)種子產(chǎn)生的隨機(jī)性，在對(duì)維修保障能力評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)時(shí)，通過(guò)ExtendSim統(tǒng)計(jì)模型設(shè)置每仿真100次統(tǒng)計(jì)一次結(jié)果輸出。同時(shí)，為對(duì)比說(shuō)明方案1與方案2中艦員級(jí)備件數(shù)量的改變對(duì)于維修保障的影響與敏感性，仿真中對(duì)比輸出了2個(gè)方案的使用可用度、戰(zhàn)備完好率與平均備件延誤時(shí)間的統(tǒng)計(jì)曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，2個(gè)方案的評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本趨于平穩(wěn)，其中出現(xiàn)的波動(dòng)可能是由于仿真中假定出現(xiàn)的故障均為關(guān)鍵故障，且故障出現(xiàn)為隨機(jī)等情況造成的。仿真曲線顯示，方案2的使用可用度略高于方案1，通過(guò)均值計(jì)算工具得出方案2的使用可用度相對(duì)于方案1提高了約6.27%，任務(wù)成功率相對(duì)于方案1提高了約7.36%，平均備件延誤時(shí)間相對(duì)于方案1減少了約67.87%。原因是由于方案2在方案1的基礎(chǔ)上增加了備件的艦員級(jí)庫(kù)存，極大地減少了維修過(guò)程中備件等待時(shí)間，從而縮短了任務(wù)延誤時(shí)間，增加了任務(wù)成功次數(shù)與執(zhí)行時(shí)間，提高了任務(wù)成功率與使用可用度。

圖5 維修保障評(píng)價(jià)參數(shù)的仿真統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.5 Simulation statistic comparisons of maintenance support evaluation parameters

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ExtendSim仿真軟件分層次地構(gòu)建了艦炮任務(wù)周期中維修保障過(guò)程模型，通過(guò)封裝重用性較高的維修過(guò)程子模型，不僅使整個(gè)仿真流程更加清晰明了，還可以通過(guò)改變模塊參數(shù)重復(fù)調(diào)用子模型以滿足不同的保障需求。通過(guò)仿真運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)二維或三維的可視化過(guò)程模擬，觀察并統(tǒng)計(jì)在特定任務(wù)剖面下任務(wù)、維修活動(dòng)、資源等待時(shí)間、隊(duì)長(zhǎng)等狀態(tài)或參數(shù)的變化，同時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)模塊可對(duì)維修保障過(guò)程中各因素對(duì)于艦炮維修保障能力的敏感性與影響力進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)影響或制約艦炮保障系統(tǒng)的瓶頸，為進(jìn)行科學(xué)合理的保障性設(shè)計(jì)、制定和選擇最優(yōu)的保障方案及資源配置與攜行計(jì)劃等提供科學(xué)的決策依據(jù)。

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Maintenance Support Process Modeling and Simulation of Shipborne Gun Based on ExtendSim

MI Qiao-li1a，XU Ting-xue1b，LIU Xu-ning2

(1.Navy Aeronautical and Astronautical University,a. Administrant Brigade of Postgraduate; b. Dept. of Ordnance Science & Technology,Shandong Yantai 264001, China;2. PLA,No.91206 Troop,Air Materiel Department, Shandong Qingdao 266108,China)

Aiming at the complexity of the maintenance support process for a type of shipborne gun, the maintenance support requirements and the simulation evaluation parameters are analyzed. And then, the multilayer-modularization models of the maintenance support processes in the whole task phases are built using ExtendSim, in which the sub-models describing the specific preventive and corrective maintenance processes are encapsulated. Therefore the complexity of simulation and modeling is reduced, and the maintenance’s visualization and model’s reusability can be realized. In the specific simulation case studied lastly, the validity and availability of the models is proved, and the statistical analysis of the key factors' sensibility is shown. Accordingly, the reliable reference and basis for analyzing and optimizing the support system of shipborne gun is provided.

shipborne gun; maintenance support; ExtendSim; modeling and simulation

2014-03-18；

2014-06-21

有

米巧麗(1987-)，女，湖南邵陽(yáng)人。博士生，研究方向?yàn)檠b備綜合保障理論與技術(shù)。

通信地址：266001 山東省青島市嶗山區(qū)沙子口15號(hào) E-mail：14717mql@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.025

E924.91；TP391.9

A

1009-086X(2015)-03-0139-07