基于ExtendSim的艦炮維修保障過程建模與仿真*

米巧麗，徐廷學，劉旭寧

(1. 海軍航空工程學院a.研究生管理大隊，b. 兵器科學與技術系，山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍91206部隊 航材教研室，山東 青島 266108)

基于ExtendSim的艦炮維修保障過程建模與仿真*

米巧麗1a，徐廷學1b，劉旭寧2

(1. 海軍航空工程學院a.研究生管理大隊，b. 兵器科學與技術系，山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍91206部隊 航材教研室，山東 青島 266108)

針對某型艦炮維修保障過程的復雜性，在保障需求與仿真評價參數(shù)分析的基礎上，運用ExtendSim軟件構建了任務階段的多層次、模塊化的維修保障過程模型，通過將具體維修過程封裝在子模塊中降低了仿真建模的復雜性，并實現(xiàn)了維修過程的可視化與模型的重用性。通過具體的仿真案例分析，驗證了模型的正確性與可執(zhí)行性，并對關鍵因素的敏感性進行了統(tǒng)計分析，為分析和優(yōu)化艦炮保障系統(tǒng)提供了可靠的參考與依據(jù)。

艦炮；維修保障；ExtendSim；建模仿真

0 引言

現(xiàn)代高技術局部戰(zhàn)爭最突出的特點表現(xiàn)為作戰(zhàn)雙方裝備體系之間的對抗，其中裝備的綜合保障能力對裝備性能與作戰(zhàn)能力的發(fā)揮起到了關鍵性的影響[1]。作為現(xiàn)代海戰(zhàn)主戰(zhàn)裝備之一的某型艦炮，承擔著對岸、對海攻擊及空中攔截等多使命任務，其維修保障過程涉及到多活動、多資源在多任務階段的有效協(xié)調(diào)和應用。現(xiàn)代建模與仿真技術通過對艦炮在特定作戰(zhàn)與訓練任務中的維修保障過程進行模擬，將軍事需求轉(zhuǎn)化為定量的保障性要求，從而提高艦炮戰(zhàn)備完好性與任務成功性、降低保障費用。

基于裝備發(fā)展戰(zhàn)略所需，各國均大力地推動建模與仿真技術在訓練、分析和實驗等領域的應用，現(xiàn)已成功建立并應用了諸如OPUS10，SIMLOX，LCOM和TOPSAM等裝備保障仿真模型[2-3]。我國在日益完善建模與仿真理論方法體系的同時，也相繼展開了仿真平臺的開發(fā)與實踐。艦炮保障系統(tǒng)具備典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)特征，目前國內(nèi)外廣泛應用于制造業(yè)、物流、軍事等領域的仿真軟件主要包括Arena，AutoMod，ExtendSim，F(xiàn)lexsim和ProModel等[4-7]。相對而言，ExtendSim仿真軟件提供開放源代碼和二次開發(fā)引擎，采用開放式體系結(jié)構與多層次模塊化結(jié)構，具有良好的統(tǒng)計功能和圖形輸出功能等，可很好地增強艦炮維修保障過程仿真的可操作性，降低仿真建模的復雜度，提高仿真過程與結(jié)果的可視化等[8-9]。因此，本文擬應用ExtendSim仿真軟件對基于作戰(zhàn)與訓練任務剖面的艦炮維修保障過程進行分析，有效地模擬并發(fā)現(xiàn)艦炮的各種維修保障缺陷，從而針對性地規(guī)劃艦炮在各任務階段中的保障活動、資源和組織等要素，提升保障系統(tǒng)的保障能力。

1 任務階段的保障需求

艦炮維修保障的目的是確保艦炮能夠成功完成所承擔的任務，即全部維修保障活動都是圍繞系統(tǒng)任務展開的。每項基本任務主要分為待命、任務準備、任務執(zhí)行與任務結(jié)束4個階段。在待命階段，根據(jù)任務需求從可用系統(tǒng)中按照規(guī)定的任務配置原則為系統(tǒng)分配任務；在任務準備階段完成任務執(zhí)行前的各種準備工作，如補充彈藥、加注燃料、加掛武器系統(tǒng)等；在任務執(zhí)行階段，根據(jù)任務安排執(zhí)行對應訓練或作戰(zhàn)任務，其間任務系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障或戰(zhàn)損，此時將根據(jù)任務性質(zhì)或終止或掛起；任務結(jié)束階段對艦炮進行使用后的維護與補給，對出現(xiàn)嚴重故障的裝備進行現(xiàn)場修理或送修。艦炮的預防性維修(preventive maintenance，PM)通常按照一定的周期在待命與任務結(jié)束階段進行，如若艦炮動用時間到達預防性維修周期后，在任務結(jié)束后且不影響下次任務執(zhí)行的條件下則進入預防維修流程。某型艦炮任務過程中具體的維修保障工作如圖1所示。

