海上維修保障資源需求預測模型*

陳葉楓 趙金超

(海軍工程大學 武漢 430033)

海上維修保障資源需求預測模型*

陳葉楓 趙金超

(海軍工程大學 武漢 430033)

隨著海軍軍事任務多樣化,執(zhí)行任務時間長,任務海區(qū)遠離大陸,可靠、精確的海上維修保障成為了必備的條件。論文從維修保障資源主要包括的保障專業(yè)人員、維修設施設和備品備件三個方面建立了需求預測模型,并結(jié)合實例說明了模型的使用。

海上維修保障; 維修資源; 需求預測; 預測模型

Class Number E911

1 引言

現(xiàn)階段海軍擔負的任務越來越多,聯(lián)合軍演、反海盜護航、人道主義搜救等都需要艦船遠離后方基地長期在海上航行,海上的維修保障變的越來越重要。隨著海軍武器裝備越來越先進,對維修保障的時效性和精確性提出了越來越高的要求,海上維修保障必須按照任務要求充分考慮具備的實際條件,使用一些量化的計算模型,對維修專業(yè)人員、維修設施設備、備品備件等維修保障資源的需求數(shù)量進行較為科學的預測,確保任務順利完成并提高裝備維修保障的效益[1]。

2 需求預測模型

2.1 維修保障專業(yè)人員的需求預測模型

海上維修保障任務需要維修保障專業(yè)人員的數(shù)量可以采用以下模型計算得出:

第一步確定維修任務中某個修理等級某個專業(yè)的維修總工時[2]。

海上維修保障中完成某專業(yè)等級a上第i個專業(yè)的第j種裝備的維修保障任務所需要的工時為

Taij=Nj.wj·dj.Tij

(1)

式中:Nj為艦船上第j中裝備的數(shù)量；wj為第j種裝備在任務中的損壞率或故障率；dj為某種裝備的使用率；Tij為修復第j種裝備的標準工時。由上公式可以方便推出式(2):

(2)

式中:Tai為海上維修保障中本級本專業(yè)修理任務分工的總工時。

第二步確定維修任務中某個修理等級某個專業(yè)需要的維修人員數(shù)量。

根據(jù)式(2)中計算得到的Tai本級本專業(yè)修理任務分工的總工時可以確定本級本專業(yè)修理任務所需要的維修人員數(shù)量:

(3)

式中:H為晝夜工作時間,這個要根據(jù)實際情況來考慮,一般為12～16小時；F為任務中規(guī)定的本級本部門限定的維修時間；K1為人員利用系數(shù),通常使用70%～90%；K2為時間利用系數(shù),通常使用60%～80%。

第三步確定任務過程中所需維修人員的總數(shù)量。

根據(jù)式(3)中已經(jīng)算出本級本專業(yè)修理任務所需要的維修人數(shù)量,可以確定任務過程中某個修理等級所需的維修人員數(shù)量。

(4)

式中p為維修保障任務中本級包含的專業(yè)數(shù)量。

由于海上維修保障受環(huán)境和自身條件的限制主要進行艦員級和中繼級維修兩個級別的維修。由此可以得到:

M=M中繼+M艦員

2.2 維修設施設備的需求預測模型

海軍執(zhí)行任務中使用的艦船大都以編隊的形式出現(xiàn),因此在海上維修保障中維修設施設備需求計算以整個編隊需求來進行,不再分別考慮每艘艦艇獨立的需求。

海上維修保障的維修設施設備的需求計算能夠依照排隊論的理論進行,所需攜帶的設備由排隊論的方法進行計算[3～5]。

第一步確定出現(xiàn)故障需求維修的裝備到達維修設備處的輸入流。

設海上編隊在進行任務的過程中,各種裝備出現(xiàn)故障是偶然的,可以確定出在t時間內(nèi)有k個需要進行維修的裝備的概率服從泊松分布:

(5)

當需要維修的裝備出現(xiàn)的概率服從泊松分布時,故障裝備到達維修設施和設備處的間隔時間T是一個服從參數(shù)為λ的負指數(shù)分布的隨機變量,λ就可以稱為裝備的需維修率。

第二步確定不同維修設施和設備數(shù)量下的服務性能的關(guān)鍵參數(shù)和裝備完好率。

根據(jù)輸入流的數(shù)據(jù),可以進一步分析確定整個維修服務過程的關(guān)鍵參數(shù),主要包括裝備全部正常的概率、平均的故障裝備數(shù)量、平均等待修理的故障裝備數(shù)量等。設海上編隊執(zhí)行任務的艦艇上某型裝備的數(shù)量為m,編隊一共配有維修設備的數(shù)量為c,u為裝備修復率或者維修服務率(單位時間內(nèi)能夠修復的故障裝備臺數(shù)),ρ=mλ/cu為服務強度,m為裝備數(shù)量?？梢缘贸?

