艦船技術(shù)保障裝備體系動(dòng)力學(xué)建模與仿真*

楊春輝，王 樂，鄧明然

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.武漢理工大學(xué)管理學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

艦船技術(shù)保障是指為保持和恢復(fù)艦船裝備的良好技術(shù)狀態(tài)而采取的各項(xiàng)保證性措施與進(jìn)行的相應(yīng)活動(dòng)的統(tǒng)稱。艦船技術(shù)保障裝備則是用于執(zhí)行艦船技術(shù)保障活動(dòng)的各類設(shè)備、工具。艦船技術(shù)保障涉及的活動(dòng)類型很多，如維修保障、器材保障以及相應(yīng)訓(xùn)練保障、指揮保障等，而艦船裝備高技術(shù)密集、跨度大，專業(yè)領(lǐng)域廣，技術(shù)保障綜合性強(qiáng)，綜合集成度高，并且由于使命任務(wù)區(qū)別大，艦船型號(hào)多、艦船裝備種類復(fù)雜，艦船技術(shù)保障裝備構(gòu)成復(fù)雜、占用大量的技術(shù)保障經(jīng)費(fèi)，并直接影響艦船技術(shù)保障能力生成與增長速度，因此，艦船技術(shù)保障裝備的建設(shè)必須適應(yīng)使命任務(wù)、艦船裝備的變化，按照艦船技術(shù)保障裝備體系的思路進(jìn)行發(fā)展。

隨著時(shí)間的推移，艦船技術(shù)保障裝備體系中不斷有新的設(shè)備引入、舊的設(shè)備淘汰，處于動(dòng)態(tài)變化的過程當(dāng)中；與此相對(duì)應(yīng)，艦船裝備、技術(shù)保障人員、工藝和技術(shù)資料以及艦船技術(shù)保障使命任務(wù)等也在不斷的變化、調(diào)整過程中，因此，為了在有限的經(jīng)費(fèi)投入情況下，使艦船技術(shù)保障裝備體系發(fā)揮最大的效能，促進(jìn)艦船技術(shù)保障能力水平的提高，有必要針對(duì)艦船技術(shù)保障體系建設(shè)與艦船技術(shù)保障能力之間的變化關(guān)系開展分析，研究不同的建設(shè)方案對(duì)艦船技術(shù)保障能力的影響。

本文首先分析了艦船技術(shù)保障裝備體系的構(gòu)成，然后從艦船技術(shù)保障能力入手，分析艦船技術(shù)保障裝備體系構(gòu)成與艦船技術(shù)保障能力之間的相互影響和相互作用的反饋機(jī)制，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和方法開展定量分析。其核心是建立艦船技術(shù)保障裝備體系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析不同的經(jīng)費(fèi)分配方案對(duì)艦船技術(shù)保障能力提高的效果，并提出艦船技術(shù)保障裝備體系建設(shè)和發(fā)展的具體策略。

1 艦船技術(shù)保障裝備體系多視圖模型

體系是處于某一動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境中多個(gè)實(shí)體為通過各自有目的的行為完成其共同的使命而形成的整體，構(gòu)成體系的基本要素包括：環(huán)境、使命、實(shí)體、結(jié)構(gòu)、過程［1-2］。艦船技術(shù)保障裝備體系圍繞著艦船技術(shù)保障使命任務(wù)，與艦船技術(shù)保障對(duì)象、組織、技術(shù)、資源等要素相互協(xié)作，共同完成。因此，艦船技術(shù)保障裝備體系包含艦船裝備、艦船技術(shù)保障組織、艦船技術(shù)保障任務(wù)、艦船技術(shù)保障過程、艦船技術(shù)保障資源以及艦船技術(shù)保障裝備6大要素，按照多視圖的思想［3］，可以將艦船技術(shù)保障裝備體系分解為如圖1所示的6個(gè)視圖模型。其中過程視圖處于核心地位，通過艦船技術(shù)保障過程可以關(guān)聯(lián)其他所有視圖，因此，艦船技術(shù)保障過程是具體開展艦船技術(shù)保障裝備配置分析的主要對(duì)象。