圖1 艦炮任務過程中的維修保障工作Fig.1 Maintenance support work in the task process

在任務準備與任務執(zhí)行階段，如艦炮系統(tǒng)和產(chǎn)品發(fā)生故障，則觸發(fā)修復性維修(corrective maintenance，CM)事件，從而排除故障并恢復到故障前可用狀態(tài)。艦炮在任務過程中可能出現(xiàn)多個故障，每個故障部件具有多種故障模式，不同的故障模式對應著不同的維修過程，因此修復性維修作業(yè)可以在不同的級別和站點中完成。當某一系統(tǒng)或產(chǎn)品故障后，首先在艦員級進行排故和修復，若本級無法完成該修復任務，需將故障件送往中繼級或基地級進行修復。對故障件進行維修時，首先看故障件是否達到最大維修次數(shù)，達到則直接進行換件，并將故障部件報廢，否則需要判斷是采用直接維修還是換件維修方式。

2 仿真評價參數(shù)模型

艦炮維修保障過程仿真是以任務為驅(qū)動，利用任務數(shù)據(jù)，RMS數(shù)據(jù)、保障資源及維修保障活動等數(shù)據(jù)，模擬任務執(zhí)行過程中與維修保障相關的各種活動，仿真得出艦炮在給定的訓練/任務安排、使用要求和維修策略等條件下的任務執(zhí)行、故障維修及維修保障能力評價等信息。其中，任務執(zhí)行相關輸出主要包括任務累積時間、執(zhí)行次數(shù)和成功次數(shù)等數(shù)據(jù)；故障維修相關輸出主要是對艦炮在執(zhí)行任務過程中的故障次數(shù)、維修時間及備件延誤等信息進行統(tǒng)計分析；基于仿真直接或間接統(tǒng)計得到的艦炮維修保障能力評價參數(shù)主要包括任務成功率、使用可用度及平均備件延誤時間等參數(shù)[10-11]。

(1) 任務成功率

PMSC=任務成功次數(shù)/仿真任務總次數(shù)=

(1)

(2)使用可用度

使用可用度的定義是裝備能工作時間與總工作時間的比值。在任務層面上，艦炮工作時間反映的是其執(zhí)行任務累積時間，總工作時間(任務周期)內(nèi)根據(jù)任務安排反映的是任務規(guī)定時間。在任務執(zhí)行過程中，如果執(zhí)行到第i個任務時，由于故障等原因，該任務沒有成功完成，即對應任務實際執(zhí)行時間TFEi沒有達到規(guī)定任務時間TMi，則對應第m次仿真的任務累積時間將累加到第i-1個任務完成時刻。設仿真設定次數(shù)為M，則使用可用度的仿真統(tǒng)計模型為

AO=執(zhí)行任務累積時間/規(guī)定任務時間=

(2)

(3) 平均備件延誤時間

采樣點的布置根據(jù)不同的工作比例尺，遵循相應的化探規(guī)范，要求每個采樣點應最大限度地控制上游匯水域。在面積較小的殘山區(qū)選擇在殘山腳部低洼處布置采樣點，布置1～2個點能有效控制殘山面積即可。在這樣的景觀區(qū)由于受殘山的面積大小和密集程度的制約，因此采樣點布設不遵循“均勻性和不能連續(xù)出現(xiàn)3個空白小格”的原則。

(3)

式中：J為第j種備件的維修任務總數(shù)；K為備件種類；t為仿真時間；TS為仿真運行總時間；TSijd為在第i次維修任務中備件j在d級維修機構修復時間。

3 基于ExtendSim的仿真模型

某型艦炮主要由自動機(A)、雙彈鼓(B)、瞄準隨動系統(tǒng)(C)、引信測合系統(tǒng)(D)、電氣控制系統(tǒng)(E)、揚彈機(F)、炮架(G)與工具附件(H)等8個現(xiàn)場可更換單元(line replaceable unit,LRU)單元組成，每個單元可進一步細分為多個LRU和車間可更換單元(shop replaceable unit,SRU)。假設艦炮與各單元、各單元與其組成單元的可靠性模型為串聯(lián)結(jié)構，壽命分布服從指數(shù)分布。通過調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，70%以上故障主要發(fā)生在A，B，C，D等4個單元中。如對A，B，C，D各考慮1種典型的故障模式，對應故障模式與維修策略如表1所示。

