海上補給裝備維修保障仿真

邢道奇，龔 銘，張世云

(海軍工程大學 勤務學院，天津 300450)

● 裝備保障 Equipment Support

海上補給裝備維修保障仿真

邢道奇，龔 銘，張世云

(海軍工程大學 勤務學院，天津 300450)

為提高海上補給裝備維修保障能力，運用系統動力學方法，分析海上補給裝備維修系統各因素之間的因果關系，建立維修系統流圖。在此基礎上，運用系統動力學仿真軟件Vensim PLE，分析維修備件器材延遲、維修延遲和修理能力等因素對海上補給裝備維修系統的影響。

海上補給裝備；裝備維修保障；系統動力學

隨著海軍使命任務的不斷拓展，海上補給裝備作為海上后勤保障力量的重要組成部分，其地位和作用日益突顯。近年來，在海軍遠洋訓練、演習、亞丁灣護航等任務中，海上補給裝備的維修保障問題越來越突出。因此，分析研究海上補給裝備維修情況，提高海上補給裝備維修能力，具有積極的現實意義。海上補給裝備的維修保障涉及因素多、關系復雜，是一個復雜的非線性系統，利用傳統的建模方法很難對系統內部各要素之間關系以及外部因素制約的復雜性進行準確描述。目前，應用系統動力學(system dynamics，SD)方法[1]研究解決飛機[2]、導彈[3]、艦炮武器[4]等的保障系統問題，取得了較好的效果。因此，本文根據海上補給裝備維修保障的實際，引入SD方法分析海上補給裝備維修系統各相關因素的關系，并進行建模與仿真研究，從而為提高海上補給裝備維修保障水平提供有益參考。

1 海上補給裝備維修保障

海上補給裝備是涉及機械、液壓、電氣等多項技術的復雜裝置系統。海上補給裝備工作環境惡劣，執行任務時使用頻度高，裝備運轉負荷大，因此，裝備故障率較高，嚴重影響海上補給任務的完成。海上補給裝備現采用三級維修保障，即艦員級維修、中繼級維修和基地級維修，各級保障的人員、工作內容以及維修類型等見文獻[5]。其保障流程為：海上補給裝備在使用管理中出現故障，首先進行艦員級維修，即由艦員利用艦船配備的裝備手冊、圖紙等技術資料以及診斷維修工具進行維修，修復的海上補給裝備重新投入使用；由于受到艦員維修知識水平、診斷維修工具、維修備件器材資源等限制，艦員無法修復的海上補給裝備，則申請中繼級維修。中繼級維修通常在補給艦船靠泊碼頭時，由中繼級維修機構派遣修理人員攜帶相關診斷維修工具、維修備件器材到補給艦船上進行維修。因此，中繼級維修存在一定的滯后性。中繼級維修機構無法修復的海上補給裝備，則再申請基地級維修。通常基地級維修需要補給艦船進入修船廠或造船廠，依托其先進的診斷維修工具、設施，由專業維修人員負責實施，維修周期進一步加大。

從以上維修保障過程可以看出，海上補給裝備維修系統是一個具有時變性、多參數、非線性、多重反饋的復雜系統，傳統仿真建模方法很難準確描述系統內部各要素之間的相互關系，也難于控制分析關鍵因素對系統的影響。而系統動力學方法在解決這樣的維修系統問題時，能夠從系統全局和整體上進行分析，將定性與定量分析相結合，研究海上補給裝備保障系統內部的動態關系。同時，系統動力學模型的行為模式與結果主要取決于模型結構，而對參數變化并不敏感，一定范圍內參數的變化，不影響對系統行為的模擬及其結果，因此，在數據缺乏的條件下具有優越性。

2 海上補給裝備維修系統動力學模型

2.1 因果關系圖

由于海上補給裝備發生故障和對故障裝備進行維修這兩種狀態并存，裝備的使用與維修的耦合關系，隨著時間的推移，可以用裝備在使用狀態、故障狀態、艦員級維修、中繼級維修以及基地級維修之間的狀態轉移來描述。運用系統動力學方法分析海上補給裝備維修系統的因果關系(如圖1所示)，可以看出，存在4個因果反饋循環，包括兩個正反饋回路R1、R2和兩個負反饋回路B1、B2。其中：R1表示故障補給裝備與執行艦員級維修的補給裝備之間的因果關系；R2表示故障補給裝備、執行艦員級維修的補給裝備、艦員級不可修補給裝備、執行中繼級維修的補給裝備、中繼級不可修補給裝備、基地級維修補給裝備、完好補給裝備之間的因果關系；B1表示故障補給裝備與完好補給裝備之間的因果關系；B2表示故障補給裝備、執行艦員級維修的補給裝備、艦員級不可修補給裝備、執行中繼級維修的補給裝備、完好補給裝備之間的因果關系。