1) 裝備全部正常的概率為

(6)

2) 有n臺裝備出現(xiàn)故障的概率Pn為

(7)

3) 出現(xiàn)故障的平均裝備數(shù)量Ls為

(8)

4) 等待修理的平均裝備數(shù)量Lq為

(9)

依據(jù)上式和數(shù)據(jù),可以進一步推算出在一定的裝備需維修率λ、維修服務率u下,c個維修設備可以確保m個裝備達到的裝備完好率:

(10)

在海上維修保障資源需求計算中,可以根據(jù)一定的裝備需維修率λ、維修服務率u和裝備數(shù)量m推算出達到要求的裝備完好率η所需要的維修設備數(shù)量c,其具體方法是根據(jù)維修設備數(shù)量的不同取值,分別計算出對應的裝備完好率,然后根據(jù)計算結(jié)果選擇一個合適的維修設備數(shù)量c,作為海上編隊對于設施和維修設備需求的數(shù)量。

2.3 備品備件的需求預測模型

海上編隊中艦船、飛機、通信、槍械等裝備的大量機件都服從指數(shù)、正態(tài)和威布爾三類壽命分布,可以根據(jù)機件壽命分布、任務時間(維修保障時間)T和備件保障率P推算所需備品備件的數(shù)量。其基本方法是以P為規(guī)定可靠度,按機件的壽命分布類型計算出相應的可靠壽命tp；然后,以tp為更換周期,計算在保障時間T內(nèi)需要更換的次數(shù)；再乘以一部裝備中該機件數(shù)(機用數(shù))M和裝備的總數(shù)量N,即對應得出相應備品備件的數(shù)量[6～10]。其具體預測計算模型如下:

1) 指數(shù)分布壽命件需求預測模型:

(11)

其中λ為失效率

2) 正態(tài)分布壽命件需求預測模型:

(12)

式中μ為正態(tài)分布的均值；σ為標準差；μp為標準正態(tài)分布分位數(shù)。

3) 威布爾分布壽命件需求預測模型:

(13)

式中t0為最小壽命；ta為特征壽命；b為形狀參數(shù)。

3 應用實例

設海軍參加一次多國聯(lián)合演習任務,演習中包括海上搜救、反恐護航、反潛等科目,出動兵力為:2艘驅(qū)逐艦,2艘護衛(wèi)艦,1艘大型登陸艦,1艘綜合補給艦；7架艦載直升機；24臺兩棲登陸步兵戰(zhàn)車。本次演習時間30日,海上航行時間45天。

3.1 維修保障專業(yè)人員的需求預測

以演習任務中的艦載直升機的中繼級維修為例,其維修專業(yè)主要包括無線電、機械、特設,在計算中假設每個專業(yè)維修人員的維修能力相同并且他們每個人都只負責一個維修專業(yè)。

首先,計算無線電專業(yè)所需要的專業(yè)維修人員。以演習期間每天每架艦載直升飛機飛行4架次,故障率25%,每次無線電專業(yè)維修的標準工時為2h,則根據(jù)公式可算得演習過程中無線電專業(yè)的維修總工時:Tak=630(h)。

晝夜工作時間取12h,演習中規(guī)定的本級本專業(yè)維修工作日數(shù)40天,人員利用系數(shù)和時間利用系數(shù)均取80%,得出無線電專業(yè)所需人員數(shù)量:Mak=12(人)。

依據(jù)這個方法可分別算出特設、機械專業(yè)所需人數(shù)為8人、14人,則7架艦載直升機在演習過程中繼級維修所需總?cè)藬?shù)約為34人。

3.2 維修設施設備的需求預測

以本次演習中的兩棲登陸步兵戰(zhàn)車為例,可以根據(jù)裝備完好率指標和裝備的數(shù)量、故障間隔時間等,確定其維修設備的需求數(shù)量。設24臺兩棲登陸步兵戰(zhàn)車的故障間隔時間服從負指數(shù)分布,平均無故障時間為40h,平均無故障率λ為0.025臺/小時,平均每次維修時間為11h,即平均修復率μ為0.0909臺/小時,設演戲中任務要求的裝備完好率η為0.85,則可根據(jù)計算模型確定出所需的維修設備數(shù)量,具體方法為根據(jù)不同數(shù)量的維修設備,分別確定達到的完好率,從中選擇合適的數(shù)量。計算結(jié)果如表1所示。

