基于Flexsim 的兩棲艦船裝卸載流程可視化仿真研究

徐清華，宋 劍，謝川予

（解放軍91976 部隊(duì)，廣州 510430）

0 引言

Flexsim 是一種面向?qū)ο蟮目梢暬鞒谭抡娼９ぞ撸苁箾Q策者通過(guò)可視化建模方法構(gòu)建任何分散式系統(tǒng)流程，透過(guò)Flexsim 可以率先找到作業(yè)流程模式，從而能幫助決策者形象地在動(dòng)態(tài)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中模擬、監(jiān)控及評(píng)估流程系統(tǒng)，為尋找優(yōu)秀流程提供決策分析，從而達(dá)到優(yōu)化流程目的［1］。兩棲艦船作戰(zhàn)兵力裝卸載是典型的作業(yè)流程問(wèn)題，安全、可靠、快速地裝卸載是兩棲艦船完成兩棲作戰(zhàn)任務(wù)的前提。通過(guò)Flexsim 可視化工具對(duì)兩棲艦船裝卸載兩棲車輛作業(yè)進(jìn)行可視化建模仿真，分析兩棲艦船裝載方案和裝載流程結(jié)論數(shù)據(jù)，為優(yōu)化裝載方案和作業(yè)流程提供決策。

1 Flexsim 平臺(tái)可視化流程仿真過(guò)程

Flexsim 是一套可視化仿真模型設(shè)計(jì)、制作與分析軟件。它集計(jì)算機(jī)仿真、圖像處理、數(shù)據(jù)分析及人工智能技術(shù)于一體，適合軍事作業(yè)流程仿真研究與實(shí)踐。

1.1 布局設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的作業(yè)方案進(jìn)行仿真系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)。可視化作業(yè)流程仿真可以將設(shè)計(jì)好的裝卸搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行合理階段劃分，通常按照系統(tǒng)布局區(qū)域劃分，使用對(duì)象庫(kù)中的實(shí)體作為容器，連接各容器的輸入輸出便可以完成仿真模型。

1.2 實(shí)體關(guān)系

實(shí)體關(guān)系就是各連接對(duì)象的確定關(guān)系。在Flexsim 中實(shí)體間的關(guān)系分為輸入輸出關(guān)系和中心端口連接關(guān)系。輸入輸出關(guān)系是指兩個(gè)固定實(shí)體間的關(guān)系，中心端口連接關(guān)系多用于固定實(shí)體和輸送設(shè)備實(shí)體之間，也用于兩實(shí)體間相互通信。

1.3 參數(shù)設(shè)定

Flexism 提供簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定，雙擊對(duì)象可以打開對(duì)象的參數(shù)對(duì)話框進(jìn)行設(shè)定。盡管Flexsim 中已經(jīng)有很多設(shè)定參數(shù)可供選擇，但很難滿足個(gè)性化仿真建模的需要，可以通過(guò)一套命令集來(lái)修改實(shí)體屬性、編寫實(shí)體動(dòng)作甚至自定義實(shí)體［2］。

1.4 運(yùn)行模型

通過(guò)編譯、運(yùn)行實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景仿真，并以三維圖表、文字及時(shí)顯示仿真輸出數(shù)據(jù)，也可以定制仿真觀察角度和演示路徑，自制演示視頻等，為用戶提供多維度模型運(yùn)行監(jiān)視效果。

1.5 仿真輸出

實(shí)時(shí)查看相應(yīng)對(duì)象的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表，生成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，為系統(tǒng)作業(yè)流程仿真提供分析數(shù)據(jù)。

2 兩棲艦船裝卸載流程仿真建模

以大型兩棲艦船投送兩棲車輛為研究對(duì)象，構(gòu)建兩棲艦船裝卸載兩棲車輛作業(yè)流程仿真模型。首先，根據(jù)作業(yè)仿真需求設(shè)計(jì)布局，也就是制定兩棲車輛在艦船上的布列方案；其次，確定兩棲車輛在艦船上的裝卸載作業(yè)流程方法，也就是裝卸載作業(yè)流程規(guī)則；再次，根據(jù)仿真設(shè)計(jì)方案輸入相關(guān)的流程仿真參數(shù)；最后，進(jìn)行兩棲車輛裝卸流程可視化仿真運(yùn)行并輸出仿真結(jié)論［3］。