由于艦船技術(shù)保障裝備體系的內(nèi)外部環(huán)境在不斷變化，如使命任務(wù)調(diào)整、維修體制改革、軍民融合保障、保障工藝創(chuàng)新、艦船技術(shù)保障設(shè)備升級(jí)改造等等，因此，體系也隨著時(shí)間的推移而在結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、功能、行動(dòng)等方面發(fā)生的變化，即艦船技術(shù)保障裝備體系處于動(dòng)態(tài)演化過程中。

圖1 視圖間關(guān)系

2 艦船技術(shù)保障裝備體系動(dòng)態(tài)演化的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

艦船技術(shù)保障裝備體系動(dòng)態(tài)演化的核心問題是如何充分利用有限的資源，更好滿足艦船技術(shù)保障任務(wù)的需求，提高艦船技術(shù)保障能力。艦船技術(shù)保障裝備配置或者說經(jīng)費(fèi)分配的難點(diǎn)在于：

（1）艦船技術(shù)保障裝備品種、數(shù)量多，涉及的艦船技術(shù)保障任務(wù)類型多、對(duì)象復(fù)雜，決策具有難度；

（2）艦船技術(shù)保障裝備體系建設(shè)是一個(gè)長期的過程，在不同的時(shí)間點(diǎn)上艦船技術(shù)保障能力也在不斷變化，體系建設(shè)的目標(biāo)需要在一個(gè)較長的時(shí)間段內(nèi)能夠滿足艦船技術(shù)保障任務(wù)需求，并且艦船技術(shù)保障裝備體系自身不產(chǎn)生巨大的變化。

基于上述難點(diǎn)，分析了艦船技術(shù)保障裝備體系中保障裝備的構(gòu)成以及影響它們配置的主要因素，分析了這些因素之間的相互影響關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

2.1 系統(tǒng)邊界確定

根據(jù)是否直接針對(duì)艦船裝備本身，可以將艦船技術(shù)保障裝備分為兩類：第1類是直接面向艦船系統(tǒng)的艦船技術(shù)保障活動(dòng)的裝備，形成型號(hào)相關(guān)艦船技術(shù)保障裝備體系；其他艦船技術(shù)保障裝備歸屬第2類，包括艦船技術(shù)保障指揮通信、艦船技術(shù)保障器材存儲(chǔ)、艦船技術(shù)保障人員訓(xùn)練等活動(dòng)中需要的裝備，形成艦船技術(shù)保障裝備基礎(chǔ)體系。

第1類艦船技術(shù)保障裝備構(gòu)成仍然非常多，需求分析還需要進(jìn)一步細(xì)化。具體可以從艦船型號(hào)、艦船系統(tǒng)、通專用3個(gè)維度進(jìn)行分解。具體如下頁圖2所示。本文主要從通用和專用進(jìn)行劃分。

第2類艦船技術(shù)保障裝備雖然不直接參與艦船技術(shù)保障任務(wù)，但他們的能力水平影響到第1類艦船技術(shù)保障裝備配置對(duì)能力水平的提高速度。事實(shí)上，艦船技術(shù)保障人員訓(xùn)練裝備配置水平高，人員能力強(qiáng)，則保障能力本身處于較高水平；同樣的艦船技術(shù)保障指揮裝備、器材保障裝備水平不同，相應(yīng)的保障能力水平及能力提升速度也有差別。

圖2 第1類艦船技術(shù)保障裝備三維分解結(jié)構(gòu)

