雷達(dá)裝備兩級(jí)維修保障過程建模與仿真

盧 雷，楊江平

(空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警裝備系， 武漢430019)

0 引言

隨著雷達(dá)裝備的建設(shè)與發(fā)展，對(duì)于像天波超視距雷達(dá)、大型相控陣?yán)走_(dá)等此類大型雷達(dá)的裝備，由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、技術(shù)復(fù)雜，一般采用基層級(jí)和基地級(jí)(廠家)兩級(jí)維修保障體制。因此，分析兩級(jí)維修保障過程對(duì)于雷達(dá)裝備具有重要意義。

雷達(dá)裝備的維修保障過程是一個(gè)復(fù)雜性高、隨機(jī)性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)過程，不僅需要考慮可靠性、維修性、測(cè)試性等裝備設(shè)計(jì)特性，同時(shí)也必須考慮雷達(dá)部署到部隊(duì)后的使用與維修環(huán)境、保障資源的數(shù)量與配置、維修策略，以及上述因素之間的相互作用［1］。

由于基于數(shù)理分析的傳統(tǒng)解析建模方法難以對(duì)這一動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在這個(gè)方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，使得基于仿真的方法越來越受到重視。國(guó)外方面:文獻(xiàn)［2］利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Java對(duì)運(yùn)輸機(jī)中可更換組件的維修供應(yīng)過程進(jìn)行了仿真，仿真不僅可以輸出使用可用度的平均值，還可以得到使用可用度的概率分布;文獻(xiàn)［3］仿真分析了維修周轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)巴西和阿根廷A-4飛機(jī)編隊(duì)使用可用度的影響，得出縮短維修周轉(zhuǎn)時(shí)間可大幅提高使用可用度并降低備件費(fèi)用;文獻(xiàn)［4］利用水晶球仿真軟件分析了可靠性、維修性對(duì)RAH-66科曼奇直升機(jī)使用可用度的影響，仿真結(jié)果表明，可靠性對(duì)使用可用度的影響比維修性大;文獻(xiàn)［5］利用離散事件仿真軟件Simkit對(duì)美海軍F/A-18飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的維修保障過程進(jìn)行了仿真，得到了反映飛機(jī)戰(zhàn)備完好的使用可用度這一參數(shù)，并分析了發(fā)動(dòng)機(jī)模塊平均故障間隔時(shí)間等因素對(duì)使用可用度的影響;文獻(xiàn)［6］利用離散事件仿真軟件Arena對(duì)美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)一個(gè)76輛輕型戰(zhàn)車編隊(duì)的維修保障過程進(jìn)行了仿真，分析了戰(zhàn)車可更換組件故障率、庫存量等因素對(duì)編隊(duì)可用戰(zhàn)車數(shù)量的影響。國(guó)內(nèi)方面:文獻(xiàn)［7］利用Monte Carlo仿真方法模擬了基于貯存失效的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)維修保障的運(yùn)行，得出了反映導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和保障能力的評(píng)價(jià)參數(shù);文獻(xiàn)［8］基于Arena軟件仿真對(duì)通信裝備備件保障流程進(jìn)行了建模與仿真，分析了不同備件配置策略對(duì)備件利用率的影響規(guī)律;文獻(xiàn)［9］也利用Arena軟件分析了火炮維修保障過程，通過仿真可以輸出排隊(duì)等待時(shí)間、維修人員利用率等參數(shù)。以上研究表明運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)裝備的維修保障過程進(jìn)行模擬，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外裝備維修保障領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。基于此，本文以大型復(fù)雜雷達(dá)裝備為研究對(duì)象，利用離散事件仿真軟件Arena構(gòu)建其兩級(jí)維修保障過程模型，并分析多種因素對(duì)雷達(dá)裝備使用可用度的影響。

1 兩級(jí)維修保障過程分析

雷達(dá)裝備兩級(jí)維修保障過程，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)裝備兩級(jí)維修保障過程圖

由圖中可對(duì)兩級(jí)維修保障過程分析如下:當(dāng)雷達(dá)裝備中某一關(guān)鍵組件(可更換單元)發(fā)生故障后，基層級(jí)維修人員首先對(duì)故障單元進(jìn)行拆卸，并將故障單元送基地級(jí)進(jìn)行維修，同時(shí)查詢基層級(jí)庫存是否有該故障單元的備件。若有，則進(jìn)行換件維修，雷達(dá)裝備恢復(fù)正常工作;若沒有該項(xiàng)備件，則裝備停機(jī)，直至基層級(jí)庫存中有該項(xiàng)單元的備件。故障單元修復(fù)后送回基層級(jí)，成為一個(gè)可用的備件進(jìn)入基層級(jí)庫存。

