基于EXTEND的魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程建模與仿真*

周廣慶 王 睿

(91315部隊1) 大連 116041)(海軍工程大學(xué)兵器工程系2) 武漢 430033)

1 引言

魚雷裝備是海軍的主戰(zhàn)武器裝備,其作戰(zhàn)性能是制約戰(zhàn)斗力的重要因素。魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程是將魚雷裝備由從儲存狀態(tài)經(jīng)分解、測試、組裝等一系列保障環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)化為一級戰(zhàn)斗使用狀態(tài)的過程,其目的主要是確保魚雷裝備的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能的可靠性。該過程包含多個保障環(huán)節(jié),涉及多個保障專業(yè),保障過程復(fù)雜。由于保障設(shè)備配置不合理,個別保障環(huán)節(jié)往往成為制約技術(shù)準(zhǔn)備保障效率的瓶頸。因此,在技術(shù)準(zhǔn)備作業(yè)的作業(yè)組織、保障方案擬制等工作中,需要對技術(shù)保障部隊完成魚雷技術(shù)準(zhǔn)備任務(wù)的能力和各保障環(huán)節(jié)保障設(shè)備配置的合理性進行評估。

目前,對裝備技術(shù)準(zhǔn)備過程進行分析的研究很少,主要是基于導(dǎo)彈裝備,多數(shù)研究是利用交叉網(wǎng)絡(luò)作業(yè)法[1]和網(wǎng)絡(luò)作業(yè)圖[2～3]等方法對其進行靜態(tài)分析,建模過程復(fù)雜,分析難度大。由于魚雷的技術(shù)準(zhǔn)備過程是一個復(fù)雜、隨機動態(tài)離散事件系統(tǒng),保障環(huán)節(jié)之間相互依存,相互制約,各保障環(huán)節(jié)的保障時間隨機波動,靜態(tài)的分析方法很難有效對其進行建模,需要通過對模型進行假設(shè)來簡化上述隨機因素,利用這些方法難以對技術(shù)準(zhǔn)備過程進行準(zhǔn)確評估。

本文提出運用計算機仿真方法對魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程進行研究。在對魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程分析的基礎(chǔ)上,以美國Imagine That公司研制的離散事件仿真軟件(EXTEND)為仿真平臺,建立了該保障過程的仿真模型。通過從系統(tǒng)整體、保障環(huán)節(jié)、裝備實體等角度出發(fā)進行多層面的仿真分析,可以得到規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)準(zhǔn)備完成的裝備數(shù)量、規(guī)定任務(wù)需要的準(zhǔn)備時間、各保障環(huán)節(jié)的排隊長度、裝備實體的技術(shù)準(zhǔn)備周期等技術(shù)準(zhǔn)備過程的一些重要指標(biāo),進而評價該保障系統(tǒng)的保障能力和保障資源配置的合理性,找出制約技術(shù)準(zhǔn)備效率的瓶頸,并加以改進,從而達到提高魚雷技術(shù)準(zhǔn)備能力的目的。

2 魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程分析

魚雷裝備實體從儲存?zhèn)}庫開始,在運抵技術(shù)準(zhǔn)備陣地后,由魚雷技術(shù)保障部隊在拆解服務(wù)臺將其拆解成動力段、控制段、引信段三個待檢段,各待檢段被分送到相應(yīng)檢測服務(wù)臺利用檢測儀進行檢查、測試,檢測合格段進入組裝服務(wù)臺等待組裝,不合格段則進入修理服務(wù)臺進行檢修,修理完畢后重新進行檢測。組裝完畢后進行燃料加注和電池充電,最后經(jīng)過綜合測試合格后交付作戰(zhàn)使用單位。魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程如圖1所示。

圖1 魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程

由圖1可見,各技術(shù)準(zhǔn)備保障環(huán)節(jié)成串行關(guān)系,緊密聯(lián)系,相互依存。若任一保障環(huán)節(jié)保障能力有限,都將制約整個技術(shù)準(zhǔn)備的保障效率。而在各保障環(huán)節(jié)中,保障設(shè)備的配置是決定該保障環(huán)節(jié)保障能力的關(guān)鍵。

3 基于EXTEND的魚雷技術(shù)準(zhǔn)備仿真建模

魚雷及其各段部件驅(qū)動著整個魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程的進行,因此,魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程是典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)。本文基于離散事件仿真開發(fā)平臺EXT END對魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程進行仿真建模。EXT END以Modl-c為仿真語言,支持離散事件仿真、連續(xù)事件仿真和混合事件仿真,通過對軟件中各模塊的組合連接構(gòu)建仿真模型[4]。同時,EXTEND支持層次化建模,使仿真模型更加簡潔易懂。魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程主要包括到達模型、拆解模型、檢測模型、組裝模型、加注充電模型。