艦船裝備隨著時(shí)間的推移，服役時(shí)間不斷增加，相應(yīng)的艦船技術(shù)保障任務(wù)不斷增多，技術(shù)保障難度也在不斷增加，導(dǎo)致艦船技術(shù)保障能力逐步下降；與此同時(shí)，每年有一定量的老舊艦船退役和新型艦船入役，新型艦船的引入對(duì)艦船技術(shù)保障提出了更高的要求。因此，艦船技術(shù)保障裝備建設(shè)需要不斷適應(yīng)艦船裝備的發(fā)展變化，否則隨著時(shí)間的推移艦船技術(shù)保障能力將逐漸下降，難以滿足艦船技術(shù)保障任務(wù)要求。必須依據(jù)艦船裝備和艦船技術(shù)保障任務(wù)的變化而不斷調(diào)整艦船技術(shù)保障裝備體系建設(shè)，才能確保艦船技術(shù)保障能力的提升。

從體系的角度來說，艦船技術(shù)保障裝備建設(shè)需要合理規(guī)劃每年投入的規(guī)模、不同類型艦船技術(shù)保障裝備分配的比例水平，確保艦船技術(shù)保障能力水平能夠在有限的經(jīng)費(fèi)情況下發(fā)揮最大的效用。

通過艦船技術(shù)保障系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的關(guān)系，可以得出系統(tǒng)的因果關(guān)系圖如圖3所示。模型中僅考慮艦船裝備、艦船技術(shù)保障裝備投入等對(duì)艦船技術(shù)保障能力變化的影響。

圖3 艦船技術(shù)保障體系因果關(guān)系圖

表1 系統(tǒng)邊界確定

根據(jù)上述因果關(guān)系分析，可以應(yīng)用vensim軟件構(gòu)建相應(yīng)的存量流量圖［4］，如圖4所示。艦船裝備及艦船技術(shù)保障任務(wù)的變化，使得在現(xiàn)有的經(jīng)費(fèi)策略下為了保證艦船技術(shù)保障能力需要相應(yīng)的調(diào)整經(jīng)費(fèi)增長額度。與此同時(shí)，為了在有限的經(jīng)費(fèi)內(nèi)盡可能提高艦船技術(shù)保障能力，可以采取經(jīng)費(fèi)優(yōu)化分配的策略，如通過首先提高艦船技術(shù)保障人員能力，從而改變艦船技術(shù)保障裝備對(duì)能力的影響水平，在此基礎(chǔ)上再增加第1類艦船技術(shù)保障裝備投入水平。

圖4 艦船技術(shù)保障體系系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3 模型仿真分析

艦船技術(shù)保障裝備體系建設(shè)在滿足不斷增加的艦船和艦船技術(shù)保障任務(wù)的同時(shí)，需要提高艦船技術(shù)保障能力，以適應(yīng)外界環(huán)境和使命任務(wù)需求。

3.1 模型參數(shù)估計(jì)

為了對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行量化，引入生長曲線。根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際能力水平，采用專家打分的綜合評(píng)估方法，可以給出當(dāng)前各個(gè)類型艦船技術(shù)保障裝備能力水平以及對(duì)應(yīng)的總能力水平、任務(wù)滿足度、保障效率等要素，并按照變量之間的函數(shù)關(guān)系對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行賦值，然后應(yīng)用10年的數(shù)據(jù)對(duì)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，可以得出參數(shù)設(shè)置的合理性、有效性。本文對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了脫密處理，僅從方法的角度對(duì)問題進(jìn)行了分析。各要素間作用機(jī)制見表2，模型的初值如下頁表3所示。

艦船技術(shù)保障對(duì)應(yīng)的各種能力水平主要采用主觀評(píng)價(jià)的方法。能力水平的變化呈現(xiàn)出生長曲線的規(guī)律。把能力發(fā)展變化的生命周期劃分為4個(gè)階段，即嬰兒期、發(fā)展期、成熟期和應(yīng)用期［5-6］，分別對(duì)應(yīng)于能力在不同時(shí)期的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，如下頁圖5所示。

