基于流程仿真的物资接收系统可靠性预计方法*

胡 斌，狄 鹏，刘 刚

（海军工程大学，武汉 430033）

基于流程仿真的物资接收系统可靠性预计方法*

胡 斌，狄 鹏，刘 刚

（海军工程大学，武汉 430033）

针对船舶物资接收时间计算的问题，新增加了对设备发生故障的考虑，通过引入接收时间可靠性的概念，将其转换为船舶物资接收系统的可靠性预计问题。为了解决上述可靠性预计问题，提出了基于流程仿真的系统可靠性预计方法。分析了物资接收系统的工作流程，依据工作流程实现了仿真程序，用蒙特卡洛法对物资接收系统的可靠性进行了求解，并分析了设备不同的可靠性水平对物资接收系统可靠性的影响。仿真结果表明，增加了对设备故障的考虑后，对物资接收时间的估计更加接近实际；基于流程仿真的系统可靠性预计方法的模型更容易理解，所得结论更加具体。

可靠性预计，流程仿真，物资接收系统，船舶备航阶段

0 引言

船舶出航前需要快速完成航行前的准备工作。对于运输船而言，备航阶段的主要工作就是将码头上的物资装船，工程上需要对备航阶段的物资接收时间进行计算，并确保该时间满足使用方要求。

以往在进行船舶物资接收时间计算时，为了简化问题，在工程上通常不考虑系统中设备发生故障的情况［1-2］。然而，实际情况中设备的故障可能导致物资接收时间延长。因此，本文在考虑系统中设备故障的情况下，引入时间可靠性的概念，将物资接收时间计算问题转化为物资接收系统的时间可靠性预计问题进行研究。

由于船舶物资接收过程较为复杂、物资接收系统的可靠性与接收流程密切相关，可靠性框图法［3］、故障树法［4］、二元决策图法［5］、马尔可夫法［6］、贝叶斯网法［7］等可靠性分析方法均难以对上述问题进行建模、求解，因此，提出了基于流程仿真的可靠性预计方法。

1 物资接收流程分析

1.1 基本情况

某船舶物资接收系统共包含8各物资仓库，分别布置在船的01甲板、1甲板、2甲板、3甲板、4甲板和底舱，如图1所示。每个仓库在转运接收过程中所需的转运设备及其数量（共13辆转运车、2部升降机）也一并标注在图中。

各仓库的典型存储量如表1所示。

表1 仓库典型存储量

1.2 总体工作流程

船舶从码头接收物资的总体流程如下：使用船舶的吊机或码头起重机将物资吊放到01甲板的甲板面上；利用船内的转运车将物资转运到01甲板的升降机内，通过升降机送到指定甲板层；当物资转运到指定仓库后，利用转运车将物资存放至指定位置，如图2所示。

1.3 设备工作流程

从物资接收的总体流程可以看出，要实现系统的流程仿真，需要明确系统中主要设备的工作流程，包括转运车和升降机。

1.3.1 转运车的工作流程

物资接收系统中包含13辆转运车，其工作流程基本相同，如图3所示。

①判断堆放点的物资是否已经运完。如果运送完毕则可以停止工作，否则进行上货，时间约为30 s。

②判断升降机是否到达该层甲板。如果升降机被占用，则转运车需要等待10 s（仿真步长）后进行下一次判断；如果升降机空闲，则转运车随着升降机下行到相应的甲板。升降机的运行速度为0.5 m/s，相邻甲板之间高度为4 m，故升降机在相邻甲板之间上行和下行时间约为10 s。在这里假设该转运车从01甲板运送物资到1甲板的仓库，因此，其下行时间为10 s。

③当转运车到达仓库后，需要判断仓库内是否已经有转运车在工作。如果仓库内已经有转运车（仓库中只能允许一辆转运车工作），则需要等待10 s（仿真的步长）后再进行判断；如果没有转运车，则可以进入仓库内进行工作，仓库内转运时间根据设计要求可知为270 s。