2.1 制定裝載布列方案

兩棲艦船裝卸載兩棲車輛流程仿真建模的首要任務(wù)是確定作業(yè)流程的兩棲車輛在裝卸過(guò)程中的布列方案，也就是確定所有兩棲車輛作為作業(yè)實(shí)體需要搬運(yùn)的空間狀態(tài)，兩棲艦船裝載兩棲車輛的各個(gè)艙室就是兩棲車輛布列空間，兩棲車輛就是仿真系統(tǒng)中的實(shí)體，在艦船上存放的位置就是裝載的布列方案［4］。

設(shè)某型兩棲艦船需要投送一批兩棲車輛執(zhí)行任務(wù)，采用碼頭裝卸載方法，該型艦船共有A、B、C、D 4 個(gè)艙室可以用來(lái)裝載被投送的兩棲車輛，艦船配置有側(cè)門連接艙室C 的通道E，有艙室C 連接艙室D 的通道F，有艙室C 連接艙室B 的通道G，有艙室B 連接艙室A 的通道H，其中，通道E、F、G 是固定通道，H 是垂直電梯通道，兩棲艦船裝載空間布局如圖1 所示，兩棲車輛布列方案如圖2～圖4所示。

圖1 艦船裝載空間布局圖

圖2 兩棲車輛A 艙布列圖

圖3 兩棲車輛B 艙布列圖

圖4 兩棲車輛C 艙和D 艙布列圖

2.2 確定流程仿真規(guī)則

系統(tǒng)仿真流程規(guī)則必須遵守艦船裝卸載規(guī)則，這是保障被裝載兵力安全上下船的基本保證，也是提高裝卸效率的基本要求。裝載流程是保障被裝載兵力能夠按照裝載方案進(jìn)行有序、安全、快速的裝載，卸載流程是裝載的逆過(guò)程，在制定裝載方案和流程時(shí)就應(yīng)考慮兵力卸載的安全性、快速性和實(shí)踐性，因此，卸載速度往往比裝載速度要快，流程更加簡(jiǎn)單［5］。

規(guī)則1：車輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 指定車位。必須待前序車輛通過(guò)通道門E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車輛才可以從碼頭開始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；前序車輛機(jī)動(dòng)至指定車位后，后續(xù)車輛才可以開始從離開通道E 處向指定車位機(jī)動(dòng)；所有車輛機(jī)動(dòng)至艙室C 指定車位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則2：車輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室D 指定車位。機(jī)動(dòng)路線：從碼頭經(jīng)過(guò)通道E 進(jìn)入艙室C，再經(jīng)過(guò)通道F 至艙室D。機(jī)動(dòng)規(guī)則：從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 時(shí)，必須待前序車輛通過(guò)通道門E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車輛才可以從碼頭開始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；車輛從艙室C 機(jī)動(dòng)至艙室D 時(shí)，前序車經(jīng)過(guò)艙室C 至艙室D 的通道F 后，后續(xù)車才可開始從離開通道E 處由C 艙往D 艙機(jī)動(dòng)，等待前序車在艙室D 機(jī)動(dòng)至指定車位后，方可從艙室F 通道處向艙室D 機(jī)動(dòng)，否則必須在通道E 或通道F 處等待；所有車輛機(jī)動(dòng)至艙室D 指定車位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則3：車輛從碼頭機(jī)動(dòng)進(jìn)入艙室B 指定車位。機(jī)動(dòng)路線：從碼頭經(jīng)過(guò)通道E 進(jìn)入艙室C，再經(jīng)過(guò)通道G 至艙室B。機(jī)動(dòng)規(guī)則：車輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 時(shí)，必須待前序車輛通過(guò)通道門E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車輛才可以從碼頭開始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；車輛從艙室C 至艙室B 時(shí)，前序車經(jīng)過(guò)艙室C至艙室B 的通道F 后，后續(xù)車才可開始從離開通道E 處由C 艙往B 艙機(jī)動(dòng)，等待前序車在艙室B 機(jī)動(dòng)至指定車位后，方可從艙室C 至艙室B 的通道G 機(jī)動(dòng)，否則必須在通道E 或通道G 處等待；所有車輛機(jī)動(dòng)至艙室B 指定車位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則4：車輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室A 指定車位。機(jī)動(dòng)路線：從碼頭經(jīng)過(guò)通道E 進(jìn)入艙室C，再經(jīng)過(guò)通道G 至艙室B，最后經(jīng)過(guò)通道H 至艙室A。機(jī)動(dòng)規(guī)則：車輛從碼頭機(jī)動(dòng)至艙室C 時(shí)，必須待前序車輛通過(guò)通道門E 并轉(zhuǎn)向進(jìn)入艙室C 后，后序車輛才可以從碼頭開始機(jī)動(dòng)進(jìn)入通道E；車輛從艙室C 至艙室B時(shí)，前序車經(jīng)過(guò)艙室C 至艙室B 的通道F 后，后續(xù)車才可開始從離開通道E 處由C 艙往B 艙機(jī)動(dòng)；車輛從艙室B 至艙室A 時(shí)，前序車（一次性搭載的車輛）經(jīng)過(guò)艙室B 至艙室A 的通道H 后，后續(xù)車（一次性可搭載的車輛）才可開始離開通道G 處由B 艙往A 艙機(jī)動(dòng)，等待前序車從艙室A 機(jī)動(dòng)至指定車位后，方可從艙室B 至艙室A 的通道H 機(jī)動(dòng)，否則必須在通道E、通道G 或通道H 處等待；所有車輛機(jī)動(dòng)至艙室A 指定車位，該艙室裝載流程結(jié)束。

