海上补给装备维修保障仿真

邢道奇，龚 铭，张世云

(海军工程大学 勤务学院，天津 300450)

● 装备保障 Equipment Support

海上补给装备维修保障仿真

邢道奇，龚 铭，张世云

(海军工程大学 勤务学院，天津 300450)

为提高海上补给装备维修保障能力，运用系统动力学方法，分析海上补给装备维修系统各因素之间的因果关系，建立维修系统流图。在此基础上，运用系统动力学仿真软件Vensim PLE，分析维修备件器材延迟、维修延迟和修理能力等因素对海上补给装备维修系统的影响。

海上补给装备；装备维修保障；系统动力学

随着海军使命任务的不断拓展，海上补给装备作为海上后勤保障力量的重要组成部分，其地位和作用日益突显。近年来，在海军远洋训练、演习、亚丁湾护航等任务中，海上补给装备的维修保障问题越来越突出。因此，分析研究海上补给装备维修情况，提高海上补给装备维修能力，具有积极的现实意义。海上补给装备的维修保障涉及因素多、关系复杂，是一个复杂的非线性系统，利用传统的建模方法很难对系统内部各要素之间关系以及外部因素制约的复杂性进行准确描述。目前，应用系统动力学(system dynamics，SD)方法[1]研究解决飞机[2]、导弹[3]、舰炮武器[4]等的保障系统问题，取得了较好的效果。因此，本文根据海上补给装备维修保障的实际，引入SD方法分析海上补给装备维修系统各相关因素的关系，并进行建模与仿真研究，从而为提高海上补给装备维修保障水平提供有益参考。

1 海上补给装备维修保障

海上补给装备是涉及机械、液压、电气等多项技术的复杂装置系统。海上补给装备工作环境恶劣，执行任务时使用频度高，装备运转负荷大，因此，装备故障率较高，严重影响海上补给任务的完成。海上补给装备现采用三级维修保障，即舰员级维修、中继级维修和基地级维修，各级保障的人员、工作内容以及维修类型等见文献[5]。其保障流程为：海上补给装备在使用管理中出现故障，首先进行舰员级维修，即由舰员利用舰船配备的装备手册、图纸等技术资料以及诊断维修工具进行维修，修复的海上补给装备重新投入使用；由于受到舰员维修知识水平、诊断维修工具、维修备件器材资源等限制，舰员无法修复的海上补给装备，则申请中继级维修。中继级维修通常在补给舰船靠泊码头时，由中继级维修机构派遣修理人员携带相关诊断维修工具、维修备件器材到补给舰船上进行维修。因此，中继级维修存在一定的滞后性。中继级维修机构无法修复的海上补给装备，则再申请基地级维修。通常基地级维修需要补给舰船进入修船厂或造船厂，依托其先进的诊断维修工具、设施，由专业维修人员负责实施，维修周期进一步加大。

从以上维修保障过程可以看出，海上补给装备维修系统是一个具有时变性、多参数、非线性、多重反馈的复杂系统，传统仿真建模方法很难准确描述系统内部各要素之间的相互关系，也难于控制分析关键因素对系统的影响。而系统动力学方法在解决这样的维修系统问题时，能够从系统全局和整体上进行分析，将定性与定量分析相结合，研究海上补给装备保障系统内部的动态关系。同时，系统动力学模型的行为模式与结果主要取决于模型结构，而对参数变化并不敏感，一定范围内参数的变化，不影响对系统行为的模拟及其结果，因此，在数据缺乏的条件下具有优越性。

2 海上补给装备维修系统动力学模型

2.1 因果关系图

由于海上补给装备发生故障和对故障装备进行维修这两种状态并存，装备的使用与维修的耦合关系，随着时间的推移，可以用装备在使用状态、故障状态、舰员级维修、中继级维修以及基地级维修之间的状态转移来描述。运用系统动力学方法分析海上补给装备维修系统的因果关系(如图1所示)，可以看出，存在4个因果反馈循环，包括两个正反馈回路R1、R2和两个负反馈回路B1、B2。其中：R1表示故障补给装备与执行舰员级维修的补给装备之间的因果关系；R2表示故障补给装备、执行舰员级维修的补给装备、舰员级不可修补给装备、执行中继级维修的补给装备、中继级不可修补给装备、基地级维修补给装备、完好补给装备之间的因果关系；B1表示故障补给装备与完好补给装备之间的因果关系；B2表示故障补给装备、执行舰员级维修的补给装备、舰员级不可修补给装备、执行中继级维修的补给装备、完好补给装备之间的因果关系。

