基于EXTEND的鱼雷技术准备过程建模与仿真*

周广庆 王 睿

(91315部队1) 大连 116041)(海军工程大学兵器工程系2) 武汉 430033)

1 引言

鱼雷装备是海军的主战武器装备,其作战性能是制约战斗力的重要因素。鱼雷技术准备过程是将鱼雷装备由从储存状态经分解、测试、组装等一系列保障环节后转化为一级战斗使用状态的过程,其目的主要是确保鱼雷装备的战术、技术性能的可靠性。该过程包含多个保障环节,涉及多个保障专业,保障过程复杂。由于保障设备配置不合理,个别保障环节往往成为制约技术准备保障效率的瓶颈。因此,在技术准备作业的作业组织、保障方案拟制等工作中,需要对技术保障部队完成鱼雷技术准备任务的能力和各保障环节保障设备配置的合理性进行评估。

目前,对装备技术准备过程进行分析的研究很少,主要是基于导弹装备,多数研究是利用交叉网络作业法[1]和网络作业图[2～3]等方法对其进行静态分析,建模过程复杂,分析难度大。由于鱼雷的技术准备过程是一个复杂、随机动态离散事件系统,保障环节之间相互依存,相互制约,各保障环节的保障时间随机波动,静态的分析方法很难有效对其进行建模,需要通过对模型进行假设来简化上述随机因素,利用这些方法难以对技术准备过程进行准确评估。

本文提出运用计算机仿真方法对鱼雷技术准备过程进行研究。在对鱼雷技术准备过程分析的基础上,以美国Imagine That公司研制的离散事件仿真软件(EXTEND)为仿真平台,建立了该保障过程的仿真模型。通过从系统整体、保障环节、装备实体等角度出发进行多层面的仿真分析,可以得到规定时间内系统准备完成的装备数量、规定任务需要的准备时间、各保障环节的排队长度、装备实体的技术准备周期等技术准备过程的一些重要指标,进而评价该保障系统的保障能力和保障资源配置的合理性,找出制约技术准备效率的瓶颈,并加以改进,从而达到提高鱼雷技术准备能力的目的。

2 鱼雷技术准备过程分析

鱼雷装备实体从储存仓库开始,在运抵技术准备阵地后,由鱼雷技术保障部队在拆解服务台将其拆解成动力段、控制段、引信段三个待检段,各待检段被分送到相应检测服务台利用检测仪进行检查、测试,检测合格段进入组装服务台等待组装,不合格段则进入修理服务台进行检修,修理完毕后重新进行检测。组装完毕后进行燃料加注和电池充电,最后经过综合测试合格后交付作战使用单位。鱼雷技术准备过程如图1所示。

图1 鱼雷技术准备过程

由图1可见,各技术准备保障环节成串行关系,紧密联系,相互依存。若任一保障环节保障能力有限,都将制约整个技术准备的保障效率。而在各保障环节中,保障设备的配置是决定该保障环节保障能力的关键。

3 基于EXTEND的鱼雷技术准备仿真建模

鱼雷及其各段部件驱动着整个鱼雷技术准备过程的进行,因此,鱼雷技术准备过程是典型的离散事件动态系统。本文基于离散事件仿真开发平台EXT END对鱼雷技术准备过程进行仿真建模。EXT END以Modl-c为仿真语言,支持离散事件仿真、连续事件仿真和混合事件仿真,通过对软件中各模块的组合连接构建仿真模型[4]。同时,EXTEND支持层次化建模,使仿真模型更加简洁易懂。鱼雷技术准备过程主要包括到达模型、拆解模型、检测模型、组装模型、加注充电模型。

1)到达模型

鱼雷装备实体和燃料实体从储存仓库到技术准备阵地的过程是单个随机到达的,相邻两个实体之间的时间间隔服从随机分布。

2)拆解模型

图2 拆解过程仿真模型

鱼雷装备在进入拆解服务台后首先进入拆解队列进行排队,若拆解设备空闲,则将鱼雷总体拆解为动力段、控制段和引信段,否则在队列等待,排队规则为先到先服务(FIFO),拆解服务时间服从于随机分布,鱼雷装备在拆解过程仿真模型如图2所示。

图3 检测过程仿真模型

3)检测模型

在检测过程中,不合格部件或装备将被送去维修,维修完毕后将被重新检测,检测合格后进入下一步技术准备活动,整体检测合格后,鱼雷装备实体离开技术保障阵地,各检测台的技术检测持续时间服从随机分布。检测服务过程和故障件检修排队服务规则为先到先服务(FIFO),鱼雷检测过程仿真模型如图3所示。整个技术准备过程共有动力段、控制段、引信段和整体检测4个检测台。装备的状态Sj根据历史统计数据服从经验分布,j=1,2,3分别为动力段、控制段、引信段,j=4为鱼雷总体,装备的状态Sj如式(1)所示。

其中Pj为j#检测台检测军械装备不合格的概率,Sj=1表示装备合格,Sj=0表示装备不合格。

4)组装模型

在组装过程中,检测合格的动力段、控制段和引信段进入组装服务台组装为鱼雷总体,排队规则为先到先服务(FIFO),组装服务时间服从于随机分布,鱼雷装备组装过程仿真模型如图4所示。

图4 组装过程仿真模型

5)加注充电模型

加注充电过程与组装模型有些类似,主要是将燃料与鱼雷总体进行组装,并进行燃料加注服务和充电服务,排队规则为先到先服务(FIFO),加注充电服务时间服从于随机分布,具体模型不再详述。