圖1 海上補給裝備維修因果關系

(1)完好補給裝備由于使用而發生故障，因此，使用的補給裝備越多，一段時間后發生故障的補給裝備就會增多。由于補給裝備一段時間內總量是一定的，故障的補給裝備增加必然導致完好補給裝備減少。

(2)補給裝備發生故障后，首先需要進行艦員級維修，因此，隨著故障的補給裝備增加，需要艦員維修的補給裝備也越多，隨著艦員級修理的進行，故障補給裝備在減少，完好補給裝備增多。同時，一定時間內，艦員級維修成功的補給裝備越多，艦員級不可修補給裝備的數量必然減少。

(3)隨著時間推移，艦員級不可修補給裝備的數量逐漸增加，需要進行中繼級維修的補給裝備數量也相應增多，經過中繼級維修后，可用的補給裝備的數量增多，這反過來導致故障補給裝備數量減少；增加基地級維修因素后，隨著中繼級不可維修的補給裝備越來越多，基地級維修補給裝備數量必然會相應增加，維修后的完好裝備也會增多，使故障裝備數量減少。

2.2 仿真模型假設

對海上補給裝備維修系統建模進行以下界定：①執行補給任務時，防衛得當，不考慮敵情帶來的影響；②現有補給裝備總量不變，初始補給裝備為500臺，裝備的維修相互獨立，沒有相關性；③不考慮維修備件器材缺乏造成無法維修的情況；④對故障裝備進行修復性維修，且是完全維修；⑤將各級維修能力主要分解為診斷能力與修理能力，且權重相同；⑥維修時只考慮維修延遲與器材備件保障延遲，不考慮其他因素造成的延遲影響；⑦將維修計劃申報、審批造成的中繼級維修延遲和基地級維修延遲分別定為5天、15天，初始備件延遲均假設為0天；⑧補給裝備故障率為0.001臺/天；⑨仿真時間為500天，仿真步長取0.125，根據實際情況確定其他常數。

2.3 模型流圖與SD方程

將圖1中因果關系進行變量分類，應用系統動力學仿真軟件Vensim PLE，構建海上補給裝備維修系統流圖(如圖2所示)。流圖中選取完好補給裝備數量E作為水平變量，將維修補給裝備M、故障補給裝備F作為速率變量。將診斷能力、修理能力定義為[0,1]區間內的無量綱數值，通過專家咨詢法獲得相應取值[6]，形成診斷能力表函數RT、修理能力表函數DT。建立維修系統的SD方程。

圖2 海上補給裝備維修系統流圖

(1)完好補給裝備情況。

E=INTEG(M-F) +I

M=M1+M2+M3

F=E*λ

r=E/I

I=500

λ=0.001

(2)艦員級修理情況。

M1=DELAY1I(F*MC1,MD1+T1,0)

MC1 =(D1+R1)/2

D1 =DT1(time)

R1=RT1(time)

MD1 =0

T1=0.1

(3)中繼級修理情況。

M2=DELAY1I(UM1*MC2,MD2+T2,0)

UM1 =F-M1

MC2 =(D2+R2)/2

D2 =DT2(time)

R2=RT2(time)

MD2 =0

T2=5

(4)中繼級修理情況。

M3=DELAY1I(UM2*MC3,MD3+T3,0)

UM2 =UM1-M2

MC3 =(D3+R3)/2

D3=DT3(time)

R3=RT3(time)

MD3 =0

T3=15

3 模型仿真及分析

3.1 備件器材延遲影響仿真

為了分析備件器材延遲對補給裝備維修的影響，分3種情況進行仿真。第1種情況exam1，保持各參數初始值不變；第2種情況exam2，僅調整艦員級維修的備件器材延遲為MD1=10天，其他參數保持初始值；第3種情況exam3，僅調整中繼級維修的備件器材延遲為MD2=10天，其他參數保持初始值。實際情況下，基地級維修由于其備件器材比較充足，因此，不對基地級維修的備件器材延遲情況進行分析。仿真分析結果如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，備件器材延遲增加將導致完好補給裝備數量下降，特別是在維修初期補給裝備完好數量下降幅度較大，隨著維修時間的推移，裝備完好數量有所回升并穩定在第1種情況下方。從長遠來看，在艦員級維修、中繼級維修中，相同的備件器材延遲對完好補給裝備數量的影響效果是相同的，只是在維修初期，艦員級維修的備件器材延遲帶來的影響更明顯也更快。從圖3(b)、(c)中可以看出，由于前兩級維修的備件器材延遲導致艦員級維修情況M1下降，使艦員級不可修補給裝備的數量增加，于是更多的故障補給裝備申請進行中繼級維修，從而使中繼級維修情況M2增加，且在初期增加尤為明顯。從圖3(d)中可以看出，在維修初期，前兩級維修的備件器材延遲對基地級維修情況M3的影響較大，隨后下降，但仍高于第1種情況。

