基于Flexsim 的兩棲艦船裝卸載流程可視化仿真研究

徐清華，宋 劍，謝川予

（解放軍91976 部隊(duì)，廣州 510430）

0 引言

Flexsim 是一種面向?qū)ο蟮目梢暬鞒谭抡娼９ぞ?，能使決策者通過(guò)可視化建模方法構(gòu)建任何分散式系統(tǒng)流程，透過(guò)Flexsim 可以率先找到作業(yè)流程模式，從而能幫助決策者形象地在動(dòng)態(tài)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中模擬、監(jiān)控及評(píng)估流程系統(tǒng)，為尋找優(yōu)秀流程提供決策分析，從而達(dá)到優(yōu)化流程目的［1］。兩棲艦船作戰(zhàn)兵力裝卸載是典型的作業(yè)流程問(wèn)題，安全、可靠、快速地裝卸載是兩棲艦船完成兩棲作戰(zhàn)任務(wù)的前提。通過(guò)Flexsim 可視化工具對(duì)兩棲艦船裝卸載兩棲車(chē)輛作業(yè)進(jìn)行可視化建模仿真，分析兩棲艦船裝載方案和裝載流程結(jié)論數(shù)據(jù)，為優(yōu)化裝載方案和作業(yè)流程提供決策。

1 Flexsim 平臺(tái)可視化流程仿真過(guò)程

Flexsim 是一套可視化仿真模型設(shè)計(jì)、制作與分析軟件。它集計(jì)算機(jī)仿真、圖像處理、數(shù)據(jù)分析及人工智能技術(shù)于一體，適合軍事作業(yè)流程仿真研究與實(shí)踐。

1.1 布局設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的作業(yè)方案進(jìn)行仿真系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)?？梢暬鳂I(yè)流程仿真可以將設(shè)計(jì)好的裝卸搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行合理階段劃分，通常按照系統(tǒng)布局區(qū)域劃分，使用對(duì)象庫(kù)中的實(shí)體作為容器，連接各容器的輸入輸出便可以完成仿真模型。

1.2 實(shí)體關(guān)系

實(shí)體關(guān)系就是各連接對(duì)象的確定關(guān)系。在Flexsim 中實(shí)體間的關(guān)系分為輸入輸出關(guān)系和中心端口連接關(guān)系。輸入輸出關(guān)系是指兩個(gè)固定實(shí)體間的關(guān)系，中心端口連接關(guān)系多用于固定實(shí)體和輸送設(shè)備實(shí)體之間，也用于兩實(shí)體間相互通信。

1.3 參數(shù)設(shè)定

Flexism 提供簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定，雙擊對(duì)象可以打開(kāi)對(duì)象的參數(shù)對(duì)話框進(jìn)行設(shè)定。盡管Flexsim 中已經(jīng)有很多設(shè)定參數(shù)可供選擇，但很難滿(mǎn)足個(gè)性化仿真建模的需要，可以通過(guò)一套命令集來(lái)修改實(shí)體屬性、編寫(xiě)實(shí)體動(dòng)作甚至自定義實(shí)體［2］。

1.4 運(yùn)行模型

通過(guò)編譯、運(yùn)行實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景仿真，并以三維圖表、文字及時(shí)顯示仿真輸出數(shù)據(jù)，也可以定制仿真觀察角度和演示路徑，自制演示視頻等，為用戶(hù)提供多維度模型運(yùn)行監(jiān)視效果。

1.5 仿真輸出

實(shí)時(shí)查看相應(yīng)對(duì)象的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表，生成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，為系統(tǒng)作業(yè)流程仿真提供分析數(shù)據(jù)。