图1 海上补给装备维修因果关系

(1)完好补给装备由于使用而发生故障，因此，使用的补给装备越多，一段时间后发生故障的补给装备就会增多。由于补给装备一段时间内总量是一定的，故障的补给装备增加必然导致完好补给装备减少。

(2)补给装备发生故障后，首先需要进行舰员级维修，因此，随着故障的补给装备增加，需要舰员维修的补给装备也越多，随着舰员级修理的进行，故障补给装备在减少，完好补给装备增多。同时，一定时间内，舰员级维修成功的补给装备越多，舰员级不可修补给装备的数量必然减少。

(3)随着时间推移，舰员级不可修补给装备的数量逐渐增加，需要进行中继级维修的补给装备数量也相应增多，经过中继级维修后，可用的补给装备的数量增多，这反过来导致故障补给装备数量减少；增加基地级维修因素后，随着中继级不可维修的补给装备越来越多，基地级维修补给装备数量必然会相应增加，维修后的完好装备也会增多，使故障装备数量减少。

2.2 仿真模型假设

对海上补给装备维修系统建模进行以下界定：①执行补给任务时，防卫得当，不考虑敌情带来的影响；②现有补给装备总量不变，初始补给装备为500台，装备的维修相互独立，没有相关性；③不考虑维修备件器材缺乏造成无法维修的情况；④对故障装备进行修复性维修，且是完全维修；⑤将各级维修能力主要分解为诊断能力与修理能力，且权重相同；⑥维修时只考虑维修延迟与器材备件保障延迟，不考虑其他因素造成的延迟影响；⑦将维修计划申报、审批造成的中继级维修延迟和基地级维修延迟分别定为5天、15天，初始备件延迟均假设为0天；⑧补给装备故障率为0.001台/天；⑨仿真时间为500天，仿真步长取0.125，根据实际情况确定其他常数。

2.3 模型流图与SD方程

将图1中因果关系进行变量分类，应用系统动力学仿真软件Vensim PLE，构建海上补给装备维修系统流图(如图2所示)。流图中选取完好补给装备数量E作为水平变量，将维修补给装备M、故障补给装备F作为速率变量。将诊断能力、修理能力定义为[0,1]区间内的无量纲数值，通过专家咨询法获得相应取值[6]，形成诊断能力表函数RT、修理能力表函数DT。建立维修系统的SD方程。

图2 海上补给装备维修系统流图

(1)完好补给装备情况。

E=INTEG(M-F) +I

M=M1+M2+M3

F=E*λ

r=E/I

I=500

λ=0.001

(2)舰员级修理情况。

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

MC1 =(D1+R1)/2

D1 =DT1(time)

R1=RT1(time)

MD1 =0

T1=0.1

(3)中继级修理情况。

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)中继级修理情况。

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 备件器材延迟影响仿真

为了分析备件器材延迟对补给装备维修的影响，分3种情况进行仿真。第1种情况exam1，保持各参数初始值不变；第2种情况exam2，仅调整舰员级维修的备件器材延迟为MD1=10天，其他参数保持初始值；第3种情况exam3，仅调整中继级维修的备件器材延迟为MD2=10天，其他参数保持初始值。实际情况下，基地级维修由于其备件器材比较充足，因此，不对基地级维修的备件器材延迟情况进行分析。仿真分析结果如图3所示。从图3(a)中可以看出，备件器材延迟增加将导致完好补给装备数量下降，特别是在维修初期补给装备完好数量下降幅度较大，随着维修时间的推移，装备完好数量有所回升并稳定在第1种情况下方。从长远来看，在舰员级维修、中继级维修中，相同的备件器材延迟对完好补给装备数量的影响效果是相同的，只是在维修初期，舰员级维修的备件器材延迟带来的影响更明显也更快。从图3(b)、(c)中可以看出，由于前两级维修的备件器材延迟导致舰员级维修情况M1下降，使舰员级不可修补给装备的数量增加，于是更多的故障补给装备申请进行中继级维修，从而使中继级维修情况M2增加，且在初期增加尤为明显。从图3(d)中可以看出，在维修初期，前两级维修的备件器材延迟对基地级维修情况M3的影响较大，随后下降，但仍高于第1种情况。

