裝甲裝備保障效能評估建模和仿真方法研究

王少華,張仕新,董原生,高 坤,彭正軍

(1.陸軍裝甲兵學院裝備保障與再制造系, 北京 100072；2.中國人民解放軍63863部隊, 白城 137001； 3.中國人民解放軍77626部隊, 拉薩 850000)

對于復雜的裝備來說，保持較好的戰(zhàn)備完好性是指揮員關注的重點，任何影響其遂行任務的部件、零件故障都可能造成裝備不可用，產(chǎn)生嚴重的軍事經(jīng)濟后果。隨著裝備結構和功能的日趨復雜，單純的定期維修正逐漸失去理論基礎，美國聯(lián)合航空公司和美國海軍海上系統(tǒng)司令部的研究表明：復雜系統(tǒng)的故障率曲線已經(jīng)呈現(xiàn)多樣化的趨勢，建立在浴盆曲線基礎上的定期維修策略的應用范圍已經(jīng)大大受限[1]。某些定期維修工作的收益將會不同程度的降低，對于某些部件或設備來說，預防維修甚至會引起早期故障。面對裝備故障規(guī)律的變化，必須對裝備維修保障工作進行相應的調整，才能夠在改善裝備性能的同時，保持甚至提高維修的效費比。而維修保障工作的調整，關鍵在于維修保障體系結構的改進和維修保障資源配置的優(yōu)化。

裝備維修保障目標是對有限的維修保障資源進行組織和管理，使維修保障能力與需求想匹配。為了優(yōu)化建立合理的裝備維修保障體系，需要對其保障效能進行評估，為反饋決策和調整優(yōu)化建設方案提供理論依據(jù)。

目前，常用的系統(tǒng)效能評估方法主要有打分評估法、矩陣評估法、層次分析法、灰理論、模糊多屬性評估法、損失函數(shù)法、指數(shù)法等[2-5]。上述方法模型簡潔、操作簡單、符合人的直觀認識，但都屬于靜態(tài)評估方法，對專家經(jīng)驗依賴性較強，而仿真評估方法通過模擬仿真描述裝備保障過程，能夠動態(tài)地反映裝備保障系統(tǒng)的實際運行狀況，評估準確度相對較高，因此本文選擇通過仿真分析對維修保障系統(tǒng)效能進行評估。建模仿真評估的優(yōu)勢是顯著的，但模型假設、參數(shù)選擇和建模過程都具有一定的難度。K Sadananda Upadhya[6]等對部件壽命分布、維修時間分布和保障延誤時間進行了假設，以動力、電子等關鍵子系統(tǒng)為主要研究對象，建立了飛機可用度評估模型。與此同時，一些學者針對各類系統(tǒng)在采取非完美維修策略(imperfect maintenance policy)[7-9]、視情維修策略(condition-based maintenance policy)[10-11]、成組維修策略(group maintenance policy)[12-13]的使用可用度評估模型與求解方法展開了研究。上述研究對裝備任務大多做確定性的假設，對裝備任務多樣性以及任務—功能—保障需求之間的映射關系考慮不夠充分。為此本文針對這方面的不足，結合我軍裝甲裝備維修保障運行機制，對裝備維修保障效能評估的建模和仿真方法進行研究。

裝備維修保障效能評估的目的是為決策者調整保障資源配置和運用方式提供決策依據(jù)。針對這一需求，采用試探性建模與分析方法，在合理假設的前提下，引入影響維修保障效能的最關鍵因素，試探性地改變模型假設，以評估指標為依據(jù)，提出最佳的維修保障資源配置和運行建議。

運用試探性建模和分析方法的效能分析框架如圖1所示。

圖1所示的試探性建模與分析方法的系統(tǒng)效能評估框架。對于復雜裝備系統(tǒng)來說，建立多因素影響下的維修保障過程模型后，可以通過對模型結構和模型參數(shù)的反復調整，比較精確地評估各種因素在模型中的作用。