表2 艦船技術(shù)保障體系模型參數(shù)描述表

圖5 艦船技術(shù)保障能力S曲線知識(shí)圖

為了便于艦船技術(shù)保障人員確定當(dāng)前艦船技術(shù)保障裝備的能力水平，將其分為4個(gè)階段：

階段1：艦船技術(shù)保障裝備配置的初始期?？梢岳^續(xù)細(xì)分為兩個(gè)等級(jí)，等級(jí)1表示初步發(fā)展，能力非常弱；等級(jí)2表示經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)展，能力水平逐步提升。

階段2：艦船技術(shù)保障裝備配置的發(fā)展期。繼續(xù)細(xì)分為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)3表示發(fā)展初期，經(jīng)歷了初始期的積累后，能力水平快速發(fā)展；等級(jí)4表示發(fā)展期中期，此時(shí)能力水平增長速度還在提高；等級(jí)5表示發(fā)展期后期，能力水平增長速度接近最高值。

階段3：艦船技術(shù)保障裝備配置的成熟期。繼續(xù)細(xì)分為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)6表示成熟期初步顯現(xiàn)的階段，能力水平增長速度由最高值開始回落；等級(jí)7表示成熟期的中期，能力水平已經(jīng)達(dá)到較高水平，增長速度繼續(xù)回落；等級(jí)8表示成熟期的后期，能力水平接近最后的穩(wěn)定，增長速度進(jìn)一步放緩。

階段4：艦船技術(shù)保障裝備配置的穩(wěn)定期。細(xì)分為兩個(gè)等級(jí)，等級(jí)9表示穩(wěn)定期的初步階段，能力水平很高，但仍然在緩慢增長；等級(jí)10表示穩(wěn)定期的后期，能力水平基本保持不變。

4個(gè)階段10個(gè)等級(jí)是艦船技術(shù)保障能力水平度量的標(biāo)準(zhǔn)模式，適用于一般的艦船技術(shù)保障裝備。但也存在一些特殊情形：某些艦船技術(shù)保障裝備的配置可能并不一定會(huì)經(jīng)歷全部4個(gè)階段和10個(gè)等級(jí)，如電子設(shè)備的艦船技術(shù)保障裝備綜合集成度高，往往配置后即可達(dá)到較高水平，但對(duì)應(yīng)的經(jīng)費(fèi)投入也是相當(dāng)可觀的。隨著艦船技術(shù)保障的發(fā)展、使命任務(wù)要求的不斷提高，艦船技術(shù)保障裝備雖然沒有發(fā)生變化，但能力水平將會(huì)逐漸降低。對(duì)于不同的艦船技術(shù)保障裝備，各個(gè)階段對(duì)經(jīng)費(fèi)投入的敏感程度可以通過分析近年來的情況進(jìn)行估算。

生長曲線的模型采用如下的形式：

參數(shù)b為S曲線的形狀參數(shù)， 為S曲線的位移參數(shù)。由于曲線均表示能力，因此，y'=1。

各艦船技術(shù)保障能力指標(biāo)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的收集與整理，可以確定參數(shù)如表3所示。艦船技術(shù)通用保障能力提高率受到的影響因素較多，艦船技術(shù)保障各類裝備的能力都將對(duì)其產(chǎn)生影響，并且部分影響具有延遲性。

表3 艦船技術(shù)保障體系模型初值

將艦船器材保障能力、艦船訓(xùn)練保障能力和艦船指揮保障能力三者定義為基礎(chǔ)能力?；A(chǔ)能力如果小于通專裝能力，需要提高經(jīng)費(fèi)比例，才能達(dá)到預(yù)期的效果；反之，如果基礎(chǔ)能力大于通專裝能力，則不需調(diào)整。

投入增長率不同，相應(yīng)的生長曲線對(duì)應(yīng)的時(shí)間跨度有區(qū)別，如下頁圖6所示。另外，每項(xiàng)內(nèi)容的經(jīng)費(fèi)投入都有一定的變化區(qū)間，才能保證其按照生長曲線的規(guī)律進(jìn)行變化，低于一定的增長率時(shí)，能力值將不斷下降。