2 兩級(jí)維修保障流程仿真模型

2.1 基本假設(shè)

由于影響雷達(dá)裝備維修保障的因素眾多、影響機(jī)理復(fù)雜，因此，在建立合理的兩級(jí)維修保障流程仿真模型之前，必須明確基本假設(shè)。主要需要明確的基本假設(shè)有以下4點(diǎn):

1)因雷達(dá)裝備中組件(可更換單元)數(shù)量多達(dá)幾百個(gè)，考慮所有可更換單元的相互作用將使所建立的仿真模型過于復(fù)雜，甚至無法實(shí)現(xiàn)，一個(gè)好的解決方案是將建模的范圍限定在一些對(duì)雷達(dá)裝備有關(guān)鍵性影響的組件上，特別是那些故障率高且每次故障將致使裝備停機(jī)的組件。因此，本文將選取5個(gè)關(guān)鍵性組件進(jìn)行建模。

2)組件之間的故障是相互獨(dú)立的，且每次故障都將會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)裝備停機(jī)。

3)不考慮組件的報(bào)廢、拆檢拼修，基地級(jí)可將組件完全修復(fù)。

4)組件的維修周轉(zhuǎn)時(shí)間包括組件在基層級(jí)與基地級(jí)兩級(jí)之間的往返運(yùn)輸時(shí)間、基地級(jí)維修時(shí)間、各種管理性延誤時(shí)間，且各組件的維修周轉(zhuǎn)時(shí)間服從參數(shù)相同的分布。

2.2 用Arena建立的仿真模型

實(shí)現(xiàn)雷達(dá)裝備兩級(jí)維修保障流程的仿真建模工具是Arena軟件，該軟件是一種面向?qū)ο蟮哪K化建模工具，可以實(shí)現(xiàn)離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)的仿真。雷達(dá)裝備兩級(jí)維修保障過程仿真模型由裝備實(shí)體產(chǎn)生模塊、組件維修判斷模塊、組件維修處理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊4個(gè)部分組成。兩級(jí)維修保障頂層仿真模型，如圖2所示。

圖2 兩級(jí)維修保障頂層仿真模型

1)裝備實(shí)體產(chǎn)生模塊。裝備實(shí)體產(chǎn)生模塊主要是進(jìn)行仿真參數(shù)初始化設(shè)置和產(chǎn)生雷達(dá)裝備實(shí)體。該模塊首先設(shè)置仿真總次數(shù)和單次仿真總時(shí)間，并產(chǎn)生一個(gè)雷達(dá)裝備實(shí)體，然后進(jìn)入維修判斷模塊。

2)組件維修判斷模塊。在維修判斷模塊中，先隨機(jī)產(chǎn)生雷達(dá)裝備中5個(gè)關(guān)鍵性組件的故障時(shí)間，并對(duì)5個(gè)關(guān)鍵性組件的故障時(shí)間進(jìn)行判斷，取5個(gè)關(guān)鍵性組件中故障時(shí)間最早的那個(gè)時(shí)間作為裝備下一次故障的時(shí)間，并確定故障時(shí)間最早的那個(gè)組件為需要維修更換的組件，同時(shí)更新裝備的工作時(shí)間和5個(gè)關(guān)鍵性組件下一次的故障時(shí)間。

3)組件維修處理模塊，如圖3所示。在組件維修處理模塊中，先統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵性組件的故障次數(shù)，接著利用Arena軟件中分離功能模塊分離出一個(gè)故障件實(shí)體，原先的故障件實(shí)體進(jìn)入組件基層級(jí)換件維修功能塊，若該組件此時(shí)在基層級(jí)有備件，則占用備件維修資源，并進(jìn)行換件維修，若沒有備件，則進(jìn)入備件排隊(duì)等待隊(duì)列，直至基層級(jí)庫存中有該項(xiàng)備件;分離出的故障件實(shí)體在經(jīng)過組件基地級(jí)送修延遲功能塊后，在基地級(jí)被修復(fù)，變成可用單元，并送往基層級(jí)，基層級(jí)接收到該項(xiàng)備件后，若裝備維修處于等待備件狀態(tài)，則安裝該備件以恢復(fù)裝備工作，若不處于等待備件狀態(tài)，則該項(xiàng)備件的庫存量增加1個(gè)。