2 兩棲艦船裝卸載流程仿真建模

以大型兩棲艦船投送兩棲車(chē)輛為研究對(duì)象，構(gòu)建兩棲艦船裝卸載兩棲車(chē)輛作業(yè)流程仿真模型。首先，根據(jù)作業(yè)仿真需求設(shè)計(jì)布局，也就是制定兩棲車(chē)輛在艦船上的布列方案；其次，確定兩棲車(chē)輛在艦船上的裝卸載作業(yè)流程方法，也就是裝卸載作業(yè)流程規(guī)則；再次，根據(jù)仿真設(shè)計(jì)方案輸入相關(guān)的流程仿真參數(shù)；最后，進(jìn)行兩棲車(chē)輛裝卸流程可視化仿真運(yùn)行并輸出仿真結(jié)論［3］。

2.1 制定裝載布列方案

兩棲艦船裝卸載兩棲車(chē)輛流程仿真建模的首要任務(wù)是確定作業(yè)流程的兩棲車(chē)輛在裝卸過(guò)程中的布列方案，也就是確定所有兩棲車(chē)輛作為作業(yè)實(shí)體需要搬運(yùn)的空間狀態(tài)，兩棲艦船裝載兩棲車(chē)輛的各個(gè)艙室就是兩棲車(chē)輛布列空間，兩棲車(chē)輛就是仿真系統(tǒng)中的實(shí)體，在艦船上存放的位置就是裝載的布列方案［4］。

設(shè)某型兩棲艦船需要投送一批兩棲車(chē)輛執(zhí)行任務(wù)，采用碼頭裝卸載方法，該型艦船共有A、B、C、D 4 個(gè)艙室可以用來(lái)裝載被投送的兩棲車(chē)輛，艦船配置有側(cè)門(mén)連接艙室C 的通道E，有艙室C 連接艙室D 的通道F，有艙室C 連接艙室B 的通道G，有艙室B 連接艙室A 的通道H，其中，通道E、F、G 是固定通道，H 是垂直電梯通道，兩棲艦船裝載空間布局如圖1 所示，兩棲車(chē)輛布列方案如圖2～圖4所示。

圖1 艦船裝載空間布局圖

圖2 兩棲車(chē)輛A 艙布列圖

圖3 兩棲車(chē)輛B 艙布列圖

圖4 兩棲車(chē)輛C 艙和D 艙布列圖

2.2 確定流程仿真規(guī)則

系統(tǒng)仿真流程規(guī)則必須遵守艦船裝卸載規(guī)則，這是保障被裝載兵力安全上下船的基本保證，也是提高裝卸效率的基本要求。裝載流程是保障被裝載兵力能夠按照裝載方案進(jìn)行有序、安全、快速的裝載，卸載流程是裝載的逆過(guò)程，在制定裝載方案和流程時(shí)就應(yīng)考慮兵力卸載的安全性、快速性和實(shí)踐性，因此，卸載速度往往比裝載速度要快，流程更加簡(jiǎn)單［5］。