作為裝甲裝備，其壽命過程中不僅承擔戰(zhàn)備、訓練等任務，還有可能執(zhí)行作戰(zhàn)任務，這里主要針對平時保障，描述集群裝備的停機規(guī)律和維修保障過程，通過建模和仿真，相應地對裝備維修保障效能進行評估。

1 裝備停機規(guī)律分析

在裝備壽命周期內，裝備停機原因既可能是預防維修也可能是事后維修。其中，預防性維修，特別是時間消耗較長的中修和大修任務都是按照年度訓練計劃進行相應的統(tǒng)籌規(guī)劃。而事后維修涉及到裝備系統(tǒng)的故障規(guī)律，系統(tǒng)所屬各分系統(tǒng)、部件在故障發(fā)生頻率、故障嚴重程度方面各不相同，相應地在任務分配、器材備件保障等方面呈現(xiàn)不同的特征。因此將裝備系統(tǒng)劃分到分系統(tǒng)級別，分別描述其故障發(fā)生概率和故障等級分布。按照功能裝備系統(tǒng)主要包括：推進系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、防護系統(tǒng)和其他設備。集群裝備中單裝役齡分布較離散，因此若從集群角度出發(fā)，可通過代表性單裝表示集群裝備的故障規(guī)律，單裝各分系統(tǒng)故障率可視為常數(shù)，這里采用日均故障率來進行表示。

裝備故障在各分系統(tǒng)中發(fā)生頻率存在差異，同時故障嚴重程度也有其分布特征，故障嚴重程度是決定維修力量、器材備件需求和修復時間的最重要因素，有必要對其進行分類描述，這里將各故障按照嚴酷程度從低到高分為I、II、III共三個等級，為了簡化分析難度，假定各分系統(tǒng)故障嚴酷度分布相同。裝備各分系統(tǒng)故障率和嚴酷度分布如表1所示。

表1 裝備分系統(tǒng)日均故障率 %

對于嚴酷程度不同的故障，承擔修理任務的維修力量、所需的時間和資源消耗也是不同的，相應的維修保障過程也各不相同。

2 裝備維修保障過程模型

裝備維修保障過程是諸多維修保障要素協(xié)同配合進行的，全面描述的難度較高，這里選擇維修任務分配實施和器材保障兩個關鍵環(huán)節(jié)進行分析和建模。

2.1 維修任務分配實施

圍繞被保障的裝甲裝備，不同級別的維修保障力量有著各自的任務分工。目前，我軍裝甲機械化部隊施行三級維修保障體制，即基層級、中繼級和基地級。典型的裝甲旅裝備維修保障任務分工簡圖，如圖2所示。旅修理營為基層級，主要承擔小修任務；集團軍修理營和戰(zhàn)區(qū)修理大隊都屬于中繼級，都承擔中修任務，戰(zhàn)區(qū)修理大隊還具備項修能力；總部大修廠屬于基地級，承擔大修任務和項修任務，維修力量的級別越高，修理能力越強。

在考慮計劃管理時間和裝備在途時間的情況下，各級維修力量承擔的維修任務以及所需時間如表2所示。

表2 各級維修保障力量預防性維修時間 天

對于事后維修來說，裝備故障規(guī)律復雜，第1節(jié)中裝備故障按照嚴酷度劃分I、II、III共三個等級，故障等級越高，對維修專業(yè)能力和資源的需求也相應越高，所消耗的修理時間也越長。同時，由于事后維修任務本身的隨機性較強，送修或者前出修理將會造成不同程度的時間延遲，調動的保障力量等級越高，時間延遲將會越長。

按照嚴酷度劃分，裝備故障發(fā)生比例如表3所示。

表3 裝備故障發(fā)生比例 %

與預防性維修類似，不同的修理力量因其修理能力的不同將承擔不同的事后維修任務。表4所示為事后維修任務劃分以及事后所需的平均維修時間。

表4 各級保障力量事后維修時間 天

由于維修特別是事后維修屬于復雜的系統(tǒng)活動，其過程并不完全可控，維修活動所需的時間都具有一定的隨機性，為了降低分析難度，將其簡化為常值。

2.2 器材備件保障

對于器材保障部門來說，級別越高，器材備件儲供能力越強，滿足本級器材備件需求的機率越高。而且由于存儲成本、采購周期等因素的限制，同一儲供機構對不同類型的器材備件的滿足率也各不相同，這里按照裝甲裝備主要組成系統(tǒng)區(qū)分不同類別器材備件的本級滿足率，如表5所示。