④仓库内转运完毕后，需要判断是否有升降机空闲，如果没有需要等待10 s（仿真的步长）后再判断；如果有升降机空闲，则随升降机回到最初的堆放点进行下一次工作。

1.3.2 升降机的工作流程

物资接收系统中包含2辆升降机，其工作流程完全相同，如图4所示。

①升降机初始状态为空闲，当有转运车需要达到指定甲板层时，该车向升降机发出运送请求，升降机接受运送任务。

②升降机到达转运车所在甲板。

③等待转运车进入升降机后，将转运车运送到指定甲板，在转运车离开升降机后，此次任务完成。在执行运送任务期间，升降机不接收其他转运车的运送请求。

④升降机转为空闲状态，等待下一次的转运车运送申请。

2 仿真分析

2.1 不考虑设备故障的仿真分析

按照工程上的估算方法，假设设备不会发生故障，2部升降机能完全满足需求，则各仓库能同时进行接收。对于不在01甲板的各仓库，由于有2辆转运车交替运送，分析可知运送的瓶颈不在于甲板间的运送，而在于仓库内的转运，故一次运送时间约为4.5min。工程估算各仓库的转运时间如表2所示。

由于#7仓库的物资最多，其接收时间也最长，因此，物资接收系统的总接收时间为#7仓库的接收时间9.75 h。

然而，通过仿真得到的系统接收时间为11.6 h，这说明接收过程中2部升降机不能完全满足需求，存在转运车等待升降机的情况。

表2 工程估算各仓库的接收时间表

为了更加合理地运用升降机，按照仓库的存储量给定仓库使用升降机的优先级，存储量越大则优先级越高，即：#7仓库＞#6仓库＞#4仓库＞#3仓库＞#2仓库＞#5仓库。按上述优先级重新进行仿真，得到的系统接收时间为9.78 h，与前面分析结果基本相同，表明此时升降机完全满足需求。

由此可见，工程估算方法的假设—2部升降机能完全满足需求—可能并不成立。采用仿真分析，不仅可以得到系统接收时间，还能给出具体的物资接收方案。

2.2 考虑设备故障的仿真分析

2.2.1 设备的可靠性指标值不变

在考虑系统中设备可能发生故障的情况下，物资接收时间就不再是一个定值。因此，参考行程时间可靠性［9］的概念，定义了接收时间可靠性。

定义 接收时间可靠性R是在规定的接收时间内完成物资接收任务的概率，即

其中，t表示实际接收时间，T0表示使用方规定的接收时间。

假设物资接收系统中的转运车和升降机的寿命分布服从指数分布，转运车的平均故障间隔时间MTBFy=1 000 h、平均修复时间MTTRy=2 h，升降机的平均故障间隔时间MTBFs=500 h、平均修复时间MTTRs=2 h。采用蒙特卡洛法，结合第1节中分析得出的物资接收工作流程，实现工作流程仿真，仿真结果得到物资系统接收时间可靠性R。具体流程如下：

①依据寿命分布，分别仿真13辆转运车、2部升降机在其使用期间是否发生故障。假设r为（0，1）区间上均匀分布的随机变量，故障率为，设备正常工作时间tz的随机变量抽样公式为［10］：

若设备执行某项操作（如上货或仓库内转运）的时间t0≤tz，则设备可正常执行完该项操作；若t0＞tz，则设备在执行操作过程中发生故障。

②若设备发生故障，则对其进行修理，修理时间为MTTR，修复后再次投入使用；

③进行N次仿真，其中Ns次在规定时间内完成物资接收，则接收时间可靠性R的估计值为

采用上述方法进行1 000次仿真，仿真结果如表3所示。

表3 仿真统计结果

从仿真结果可以看出，考虑设备故障后，系统中发生的设备故障可能导致总接收时间延长。根据对系统接收时间要求的不同，系统会有不同的可靠性指标值，即船舶物资接收系统的可靠性具有多状态特性。

2.2.2 设备的可靠性指标值发生变化

由于实际中设备的可靠性指标值可能与其预计值有偏差，还需进一步考虑设备的可靠性指标值发生变化时，物资接收系统的可靠性。假设MTBFy分别为600 h、800 h、1 000 h、1 200 h 和 1 400 h，MTBFs分别为300 h、400 h、500 h、600 h 和 700 h，接收时间要求分别为10 h和10.5 h，对物资接收系统进行仿真。

①接收时间要求为10 h

船舶物资接收系统可靠性R1的仿真结果如表3和图5所示。表3和图5表示的是在升降机和转运车可靠性指标值发生变化时，物资接收系统可靠性指标值的变化情况。

表3 可靠性的仿真结果

从图5中可以发现升降机和转运车的可靠性都对系统可靠性有一定影响，设备可靠性越高，则系统可靠性越高。例如，当MTBFy一定时，系统可靠性随着MTBFs的增加而增大；而当MTBFs一定时，系统可靠性随着MTBFy的增加而增大。

