自行火炮維修保障系統(tǒng)數(shù)字孿生體仿真模型

王帥，王亞彬，岳帥，王金幗，王茁，趙建民

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.河北省機械裝備狀態(tài)監(jiān)測與評估重點實驗室，河北 石家莊 050003)

自行火炮維修保障系統(tǒng)是陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)的重要組成部分,是恢復(fù)和提高自行火炮戰(zhàn)斗力的重要保障[1]。隨著裝備技術(shù)集成度越來越高、執(zhí)行任務(wù)越來越復(fù)雜,合成旅對裝備維修保障精確化的要求越來越高[2-3]。通過對自行火炮維修保障系統(tǒng)的研究,可以為解決合成旅維修保障系統(tǒng)的精確化保障問題提供借鑒。

利用數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬模型中建立實體系統(tǒng)的精準映射,實時采集、動態(tài)分析保障系統(tǒng)各要素狀態(tài),以系統(tǒng)當前狀態(tài)為初始狀態(tài)對未來發(fā)展趨勢進行仿真預(yù)測,預(yù)測不同環(huán)境下的資源需求、驗證不同策略對系統(tǒng)發(fā)展的影響、對系統(tǒng)特殊狀態(tài)進行預(yù)警[4],從而提高維修保障系統(tǒng)的主動性與精確性[5]。

數(shù)字孿生體仿真模型是對物理系統(tǒng)的精準映射,是數(shù)字孿生模型的孿生維[6],是數(shù)字孿生模型的核心。數(shù)字孿生體仿真模型通過與數(shù)字孿生模型物理維、數(shù)據(jù)維、應(yīng)用維等各維度的數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)“平時跟隨、用時仿真”,即平時根據(jù)物理維傳遞的傳感器數(shù)據(jù)實時跟隨物理系統(tǒng),成為其孿生體,總結(jié)各項活動數(shù)字規(guī)律,用時以系統(tǒng)當前狀態(tài)為初始狀態(tài)進行仿真,為數(shù)據(jù)的分析與預(yù)測提供依據(jù)[7]。

AnyLogic軟件是由XJ Technologies公司開發(fā)的通用仿真建模軟件,適用于離散事件建模、系統(tǒng)動力學(xué)建模、基于智能體建模、混合系統(tǒng)建模,應(yīng)用范圍廣泛[8]。筆者利用AnyLogic仿真軟件,設(shè)計構(gòu)建自行火炮維修保障系統(tǒng)仿真模型,對自行火炮維修保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型孿生維構(gòu)建方法進行研究,為基于數(shù)字孿生技術(shù)進行自行火炮維修保障提供支持。

1 問題描述

1.1 研究對象分析

自行火炮維修保障系統(tǒng),是陸軍合成旅中參與自行火炮裝備維修保障活動的機構(gòu)、人員、器材、信息系統(tǒng)等各要素組成的有機整體?；跀?shù)字孿生的自行火炮維修保障,就是利用數(shù)字孿生技術(shù),對自行火炮裝備及其維修保障系統(tǒng)進行分析,建立數(shù)字孿生體仿真模型,仿真系統(tǒng)運行過程,通過與實體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互,真實反映實體系統(tǒng)各項狀態(tài),對自行火炮裝備及其維修保障系統(tǒng)進行仿真、監(jiān)測、分析、評估、預(yù)測和優(yōu)化等工作。

采用霍爾三維結(jié)構(gòu)理論[9]的框架和方法,從要素維、邏輯維和知識維三個方面對基于數(shù)字孿生的自行火炮維修保障系統(tǒng)進行分析,如圖1所示。

1)要素維。要素維明確了基于數(shù)字孿生的自行火炮維修保障系統(tǒng)的主要內(nèi)容。主要包括自行火炮裝備和對應(yīng)的保障各要素兩個部分。其中,自行火炮裝備可以分整裝裝備、可更換單元兩個層次研究,自行火炮保障要素主要包括自行火炮保障相關(guān)的機構(gòu)、人員、器材、信息系統(tǒng)等。

2)邏輯維。邏輯維是在要素的基礎(chǔ)上,分析基于數(shù)字孿生的自行火炮維修保障系統(tǒng)各要素運行過程的邏輯程序。主要包括狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、裝備管理、狀態(tài)評估、需求預(yù)測、策略優(yōu)化和決策驗證等邏輯步驟。

3)知識維。知識維明確了運行基于數(shù)字孿生的自行火炮維修保障系統(tǒng)所需要的技術(shù)。主要包括系統(tǒng)工程理論、裝備管理理論、裝備維修理論、數(shù)字孿生技術(shù)、智能算法和大數(shù)據(jù)技術(shù)等內(nèi)容。