規(guī)則5：艙室裝載的順序。艙室裝載順序沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但必須滿足該艙室裝載完車輛后，不影響后續(xù)車輛在該艙室的機(jī)動(dòng)限制，否則后續(xù)車輛無(wú)法進(jìn)行正常裝載。結(jié)合某型艦船艙室布局特點(diǎn)，必須滿足：A 艙室裝載完才可以裝載B 艙室，B 艙室裝載完才可以裝載C 艙室，D 艙室裝載完才可以裝載C 艙室。

規(guī)則6：所有的通道E、F、G 不可以同時(shí)存在2輛及以上數(shù)量車輛；通道H 可以同時(shí)搭載的車輛數(shù)量不多于最大車輛容量。

規(guī)則7：車輛與車輛在機(jī)動(dòng)過(guò)程中間距不少于5 m；車輛到達(dá)指定車位需進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向動(dòng)作調(diào)整車位至準(zhǔn)確位置，調(diào)整過(guò)程采用的速度符合正態(tài)分布規(guī)律，最大速度不超過(guò)該車型在該艙室機(jī)動(dòng)最大限速。

規(guī)則8：裝載流程開始時(shí)間為第1 輛車輛從碼頭開始進(jìn)入通道E 的時(shí)刻；裝載流程結(jié)束時(shí)間為最后一輛車輛到達(dá)某艙室指定位置的時(shí)刻。

規(guī)則9：車輛卸載的順序。車輛卸載順序沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但必須滿足該車輛卸載前不能影響其他車輛經(jīng)過(guò)該艙室的機(jī)動(dòng)限制，否則無(wú)法進(jìn)行正常卸載。

規(guī)則10：卸載流程開始時(shí)間為第1 輛車輛從指定車位開始機(jī)動(dòng)時(shí)刻；卸載流程結(jié)束時(shí)間為最后一輛車輛脫離艦船的時(shí)刻。

2.3 輸入流程仿真參數(shù)

建模仿真是為評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案服務(wù)。為達(dá)到這個(gè)目的往往要對(duì)方案多次修改，多次仿真，這樣就要求仿真系統(tǒng)能根據(jù)使用需求靈活輸入、修改數(shù)據(jù)。Flexism 中集成了Excel 插件，仿真系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)可以通過(guò)Excel 插件導(dǎo)入到所建立的全局表中，模型中所有初始數(shù)據(jù)都可以從全局表中直接獲得。Excel 本身具有強(qiáng)大計(jì)算統(tǒng)計(jì)功能，因此，只要事先設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)表格的形式并輸入數(shù)據(jù)，便能輕松計(jì)算出其他所需數(shù)據(jù)。

2.3.1 輸入裝載實(shí)體及流程仿真控制數(shù)據(jù)

主要導(dǎo)入各個(gè)裝載艙室及被裝載兵力名稱、裝載順序、間隔等待時(shí)間等裝載要素?cái)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要用于控制仿真流程的排隊(duì)順序、排隊(duì)等待時(shí)間等規(guī)則。

2.3.2 輸入裝載實(shí)體流程仿真性能數(shù)據(jù)

主要輸入裝載實(shí)體運(yùn)動(dòng)屬性，如裝備在裝載過(guò)程的水平運(yùn)動(dòng)速度、爬坡速度、涉水速度、過(guò)通道速度、電梯運(yùn)行速度等性能參數(shù)。

2.4 流程仿真控制

當(dāng)構(gòu)建好仿真規(guī)則模型并輸入相關(guān)仿真參數(shù)后，就可以進(jìn)行裝卸載作業(yè)流程的仿真運(yùn)算，為了較好地觀察整個(gè)仿真過(guò)程產(chǎn)生的效果，可以對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行控制，例如暫停、加速、減速、實(shí)體空間顯示、實(shí)體仿真可視化布局等，如圖5 所示。