圖3 維修處理模塊

4)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊中，首先，對(duì)裝備的停機(jī)時(shí)間進(jìn)行更新，若仿真時(shí)間未達(dá)到預(yù)先設(shè)置的單次仿真總時(shí)間，則進(jìn)入維修判斷模塊，仿真繼續(xù)進(jìn)行;其次，若達(dá)到單次仿真總時(shí)間，則統(tǒng)計(jì)輸出裝備的使用可用度(Operational Availability，Ao)，并開始下一次仿真，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的仿真總次數(shù)。Ao統(tǒng)計(jì)公式如下

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

雷達(dá)裝備兩級(jí)維修保障過程建模與仿真的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)可靠性、維修性以及保障資源配置的分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。下面將重點(diǎn)分析平均故障間隔時(shí)間、維修周轉(zhuǎn)時(shí)間、備件庫存數(shù)量等因素對(duì)雷達(dá)裝備戰(zhàn)備完好性的影響。

3.1 仿真輸入

模型的輸入如表1所示。仿真總時(shí)間設(shè)為10年(3 650 d)，仿真總次數(shù)設(shè)為100次。

表1 仿真模型的輸入 d

3.2 平均故障間隔時(shí)間對(duì)Ao的影響

組件的平均故障間隔時(shí)間是度量組件可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。在組件庫存數(shù)量、維修周轉(zhuǎn)時(shí)間兩者均保持不變的情況下，將5個(gè)組件的平均故障間隔時(shí)間同時(shí)以5%的比例遞增，得到平均故障間隔時(shí)間Ao的影響，如圖4所示。

圖4 組件平均故障間隔時(shí)間對(duì)Ao的影響

由圖4可知，增加組件的平均故障時(shí)間可以提高雷達(dá)裝備的Ao，但Ao的提高幅度逐漸變緩。即提高的組件可靠性在前期對(duì)Ao的影響較明顯，后期影響效果則趨于平緩，且要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的可行性。

3.3 維修周轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)Ao的影響

依據(jù)2.1節(jié)第4條假設(shè)可知，維修周轉(zhuǎn)時(shí)間是衡量?jī)杉?jí)維修保障系統(tǒng)效能的關(guān)鍵性時(shí)間參數(shù)。在組件庫存數(shù)量、平均故障間隔時(shí)間兩者均保持不變的情況下，將5個(gè)組件的維修周轉(zhuǎn)時(shí)間同時(shí)以5%的比例遞減，得到維修周轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)Ao的影響，如圖5所示。

圖5 維修周轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)Ao的影響

由圖5可知，在相同的變化比例情況下，縮短組件在兩級(jí)保障系統(tǒng)中的維修周轉(zhuǎn)時(shí)間比增加組件的平均故障時(shí)間更能有效提高雷達(dá)裝備的Ao。因此，在資源一定的情況下，資源應(yīng)優(yōu)先利用在縮短維修周轉(zhuǎn)時(shí)間上，進(jìn)而提高裝備Ao。

3.4 備件庫存數(shù)對(duì)Ao的影響

與其他保障資源相比，備件是對(duì)保障資源延誤時(shí)間影響最大、最難于控制的因素［9-10］。在平均故障間隔時(shí)間、維修周轉(zhuǎn)時(shí)間兩者均保持不變的情況下，每次使單個(gè)組件的數(shù)量在1～6個(gè)之間變化，在該組件變化時(shí)，其他組件的庫存數(shù)量與初始仿真輸入保持不變，得到備件庫存數(shù)量對(duì)Ao的影響，如圖6所示。

由圖6可知，5個(gè)組件中，組件4庫存數(shù)量的變化對(duì)雷達(dá)裝備整機(jī)的Ao影響較為明顯;同時(shí)，增加單個(gè)組件的庫存數(shù)量在前期可提高雷達(dá)裝備的Ao，但當(dāng)庫存數(shù)量達(dá)到一定時(shí)，Ao不再提高，保持在一個(gè)固定值，即單個(gè)組件的庫存數(shù)量變化對(duì)雷達(dá)裝備整機(jī)Ao的影響是有限。

圖6 組件庫存數(shù)量對(duì)Ao的影響

4 結(jié)束語

通過上述分析與討論，可以發(fā)現(xiàn)增加組件平均故障間隔時(shí)間、縮短組件維修周轉(zhuǎn)時(shí)間、增加組件庫存數(shù)量均可提高雷達(dá)裝備的Ao，且維修周轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)Ao的影響尤為顯著。通過本文建立的仿真模型，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)裝備戰(zhàn)備完好性、可靠性、維修性以及保障資源配置的分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

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