表1 兩棲步兵戰(zhàn)車維修設備需求表

從表1可以看出,當攜帶的維修保障設備為4套時,能夠保障裝備的完好率為86.9%,即要滿足裝備完好率為0.85的任務要求,所需的維修設備至少為4套。

3.3 備品備件的需求預測

備品備件的海上維修保障需求預測模型建立中主要障針對指數(shù)、正態(tài)和威布爾三類壽命分布,下面分別對這三種情況進行舉例說明。

正態(tài)分布的模型以模型艦載直升機尾部旋翼葉片為例。海上編隊共配備艦載直升機7架,每架飛機的尾部旋翼葉片為4個。直升機尾部旋翼葉片故障率在整個壽命期內(nèi)呈正態(tài)分布。該型裝備的平均壽命為2000h,方差為500h,此裝備在任務期內(nèi)平均累積工作200h,則在保障度為0.9的條件下所需的備件數(shù)量為

威布爾分布的模型以模型艦載小口徑火炮的機械液壓傳動機構(gòu)為例。海上編隊共裝備某一型號的小口徑防空火炮六部,其機械液壓傳動部件的數(shù)量為3個。該部件的故障率在整個壽命期內(nèi)依其模型參數(shù)是遞減的,該部件的特征壽命為180h,最小壽命為100h,形狀參數(shù)為1.8。此裝備在保證期內(nèi)平均累積工作50h,則在保障度為0.95的條件下所需的備件數(shù)量為

4 結(jié)語

現(xiàn)在,海軍遠洋任務越來越多,作為高技術(shù)軍種海上開展維修保障的作用和地位重要。為了做好海上維修保障工作,必須要重視保障的科學籌劃和組織,通過科學化、定量化的分析研究,實施精確化的保障提高保障效果和效率,發(fā)揮好保障資源的保障能力。

[1] 李學臣.海上補給維修等方面保障問題研究[J].海軍后期學術(shù)研究,1993(3):21-22.

[2] 李江華,章柏紅,王祺.通用裝備維修力量的需求預測研究[J].科學技術(shù)與工程,2009,9(2):374-376.

[3] 巴威,舒華,張芳凌,等.基于排隊論的車輛裝備維修力量需求預測研究[J].軍事交通學院學報,2009,11(6):89-91.

[4] 萬毅,楊騰馳,魏學將.亞丁灣護航物資保障方式解析[J].軍事經(jīng)濟研究,2010(10):65-66.

[5] 黃飛,韓冬梅,李彪.美軍海上基地后勤保障經(jīng)驗及我軍海上保障能力的構(gòu)建[J].軍事經(jīng)濟研究,2011(5):77-78.

[6] 肖慧鑫.裝備維修中備件需求率的預計方法[J].火力與指揮控制,2008,33(增刊):150-152.

[7] 彭文娟,韓松,孫銘明,等.基于壽命分布的備件需求計算模型分析[J].艦船電子工程,2009,29(12):183-185.

[8] 韓維,商興華,李成,等.艦載機維修保障力量需求研究[J].海軍航空工程學院學報,2010,25(6):670-674.

[9] 李金國,丁紅兵.備件需求量計算模型分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2000,6(3):11-14.

[10] 關(guān)穎男,王永葆.工程技術(shù)中常用的數(shù)學方法[M].沈陽:東北大學出版社,2004:54-61.

Marine Maintenance Support Resource Demand Forecasting Model

CHEN Yefeng ZHAO Jinchao

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

With the naval task becoming more complicated, task execution time becoming longer and the task area far away from land, reliable and accurate marine maintenance support has become a necessary condition to complete the task. This paper establishes the demand forecasting model from three aspects of maintenance support resources which mainly contain support professionals, repair facility and spare parts and combine with examples to illustrate how to use the model.

marine maintenance support, maintenance resource, demand forecasting, forecasting model

2014年6月3日,

2014年7月24日

陳葉楓,男,碩士,研究方向:軍事系統(tǒng)建模與運籌決策。

E911

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.029