将上述模型进行层次化集成,并按照鱼雷技术准备的实际的作业过程关系,建立了鱼雷技术准备过程仿真模型,如图5所示。

图5 鱼雷技术准备过程仿真模型

4 鱼雷技术准备过程仿真分析

基于鱼雷技术准备过程的仿真模型不仅使技术保障决策者可以对鱼雷技术准备流程有一个清晰的认识,而且可以通过仿真定量分析,找出保障瓶颈,对保障过程进行调整改进,提高保障效率。本文根据部队实际情况,提出了鱼雷技术准备过程仿真分析步骤。

4.1 试验设计

4.1.1 仿真运行方式确定

由于鱼雷技术准备过程仿真模型涉及保障时间的随机波动等随机因素,一次仿真试验只能在随机变量抽样值的基础上得到一个结果样本,难以对技术准备过程进行准确评估。因此,本文基于Monte-Carlo方法对仿真模型进行Nrun次仿真统计试验,通过结果样本集估计相应的评价参数。

4.1.2 仿真终止条件确定

技术保障决策者主要关心两个问题:一是在给定任务时间内能够完成技术准备的鱼雷的数量;二是完成给定技术准备的鱼雷的数量需要多少时间。仿真目的不同,仿真的终止条件也不同,对于前者仿真在达到任务时间 Tm时,仿真终止,统计仿真结果,而对于后者则需要在完成任务数量Nm的条件下,仿真才能够终止。针对不同保障目的,需要选择相应的仿真终止方式。

4.1.3 仿真评价指标确定

为了能够科学评价和分析技术准备过程,本文从系统宏观和保障环节、装备实体的微观出发进行多层面的仿真分析,选取规定时间Tm内技术准备完成的装备平均数量Nmr和规定完成任务数量Nm需要的平均时间Tmr作为技术准备过程总体评价指标,其中,Nmr和Tmr的选取要根据上节的保障目的来进行选取。选取各保障设备的平均排队等待长度Li和平均利用率ui、装备实体的平均技术准备周期Tcycle作为技术准备过程的微观评价指标,通过综合总体评价指标和微观评价指标来对鱼雷技术准备过程进行仿真评价。

4.2 仿真结果分析

对仿真模型进行Nrum次仿真统计运行,得到规定时间Tm内技术准备完成的装备数量Nmr等仿真统计结果。通过对仿真结果的统计分析,可以将仿真总体结果与保障目标要求进行比较,若仿真结果不能达到要求,则通过保障设备的平均排队等待长度Li和平均利用率ui两个微观指标进行分析,对Li和ui过高的保障设备,可确定为瓶颈环节,对第i号保障设备的数量进行调整,通过增加第i号保障设备,提高该保障环节的保障效率,并根据调整好的参数进行进一步的仿真评估,分析是否满足要求,若仍不满足则按上述方法反复进行,直到达到保障目标为止。

5 应用实例

为了验证鱼雷技术准备仿真模型的有效性,以某型鱼雷装备为例,基于该仿真模型进行实例分析。该型鱼雷装备技术保障部队需要在3天时间内完成60个一级雷的技术准备工作。待检鱼雷总体和燃料进入技术保障过程的间隔时间均服从于正态分布,分布参数为(60,10),保障设备的仿真输入参数如表1所示。

通过仿真运行1000次,得到仿真统计结果,如表2所示。

从表2可以得出,技术准备平均完成数量较保障要求相差甚远,通过分析各保障设备的评价指标统计结果,可以发现动力段、控制段和引信段的平均等待长度和平均利用率均很高,而其它设备在这两个指标上却处于很低的水平,其主要原因是它们的服务时间相比其他保障设备要长很多。因此,这三个保障环节是整个技术准备过程的瓶颈,需要通过调整保障设备配置来提高保障能力。调整后的保障设备方案如表3所示。

对调整后的保障设备方案进行1000次仿真运算,得到该保障方案下的仿真统计结果,如表4所示。

表1 保障设备仿真输入数据

表2 仿真统计结果

表3 调整后的保障设备方案

表4 调整后的保障设备方案下的仿真统计结果

通过表4说明,调整后的保障设备方案下的技术准备平均完成数量为64.302,达到了预期的保障要求。从各保障环节的统计结果分析,可以发现平均等待长度均处于较低水平,而平均利用率处于较高水平,说明各保障设备都充分发挥了各自的保障能力。无论从技术准备总体目标来看,还是从各保障环节的微观评价指标分析,调整后的保障设备方案都是合理的。

6 结语

本文根据鱼雷技术准备过程的特点,提出了基于计算机仿真的方法对技术准备过程进行分析。该方法相比静态的分析方法,能够更准确地描述鱼雷技术准备流程,通过仿真定量分析,能够对技术准备流程进行有效评价,通过试验设计和敏感性分析,可以优化保障设备配置,提高技术保障效能。最后,通过实例验证了该方法的有效性和实用性。由于军械装备技术准备过程的相似特征,该研究方法可以应用于导弹、水雷等类似的技术保障作业系统,根据装备的技术保障流程可以快速构建仿真模型,实现技术准备优化,提高技术准备能力。

[1]邱开兰,张福光.交叉网络作业法的导弹技术准备流程优化[J].海军航空工程学院学报,2007,22(4):346～346

[2]彭善国,等.导弹技术准备网络作业流程优化[J].海军航空工程学院学报,2005,20(5):551～555

[3]李明雨,杨萍.网络计划在导弹批量测试中的应用[J].兵工自动化,2005,24(4):19～21

[4]Krahl D.EXTEND:AN INTERACTIVE SIMULATION TOOL[C]//Proceedings of the 2003 Winter Simulation Conference,2003:188～196

[5]Krahl D.THE EXTEND SIM ULA TION ENVIRONM ENT[C]//Proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference,2001:217～225