艦船裝備保障維修策略優化模型仿真研究

李鵬

(陜西學前師范學院，陜西西安710100)

艦船裝備保障維修策略優化模型仿真研究

李鵬

(陜西學前師范學院，陜西西安710100)

摘要:現代化的艦船系統復雜度越來越高，并且艦船活動范圍也越加廣泛，在配備固定維修人員的情況下，如何在艦船任務執行的時間范圍內完成對設備的檢測維修及物資配給是艦船裝備保障策略的重要指標。同時，對戰時維修策略的選擇也是整個艦船維修體系中重點研究的方向之一。本文在研究現有艦船多種維修策略的基礎上，結合艦船在具體執行任務時對維修保障體系給出了可行性分析及性能評估，并針對現有的保障體系﹑策略方案及物資配給方案進行優化。

關鍵詞:維修策略;性能評估;任務可用性

Research on the optimization simulation model of maintenance strategy for warship equipment

LI Peng
(Shanxi Xueqian Normal University，Xi'an 710100，China)

Abstract:The warship ship system is more and more complex，the range of activities also has become more and more wide．How to detect and maintain the equipment quickly in the time range of ship task execution is the key indicator for ship safeguard system．At the same time，the choice of maintenance strategy for wartime is one of the key research directions in the whole ship maintenance system．This paper analyzes the various of existing ship maintenance strategies，give the feasibility analysis and the performance evaluation when the ship is in the concrete task，and optimize existing maintenance strategy，at last simulate and test it．

Key words:maintenance strategy; performance evaluate;mission availability

0　引言

隨著海上艦船數量的增多，以及活動范圍的擴大，對于艦船的維修保障體系也需要適應新環境的發展要求，對海軍艦船從研發之初到其退役需要建立一個全壽命周期的數據管理系統。但是由于我國海軍對艦船的維修保障體系建設起步晚，目前還存在艦船研發部門﹑使用部門以及維修部門之間脫節。

艦船保障體系與維修策略是對艦船在執行任務期間或2個任務間隔期間，對艦船的物資供給及設備進行維護已保障能夠順利的完成預定出海及作戰任務，維修與檢測包括計劃內的設備檢測及不可預知的故障維修［1］，保障體系則保障艦船的武器及電子通訊設備配給﹑設備改裝等任務順利進行，如何在預計的時間段完成對艦船復雜系統的檢測是任務能順利完成的關鍵。同時，對戰時維修策略的選擇也是整個艦船維修過體系中需要重點研究的方向。

本文在研究現有艦船多種維修策略的基礎上，

針對艦船維修策略選擇的2種性能指標:故障維修及常規檢測響應時間﹑物資供給率，結合艦船在具體執行任務時對維修保障體系給出了可行性分析及性能評估，并針對現有的保障體系、策略方案及物資配給方案進行優化。

1　艦船維修策略及性能評估

1.1艦船檢測方案

艦船維修與檢測是確保其任務執行的關鍵，現有海上維修方案一般有如下幾種［2］:

1)定期維修策略:此種方案是計劃內的方案，對艦船的各種設備，如動力系統﹑電子通信系統﹑武器裝備系統及其他輔助設備進行檢測，以維持艦船各設備的正常運轉。這個是所有維修策略的最根本要素，這種策略通過人工進行。

2)程序預防性策略:利用測試程序對艦船智能化的設備進行檢測，包括測試﹑定位﹑檢查及修護等幾個步驟，這種方案是通過計算機輔助手段對電子設備進行檢測的一種方案，但對一般的機械設備不適用。

3)突發故障維修策略:這種策略具有不可預知性，是在艦船執行任務過程中出現的突發故障進行檢測維修的方案，需要故障定位準確﹑維修及時等特點。

4)戰時維修策略:這種維修方案是針對戰爭狀態的進行維修，是所有維修方案中要求最高的一種策略方案。

5)階段性對策略進行改更:由于艦船設備的更新替換，需要對之前設備的維修手段及維修周期進行不斷更新。

圖1為艦船維修策略的變化過程。

圖1　不同時期的維修策略Fig.1　Maintenance strategy of different periods

1.2艦船維修評估手段

現有艦船裝備保障及維修策略的性能評估方法主要有矩陣評估法和層次評估法，本文主要介紹層次評估法。

層次評估法的步驟如下:

1)建立評估模型的遞歸層次模型［3］;

2)比較遞歸上一層與下一層的比較矩陣差值;

3)對矩陣中的元素權重進行賦值。

首先需要對艦船裝備保障及維修設備中的各組件按照不同的優先級進行組合，以進行分層管理。每一層元素之間互相關聯，上一層決定下一次的選擇依據和決定因素，同時又受到更上一層元素的約束。每一層呈現一種遞階關系。如按照三層遞階關系而定:艦船的維修評估模型分為維修總體層﹑中間約束層及下層各設備維修指標。

艦船維修保障體系結構如圖2所示。

圖2　艦船維修保障體系結構Fig.2　Ship maintenance support system structure

2　艦船編隊保障維修模型與評估

2.1艦船運行可用性

對艦船的可用性進行評估是指以艦船從開始運行到退役的整個生命周期的預期壽命作為時間段，在這個時間段內，艦船可滿足執行任務的運行成功的概率。

公式如下:

式中: T0為艦船使用時長; Tst為空閑時長; Tpm為艦船周期中發生故障的維修時長; Tcn為維護及檢測的

總時長; Taldt為一般管理性消耗時長。

在此模型中，將T0和Tst進行合并，統一稱為艦船在整個壽命期的使用時間，并且Taldt對單獨的艦船由于具有不確定性，通過之前的統計數據統一表示為如下公式:

式中: Ts為維修時需要替換的設備及備件延遲時長;α為等待其他保障資源等待時間占Ts的比例，本文取15%。

2.2影響艦船可用性因素分析

上面一節介紹了艦船可用性運行概率模型，對概率的影響因素［4］主要有如下幾部分:

1)艦船研發階段的設計水平;

2)行駛艦船人員的水平;

3)對艦船維修水平;

4)艦船執行任務的水平。

其中式(1)中的參數T0，Tpm，Tcn，Taldt的影響因素如表1所示。

表1　參考因素表Tab.1　Tab of reference factor

2.3艦船執行任務可用性

由于艦船執行任務環境及作戰任務情景變化繁多，需要評估的是艦船各設備對整體任務執行的可用性，而不僅僅是針對艦船各個單個設備的評估。在此，提出一種加權可用性模型，來評估艦隊整體執行任務的能力。

本文對艦船的任務可用性基于如下假設:

1)艦船執行任務的有用設備數量為q。

2)將艦船需要執行的整體任務進行分解，分解為各個獨立的任務，并且每個任務執行階段中關聯一定的設備，并且各設備功能互不影響。

在此建立艦船執行的總任務集合T(T = { Tk| k = 1，2，…，m} )與艦船維護設備之間的相關矩陣:

其中aj，kl為艦船任務Tk與艦船設備j之間的矩陣相關權系數，若設備j與任務Tk相關，則aj，k= 1，否則aj，k= 0。

對矩陣Ad進行分析，可得到:

1)矩陣中的列表示執行任務集中對應任務所需要的設備集合。若值為1，表示此任務與此設備相關，否則說明無關。

2)矩陣中的行則表示艦船一個設備與所有任務集的相關性，每行元素之和表示此設備對艦船執行任務集的比重。

對艦船任務可用性的進行計算，假設:

1)艦船任務集在邏輯及時序上相互獨立，互不影響。

2)每一個任務發揮作用的設備沒有備用設備。

3)任務之間有權重對比關系。

對所有任務的加權可用表達式如下:

式中: A0為艦船執行任務集T的可用性權值總和; Tk為單一任務Tk的值; Wk為任務Tk占所有任務的權值; Sik為艦船設備j在執行任務Tk時是否可用，值為1代表可用，值為0代表不可用; m為任務總數; n為執行任務時間，以天為單位。

3　算法仿真

本仿真模型假設任務總數為4，任務的權重值分別為{ 0.1，0.2，0.3，0.4}，艦船與執行任務有關的設備數為12，日故障率為0.50%，0.66%，

0.33%，0.50%，0.66%，1.32%，0.66%，1.81%，0.82%，1.64%，0.50%，0.38%。

算法仿真流程如圖3所示。

圖3　算法仿真流程圖Fig.3　The flow chart of algorithm

對本文算法進行1000次試驗，計算均值如表2所示。

表2　仿真結果Tab.2　Simulation result

4　結語

隨著科技的進步以及艦船自身結構的復雜度增加，對現代艦船的保障維修策略也越加系統和全面，同時艦隊保障維修策略的評估也不僅僅是對靜態的修復成功率﹑及時率等靜態參數的考核，而需要對維修策略對艦船成功執行任務的動態影響進行全面評估。

本文在研究現有的艦船多種維修策略的基礎上，結合艦船在具體執行任務時對維修保障體系給出了可行性分析及性能評估，并針對現有的保障體系﹑策略方案及物資配給方案進行優化。

參考文獻:

［1］RICE W F，Cassady and J．A．Naehals 1998 " Optimal Mai-ntenance Plans under Limited Maintenance Time"，Industrial EngineeringResearch．98Conference Proceedings．

［2］SEHNEIDER K，CASSADY C R，Ph．D，P．E，“Fleet Performance under Selective Maintenance”，Reliability and Maintainbility，2004 Annual Symposium－RAMS: 571 －575．

［3］MANIATTY W A，ZAKI M J．Systems support for scalable data mining［J］．ACM SIGKDD Explorations Newsletter，2000，2(2) :56－65．

［4］姜巍巍，馬紹力，徐定海，等．基于IETM的艦船裝備維修保障信息的收集要求［J］．艦船科學技術，2010，32 (4) :99－103．JIANG Wei-wei，MA Shao-li，XU Ding-hai，et al．The collecting requirements of information for maintenance and support warship equipment based on IETM［J］．Ship Science and Technology，2010，32(4) :99－103．

［5］謝新連，桑惠云，張揚．一種艦船遠海維修保障新方案［J］．艦船科學技術，2013，35(12) :50－53．XIE Xin-lian，SANG Hui-yun，ZHANG Yang．A novel scheme for ship repair support at sea［J］．Ship Science and Technology，2013，35(12) :50－53．

作者簡介:李鵬(1969－)，男，工程師，研究方向為計算機應用。

收稿日期:2014－11－23;修回日期: 2015－01－27

文章編號:1672－7649(2015) 07－0196－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.046

中圖分類號:U627．7

文獻標識碼:A