規(guī)則1：車(chē)輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 指定車(chē)位。必須待前序車(chē)輛通過(guò)通道門(mén)E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車(chē)輛才可以從碼頭開(kāi)始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；前序車(chē)輛機(jī)動(dòng)至指定車(chē)位后，后續(xù)車(chē)輛才可以開(kāi)始從離開(kāi)通道E 處向指定車(chē)位機(jī)動(dòng)；所有車(chē)輛機(jī)動(dòng)至艙室C 指定車(chē)位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則2：車(chē)輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室D 指定車(chē)位。機(jī)動(dòng)路線：從碼頭經(jīng)過(guò)通道E 進(jìn)入艙室C，再經(jīng)過(guò)通道F 至艙室D。機(jī)動(dòng)規(guī)則：從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 時(shí)，必須待前序車(chē)輛通過(guò)通道門(mén)E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車(chē)輛才可以從碼頭開(kāi)始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；車(chē)輛從艙室C 機(jī)動(dòng)至艙室D 時(shí)，前序車(chē)經(jīng)過(guò)艙室C 至艙室D 的通道F 后，后續(xù)車(chē)才可開(kāi)始從離開(kāi)通道E 處由C 艙往D 艙機(jī)動(dòng)，等待前序車(chē)在艙室D 機(jī)動(dòng)至指定車(chē)位后，方可從艙室F 通道處向艙室D 機(jī)動(dòng)，否則必須在通道E 或通道F 處等待；所有車(chē)輛機(jī)動(dòng)至艙室D 指定車(chē)位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則3：車(chē)輛從碼頭機(jī)動(dòng)進(jìn)入艙室B 指定車(chē)位。機(jī)動(dòng)路線：從碼頭經(jīng)過(guò)通道E 進(jìn)入艙室C，再經(jīng)過(guò)通道G 至艙室B。機(jī)動(dòng)規(guī)則：車(chē)輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 時(shí)，必須待前序車(chē)輛通過(guò)通道門(mén)E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車(chē)輛才可以從碼頭開(kāi)始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；車(chē)輛從艙室C 至艙室B 時(shí)，前序車(chē)經(jīng)過(guò)艙室C至艙室B 的通道F 后，后續(xù)車(chē)才可開(kāi)始從離開(kāi)通道E 處由C 艙往B 艙機(jī)動(dòng)，等待前序車(chē)在艙室B 機(jī)動(dòng)至指定車(chē)位后，方可從艙室C 至艙室B 的通道G 機(jī)動(dòng)，否則必須在通道E 或通道G 處等待；所有車(chē)輛機(jī)動(dòng)至艙室B 指定車(chē)位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則4：車(chē)輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室A 指定車(chē)位。機(jī)動(dòng)路線：從碼頭經(jīng)過(guò)通道E 進(jìn)入艙室C，再經(jīng)過(guò)通道G 至艙室B，最后經(jīng)過(guò)通道H 至艙室A。機(jī)動(dòng)規(guī)則：車(chē)輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 時(shí)，必須待前序車(chē)輛通過(guò)通道門(mén)E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車(chē)輛才可以從碼頭開(kāi)始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；車(chē)輛從艙室C 至艙室B時(shí)，前序車(chē)經(jīng)過(guò)艙室C 至艙室B 的通道F 后，后續(xù)車(chē)才可開(kāi)始從離開(kāi)通道E 處由C 艙往B 艙機(jī)動(dòng)；車(chē)輛從艙室B 至艙室A 時(shí)，前序車(chē)（一次性搭載的車(chē)輛）經(jīng)過(guò)艙室B 至艙室A 的通道H 后，后續(xù)車(chē)（一次性可搭載的車(chē)輛）才可開(kāi)始離開(kāi)通道G 處由B 艙往A 艙機(jī)動(dòng)，等待前序車(chē)從艙室A 機(jī)動(dòng)至指定車(chē)位后，方可從艙室B 至艙室A 的通道H 機(jī)動(dòng)，否則必須在通道E、通道G 或通道H 處等待；所有車(chē)輛機(jī)動(dòng)至艙室A 指定車(chē)位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則5：艙室裝載的順序。艙室裝載順序沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但必須滿(mǎn)足該艙室裝載完車(chē)輛后，不影響后續(xù)車(chē)輛在該艙室的機(jī)動(dòng)限制，否則后續(xù)車(chē)輛無(wú)法進(jìn)行正常裝載。結(jié)合某型艦船艙室布局特點(diǎn)，必須滿(mǎn)足：A 艙室裝載完才可以裝載B 艙室，B 艙室裝載完才可以裝載C 艙室，D 艙室裝載完才可以裝載C 艙室。

規(guī)則6：所有的通道E、F、G 不可以同時(shí)存在2輛及以上數(shù)量車(chē)輛；通道H 可以同時(shí)搭載的車(chē)輛數(shù)量不多于最大車(chē)輛容量。

規(guī)則7：車(chē)輛與車(chē)輛在機(jī)動(dòng)過(guò)程中間距不少于5 m；車(chē)輛到達(dá)指定車(chē)位需進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向動(dòng)作調(diào)整車(chē)位至準(zhǔn)確位置，調(diào)整過(guò)程采用的速度符合正態(tài)分布規(guī)律，最大速度不超過(guò)該車(chē)型在該艙室機(jī)動(dòng)最大限速。