(a)完好补给装备数量E

(b)舰员级维修情况M1

(c)中继级维修情况M2

(d)基地级维修情况M3图3 备件器材延迟带来的影响

3.2 维修延迟影响仿真

仍分3种情况对维修延迟影响进行仿真。第1种情况exam1保持各参数初始值不变；第2种情况exam2仅调整中继级维修的维修延迟为T2=10天，其他参数保持初始值；第3种情况exam3仅调整基地级维修的维修延迟为T3=20天，其他参数保持初始值。也就是分析中继级维修和基地级维修分别增加5天维修延迟产生的影响。由于在实际情况下，补给装备一旦发生故障，舰员通常会立即着手进行维修，因此，不对舰员级维修的维修延迟影响进行分析。仿真分析结果如图4所示。从图4(a)中可以看出，后两级维修的维修延迟，使完好补给装备数量下降，但是影响相对较小。从图4(b)—(d)中可以看出，后两级维修的维修延迟，对舰员级维修没有影响，对中继级维修和基地级维修也只在维修初期有所影响，中后期影响均较小。总的来看，中继级维修的维修延迟对基地级维修情况M3带来的影响最大，特别是在初期，基地级维修的补给装备数量明显增加。

(a)完好补给装备数量E

(b)舰员级维修情况M1

(c)中继级维修情况M2

(d)基地级维修情况M3图4 维修延迟带来的影响

3.3 维修能力影响仿真

维修能力带来的影响，主要从舰员级维修与中继级维修的修理能力提高来分析。基地级维修主要由修船厂或造船厂来负责，其修理能力通常较高且稳定，因此，可以不考虑其影响。分3种情况对修理能力影响进行仿真。第1种情况exam1保持各参数初始值不变；第2种情况exam2仅提高舰员级维修的修理能力10%，其他参数保持初始值；第3种情况exam3仅提高中继级维修的修理能力10%，其他参数保持初始值。仿真分析结果如图5所示。

(a)完好补给装备数量E

(b)舰员级维修情况M1

(c)中继级维修情况M2

(d)基地级维修情况M3图5 维修能力带来的影响

从图5(a)中可以看出，前两级维修的修理能力提高，可以增加完好补给装备数量E，且中继级维修能力提高带来的效果要好于舰员级维修。因此，不考虑基地级维修影响情况下，应优先提高中继级维修的维修能力，来提高补给装备完好率。从图5(b)—(d)中可以看出，前两级维修能力提高，相应地其维修好的补给装备数量增加，从而使基地级维修的故障数量下降，维修任务减少。

4 结 语

海上补给装备维修是完成海上补给任务的重要基础，更是提高海上后勤保障能力的倍增器。本文将系统动力学方法引入到海上补给装备维修系统的分析中，通过因果关系分析，有效地展现维修系统中诸多因素相互关联、相互影响的复杂关系。通过仿真分析，分别研究了维修备件器材延迟、维修延迟和维修能力对海上补给装备维修系统带来的影响。以上分析有助于深入认识海上补给装备维修系统的运行机理，也为提高海上补给装备维修能力提供了参考，具有一定的理论指导价值和现实意义。

[1] 钟永光，贾晓菁，李旭．系统动力学[M]．北京：科学出版社，2009：3-5．

[2] 黎漫斯，陈春良，张惠霞，等．视情维修条件下舰载机维修保障的动态分析[J]．电光与控制，2014，21(3)：97-103．

[3] 陈兆铭，马亮，徐阳．基于状态的维修在导弹保障中的有效性分析[J]．舰船电子工程，2015，35(7)：148-153．

[4] 刘凯，陈远斌，王鼎．基于SD模型的舰炮武器系统中继级维修保障系统评价与分析[J]．火炮发射与控制学报，2010(3)：46-49．

[5] 邢道奇．舰船海上补给装备综合保障研究[J]．军事交通学院学报，2016，18(4)：26-29．

[6] 高建国，端木京顺，张冰，等．影响航空器维修安全的组织因素辨识与分析[J]．中国安全科学学报，2014，24(5)：32-37．

(编辑：孙协胜)

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． 作者简介： 邢道奇(1980—)，男，博士，讲师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.07.005

U672

A

1674-2192(2017)07- 0016- 06