基于仿真的備件消耗預測方法研究

但 偉，張建元，韓 坤，許 藝

（1.裝甲兵工程學院，北京 100072；2.95969部隊，湖北 武漢 432200）

0 引 言

裝備備件是組成裝備的所有可拆成單元的組件、部件和零件的總稱，通常指完成裝備維修所需的轉用組件、部件和零件[1]。備件是裝備實施維修的重要物質資源之一，使保障裝備處于良好狀態，保持戰斗力的重要因素。備件消耗預測通常是根據備件的可靠性等參數或備件消耗歷史數據來確定未來一段時間內備件可能的消耗品種和數量。但對于新型裝備，由于其結構復雜，且缺少備件消耗的歷史數據，傳統方法很難準確預測備件的消耗規律。為此，本文提出基于仿真的備件消耗預測方法。

由于備件是在裝備維修過程中消耗的，本文首先分析了裝備維修保障系統的結構、組成和運行規律，在此基礎上建立面向仿真的裝備維修保障模型，包括裝備使用任務模型、裝備系統模型、維修保障系統模型、使用與維修保障活動模型。通過運行裝備維修保障模型，產生備件消耗的品種和數量。

1 裝備維修保障系統分析

1.1 系統結構與組成

裝備維修一般采用的是三級維修保障體制，即基層級、中繼級和基地級。每一級別都配備有相應的維修機構和維修器材倉庫。保障系統的基層級維修，對應于部隊（團級及以下）的基層級修理所，中繼級維修對應軍師級維修單位，基地級維修對應于基地級（或支援級）修理機構。這三級維修主要負責對故障單元的修理或報廢。基層級庫存負責向裝備提供所需的備件，而且接收基層級維修修復后的故障件作為備件儲存；中繼級庫存負責向基層級庫存供應所需備件，接受中繼級維修修復后的故障件作為備件儲存；基地級庫存負責向中繼級庫存供應所需備件，接收基地級維修修復后的故障件作為備件儲存，而且承擔備件的購置任務[2-3]。裝備維修保障系統組成結構如圖1所示。

圖1 裝備維修保障系統組成結構

1.2 系統運行分析

若裝備中某一可更換單元（零部件、組件或模塊等）出現故障后，它被馬上從裝備中拆下并送基層級維修部門進行修理，與此同時，基層級庫存如果有該種備件，則立即實施供應并將其安裝到裝備上。對于故障單元，基層級修理部門首先判斷該故障是否可以在本級修理，如果可修復，則進行修理并將修復件送往本級儲存；否則，就將該故障件送中繼級修理部門修理。同時，從中繼級庫存領一個備件送到基層級儲存，如此時中繼級無該備件，則判斷該故障件是否能修復，如果可以修復，就將其修復后送回基層級；否則，將其送往基地級維修。如果可修則將修復件送往基層級，若不可修則直接請領一個備件送基層級儲存。在保障的過程中將產生備件、維修人員和費用（只考慮運輸費用和基地級維修工時費）的需求[4]。

2 面向仿真的裝備維修保障模型

通過對國內外諸多維修保障模型的研究和分析，裝備維修保障建模以對裝備系統及其維修保障系統的建模為核心，包括裝備使用任務建模、裝備系統建模、維修保障系統建模和使用與維修保障活動建模[5]。

2.1 裝備使用任務建模

裝備使用任務建模以對任務或者裝備系統的使用想定、使用方案為建模描述對象，描述任務的發生、任務剖面、任務內容、任務時間、任務約束、任務成功條件以及任務執行中突發事件的處理等。任務剖面為產品在完成規定任務這段時間內所經歷的事件和環境的時序描述，其中包括任務成功或故障的判斷準則。對于完成一種或多種任務的產品都應制定一種或多種任務剖面。裝備使用任務模型是仿真過程的輸入，裝備在任務的執行過程中將產生維修任務[6]。

2.2 裝備系統建模

建立裝備本身的結構模型、可靠性模型等。裝備結構模型描述裝備各個功能單元的層次關系，包括單元間的從屬關系和各個單元的數量，如可能還需提供父單元與子單元的運行比。裝備結構模型通常可以產品樹的形式進行描述。系統可靠性模型是以系統的可靠性框圖的形式表現裝備各功能單元之間的關系。它反映了系統的各個功能單元對整個系統可靠性的影響。

2.3 維修保障系統建模

建立裝備保障系統的概念模型，描述裝備保障機構的組成、位置、保障資源配置、保障關系、保障規則等。對裝備使用分隊，應描述其裝備種類、數量，戰備車數量等；對于維修機構，應描述其所承擔的維修工作范圍，維修工作任務的資源需求和工作時間分布，以及與使用分隊的保障關系及故障裝備維修的排隊規則；對于備件供應單位，必須描述清楚其備件的品種、數量、庫存控制模型、供應保障的排隊規則等。這些信息是仿真系統模擬保障系統工作過程的關鍵。

2.4 使用與維修保障活動建模

對使用與維修保障活動進行建模，是將保障裝備的使用與維修工作區分為各種工作類型和分解為作業步驟進行詳細分析，以確定工作頻度、工作間隔、工作時間，需要的備件、保障設備、保障設施、技術資料，各維修級別所需的人員數量、維修工時及技能等要求。維修活動可以分為預防性維修和修復性維修。武器裝備需要不斷地進行預防性維修，以減少故障的發生，保持其可用狀態，通過修復性維修對發生故障后的武器裝備進行修復，以恢復其可用狀態[7]。