表5 器材備件保障本級滿足率(事后維修)

需要指出的是，本級能夠滿足的條件下也可能產(chǎn)生一定的保障延遲時間，這里不予考慮。

當本級無法滿足器材需求需要進行調配時，假定器材備件調配只能從上級調往下級，以基層級為例，器材備件調配可能來自中繼級或基地級供應單位，所產(chǎn)生的保障延遲時間各不相同，這里不區(qū)分器材備件來源，以器材需求單位為對象，確定相應的保障延遲時間，具體的數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 器材備件保障延遲時間 天

對于任一修理機構，本級器材備件保障延遲時間是最短的，如果能夠提高本級保障滿足程度，將有助于縮短保障延遲時間。

2.3 維修保障過程建模

圖3所示為裝備狀態(tài)仿真流程，給定仿真周期內，如果既未發(fā)生預防維修也未發(fā)生故障，既裝備未停機，則令仿真時間推進1天；如果裝備發(fā)生故障或預防性維修，則啟動相應的分系統(tǒng)維修仿真程序，計算修復所需時間，求得裝備當次停機時間TDOWN。如果當次多個分系統(tǒng)發(fā)生故障，則系統(tǒng)停機時間為分系統(tǒng)最長維修時間。當仿真時間推進到預定的壽命周期時，則終止仿真，輸出壽命周期狀態(tài)矩陣。

裝備停機過程仿真流程如圖4所示。通過仿真描述裝備在壽命周期內進行預防性維修和事后維修的過程。對于預防性維修，以仿真周期長度為輸入，可求得周期內單裝發(fā)生大修、中修和小修的概率，進行單次仿真。對于事后維修，在每個仿真時刻裝備內都可能有多個分系統(tǒng)發(fā)生故障。對于發(fā)生故障的分系統(tǒng)，首先通過產(chǎn)生隨機數(shù)產(chǎn)生某一等級的故障，而后隨機選擇可選修理力量進行維修，并記錄修理耗費的時間；產(chǎn)生隨機數(shù)判斷當前分系統(tǒng)維修中器材備件需求是否能由本級滿足。如果不能，則記錄相應的保障延遲時間，通過累加得到該分系統(tǒng)維修總時間。判斷故障分系統(tǒng)是否全部維修完畢，如果有其他系統(tǒng)同時發(fā)生了故障，則從故障等級判別開始計算相應的維修時間，直到裝備全部維修完畢，耗時最長的分系統(tǒng)占用的時間記為當次停機時間。

通過對具有代表性的單裝故障和維修過程的仿真，可以得到仿真周期內裝備狀態(tài)變化過程，輸出裝備狀態(tài)矩陣。通過多次仿真可以近似求得裝備在仿真周期內的可用度。通過調整模型中的相關參數(shù)，可以定量評價相關因素對裝備保障效能的影響，為裝備保障系統(tǒng)優(yōu)化提供相關建議。

3 裝備維修保障仿真

以建立裝備維修保障過程模型為基礎，對模型參數(shù)進行初始化，即可以通過多次仿真得到裝備平均可用度，評估裝備維修保障效能，為裝備保障系統(tǒng)優(yōu)化提供建議。

固定Baseline溶液中陽離子型表面活性劑FAOA的用量為5 mL/L，加入不同體積分數(shù)的AEO，以探究FAOA與AEO的復配對拋光效果的影響，結果如圖5所示。

設定仿真周期為兩年，假定一年的有效工作日為180天，則仿真周期T=360天，采用Matlab進行編程，建立裝備狀態(tài)變化仿真程序，設定重復仿真次數(shù)為1 000次，運行仿真程序，得到裝備壽命周期可用度數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 裝備保障仿真結果(T=360天)