1.2 維修事件響應(yīng)流程分析

自行火炮維修保障系統(tǒng)維修事件響應(yīng)流程如圖2所示。

自行火炮維修保障系統(tǒng)運行過程中,通過裝備的日常使用與檢測,及時監(jiān)測裝備及各單元關(guān)鍵數(shù)據(jù),及時對健康狀態(tài)進行評估。根據(jù)可更換單元等級,實施不同的監(jiān)測策略。當發(fā)現(xiàn)某可更換單元即將故障或已經(jīng)故障,加入相應(yīng)隊列等待維修,根據(jù)維修需求策略產(chǎn)生維修需求。裝備產(chǎn)生維修需求后,修理工間依據(jù)修理工的工作情況進行任務(wù)分配,修理工接到任務(wù)后對任務(wù)裝備所有即將故障或故障的單元進行維修,使裝備得到修復(fù)。

1.3 基本假設(shè)

以某單位某型自行火炮維修保障系統(tǒng)為例進行研究,作出如下基本假設(shè):

1)該單位共有該型自行火炮10門。

2)每門炮有可更換單元10個,依據(jù)重要程度可分為3類,其中,單元1、2、3為重要單元,單元4、5、6、7為一般單元,單元8、9、10為次要單元。

3)不同種類可更換單元有不同的維修策略,重要單元應(yīng)加強監(jiān)測,即將故障就要修理;一般單元應(yīng)進行監(jiān)測,故障后及時維修;次要單元,故障后隨下次裝備維修進行維修。

4)該單位共有火炮修理工2名。

5)每件裝備故障,需要1名火炮修理工及若干名裝備操作使用人員配合共同完成修理,并需要消耗相關(guān)的備件等維修器材。

2 仿真模型設(shè)計

運用數(shù)字孿生技術(shù),建立數(shù)字孿生體仿真模型,需要對系統(tǒng)所屬每一要素的每一實體建立對應(yīng)的智能體模型。通過智能體對系統(tǒng)當前狀態(tài)進行跟隨,并在模型中輸入仿真時間內(nèi)可能執(zhí)行的任務(wù)、運行的條件,可以進行仿真預(yù)測。

仿真模型設(shè)計主要包括智能體、邏輯結(jié)構(gòu)、仿真界面等方面的設(shè)計。仿真模型通過與數(shù)字孿生模型物理維等各維度的通信獲取各類參數(shù),得到仿真初始狀態(tài),利用經(jīng)訓(xùn)練后的維修事件規(guī)律進行系統(tǒng)仿真。

2.1 智能體設(shè)計

智能體模型是數(shù)字孿生體仿真模型中與物理系統(tǒng)各組元對應(yīng)的仿真模型,可以賦予獨立的參數(shù)和仿真邏輯。依據(jù)系統(tǒng)組元,主要設(shè)計火炮、可更換單元、修理工間、修理工、器材倉庫等智能體,進行系統(tǒng)仿真。其中,各智能體的狀態(tài)參數(shù)主要通過物理維由傳感器獲得,維修事件規(guī)律主要通過數(shù)據(jù)維對數(shù)據(jù)的分析處理、應(yīng)用維對事件規(guī)律的學(xué)習(xí)獲得。

1)火炮?；鹋谥饕M行可視化建模和狀態(tài)建模,設(shè)置正常、故障兩種狀態(tài),依據(jù)所屬單元狀態(tài)及維修策略進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移?；鹋诘闹饕獏?shù)包括編號、狀態(tài)、故障單元隊列、即將故障單元隊列等。如圖3所示。

2)可更換單元。可更換單元主要進行狀態(tài)建模,設(shè)置新品、正常、即將故障、故障和維修5個狀態(tài),狀態(tài)轉(zhuǎn)移依據(jù)對實體可更換單元的狀態(tài)監(jiān)測進行,仿真時依據(jù)數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)維訓(xùn)練后的該單元的故障規(guī)律進行轉(zhuǎn)移?？筛鼡Q單元的主要參數(shù)包括編號、狀態(tài)、裝備編號、裝備故障標識、平均故障間隔時間、平均修復(fù)時間等。如圖4所示。

3)修理工間。修理工間主要進行可視化建模,負責修理工維修任務(wù)分配與統(tǒng)計工作。修理工間的主要參數(shù)為裝備待修隊列。

4)修理工。修理工主要進行可視化建模和狀態(tài)建模,設(shè)置忙、閑2個狀態(tài),依據(jù)裝備維修任務(wù)和維修情況進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。修理工的主要參數(shù)包括編號、狀態(tài)和維修任務(wù)等。如圖5所示。

5)器材倉庫。器材倉庫主要進行可視化建模,負責器材需求的統(tǒng)計工作。器材倉庫的主要參數(shù)為各類器材需求統(tǒng)計。

2.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真模型建立后,各智能體接收物理維傳來的實體數(shù)據(jù),跟隨物理實體運行,對維修事件規(guī)律參數(shù)進行訓(xùn)練。仿真開始后,各智能體分工協(xié)作,依據(jù)各自維修事件規(guī)律產(chǎn)生維修事件,依照維修事件響應(yīng)流程驅(qū)動仿真模型運行。按照維修事件響應(yīng)流程,設(shè)計仿真模型邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3 仿真界面設(shè)計