（1）預防性維修：預防性維修活動與任務數量、任務時間、日歷時間參數有關。為了預防在同一時間所有系統都要求進行預防性維修，預防性維修根據下一次預防性維修任務、下一次預防性維修任務時間、最近一次預防性維修的時間等參數隨機的進行預調整。

（2）修復性維修：修復性維修工作用于在武器裝備使用過程中發現故障后，排除故障并恢復武器裝備的可用狀態。修復任務是模型中最重要和最復雜的部分之一。修復任務可以通過更換子產品進行修復，也可以直接對系統或產品進行修復。

3 案例分析

本案例基于SIMLOX仿真平臺對裝備維修保障進行建模。SIMLOX仿真平臺是由瑞典系統與后勤工程公司（SYSTECON）開發的一個基于蒙特卡洛、資源排隊論和系統工程的多功能計算機仿真平臺，它能夠對裝備實際運行環境和保障體系進行仿真，模擬并分析復雜的使用和保障方案，同時支持對戰備完好性和系統使用保障的相關投資之間的定量權衡，可以解決與維修保障相關的問題。

3.1 案例想定描述

某部隊先進行一個月的日常訓練之后，執行為期半個月的演習任務，主戰裝備包括47臺主戰坦克和26臺裝甲車。在日常訓練期間，由基層級保障系統、以及相應的中繼級保障系統和基地級保障系統三級保障體系提供保障，在執行演習任務期間，裝備的保障工作將只有基層級保障系統提供。

3.2 裝備維修保障建模

3.2.1 裝備使用任務建模

裝備使用任務主要描述為：日常訓練任務每天執行兩次，每次間隔12小時。如果系統有異常，允許每一訓練任務有15分鐘的延遲。訓練任務執行時至少需要1架主站坦克。演習任務持續半個月，其中每個子任務執行4小時。演習任務執行時需要至少1輛主戰坦克和1輛裝甲車。基于SIMLOX對任務建模后，可以通過任務剖面視圖來查看分析所建立的任務剖面，由于篇幅原因，這里不再給出任務剖面視圖。

3.2.2 裝備系統建模

裝甲車和主站坦克這兩個系統由外場可更換單元（LRU）、車間可更換單元（SRU）、直接替換單元（DU）和可廢棄件（DP）等不同的部件組成。裝備系統產品結構樹如圖2所示。

輸入信息包括產品結構、各組成部分的故障率和類型等信息。每輛主戰坦克由107個LRU，39個SRU，11個DU和1個DP組成；裝甲車由89個LRU，29個SRU，15個PRU11個DU和1個DP組成。

3.2.3 維修保障系統建模

保障組織包括三個用于日常訓練的使用外場：訓練外場1、訓練外場2和訓練外場3。在這三個使用外場中都備有一定數量的備件和維修資源。中繼級維修廠（DEPOT）是這三個外場的上級保障站點，為三個外場提供保障。部件級維修活動都在基地級維修廠（WS）進行。而那些易于維修的部件故障模式的故障件在中繼級維修廠進行。還有一些產品需要承制方（CONTRACTOR）負責維修。此外為了執行演習任務，還有一個任務前線站點。一定數量的裝備與保障資源會被轉移到任務前線，這些資源要能夠保障裝備執行完整個演習任務。整個保障組織結構如圖3所示。

3.2.4 使用與維修保障活動建模

以預防性維修為例，定義了3種預防性維修，分別是針對主戰坦克的產品維修（ITEM PM A62），針對裝甲車的每隔200小時和700小時的預防性維修。其中輸入信息如圖4所示。

3.3 輸出結果

建模完成以后，設置SIMLOX的仿真控制參數，運行仿真實驗，根據需要可以生成詳細的仿真結果報告。如圖5所示為各站點的產品故障、修復和備件的庫存情況，如第11項為車體陀螺儀在中繼級的維修，可以看到，車體陀螺儀在中繼級庫存為1個，產生的備件需求為6.87個，存在庫存不足的情況。

4 結 論

備件是裝備維修保障的重要物質基礎。為解決預測備件消耗時遇到的難題，本文提出基于仿真的備件消耗預測方法。首先分析了裝備維修保障系統的結構、組成和運行規律，構建了面向仿真的裝備維修保障模型，包括裝備使用任務模型、裝備系統模型、維修保障系統模型、使用與維修保障活動模型。通過借助SIMLOX仿真軟件，運行仿真實驗，得出備件消耗的品種和數量。

[1]單志偉.裝備綜合保障工程[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]范浩，賈云獻，賈希勝,等.通用裝備維修保障資源需求仿真建模研究[J].軍械工程學院學報，2005,17(4):47-51.

[3]徐宗昌，黃益嘉，楊宏偉.裝備保障性工程與管理[M].北京：國防工業出版社，2006.

[4]甘茂治，康建設，高崎.軍用裝備維修工程學[M].北京：國防工業出版社，1999.

[5]夏旻，閻晉屯，劉磊.裝備保障仿真模型框架及仿真平臺研究[J].系統仿真學報，2006,18(2):210-213.

[6]劉興堂，吳曉燕.現代系統建模與仿真技術[M].西安：西北工業大學出版社，2001.

[7]辛文逵.航空裝備維修保障仿真技術[J].系統仿真學報，2005,13(4)：101-107.