1)到達模型

魚雷裝備實體和燃料實體從儲存?zhèn)}庫到技術(shù)準(zhǔn)備陣地的過程是單個隨機到達的,相鄰兩個實體之間的時間間隔服從隨機分布。

2)拆解模型

圖2 拆解過程仿真模型

魚雷裝備在進入拆解服務(wù)臺后首先進入拆解隊列進行排隊,若拆解設(shè)備空閑,則將魚雷總體拆解為動力段、控制段和引信段,否則在隊列等待,排隊規(guī)則為先到先服務(wù)(FIFO),拆解服務(wù)時間服從于隨機分布,魚雷裝備在拆解過程仿真模型如圖2所示。

圖3 檢測過程仿真模型

3)檢測模型

在檢測過程中,不合格部件或裝備將被送去維修,維修完畢后將被重新檢測,檢測合格后進入下一步技術(shù)準(zhǔn)備活動,整體檢測合格后,魚雷裝備實體離開技術(shù)保障陣地,各檢測臺的技術(shù)檢測持續(xù)時間服從隨機分布。檢測服務(wù)過程和故障件檢修排隊服務(wù)規(guī)則為先到先服務(wù)(FIFO),魚雷檢測過程仿真模型如圖3所示。整個技術(shù)準(zhǔn)備過程共有動力段、控制段、引信段和整體檢測4個檢測臺。裝備的狀態(tài)Sj根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從經(jīng)驗分布,j=1,2,3分別為動力段、控制段、引信段,j=4為魚雷總體,裝備的狀態(tài)Sj如式(1)所示。

其中Pj為j#檢測臺檢測軍械裝備不合格的概率,Sj=1表示裝備合格,Sj=0表示裝備不合格。

4)組裝模型

在組裝過程中,檢測合格的動力段、控制段和引信段進入組裝服務(wù)臺組裝為魚雷總體,排隊規(guī)則為先到先服務(wù)(FIFO),組裝服務(wù)時間服從于隨機分布,魚雷裝備組裝過程仿真模型如圖4所示。

圖4 組裝過程仿真模型

5)加注充電模型

加注充電過程與組裝模型有些類似,主要是將燃料與魚雷總體進行組裝,并進行燃料加注服務(wù)和充電服務(wù),排隊規(guī)則為先到先服務(wù)(FIFO),加注充電服務(wù)時間服從于隨機分布,具體模型不再詳述。

將上述模型進行層次化集成,并按照魚雷技術(shù)準(zhǔn)備的實際的作業(yè)過程關(guān)系,建立了魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程仿真模型,如圖5所示。

圖5 魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程仿真模型

4 魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程仿真分析

基于魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程的仿真模型不僅使技術(shù)保障決策者可以對魚雷技術(shù)準(zhǔn)備流程有一個清晰的認(rèn)識,而且可以通過仿真定量分析,找出保障瓶頸,對保障過程進行調(diào)整改進,提高保障效率。本文根據(jù)部隊實際情況,提出了魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程仿真分析步驟。

4.1 試驗設(shè)計

4.1.1 仿真運行方式確定

由于魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程仿真模型涉及保障時間的隨機波動等隨機因素,一次仿真試驗只能在隨機變量抽樣值的基礎(chǔ)上得到一個結(jié)果樣本,難以對技術(shù)準(zhǔn)備過程進行準(zhǔn)確評估。因此,本文基于Monte-Carlo方法對仿真模型進行Nrun次仿真統(tǒng)計試驗,通過結(jié)果樣本集估計相應(yīng)的評價參數(shù)。

4.1.2 仿真終止條件確定

技術(shù)保障決策者主要關(guān)心兩個問題:一是在給定任務(wù)時間內(nèi)能夠完成技術(shù)準(zhǔn)備的魚雷的數(shù)量;二是完成給定技術(shù)準(zhǔn)備的魚雷的數(shù)量需要多少時間。仿真目的不同,仿真的終止條件也不同,對于前者仿真在達到任務(wù)時間 Tm時,仿真終止,統(tǒng)計仿真結(jié)果,而對于后者則需要在完成任務(wù)數(shù)量Nm的條件下,仿真才能夠終止。針對不同保障目的,需要選擇相應(yīng)的仿真終止方式。

4.1.3 仿真評價指標(biāo)確定

為了能夠科學(xué)評價和分析技術(shù)準(zhǔn)備過程,本文從系統(tǒng)宏觀和保障環(huán)節(jié)、裝備實體的微觀出發(fā)進行多層面的仿真分析,選取規(guī)定時間Tm內(nèi)技術(shù)準(zhǔn)備完成的裝備平均數(shù)量Nmr和規(guī)定完成任務(wù)數(shù)量Nm需要的平均時間Tmr作為技術(shù)準(zhǔn)備過程總體評價指標(biāo),其中,Nmr和Tmr的選取要根據(jù)上節(jié)的保障目的來進行選取。選取各保障設(shè)備的平均排隊等待長度Li和平均利用率ui、裝備實體的平均技術(shù)準(zhǔn)備周期Tcycle作為技術(shù)準(zhǔn)備過程的微觀評價指標(biāo),通過綜合總體評價指標(biāo)和微觀評價指標(biāo)來對魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程進行仿真評價。