圖6 艦船技術(shù)保障能力水平增長與經(jīng)費(fèi)增長率之間的關(guān)系

3.2 模型仿真運(yùn)行

本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件vensim對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行仿真運(yùn)行和政策評(píng)估。模型的仿真將主要圍繞采用什么樣的投入分配策略能夠最大限度地提高總體的保障能力水平。

分析當(dāng)前各類能力水平，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）艦船技術(shù)保障人員能力當(dāng)前處于一個(gè)相對(duì)較低的水平，所以投入后將有增長；而且投入量較大；增長有時(shí)間延遲。

（2）艦船技術(shù)保障指揮能力當(dāng)前處于一個(gè)相對(duì)較低水平，投入后增長較快；但投入量需要較大；基本沒有時(shí)間延遲；

（3）器材保障能力處于一個(gè)比較高的水平，因此，投入較大后才有一個(gè)相對(duì)小的提升，但沒有時(shí)間延遲；對(duì)整體能力的影響有限。

（4）通用保障裝備：一部分用于維持當(dāng)前通裝的使用和任務(wù)完成，還有一部分用于采購新的通裝。需要?jiǎng)澏ㄍㄑb與專裝所占比例及對(duì)能力影響的比例。通裝采購數(shù)量大，對(duì)能力提升影響。

（5）專用保障裝備：一部分用于維持當(dāng)前專裝的使用和任務(wù)完成，還有一部分用于采購新的專裝。專裝有剛性需求，有一部分必須優(yōu)先得到滿足。

因此，如果將保障經(jīng)費(fèi)在前期優(yōu)先滿足訓(xùn)練保障經(jīng)費(fèi)，提高其增長率，那么在后期能力水平將快速增長，其速度將超出現(xiàn)有比例條件下的能力水平。另外，考慮到經(jīng)費(fèi)一般按照5年進(jìn)行規(guī)劃，在每個(gè)5年規(guī)劃中前2年～3年先滿足訓(xùn)練保障經(jīng)費(fèi)，后2年重點(diǎn)進(jìn)行通用、專用保障裝備配置，也將能夠取得較好效果。

仿真結(jié)果如圖7所示，圖7（a）中曲線B表示當(dāng)前策略下的能力變化情況；曲線C表示按照優(yōu)先保證訓(xùn)練保障經(jīng)費(fèi)，初期能力增長率較低，但后期發(fā)展速度較快，主要原因在于訓(xùn)練保障經(jīng)費(fèi)產(chǎn)生效果后，訓(xùn)練保障能力提升后對(duì)整體的能力產(chǎn)生非常積極的影響。圖7（b）中曲線D表示按照五年規(guī)劃，每個(gè)5年規(guī)劃中，前3年優(yōu)先保證訓(xùn)練保障經(jīng)費(fèi)，能力增長呈現(xiàn)出波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，但總的效果仍然要優(yōu)于現(xiàn)有的分配策略。

圖7 訓(xùn)練保障經(jīng)費(fèi)優(yōu)先滿足的仿真結(jié)果前后對(duì)比

4 結(jié)論

艦船技術(shù)保障裝備體系是形成艦船技術(shù)保障能力的重要組成部分，隨著保障任務(wù)的增多和對(duì)保障要求的不斷提高，艦船技術(shù)保障裝備體系優(yōu)化建設(shè)的地位也越來越突出。艦船技術(shù)保障裝備體系包含與型號(hào)相關(guān)的通專用艦船技術(shù)保障裝備，以及由器材保障裝備、訓(xùn)練保障裝備、指揮保障裝備等形成的基礎(chǔ)體系，它們相互影響、相互促進(jìn)。本文深入分析不同類型艦船技術(shù)保障裝備與艦船技術(shù)保障任務(wù)、能力之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了費(fèi)用優(yōu)化分配的策略。

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