魏 勇,徐廷學(xué),逄大鵬

(1.海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264001;2.海軍裝備技術(shù)研究所,北京 102442)

基于任務(wù)的艦炮裝備戰(zhàn)備完好性建模與仿真研究

魏 勇1,徐廷學(xué)1,逄大鵬2

(1.海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264001;2.海軍裝備技術(shù)研究所,北京 102442)

艦炮戰(zhàn)備完好性是系統(tǒng)綜合保障的總體指標(biāo),也是衡量艦炮系統(tǒng)戰(zhàn)斗力的重要指標(biāo)之一。應(yīng)用系統(tǒng)分析方法,通過(guò)分析戰(zhàn)備完好性基礎(chǔ)定義,建立了基于任務(wù)的戰(zhàn)備完好性評(píng)價(jià)模型。在考慮艦炮裝備可靠性、維修性和保障性及維修保障過(guò)程的情況下,應(yīng)用離散事件、蒙特卡羅法等理論建立了一種基于任務(wù)的戰(zhàn)備完好性仿真原理和仿真流程。結(jié)果表明該方法是可行的,且可以發(fā)現(xiàn)影響戰(zhàn)備完好性的因素,為使用和管理部門(mén)提供決策支持。

信息處理技術(shù);戰(zhàn)備完好性;裝備;建模與仿真

對(duì)戰(zhàn)備完好性的分析與評(píng)價(jià)是指對(duì)裝備平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)完成并保持一系列規(guī)定任務(wù)能力的評(píng)估。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)裝備的戰(zhàn)備完好性進(jìn)行了有意義的分析與評(píng)價(jià),但這些研究都是基于裝備的概率模型和統(tǒng)計(jì)模型,數(shù)據(jù)來(lái)源多為時(shí)間概率的統(tǒng)計(jì)值。而對(duì)于那些在執(zhí)行任務(wù)期間和給定任務(wù)剖面下,由于裝備系統(tǒng)故障導(dǎo)致系統(tǒng)的任務(wù)或下一次任務(wù)不能成功開(kāi)始甚至不能成功完成的裝備戰(zhàn)備完好性評(píng)價(jià)很少,從而不能確定影響任務(wù)成功的主要因素。針對(duì)上述文獻(xiàn)研究的不足,筆者對(duì)給定任務(wù)剖面下的裝備戰(zhàn)備完好性進(jìn)行了研究,找出了影響任務(wù)成功的主要因素,確定了影響裝備使用的關(guān)鍵設(shè)備,這對(duì)在經(jīng)費(fèi)的約束下優(yōu)化配置保障資源具有重要意義。

1 戰(zhàn)備完好性評(píng)價(jià)模型

1.1 基本假設(shè)[4]

1)在每個(gè)階段任務(wù)中,系統(tǒng)和部件只有正常/故障兩種狀態(tài),且各部件的壽命和維修時(shí)間均服從指數(shù)分布。

2)部件的故障和修復(fù)是獨(dú)立進(jìn)行的。

3)修好后的部件,不影響裝備的使用功能。

4)多階段任務(wù)中各個(gè)階段任務(wù)之間是按順序執(zhí)行的串聯(lián)關(guān)系,即只要有一個(gè)階段任務(wù)失敗,后續(xù)任務(wù)將無(wú)法繼續(xù),造成整個(gè)多階段任務(wù)無(wú)法完成,任務(wù)失敗。

5)考慮各個(gè)階段任務(wù)配置中的功能單元之間是串聯(lián)關(guān)系,即每個(gè)階段任務(wù)的配置中,只要有一個(gè)單元故障,即認(rèn)為系統(tǒng)故障。

6)系統(tǒng)各組成器件的失效相互獨(dú)立,其失效不會(huì)發(fā)生在同一時(shí)刻。

1.2 艦炮裝備戰(zhàn)備完好性的定義

表示戰(zhàn)備完好性所采用的形式取決于系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用條件。海軍裝備比較常用的戰(zhàn)備完好性參數(shù)用使用可用度AO和戰(zhàn)備完好率POR表示[5]。

使用可用度是與能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。是表示裝備服役后,在使用一段時(shí)間內(nèi)使用時(shí)間與總時(shí)間的比值。使用可用度表達(dá)式為:

系統(tǒng)工作總時(shí)間的構(gòu)成如圖1所示。

這里不考慮非工作時(shí)間。以時(shí)間表示的使用可用度計(jì)算模型如下:

由圖1得,在不考慮非工作時(shí)間的情況下,如果與任務(wù)時(shí)間相聯(lián)系,總工作時(shí)間可以被定義為總的任務(wù)時(shí)間MT,能工作時(shí)間也就是系統(tǒng)完成任務(wù)的時(shí)間。因此,從任務(wù)角度考慮,AO又可以表示為:

AO=系統(tǒng)完成任務(wù)的時(shí)間/總?cè)蝿?wù)時(shí)間。

戰(zhàn)備完好性的概率度量稱為戰(zhàn)備完好率。它表示當(dāng)要求武器裝備或武器系統(tǒng)投入作戰(zhàn)時(shí),該系統(tǒng)能夠執(zhí)行任務(wù)的概率。因此,從任務(wù)角度考慮,其可表示為:在規(guī)定的使用及維修保障方案下,系統(tǒng)能夠執(zhí)行的任務(wù)數(shù)與總?cè)蝿?wù)數(shù)之比,其表達(dá)式為:

POR=能夠執(zhí)行的任務(wù)數(shù)/總?cè)蝿?wù)數(shù)。

1.3 艦炮裝備任務(wù)分析

任務(wù)一般為復(fù)雜的多階段任務(wù),其是由一系列基本任務(wù)按順序執(zhí)行完成。為了問(wèn)題的簡(jiǎn)化和分析,按多階段任務(wù)系統(tǒng)(Phased-Mission System,PMS)[6-7]的概念,任務(wù)通常可以按時(shí)序劃分為一系列時(shí)間連續(xù)且不相互重疊的任務(wù)階段,一般可用串聯(lián)關(guān)系表示,且每個(gè)任務(wù)階段有不同的任務(wù)可靠性要求[8]。各個(gè)任務(wù)階段在任務(wù)內(nèi)容、任務(wù)開(kāi)始時(shí)間、任務(wù)系統(tǒng)配置(需要使用不同的功能系統(tǒng))、任務(wù)成功的判據(jù)、故障判據(jù)及單元故障特性(單元故障率等)等方面會(huì)不同。

本案例中建立的艦炮裝備執(zhí)行的任務(wù)是平時(shí)的訓(xùn)練任務(wù),另外是演習(xí)任務(wù)。由于演習(xí)任務(wù)時(shí)間的不確定性,這里僅研究艦炮(二類艦艇)的典型日常訓(xùn)練任務(wù)剖面,如圖2所示。

2 戰(zhàn)備完好性仿真模型

2.1 輸入數(shù)據(jù)模型

每臺(tái)裝備由若干子系統(tǒng)組成,每個(gè)子系統(tǒng)至少有8個(gè)基本參數(shù),且還可分為n個(gè)器件(或單元)。因此,保障性仿真數(shù)據(jù)種類多,數(shù)據(jù)量大。為解決該問(wèn)題,輸入數(shù)據(jù)模型主要解決輸入數(shù)據(jù)的分類(設(shè)備參數(shù)和使用規(guī)則參數(shù)),建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(可靠性框圖參數(shù))、任務(wù)參數(shù)(任務(wù)時(shí)間線和任務(wù)成功點(diǎn)等)、使用參數(shù)(后勤保障、保障策略、使用率等)、可靠性參數(shù)MTBF、維修性參數(shù)MT TR和保障性參數(shù)MLD T等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型。

2.2 任務(wù)工作模型

按年月次序(日歷時(shí)間)描述系統(tǒng)預(yù)期可能出現(xiàn)的工作方式(階段)、任務(wù)和交戰(zhàn)類型,確定系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)(階段)以及各個(gè)階段內(nèi)參與工作的設(shè)備和配置。它包括階段類型、階段持續(xù)時(shí)間、任務(wù)類型、交戰(zhàn)方式和設(shè)備預(yù)計(jì)使用率等參數(shù),任務(wù)時(shí)間線模型從任務(wù)剖面中產(chǎn)生。