從表7可知，裝備的平均可用度只有0.628 0，停機時間占比為0.372 0，其中事后維修占比達到0.356 5。因此，從仿真結果上看，減少事后維修導致的停機時間是提高裝備維修保障效能的關鍵。

為了分析相關因素對裝備保障效能的影響大小，對各因素的相關參數(shù)值進行修正。

3.1 修理能力影響分析

假設通過設備配套、技術培訓等手段，能夠不同程度地提高維修力量的修理能力，降低維修時間，表8所示為優(yōu)化方案以及優(yōu)化后的維修時間參數(shù)。

表8 優(yōu)化方案及維修時間(天)

依據(jù)表8修改相應參數(shù)初值，運行仿真程序，得到各方案對應的系統(tǒng)可用度結果如表9和圖5所示。

表9 維修能力優(yōu)化方案仿真結果

由表9和圖5可知，通過單獨提高各級維修力量的修理能力，裝備事后維修停機時間占比能夠降低2.76%～3.72%，裝備的可用度可提高3.14%～4.05%，如果能夠全面提高各級維修力量的修理能力，則裝備故障停機占比能夠降低10.52%，裝備可用度可提高10.94%，達到73.74%。

3.2 器材備件保障能力影響分析

通過提升器材備件需求感知能力，采用更加合理的器材備件儲供策略，可以達到提高器材備件本級滿足能力的目的。假設采用相關優(yōu)化策略后，其他參數(shù)不變，基層級和中繼級中各類維修保障器材備件的本級滿足率都能提高10%，如表10所示。

表10 優(yōu)化后器材備件保障本級滿足率(事后維修)

依據(jù)表10修改相應參數(shù)初值，運行仿真程序，得到各方案對應的系統(tǒng)可用度結果如表11所示。

表11 器材備件本級滿足率優(yōu)化仿真結果

由表11可知，其他條件不變，通過提高維修保障器材備件的本級滿足率，裝備事后維修停機時間占比能夠降低1.37%，裝備的可用度可提高1.74%。

通過應用高效的維修器材數(shù)據(jù)庫、提升運輸補給能力，可降低器材備件供應延遲時間。假設通過各種途徑優(yōu)化后，器材備件的保障延遲時間如表12所示。

表12 優(yōu)化后的器材備件保障延遲時間(天)

依據(jù)表12修改相應參數(shù)初值，運行仿真程序，得到優(yōu)化后的裝備可用度結果如表13所示。

表13 器材備件保障延遲時間優(yōu)化仿真結果

由表13可知，其他條件不變，通過降低維修保障器材備件的保障延遲時間，裝備事后維修停機時間占比能夠降低2.26%，裝備的可用度可提高2.67%。

從仿真計算結果來看，通過提高事后維修能力、提高器材備件本級滿足率和降低保障延遲時間，可以不同程度地降低事后維修時間、提高裝備可用度。需要注意的是，上述模型是以平時維修為主要維修保障工作的。在戰(zhàn)時，以換件修理為主的戰(zhàn)場搶修將成為裝備維修保障系統(tǒng)的主要工作，換件維修所需維修時間可以縮短，但必須以器材備件及時保障作為前提。因此，在裝備維修保障系統(tǒng)構建時，應以提高器材備件保障能力為主要任務。

4 結論

在考慮平時維修體制、維修保障任務分工等因素的基礎上，分析了裝備維修保障系統(tǒng)運行機制。通過分析裝備故障規(guī)律、故障等級分布、維修實施、器材備件保障等維修保障相關過程，建立了裝備維修保障過程模型。通過模型仿真，以裝備可用度為指標建立了裝備維修保障效能評估模型，并定量分析了相關要素對裝備維修保障效能的影響。通過仿真分析表明，如果維修機構修理能力、器材備件保障能力能夠如第3節(jié)所示的方案得到提高，那么裝備可用度可以提高2.26%～10.94%，數(shù)據(jù)可以為裝備維修保障系統(tǒng)的構建和優(yōu)化建議提供信息支持。