(a)完好補給裝備數量E

(b)艦員級維修情況M1

(c)中繼級維修情況M2

(d)基地級維修情況M3圖3 備件器材延遲帶來的影響

3.2 維修延遲影響仿真

仍分3種情況對維修延遲影響進行仿真。第1種情況exam1保持各參數初始值不變；第2種情況exam2僅調整中繼級維修的維修延遲為T2=10天，其他參數保持初始值；第3種情況exam3僅調整基地級維修的維修延遲為T3=20天，其他參數保持初始值。也就是分析中繼級維修和基地級維修分別增加5天維修延遲產生的影響。由于在實際情況下，補給裝備一旦發生故障，艦員通常會立即著手進行維修，因此，不對艦員級維修的維修延遲影響進行分析。仿真分析結果如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，后兩級維修的維修延遲，使完好補給裝備數量下降，但是影響相對較小。從圖4(b)—(d)中可以看出，后兩級維修的維修延遲，對艦員級維修沒有影響，對中繼級維修和基地級維修也只在維修初期有所影響，中后期影響均較小。總的來看，中繼級維修的維修延遲對基地級維修情況M3帶來的影響最大，特別是在初期，基地級維修的補給裝備數量明顯增加。

(a)完好補給裝備數量E

(b)艦員級維修情況M1

(c)中繼級維修情況M2

(d)基地級維修情況M3圖4 維修延遲帶來的影響

3.3 維修能力影響仿真

維修能力帶來的影響，主要從艦員級維修與中繼級維修的修理能力提高來分析。基地級維修主要由修船廠或造船廠來負責，其修理能力通常較高且穩定，因此，可以不考慮其影響。分3種情況對修理能力影響進行仿真。第1種情況exam1保持各參數初始值不變；第2種情況exam2僅提高艦員級維修的修理能力10%，其他參數保持初始值；第3種情況exam3僅提高中繼級維修的修理能力10%，其他參數保持初始值。仿真分析結果如圖5所示。

(a)完好補給裝備數量E

(b)艦員級維修情況M1

(c)中繼級維修情況M2

(d)基地級維修情況M3圖5 維修能力帶來的影響

從圖5(a)中可以看出，前兩級維修的修理能力提高，可以增加完好補給裝備數量E，且中繼級維修能力提高帶來的效果要好于艦員級維修。因此，不考慮基地級維修影響情況下，應優先提高中繼級維修的維修能力，來提高補給裝備完好率。從圖5(b)—(d)中可以看出，前兩級維修能力提高，相應地其維修好的補給裝備數量增加，從而使基地級維修的故障數量下降，維修任務減少。

4 結 語

海上補給裝備維修是完成海上補給任務的重要基礎，更是提高海上后勤保障能力的倍增器。本文將系統動力學方法引入到海上補給裝備維修系統的分析中，通過因果關系分析，有效地展現維修系統中諸多因素相互關聯、相互影響的復雜關系。通過仿真分析，分別研究了維修備件器材延遲、維修延遲和維修能力對海上補給裝備維修系統帶來的影響。以上分析有助于深入認識海上補給裝備維修系統的運行機理，也為提高海上補給裝備維修能力提供了參考，具有一定的理論指導價值和現實意義。

[1] 鐘永光，賈曉菁，李旭．系統動力學[M]．北京：科學出版社，2009：3-5．

[2] 黎漫斯，陳春良，張惠霞，等．視情維修條件下艦載機維修保障的動態分析[J]．電光與控制，2014，21(3)：97-103．

[3] 陳兆銘，馬亮，徐陽．基于狀態的維修在導彈保障中的有效性分析[J]．艦船電子工程，2015，35(7)：148-153．

[4] 劉凱，陳遠斌，王鼎．基于SD模型的艦炮武器系統中繼級維修保障系統評價與分析[J]．火炮發射與控制學報，2010(3)：46-49．

[5] 邢道奇．艦船海上補給裝備綜合保障研究[J]．軍事交通學院學報，2016，18(4)：26-29．

[6] 高建國，端木京順，張冰，等．影響航空器維修安全的組織因素辨識與分析[J]．中國安全科學學報，2014，24(5)：32-37．

(編輯：孫協勝)

Simulation on Maintenance Support of Replenishment Equipment at Sea

XING Daoqi, GONG Ming, ZHANG Shiyun

(Service College, Naval University of Engineering, Tianjin 300450, China)

In order to improve the maintenance support ability of replenishment equipment at sea, the paper firstly analyzes the causality among each factor of replenishment equipment maintenance system with system dynamics (SD), and establishes flow figures of the maintenance system. Then, it analyzes the impact of maintenance spare parts delay, maintenance delay, and maintenance ability on replenishment equipment maintenance system by using the system dynamics software Vensim PLE.

replenishment equipment at sea; equipment maintenance support; system dynamics (SD)

2016-12-09；

2017-01-12． 作者簡介： 邢道奇(1980—)，男，博士，講師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.07.005

U672

A

1674-2192(2017)07- 0016- 06