2.3.1 智能體仿真演示界面

智能體仿真演示界面設(shè)計如圖7、8所示。其中,設(shè)置10個火炮智能體,代表10門火炮,以炮位顏色代表火炮狀態(tài)。每門火炮旁設(shè)置10個可更換單元智能體,代表該火炮的10個可更換單元,可更換單元顏色代表其狀態(tài)。設(shè)置2個修理工智能體,代表2名火炮修理工,修理工工位顏色代表其狀態(tài)。設(shè)置修理工間智能體和器材倉庫智能體各1個。

仿真過程中,通過演示界面可以直觀觀察各要素的仿真狀態(tài)。

2.3.2 仿真數(shù)據(jù)分析界面

仿真數(shù)據(jù)分析界面設(shè)計可以依據(jù)仿真目的進行設(shè)計,以統(tǒng)計分析所需的數(shù)據(jù),達成仿真目的。按照維修資源需求預(yù)測進行設(shè)計,仿真數(shù)據(jù)分析界面可區(qū)分裝備故障情況、人員工作情況、器材需求情況和故障事件記錄4個部分。如圖9所示。

裝備故障情況主要統(tǒng)計各裝備故障信息;人員工作情況主要統(tǒng)計各修理工工作量,并分析其工作負荷,即工作時間中維修時間的占比;器材需求情況主要統(tǒng)計各類維修器材需求,并分析需求的時間規(guī)律;故障事件記錄主要記錄各故障事件的發(fā)生。

仿真過程中,通過仿真數(shù)據(jù)分析界面可以用數(shù)據(jù)觀察各維修資源的仿真狀態(tài),并可將相關(guān)數(shù)據(jù)進行輸出。

3 仿真模型的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用功能

作為數(shù)字孿生模型的孿生維,自行火炮維修保障系統(tǒng)數(shù)字孿生體模型可以依據(jù)不同的仿真需求,改變仿真參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù),實現(xiàn)多種條件下的仿真,通過仿真為數(shù)字孿生模型各項功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。主要可以實現(xiàn)以下幾個方面的應(yīng)用:

1)未來一段時間維修資源需求預(yù)測,即通過仿真系統(tǒng)運行獲取維修資源需求的種類、數(shù)量等信息。

2)執(zhí)行不同任務(wù)下的仿真,即利用時間表功能,設(shè)置各個任務(wù)時間段內(nèi)的裝備運行環(huán)境、使用強度等參數(shù),進行系統(tǒng)仿真。

3)不同維修策略下的預(yù)測,即通過不同維修策略的應(yīng)用對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行仿真。

4)不同倉儲策略下的預(yù)測,即通過不同倉儲策略的應(yīng)用對維修資源保障能力進行仿真。

5)維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,即利用各類數(shù)據(jù)分析算法對系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)進行計算、預(yù)測、擬合,并通過數(shù)據(jù)可視化大屏系統(tǒng)[10]進行直觀展示。

6)仿真裝備狀態(tài)評估,即通過仿真系統(tǒng)運行獲取系統(tǒng)各要素仿真的狀態(tài)指標,運用狀態(tài)評估方法對仿真裝備進行狀態(tài)評估。

3.2 應(yīng)用案例

以維修資源需求預(yù)測為例對模型的應(yīng)用進行分析。將某合成旅某年度自行火炮維修保障系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)和年度任務(wù)數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng),進行365天的仿真運行,得到仿真運行結(jié)果如圖9、10所示。

從圖9、10可以看出,裝備故障方面,本次仿真中,3、5、6、7炮故障相對較多,應(yīng)加強對正確操作使用與維護保養(yǎng)的指導(dǎo)。

器材需求方面,本次仿真中,各可更換單元的年度器材需求量分別為3、12、23、23、6、18、29、6、23、15件。其中,單元3、4、7、9需求量較多,需注意適當增加庫存。

修理工1、2的工作負荷分別為29.73%、29.83%,修理工2的工作負荷略大于修理工1,但修理工1的工作量略大于修理工2,總體2名修理工工作量相當,工作安排較為合理。

同時對發(fā)生的各故障事件進行了記錄,方便詳細查詢。實際應(yīng)用中,可以通過多次仿真求平均值的方式獲得更為準確的仿真結(jié)果。

4 結(jié)束語

通過構(gòu)建數(shù)字孿生體仿真模型,將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到自行火炮維修保障問題研究中,可以提高自行火炮維修保障的主動性和精確性。筆者主要對數(shù)字孿生模型孿生維,即數(shù)字孿生體仿真模型的構(gòu)建方法進行了研究。利用霍爾三維結(jié)構(gòu)理論對基于數(shù)字孿生的自行火炮維修保障進行了系統(tǒng)分析,理清了研究對象包含的要素和邏輯流程;從智能體、邏輯結(jié)構(gòu)、仿真界面3個方面對數(shù)字孿生體仿真模型進行了設(shè)計與實現(xiàn),并以維修資源預(yù)測為背景進行了應(yīng)用案例分析,探索了建立數(shù)字孿生體仿真模型的方法,為建立自行火炮維修保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型提供支撐,為進一步研究陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)建模方法提供借鑒。