②接收时间要求为10.5 h

船舶物资接收系统可靠性R2的仿真结果如表4和图6所示。

表4 可靠性的仿真结果

从图6中可以看出，将接收时间要求从10 h放宽到10.5 h后，物资接收系统可靠性有一定增大，但设备可靠性的变化对其影响效果是相同的，同样是设备可靠性越高，系统可靠性越高。

从图5和图6中可以看到，存在少部分的反常情况，即设备可靠性增加了，系统可靠性反而下降。这是因为设备故障的发生具有偶然性，继续增大仿真次数将会减少这种情况。但从总体来看，“设备可靠性越高，则系统可靠性越高”是主要规律。

通过对设备可靠性指标值发生变化的分析，工程人员可以对系统的可靠性范围有更清楚的认识。

3 结论

采用基于流程仿真的方法，对船舶物资接收系统的时间可靠性问题进行了研究。与传统的物资接收时间计算相比，主要有以下改进：①考虑了物资接收过程中设备发生故障的情况，仿真结果表明设备故障可能导致接收物资时间延长，物资接收系统可靠性呈现多状态特性；②通过仿真分析，不仅能够得到物资接收时间，还得到了相应的具体接收方案，即库存量大的仓库优先使用升降机；③进一步分析了设备不同的可靠性水平，对物资接收系统可靠性的影响，便于工程人员掌握系统可靠性可能的变化范围；④该方法对实际工作流程进行仿真，对于非可靠性专业的设计、制造、使用人员而言更加容易理解。当然，上述方法对数据量的需求较大，特别是要求对工作流程非常清楚，而更细致的工作流程模型会带来更大的计算量。因此，在工程上，该方法适用于一些重要系统的可靠性预计。

［1］刘伟超，李大龙，王爱娟.船舶内部物流转运系统仿真［J］.工业工程，2009，12（4）：100-105.

［2］武晶.船舶补给物资调运仿真研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［3］陈志诚，齐欢，魏军.基于可靠性框图的可靠性建模研究［J］.工程设计学报，2011，18（6）：407-411.

［4］叶俊，龙志强.基于动态故障树的中低速磁悬浮列车供电系统可靠性分析 ［J］.机车电传动，2007，30（1）：25-28.

［5］张涛，郭波，谭跃进.一种基于BDD的多阶段任务系统可靠度新算法［J］.系统工程与电子技术，2005，29（3）：446-470.

［6］崔利荣.马尔可夫链在可靠性计算中的一些新应用［J］.系统工程与电子技术，1999，21（12）：89-91.

［7］赵俊阁，张琪，付钰.贝叶斯网络推理在信息系统安全风险评估中的应用［J］.海军工程大学学报，2007，19（6）：67-70.

［8］宁波，陈刚，陈卫东.基于蒙特卡洛法的水下火箭攻击弹道数学仿真研究［J］.系统仿真学报，2006，18（Suppl.2）：8-12.

［9］张勇，白玉，杨晓光.城市道路网络的行程时间可靠性［J］.系统工程理论与实践，2009，29（8）：171-176.

［10］熊尧，徐巍，张文俊.面向大型船舶装备的系统可靠性预计方法研究 ［J］.舰船科学技术，2015，37（6）：122-126.

Reliability Prediction Method of Ship Supplies Receive System Based on Flow Simulation

HU Bin，DI Peng，LIU Gang
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Aiming at the calculation of time for receiving the ship supplies，the consideration of equipment failures is added，and the calculation problem is converted to by introducing the concept of receive time reliability.To solve the problem of reliability prediction，system reliability prediction method based on flow simulation is proposed.Firstly，the work flow of supplies receive system is analyzed.Secondly，the simulation of the work flow is achieved.Finally，the reliability of supplies receive system is solved by Monte Carlo method，and the influence of different reliability levels of equipment to supplies receive system.The simulation results indicate that the assessment of supplies receiving time is closer to the actual after the equipment failures is considered.The model of the reliability prediction method based on flow simulation is easier to understand and the conclusion is more specific.

reliability prediction，flow simulation，supplies receive system，ship preparing phase

TP14

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.04

1002-0640（2017）11-0014-05

2016-08-29

2016-10-29

国家自然科学基金（71401171）；海军工程大学自然科学基金（HGDQNEQJJ15017）；军队院校2110工程基金资助项目

胡 斌（1982- ），男，湖北武汉人，博士，讲师。研究方向：可靠性工程，综合保障工程。