圖5 流程仿真顯示控制視圖

2.5 流程仿真輸出分析

1）仿真結(jié)果輸出。仿真結(jié)果輸出是將仿真過(guò)程中獲取的仿真結(jié)果以表格、圖形等方式輸出，供決策者進(jìn)行分析使用，如圖6 所示。

圖6 流程仿真結(jié)果輸出

2）仿真結(jié)果分析。Flexsim 的仿真結(jié)果可以直接輸出到任何能與ODBC 相連的數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)表的形式都是軟件設(shè)計(jì)好的，不僅有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)報(bào)告，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖7 所示。

圖7 流程仿真結(jié)果分析報(bào)告

3 仿真實(shí)例

以某型兩棲艦船采用碼頭裝載和碼頭卸載的方法，對(duì)兩棲車輛裝卸載作業(yè)流程進(jìn)行仿真實(shí)例分析，共有3 型（X、Y、Z）共84 輛兩棲車分別裝載在A、B、C、D 4 個(gè)艙室，兩棲車輛艙室配置如表1 所示，兩棲車輛在各艙室和通道機(jī)動(dòng)的性能參數(shù)如表2 所示。實(shí)例依據(jù)裝卸載規(guī)則采用2 種裝卸載流程方案進(jìn)行仿真，計(jì)算2 種流程方案裝卸所需要的時(shí)間，并對(duì)方案進(jìn)行比較分析。

表2 兩棲車輛在艦船中各艙室和通道機(jī)動(dòng)的性能參數(shù)（單位：km/h）

3.1 確定裝載布列方案

兩棲艦船車輛布列方案如圖2～ 圖4 所示，其中10 輛Z 型車裝載在艙室A，34 輛Y 型車裝載在艙室B，20 輛X 型車裝載在艙室C，20 輛X 型車裝載在艙室D，如表1 所示。

表1 兩棲車輛艙室配置表

3.2 輸入流程仿真參數(shù)

方案1：依次按照艙室A→艙室D→艙室B→艙室C 的順序裝載，控制各車輛的裝載順序，如下頁(yè)圖8 所示，ArrivalTime 參數(shù)能夠控制各車輛的裝載順序，卸載采用裝載的逆序。

圖8 方案1 兩棲車輛控制參數(shù)

方案2：先按照艙室A 和艙室D 交錯(cuò)順序裝載，再艙室B→艙室C 的順序裝載，控制各車輛的裝載順序，如圖9 所示，ArrivalTime 參數(shù)能夠控制各車輛的裝載順序，卸載順序同方案1，保障兩棲車輛卸載后快速形成作戰(zhàn)隊(duì)形。

圖9 方案2 兩棲車輛控制參數(shù)

3.3 流程仿真輸出分析

方案1：依次按照艙室A→艙室D→艙室B→艙室C 的順序裝載輸出，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 方案1 仿真輸出數(shù)據(jù)

方案2：先按照艙室A 和艙室D 交錯(cuò)順序裝載，再艙室B→艙室C 的順序裝載輸出，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 方案2 仿真輸出數(shù)據(jù)

結(jié)論分析：從以上兩種裝載方案流程作業(yè)仿真輸出數(shù)據(jù)可以分析，方案1 采用各艙室依次順序裝載所需要裝載時(shí)間為114 min，卸載所需時(shí)間為56 min；方案2 采取兩棲車輛艙室交錯(cuò)并行，裝載所需時(shí)間為101 min，卸載所需時(shí)間為56 min；方案2 裝載所需要時(shí)間比方案1 所需要時(shí)間減少13 min，節(jié)約11%的時(shí)間；由于在制定裝載方案過(guò)程中充分考慮了兩棲車輛卸載比裝載更加緊迫，因此，卸載時(shí)間比裝載時(shí)間都少，接近裝載時(shí)間的50 %，滿足作戰(zhàn)實(shí)際需求，符合作戰(zhàn)需求規(guī)律。

4 結(jié)論

兩棲艦船裝卸載是未來(lái)登陸作戰(zhàn)重要環(huán)節(jié)，是登陸作戰(zhàn)兵力安全、可靠、快速上陸的基本保障。由于裝卸載過(guò)程涉及到復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，多樣的登陸作戰(zhàn)兵力，多類型的輸送工具，因此，采用的裝卸載方法和組織實(shí)施過(guò)程都不盡相同，科學(xué)研究裝卸載組織流程方法，以及評(píng)估和優(yōu)化裝卸流程是提升登陸作戰(zhàn)戰(zhàn)斗力的有效途徑。