規(guī)則8：裝載流程開(kāi)始時(shí)間為第1 輛車(chē)輛從碼頭開(kāi)始進(jìn)入通道E 的時(shí)刻；裝載流程結(jié)束時(shí)間為最后一輛車(chē)輛到達(dá)某艙室指定位置的時(shí)刻。

規(guī)則9：車(chē)輛卸載的順序。車(chē)輛卸載順序沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但必須滿(mǎn)足該車(chē)輛卸載前不能影響其他車(chē)輛經(jīng)過(guò)該艙室的機(jī)動(dòng)限制，否則無(wú)法進(jìn)行正常卸載。

規(guī)則10：卸載流程開(kāi)始時(shí)間為第1 輛車(chē)輛從指定車(chē)位開(kāi)始機(jī)動(dòng)時(shí)刻；卸載流程結(jié)束時(shí)間為最后一輛車(chē)輛脫離艦船的時(shí)刻。

2.3 輸入流程仿真參數(shù)

建模仿真是為評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案服務(wù)。為達(dá)到這個(gè)目的往往要對(duì)方案多次修改，多次仿真，這樣就要求仿真系統(tǒng)能根據(jù)使用需求靈活輸入、修改數(shù)據(jù)。Flexism 中集成了Excel 插件，仿真系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)可以通過(guò)Excel 插件導(dǎo)入到所建立的全局表中，模型中所有初始數(shù)據(jù)都可以從全局表中直接獲得。Excel 本身具有強(qiáng)大計(jì)算統(tǒng)計(jì)功能，因此，只要事先設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)表格的形式并輸入數(shù)據(jù)，便能輕松計(jì)算出其他所需數(shù)據(jù)。

2.3.1 輸入裝載實(shí)體及流程仿真控制數(shù)據(jù)

主要導(dǎo)入各個(gè)裝載艙室及被裝載兵力名稱(chēng)、裝載順序、間隔等待時(shí)間等裝載要素?cái)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要用于控制仿真流程的排隊(duì)順序、排隊(duì)等待時(shí)間等規(guī)則。

2.3.2 輸入裝載實(shí)體流程仿真性能數(shù)據(jù)

主要輸入裝載實(shí)體運(yùn)動(dòng)屬性，如裝備在裝載過(guò)程的水平運(yùn)動(dòng)速度、爬坡速度、涉水速度、過(guò)通道速度、電梯運(yùn)行速度等性能參數(shù)。

2.4 流程仿真控制

當(dāng)構(gòu)建好仿真規(guī)則模型并輸入相關(guān)仿真參數(shù)后，就可以進(jìn)行裝卸載作業(yè)流程的仿真運(yùn)算，為了較好地觀察整個(gè)仿真過(guò)程產(chǎn)生的效果，可以對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行控制，例如暫停、加速、減速、實(shí)體空間顯示、實(shí)體仿真可視化布局等，如圖5 所示。

圖5 流程仿真顯示控制視圖

2.5 流程仿真輸出分析

1）仿真結(jié)果輸出。仿真結(jié)果輸出是將仿真過(guò)程中獲取的仿真結(jié)果以表格、圖形等方式輸出，供決策者進(jìn)行分析使用，如圖6 所示。

圖6 流程仿真結(jié)果輸出

2）仿真結(jié)果分析。Flexsim 的仿真結(jié)果可以直接輸出到任何能與ODBC 相連的數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)表的形式都是軟件設(shè)計(jì)好的，不僅有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)報(bào)告，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖7 所示。