4.2 仿真結(jié)果分析

對仿真模型進行Nrum次仿真統(tǒng)計運行,得到規(guī)定時間Tm內(nèi)技術(shù)準(zhǔn)備完成的裝備數(shù)量Nmr等仿真統(tǒng)計結(jié)果。通過對仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析,可以將仿真總體結(jié)果與保障目標(biāo)要求進行比較,若仿真結(jié)果不能達到要求,則通過保障設(shè)備的平均排隊等待長度Li和平均利用率ui兩個微觀指標(biāo)進行分析,對Li和ui過高的保障設(shè)備,可確定為瓶頸環(huán)節(jié),對第i號保障設(shè)備的數(shù)量進行調(diào)整,通過增加第i號保障設(shè)備,提高該保障環(huán)節(jié)的保障效率,并根據(jù)調(diào)整好的參數(shù)進行進一步的仿真評估,分析是否滿足要求,若仍不滿足則按上述方法反復(fù)進行,直到達到保障目標(biāo)為止。

5 應(yīng)用實例

為了驗證魚雷技術(shù)準(zhǔn)備仿真模型的有效性,以某型魚雷裝備為例,基于該仿真模型進行實例分析。該型魚雷裝備技術(shù)保障部隊需要在3天時間內(nèi)完成60個一級雷的技術(shù)準(zhǔn)備工作。待檢魚雷總體和燃料進入技術(shù)保障過程的間隔時間均服從于正態(tài)分布,分布參數(shù)為(60,10),保障設(shè)備的仿真輸入?yún)?shù)如表1所示。

通過仿真運行1000次,得到仿真統(tǒng)計結(jié)果,如表2所示。

從表2可以得出,技術(shù)準(zhǔn)備平均完成數(shù)量較保障要求相差甚遠(yuǎn),通過分析各保障設(shè)備的評價指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)動力段、控制段和引信段的平均等待長度和平均利用率均很高,而其它設(shè)備在這兩個指標(biāo)上卻處于很低的水平,其主要原因是它們的服務(wù)時間相比其他保障設(shè)備要長很多。因此,這三個保障環(huán)節(jié)是整個技術(shù)準(zhǔn)備過程的瓶頸,需要通過調(diào)整保障設(shè)備配置來提高保障能力。調(diào)整后的保障設(shè)備方案如表3所示。

對調(diào)整后的保障設(shè)備方案進行1000次仿真運算,得到該保障方案下的仿真統(tǒng)計結(jié)果,如表4所示。

表1 保障設(shè)備仿真輸入數(shù)據(jù)

表2 仿真統(tǒng)計結(jié)果

表3 調(diào)整后的保障設(shè)備方案

表4 調(diào)整后的保障設(shè)備方案下的仿真統(tǒng)計結(jié)果

通過表4說明,調(diào)整后的保障設(shè)備方案下的技術(shù)準(zhǔn)備平均完成數(shù)量為64.302,達到了預(yù)期的保障要求。從各保障環(huán)節(jié)的統(tǒng)計結(jié)果分析,可以發(fā)現(xiàn)平均等待長度均處于較低水平,而平均利用率處于較高水平,說明各保障設(shè)備都充分發(fā)揮了各自的保障能力。無論從技術(shù)準(zhǔn)備總體目標(biāo)來看,還是從各保障環(huán)節(jié)的微觀評價指標(biāo)分析,調(diào)整后的保障設(shè)備方案都是合理的。

6 結(jié)語

本文根據(jù)魚雷技術(shù)準(zhǔn)備過程的特點,提出了基于計算機仿真的方法對技術(shù)準(zhǔn)備過程進行分析。該方法相比靜態(tài)的分析方法,能夠更準(zhǔn)確地描述魚雷技術(shù)準(zhǔn)備流程,通過仿真定量分析,能夠?qū)夹g(shù)準(zhǔn)備流程進行有效評價,通過試驗設(shè)計和敏感性分析,可以優(yōu)化保障設(shè)備配置,提高技術(shù)保障效能。最后,通過實例驗證了該方法的有效性和實用性。由于軍械裝備技術(shù)準(zhǔn)備過程的相似特征,該研究方法可以應(yīng)用于導(dǎo)彈、水雷等類似的技術(shù)保障作業(yè)系統(tǒng),根據(jù)裝備的技術(shù)保障流程可以快速構(gòu)建仿真模型,實現(xiàn)技術(shù)準(zhǔn)備優(yōu)化,提高技術(shù)準(zhǔn)備能力。

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