表1 故障模式與維修策略信息Table 1 Failure mode and maintenance strategy information

依據(jù)艦炮的任務與維修保障過程，利用ExtendSim仿真軟件，對特定任務安排下的各任務階段的維修保障活動、維修過程中人員、設備、設施等資源的調(diào)用、備件的供應等相關的實體、屬性、變量及相互關系進行描述，構建任務周期內(nèi)維修保障過程的仿真模型。任務過程頂層仿真模型、預防性維修與修復性維修過程仿真子模型分別如圖2～4所示。

圖2 任務過程頂層仿真模型Fig.2 Top-layer simulation model of the task phases

圖3 預防性維修過程仿真子模型Fig.3 Simulation sub-model of the preventive maintenance process

圖2所示的任務過程模型中，任務準備、預防性維修、任務執(zhí)行、修復性維修4個過程為封裝的層級模塊，每個層級模塊中包含對應的子模塊。仿真運行以單個任務周期為仿真單元，通過對任務實體模塊屬性的設置來滿足艦炮使用方案中的任務安排。圖3所示的預防性維修子模型中，通過函數(shù)模塊對是否達到預防性維修的條件進行判斷，利用“Select Item Out”模塊根據(jù)判斷結(jié)果對是否執(zhí)行預防性維修過程進行路徑分流。圖4所示的修復性維修模型中，通過“Random Number”與“Set”模塊對艦炮各個單元部件的故障率進行抽樣，利用“Select Item Out”模塊根據(jù)仿真抽樣結(jié)果對發(fā)生故障單元修復性維修過程進行路徑分流。仿真中資源等待、故障檢測、故障隔離與故障維修等時間的分布與參數(shù)可通過“Queue”，“Activity”或“Random Number”等模塊的屬性進行設置[12]。

4 仿真案例

在和平時期，艦炮的動用主要以日常訓練為主，在單項和綜合訓練中所產(chǎn)生的磨損和損耗是影響艦炮裝備壽命和保障性的重要因素。以下以某驅(qū)逐艦支隊配備的5座某型艦炮(JP1，JP2，JP3，JP4，JP5)為例，仿真模擬艦炮在訓練中的維修保障過程，并對相關指標進行統(tǒng)計分析。該型艦炮訓練任務主要包括科目1的部署及部署轉(zhuǎn)換、備戰(zhàn)備航、部門射擊操演與單炮射擊操演等4項內(nèi)容，及科目2的對海射擊、聯(lián)合對岸攻擊、與航空兵協(xié)同射擊、主副炮聯(lián)合對空射擊操演等8項內(nèi)容。支隊要求在年度計劃安排的60個訓練日內(nèi)完成兩個科目的12項訓練內(nèi)容累積52次，每次為0.5 h。部隊單次訓練的時間包括訓練時間、休息時間、往返航渡時間等。

圖4 修復性維修過程仿真子模型Fig.4 Simulation sub-model of the corrective maintenance process

仿真中假定艦炮的故障率由A，B，C，D4個LRU單元的故障率經(jīng)可靠性模型抽樣得到，而4個LRU單元的故障率又可由其組成單元的故障率經(jīng)可靠性模型抽樣得到。設定這4個單元故障率分別為0.010 8，0.009 6，0.012 9，0.008 3。仿真設定艦炮動用累積時間達到100 h后執(zhí)行預防性維修，持續(xù)時間約10 h。修復性維修過程仿真中，資源與維修等待時間、故障隔離時間通常服從均勻分布，維修時間服從指數(shù)分布，具體的故障維修時間參數(shù)如表2所示(仿真中時間參數(shù)單位均統(tǒng)一為小時)。備件是維修過程中重要保障資源之一，其配置數(shù)量可能影響著任務延誤時間及任務的成功與否。因此，仿真中設定2個保障方案，方案2在方案1的基礎上增加了艦員級攜行的備件數(shù)量。具體的備件庫存數(shù)據(jù)如表3所示。其中同級倉庫備件請領時間約為0.5～1 h，鄰級和隔級請領時間約為10～20和30～60 h。

表2 故障維修時間參數(shù)Table 2 Maintenance time parameters of the failures h

表3 各保障站點備件庫存數(shù)據(jù)Table 3 Spare parts inventory in all support stations

假定在仿真中不考慮不同艦炮之間的差異，仿真時間設置為1 440 h(年度訓練計劃時間)。以下以方案1為基線保障方案，運行ExtendSim仿真模型，仿真得出的任務、維修相關信息分別如表4,5所示。