圖7 流程仿真結(jié)果分析報(bào)告

3 仿真實(shí)例

以某型兩棲艦船采用碼頭裝載和碼頭卸載的方法，對(duì)兩棲車(chē)輛裝卸載作業(yè)流程進(jìn)行仿真實(shí)例分析，共有3 型（X、Y、Z）共84 輛兩棲車(chē)分別裝載在A、B、C、D 4 個(gè)艙室，兩棲車(chē)輛艙室配置如表1 所示，兩棲車(chē)輛在各艙室和通道機(jī)動(dòng)的性能參數(shù)如表2 所示。實(shí)例依據(jù)裝卸載規(guī)則采用2 種裝卸載流程方案進(jìn)行仿真，計(jì)算2 種流程方案裝卸所需要的時(shí)間，并對(duì)方案進(jìn)行比較分析。

表2 兩棲車(chē)輛在艦船中各艙室和通道機(jī)動(dòng)的性能參數(shù)（單位：km/h）

3.1 確定裝載布列方案

兩棲艦船車(chē)輛布列方案如圖2～ 圖4 所示，其中10 輛Z 型車(chē)裝載在艙室A，34 輛Y 型車(chē)裝載在艙室B，20 輛X 型車(chē)裝載在艙室C，20 輛X 型車(chē)裝載在艙室D，如表1 所示。

表1 兩棲車(chē)輛艙室配置表

3.2 輸入流程仿真參數(shù)

方案1：依次按照艙室A→艙室D→艙室B→艙室C 的順序裝載，控制各車(chē)輛的裝載順序，如下頁(yè)圖8 所示，ArrivalTime 參數(shù)能夠控制各車(chē)輛的裝載順序，卸載采用裝載的逆序。

圖8 方案1 兩棲車(chē)輛控制參數(shù)

方案2：先按照艙室A 和艙室D 交錯(cuò)順序裝載，再艙室B→艙室C 的順序裝載，控制各車(chē)輛的裝載順序，如圖9 所示，ArrivalTime 參數(shù)能夠控制各車(chē)輛的裝載順序，卸載順序同方案1，保障兩棲車(chē)輛卸載后快速形成作戰(zhàn)隊(duì)形。

圖9 方案2 兩棲車(chē)輛控制參數(shù)

3.3 流程仿真輸出分析

方案1：依次按照艙室A→艙室D→艙室B→艙室C 的順序裝載輸出，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 方案1 仿真輸出數(shù)據(jù)

方案2：先按照艙室A 和艙室D 交錯(cuò)順序裝載，再艙室B→艙室C 的順序裝載輸出，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 方案2 仿真輸出數(shù)據(jù)

結(jié)論分析：從以上兩種裝載方案流程作業(yè)仿真輸出數(shù)據(jù)可以分析，方案1 采用各艙室依次順序裝載所需要裝載時(shí)間為114 min，卸載所需時(shí)間為56 min；方案2 采取兩棲車(chē)輛艙室交錯(cuò)并行，裝載所需時(shí)間為101 min，卸載所需時(shí)間為56 min；方案2 裝載所需要時(shí)間比方案1 所需要時(shí)間減少13 min，節(jié)約11%的時(shí)間；由于在制定裝載方案過(guò)程中充分考慮了兩棲車(chē)輛卸載比裝載更加緊迫，因此，卸載時(shí)間比裝載時(shí)間都少，接近裝載時(shí)間的50 %，滿(mǎn)足作戰(zhàn)實(shí)際需求，符合作戰(zhàn)需求規(guī)律。

4 結(jié)論

兩棲艦船裝卸載是未來(lái)登陸作戰(zhàn)重要環(huán)節(jié)，是登陸作戰(zhàn)兵力安全、可靠、快速上陸的基本保障。由于裝卸載過(guò)程涉及到復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，多樣的登陸作戰(zhàn)兵力，多類(lèi)型的輸送工具，因此，采用的裝卸載方法和組織實(shí)施過(guò)程都不盡相同，科學(xué)研究裝卸載組織流程方法，以及評(píng)估和優(yōu)化裝卸流程是提升登陸作戰(zhàn)戰(zhàn)斗力的有效途徑。