舰船装备保障维修策略优化模型仿真研究

李鹏

(陕西学前师范学院，陕西西安710100)

舰船装备保障维修策略优化模型仿真研究

李鹏

(陕西学前师范学院，陕西西安710100)

摘要:现代化的舰船系统复杂度越来越高，并且舰船活动范围也越加广泛，在配备固定维修人员的情况下，如何在舰船任务执行的时间范围内完成对设备的检测维修及物资配给是舰船装备保障策略的重要指标。同时，对战时维修策略的选择也是整个舰船维修体系中重点研究的方向之一。本文在研究现有舰船多种维修策略的基础上，结合舰船在具体执行任务时对维修保障体系给出了可行性分析及性能评估，并针对现有的保障体系﹑策略方案及物资配给方案进行优化。

关键词:维修策略;性能评估;任务可用性

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

随着海上舰船数量的增多，以及活动范围的扩大，对于舰船的维修保障体系也需要适应新环境的发展要求，对海军舰船从研发之初到其退役需要建立一个全寿命周期的数据管理系统。但是由于我国海军对舰船的维修保障体系建设起步晚，目前还存在舰船研发部门﹑使用部门以及维修部门之间脱节。

舰船保障体系与维修策略是对舰船在执行任务期间或2个任务间隔期间，对舰船的物资供给及设备进行维护已保障能够顺利的完成预定出海及作战任务，维修与检测包括计划内的设备检测及不可预知的故障维修［1］，保障体系则保障舰船的武器及电子通讯设备配给﹑设备改装等任务顺利进行，如何在预计的时间段完成对舰船复杂系统的检测是任务能顺利完成的关键。同时，对战时维修策略的选择也是整个舰船维修过体系中需要重点研究的方向。

本文在研究现有舰船多种维修策略的基础上，

针对舰船维修策略选择的2种性能指标:故障维修及常规检测响应时间﹑物资供给率，结合舰船在具体执行任务时对维修保障体系给出了可行性分析及性能评估，并针对现有的保障体系、策略方案及物资配给方案进行优化。

1　舰船维修策略及性能评估

1.1舰船检测方案

舰船维修与检测是确保其任务执行的关键，现有海上维修方案一般有如下几种［2］:

1)定期维修策略:此种方案是计划内的方案，对舰船的各种设备，如动力系统﹑电子通信系统﹑武器装备系统及其他辅助设备进行检测，以维持舰船各设备的正常运转。这个是所有维修策略的最根本要素，这种策略通过人工进行。

2)程序预防性策略:利用测试程序对舰船智能化的设备进行检测，包括测试﹑定位﹑检查及修护等几个步骤，这种方案是通过计算机辅助手段对电子设备进行检测的一种方案，但对一般的机械设备不适用。

3)突发故障维修策略:这种策略具有不可预知性，是在舰船执行任务过程中出现的突发故障进行检测维修的方案，需要故障定位准确﹑维修及时等特点。

4)战时维修策略:这种维修方案是针对战争状态的进行维修，是所有维修方案中要求最高的一种策略方案。

5)阶段性对策略进行改更:由于舰船设备的更新替换，需要对之前设备的维修手段及维修周期进行不断更新。

图1为舰船维修策略的变化过程。

图1　不同时期的维修策略Fig.1　Maintenance strategy of different periods

1.2舰船维修评估手段

现有舰船装备保障及维修策略的性能评估方法主要有矩阵评估法和层次评估法，本文主要介绍层次评估法。

层次评估法的步骤如下:

1)建立评估模型的递归层次模型［3］;

2)比较递归上一层与下一层的比较矩阵差值;

3)对矩阵中的元素权重进行赋值。

首先需要对舰船装备保障及维修设备中的各组件按照不同的优先级进行组合，以进行分层管理。每一层元素之间互相关联，上一层决定下一次的选择依据和决定因素，同时又受到更上一层元素的约束。每一层呈现一种递阶关系。如按照三层递阶关系而定:舰船的维修评估模型分为维修总体层﹑中间约束层及下层各设备维修指标。

舰船维修保障体系结构如图2所示。

图2　舰船维修保障体系结构Fig.2　Ship maintenance support system structure

2　舰船编队保障维修模型与评估

2.1舰船运行可用性

对舰船的可用性进行评估是指以舰船从开始运行到退役的整个生命周期的预期寿命作为时间段，在这个时间段内，舰船可满足执行任务的运行成功的概率。

公式如下:

式中: T0为舰船使用时长; Tst为空闲时长; Tpm为舰船周期中发生故障的维修时长; Tcn为维护及检测的

总时长; Taldt为一般管理性消耗时长。

在此模型中，将T0和Tst进行合并，统一称为舰船在整个寿命期的使用时间，并且Taldt对单独的舰船由于具有不确定性，通过之前的统计数据统一表示为如下公式:

式中: Ts为维修时需要替换的设备及备件延迟时长;α为等待其他保障资源等待时间占Ts的比例，本文取15%。

2.2影响舰船可用性因素分析

上面一节介绍了舰船可用性运行概率模型，对概率的影响因素［4］主要有如下几部分:

1)舰船研发阶段的设计水平;

2)行驶舰船人员的水平;

3)对舰船维修水平;

4)舰船执行任务的水平。

其中式(1)中的参数T0，Tpm，Tcn，Taldt的影响因素如表1所示。

表1　参考因素表Tab.1　Tab of reference factor

2.3舰船执行任务可用性

由于舰船执行任务环境及作战任务情景变化繁多，需要评估的是舰船各设备对整体任务执行的可用性，而不仅仅是针对舰船各个单个设备的评估。在此，提出一种加权可用性模型，来评估舰队整体执行任务的能力。

本文对舰船的任务可用性基于如下假设:

1)舰船执行任务的有用设备数量为q。

2)将舰船需要执行的整体任务进行分解，分解为各个独立的任务，并且每个任务执行阶段中关联一定的设备，并且各设备功能互不影响。

在此建立舰船执行的总任务集合T(T = { Tk| k = 1，2，…，m} )与舰船维护设备之间的相关矩阵:

其中aj，kl为舰船任务Tk与舰船设备j之间的矩阵相关权系数，若设备j与任务Tk相关，则aj，k= 1，否则aj，k= 0。

对矩阵Ad进行分析，可得到:

1)矩阵中的列表示执行任务集中对应任务所需要的设备集合。若值为1，表示此任务与此设备相关，否则说明无关。

2)矩阵中的行则表示舰船一个设备与所有任务集的相关性，每行元素之和表示此设备对舰船执行任务集的比重。

对舰船任务可用性的进行计算，假设:

1)舰船任务集在逻辑及时序上相互独立，互不影响。

2)每一个任务发挥作用的设备没有备用设备。

3)任务之间有权重对比关系。

对所有任务的加权可用表达式如下:

式中: A0为舰船执行任务集T的可用性权值总和; Tk为单一任务Tk的值; Wk为任务Tk占所有任务的权值; Sik为舰船设备j在执行任务Tk时是否可用，值为1代表可用，值为0代表不可用; m为任务总数; n为执行任务时间，以天为单位。

3　算法仿真

本仿真模型假设任务总数为4，任务的权重值分别为{ 0.1，0.2，0.3，0.4}，舰船与执行任务有关的设备数为12，日故障率为0.50%，0.66%，

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

算法仿真流程如图3所示。

图3　算法仿真流程图Fig.3　The flow chart of algorithm

对本文算法进行1000次试验，计算均值如表2所示。

表2　仿真结果Tab.2　Simulation result

4　结语

随着科技的进步以及舰船自身结构的复杂度增加，对现代舰船的保障维修策略也越加系统和全面，同时舰队保障维修策略的评估也不仅仅是对静态的修复成功率﹑及时率等静态参数的考核，而需要对维修策略对舰船成功执行任务的动态影响进行全面评估。

本文在研究现有的舰船多种维修策略的基础上，结合舰船在具体执行任务时对维修保障体系给出了可行性分析及性能评估，并针对现有的保障体系﹑策略方案及物资配给方案进行优化。

参考文献:

［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，马绍力，徐定海，等．基于IETM的舰船装备维修保障信息的收集要求［J］．舰船科学技术，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］谢新连，桑惠云，张扬．一种舰船远海维修保障新方案［J］．舰船科学技术，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．

作者简介:李鹏(1969－)，男，工程师，研究方向为计算机应用。

收稿日期:2014－11－23;修回日期: 2015－01－27

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

中图分类号:U627．7

文献标识码:A