表4 艦炮執(zhí)行任務信息Table 4 Task information executed by the shipborne guns

表5 艦炮維修統(tǒng)計信息Table 5 Maintenance statistic information of the shipborne guns

如表4所示的任務統(tǒng)計仿真數(shù)據(jù)表明，仿真得出的未執(zhí)行、成功與失敗任務次數(shù)相加之和的任務總數(shù)約為52，說明模型得出的任務仿真數(shù)據(jù)基本與使用方案中制定的訓練計劃一致。由表5中的故障信息可知，艦炮動用時間與預防性維修次數(shù)的關系符合預設的預防性維修周期。且仿真中各單元故障次數(shù)及時間反映了艦炮的可靠性情況，其可靠性之比與設計方案中的數(shù)據(jù)基本一致。同時，仿真中反映出單元A與C的故障次數(shù)明顯多于B與D，即自動機與瞄準隨機動系統(tǒng)是艦炮故障發(fā)生的主要系統(tǒng)，這與實際的艦炮故障發(fā)生情況基本一致。

為消除每次仿真中隨機種子產(chǎn)生的隨機性，在對維修保障能力評價參數(shù)進行仿真統(tǒng)計時，通過ExtendSim統(tǒng)計模型設置每仿真100次統(tǒng)計一次結(jié)果輸出。同時，為對比說明方案1與方案2中艦員級備件數(shù)量的改變對于維修保障的影響與敏感性，仿真中對比輸出了2個方案的使用可用度、戰(zhàn)備完好率與平均備件延誤時間的統(tǒng)計曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，2個方案的評價參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果基本趨于平穩(wěn)，其中出現(xiàn)的波動可能是由于仿真中假定出現(xiàn)的故障均為關鍵故障，且故障出現(xiàn)為隨機等情況造成的。仿真曲線顯示，方案2的使用可用度略高于方案1，通過均值計算工具得出方案2的使用可用度相對于方案1提高了約6.27%，任務成功率相對于方案1提高了約7.36%，平均備件延誤時間相對于方案1減少了約67.87%。原因是由于方案2在方案1的基礎上增加了備件的艦員級庫存，極大地減少了維修過程中備件等待時間，從而縮短了任務延誤時間，增加了任務成功次數(shù)與執(zhí)行時間，提高了任務成功率與使用可用度。

圖5 維修保障評價參數(shù)的仿真統(tǒng)計對比Fig.5 Simulation statistic comparisons of maintenance support evaluation parameters

5 結(jié)束語

本文利用ExtendSim仿真軟件分層次地構建了艦炮任務周期中維修保障過程模型，通過封裝重用性較高的維修過程子模型，不僅使整個仿真流程更加清晰明了，還可以通過改變模塊參數(shù)重復調(diào)用子模型以滿足不同的保障需求。通過仿真運行可實現(xiàn)二維或三維的可視化過程模擬，觀察并統(tǒng)計在特定任務剖面下任務、維修活動、資源等待時間、隊長等狀態(tài)或參數(shù)的變化，同時通過統(tǒng)計模塊可對維修保障過程中各因素對于艦炮維修保障能力的敏感性與影響力進行分析，從而發(fā)現(xiàn)影響或制約艦炮保障系統(tǒng)的瓶頸，為進行科學合理的保障性設計、制定和選擇最優(yōu)的保障方案及資源配置與攜行計劃等提供科學的決策依據(jù)。

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Maintenance Support Process Modeling and Simulation of Shipborne Gun Based on ExtendSim

MI Qiao-li1a，XU Ting-xue1b，LIU Xu-ning2

(1.Navy Aeronautical and Astronautical University,a. Administrant Brigade of Postgraduate; b. Dept. of Ordnance Science & Technology,Shandong Yantai 264001, China;2. PLA,No.91206 Troop,Air Materiel Department, Shandong Qingdao 266108,China)

Aiming at the complexity of the maintenance support process for a type of shipborne gun, the maintenance support requirements and the simulation evaluation parameters are analyzed. And then, the multilayer-modularization models of the maintenance support processes in the whole task phases are built using ExtendSim, in which the sub-models describing the specific preventive and corrective maintenance processes are encapsulated. Therefore the complexity of simulation and modeling is reduced, and the maintenance’s visualization and model’s reusability can be realized. In the specific simulation case studied lastly, the validity and availability of the models is proved, and the statistical analysis of the key factors' sensibility is shown. Accordingly, the reliable reference and basis for analyzing and optimizing the support system of shipborne gun is provided.

shipborne gun; maintenance support; ExtendSim; modeling and simulation

2014-03-18；

2014-06-21

有

米巧麗(1987-)，女，湖南邵陽人。博士生，研究方向為裝備綜合保障理論與技術。

通信地址：266001 山東省青島市嶗山區(qū)沙子口15號 E-mail：14717mql@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.025

E924.91；TP391.9

A

1009-086X(2015)-03-0139-07