2.3 保障過(guò)程模型

保障過(guò)程模型主要描述對(duì)故障修復(fù)和預(yù)防性維修過(guò)程中所產(chǎn)生的如備件維修、維修設(shè)備和服務(wù)等方面的各種要求,能否在現(xiàn)有保障環(huán)境下得到充分的滿足。其工作邏輯如圖3所示。

2.4 MC統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]

任一設(shè)備的壽命都是一個(gè)服從某一分布的隨機(jī)變量。根據(jù)MC直接抽樣法。在假定設(shè)備可靠性和維修性均服從指數(shù)分布時(shí),可利用設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間MTBF和平均修復(fù)時(shí)間MTTR,通過(guò)抽取[0,1]內(nèi)的均勻隨機(jī)數(shù)ξ,反求可靠度R和維修度M函數(shù)預(yù)測(cè)設(shè)備的隨機(jī)壽命T,T=-MTBF×ln(ξ)和故障修復(fù)時(shí)間 Tx,Tx=-MTTR ×ln(ξ)。

2.5 統(tǒng)計(jì)模型

統(tǒng)計(jì)模型主要用來(lái)建立各種指標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型,是保障性仿真的核心,如POR=能執(zhí)行的任務(wù)數(shù)/總?cè)蝿?wù)數(shù);AO=系統(tǒng)實(shí)際完成的任務(wù)時(shí)間/規(guī)定的任務(wù)時(shí)間;PMSC=任務(wù)成功完成的次數(shù)/仿真總次數(shù)。

3 戰(zhàn)備完好性仿真流程

基于任務(wù)的戰(zhàn)備完好性評(píng)價(jià)按任務(wù)時(shí)間線中的階段順序進(jìn)行統(tǒng)計(jì),在每個(gè)階段內(nèi)根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行模擬,其仿真流程如圖4所示。

4 戰(zhàn)備完好性仿真實(shí)例

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

想定艦炮裝備有以下幾個(gè)子功能系統(tǒng)串聯(lián)組成:LRU1、LRU2 、LRU3 、LRU4 、LRU5,分別是炮架、供彈系統(tǒng)、自動(dòng)機(jī)、電氣控制和瞄準(zhǔn)隨動(dòng)系統(tǒng)。

利用艦炮裝備在實(shí)際工作中的可靠性與維修性數(shù)據(jù)可以分別計(jì)算出裝備系統(tǒng)的各功能系統(tǒng)的故障率,數(shù)據(jù)如表1所示。

“操演”是艦炮每年都要進(jìn)行的常規(guī)訓(xùn)練任務(wù),假定該作戰(zhàn)單元在年度某些個(gè)訓(xùn)練日內(nèi)完成一科目和二科目的相關(guān)任務(wù),可以簡(jiǎn)化為部署轉(zhuǎn)換、備戰(zhàn)備航、對(duì)海射擊操演和對(duì)空射擊操演等幾個(gè)順序執(zhí)行的階段任務(wù)構(gòu)成。在對(duì)艦炮訓(xùn)練大綱分析基礎(chǔ)上定義出的單裝基本任務(wù),包含固定的要素:任務(wù)約束,包括任務(wù)時(shí)間要求等;涉及功能系統(tǒng),即完成本任務(wù)必需的一個(gè)或數(shù)個(gè)功能系統(tǒng)及系統(tǒng)故障率等。主要數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 任務(wù)剖面參數(shù)Tab.2 Parameter of misssion profile

4.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)上述數(shù)據(jù),利用離散事件蒙特卡洛法對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行仿真,仿真周期為1 440 h,初始隨機(jī)種子為123456789,仿真次數(shù)為100次。與任務(wù)時(shí)間有關(guān)的仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)戰(zhàn)備完好性使用可用度計(jì)算模型,對(duì)圖5的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行累加計(jì)算,就可以得到艦炮在執(zhí)行任務(wù)期間系統(tǒng)的使用可用度AO:

與執(zhí)行任務(wù)數(shù)有關(guān)的仿真結(jié)果如圖6所示。對(duì)圖6的任務(wù)執(zhí)行數(shù)量進(jìn)行累加計(jì)算,可以得到戰(zhàn)備完好率POR為:

基于系統(tǒng)不可用數(shù)目的系統(tǒng)不可用度如圖7所示。

經(jīng)對(duì)圖7仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)由等待產(chǎn)品、等待資源及故障維修造成的系統(tǒng)累計(jì)不可用數(shù)目分別為1.29 、0.50 、0.35 。

由戰(zhàn)備完好率和使用可用度仿真結(jié)果可知POR＞AO,這與戰(zhàn)備完好率與使用可用度的關(guān)系相吻合,說(shuō)明了仿真方法的可行性。但是戰(zhàn)備完好率和使用可用度仿真結(jié)果都有些偏低,從系統(tǒng)不可用度仿真圖得出:導(dǎo)致系統(tǒng)不可用,任務(wù)不能成功完成的主要原因是由于等待產(chǎn)品、等待資源和故障維修產(chǎn)生的。因此,可以認(rèn)為影響系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性的主要原因是由于等待產(chǎn)品時(shí)間過(guò)長(zhǎng),引發(fā)系統(tǒng)停機(jī),工作時(shí)間減少,執(zhí)行任務(wù)率下降,所以戰(zhàn)備完好率和使用可用度仿真結(jié)果都有些偏低。

但是對(duì)裝備的后勤人員和使用人員來(lái)說(shuō),孤立的講裝備的戰(zhàn)備完好性沒(méi)有太大的意義。GJB4355的C2.1指出:分析裝備戰(zhàn)備完好性必須將保障能力與裝備的使用可用度聯(lián)系,即將保障度P與AO掛鉤,建立P與AO之間的聯(lián)系,更深層地反映P對(duì)可用度AO的影響。其公式為:

式中:TBF為平均故障間隔時(shí)間;MCT為平均修復(fù)時(shí)間;TSR為從艦員級(jí)提出備件需求至備件運(yùn)抵艦員級(jí)的平均供應(yīng)反應(yīng)時(shí)間。

已知TSR=887 h,以表1所給數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算,各單元使用可用度結(jié)果如表3所示。

表3 各單元使用可用度結(jié)果Tab.3 Availability result of each unit

由表3可以看出:單元4、5的使用可用度最低,由等待產(chǎn)品、等待資源和故障維修產(chǎn)生的系統(tǒng)停機(jī)和備件需求大部分是由它們引起的。在保障資源相同的情況下,單元4、5所占的延誤時(shí)間和備件短缺比例最大,這與該裝備實(shí)際使用結(jié)果相符。

5 結(jié) 論

戰(zhàn)備完好性是裝備裝備部隊(duì)后形成并保持戰(zhàn)斗力時(shí)優(yōu)先考慮的問(wèn)題。本文從艦炮的實(shí)際使用情況出發(fā),結(jié)合艦炮裝備的可靠性、維修性和保障性等因素,建立了艦炮裝備的戰(zhàn)備完好性模型,可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)艦炮裝備在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的使用特性,發(fā)現(xiàn)影響戰(zhàn)備完好性的因素,有助于使用部門(mén)、管理部門(mén)和保障部門(mén)相互協(xié)調(diào),制定正確的使用和維修保障計(jì)劃;對(duì)提高艦炮的戰(zhàn)斗力具有重要的意義。

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Modelling and Simulation Research on Operational Readiness of Naval Gun Weapon Equipment Based on Mission

WEI Yong1,XU Ting-xue1,PANG Da-peng2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,Shandong,China;
2.Naval Equipment Technology Institute,Beijing 102442,China)

T he term of operational readiness in naval gun system is not only the total index of integrated logistic support,but also one of the important indexes of the practical combat capability of the naval gun system.Based on mission,the operational readiness evaluation model was established with the aid of its basic definition analysis.Under the consideration of reliability,maintainability,supportability and maintain-support process of naval gun weapon equipment,a kind of simulation principle and flow of the operational readiness were set up based on mission by use of the theory of Monte-Carlo sampling method,discrete event and so on.The results of its application showed that the model can not only be feasible,but also can acquire the key factors that have influence on the operational readiness.The results can provide the decision support for service and managing departments.

information processing;operational readiness;equipment;modelling and simulation

TP31

A

1673-6524(2010)04-0015-05

2010-02-09;

2010-05-07

魏 勇(1979-),男,博士研究生,主要從事裝備綜合保障理論與技術(shù)研究。E-mail:qywyhmily@126.com