海上维修保障资源需求预测模型*

陈叶枫 赵金超

(海军工程大学 武汉 430033)

海上维修保障资源需求预测模型*

陈叶枫 赵金超

(海军工程大学 武汉 430033)

随着海军军事任务多样化,执行任务时间长,任务海区远离大陆,可靠、精确的海上维修保障成为了必备的条件。论文从维修保障资源主要包括的保障专业人员、维修设施设和备品备件三个方面建立了需求预测模型,并结合实例说明了模型的使用。

海上维修保障; 维修资源; 需求预测; 预测模型

Class Number E911

1 引言

现阶段海军担负的任务越来越多,联合军演、反海盗护航、人道主义搜救等都需要舰船远离后方基地长期在海上航行,海上的维修保障变的越来越重要。随着海军武器装备越来越先进,对维修保障的时效性和精确性提出了越来越高的要求,海上维修保障必须按照任务要求充分考虑具备的实际条件,使用一些量化的计算模型,对维修专业人员、维修设施设备、备品备件等维修保障资源的需求数量进行较为科学的预测,确保任务顺利完成并提高装备维修保障的效益[1]。

2 需求预测模型

2.1 维修保障专业人员的需求预测模型

海上维修保障任务需要维修保障专业人员的数量可以采用以下模型计算得出:

第一步确定维修任务中某个修理等级某个专业的维修总工时[2]。

海上维修保障中完成某专业等级a上第i个专业的第j种装备的维修保障任务所需要的工时为

Taij=Nj.wj·dj.Tij

(1)

式中:Nj为舰船上第j中装备的数量；wj为第j种装备在任务中的损坏率或故障率；dj为某种装备的使用率；Tij为修复第j种装备的标准工时。由上公式可以方便推出式(2):

(2)

式中:Tai为海上维修保障中本级本专业修理任务分工的总工时。

第二步确定维修任务中某个修理等级某个专业需要的维修人员数量。

根据式(2)中计算得到的Tai本级本专业修理任务分工的总工时可以确定本级本专业修理任务所需要的维修人员数量:

(3)

式中:H为昼夜工作时间,这个要根据实际情况来考虑,一般为12～16小时；F为任务中规定的本级本部门限定的维修时间；K1为人员利用系数,通常使用70%～90%；K2为时间利用系数,通常使用60%～80%。

第三步确定任务过程中所需维修人员的总数量。

根据式(3)中已经算出本级本专业修理任务所需要的维修人数量,可以确定任务过程中某个修理等级所需的维修人员数量。

(4)

式中p为维修保障任务中本级包含的专业数量。

由于海上维修保障受环境和自身条件的限制主要进行舰员级和中继级维修两个级别的维修。由此可以得到:

M=M中继+M舰员

2.2 维修设施设备的需求预测模型

海军执行任务中使用的舰船大都以编队的形式出现,因此在海上维修保障中维修设施设备需求计算以整个编队需求来进行,不再分别考虑每艘舰艇独立的需求。

海上维修保障的维修设施设备的需求计算能够依照排队论的理论进行,所需携带的设备由排队论的方法进行计算[3～5]。

第一步确定出现故障需求维修的装备到达维修设备处的输入流。

设海上编队在进行任务的过程中,各种装备出现故障是偶然的,可以确定出在t时间内有k个需要进行维修的装备的概率服从泊松分布:

(5)

当需要维修的装备出现的概率服从泊松分布时,故障装备到达维修设施和设备处的间隔时间T是一个服从参数为λ的负指数分布的随机变量,λ就可以称为装备的需维修率。

第二步确定不同维修设施和设备数量下的服务性能的关键参数和装备完好率。

根据输入流的数据,可以进一步分析确定整个维修服务过程的关键参数,主要包括装备全部正常的概率、平均的故障装备数量、平均等待修理的故障装备数量等。设海上编队执行任务的舰艇上某型装备的数量为m,编队一共配有维修设备的数量为c,u为装备修复率或者维修服务率(单位时间内能够修复的故障装备台数),ρ=mλ/cu为服务强度,m为装备数量。可以得出:

1) 装备全部正常的概率为

(6)

2) 有n台装备出现故障的概率Pn为

(7)

3) 出现故障的平均装备数量Ls为

(8)

4) 等待修理的平均装备数量Lq为

(9)

依据上式和数据,可以进一步推算出在一定的装备需维修率λ、维修服务率u下,c个维修设备可以确保m个装备达到的装备完好率:

(10)

在海上维修保障资源需求计算中,可以根据一定的装备需维修率λ、维修服务率u和装备数量m推算出达到要求的装备完好率η所需要的维修设备数量c,其具体方法是根据维修设备数量的不同取值,分别计算出对应的装备完好率,然后根据计算结果选择一个合适的维修设备数量c,作为海上编队对于设施和维修设备需求的数量。

2.3 备品备件的需求预测模型

海上编队中舰船、飞机、通信、枪械等装备的大量机件都服从指数、正态和威布尔三类寿命分布,可以根据机件寿命分布、任务时间(维修保障时间)T和备件保障率P推算所需备品备件的数量。其基本方法是以P为规定可靠度,按机件的寿命分布类型计算出相应的可靠寿命tp；然后,以tp为更换周期,计算在保障时间T内需要更换的次数；再乘以一部装备中该机件数(机用数)M和装备的总数量N,即对应得出相应备品备件的数量[6～10]。其具体预测计算模型如下:

1) 指数分布寿命件需求预测模型:

(11)

其中λ为失效率

2) 正态分布寿命件需求预测模型:

(12)

式中μ为正态分布的均值；σ为标准差；μp为标准正态分布分位数。

3) 威布尔分布寿命件需求预测模型:

(13)

式中t0为最小寿命；ta为特征寿命；b为形状参数。

3 应用实例

设海军参加一次多国联合演习任务,演习中包括海上搜救、反恐护航、反潜等科目,出动兵力为:2艘驱逐舰,2艘护卫舰,1艘大型登陆舰,1艘综合补给舰；7架舰载直升机；24台两栖登陆步兵战车。本次演习时间30日,海上航行时间45天。

3.1 维修保障专业人员的需求预测

以演习任务中的舰载直升机的中继级维修为例,其维修专业主要包括无线电、机械、特设,在计算中假设每个专业维修人员的维修能力相同并且他们每个人都只负责一个维修专业。

首先,计算无线电专业所需要的专业维修人员。以演习期间每天每架舰载直升飞机飞行4架次,故障率25%,每次无线电专业维修的标准工时为2h,则根据公式可算得演习过程中无线电专业的维修总工时:Tak=630(h)。

昼夜工作时间取12h,演习中规定的本级本专业维修工作日数40天,人员利用系数和时间利用系数均取80%,得出无线电专业所需人员数量:Mak=12(人)。

依据这个方法可分别算出特设、机械专业所需人数为8人、14人,则7架舰载直升机在演习过程中继级维修所需总人数约为34人。

3.2 维修设施设备的需求预测

以本次演习中的两栖登陆步兵战车为例,可以根据装备完好率指标和装备的数量、故障间隔时间等,确定其维修设备的需求数量。设24台两栖登陆步兵战车的故障间隔时间服从负指数分布,平均无故障时间为40h,平均无故障率λ为0.025台/小时,平均每次维修时间为11h,即平均修复率μ为0.0909台/小时,设演戏中任务要求的装备完好率η为0.85,则可根据计算模型确定出所需的维修设备数量,具体方法为根据不同数量的维修设备,分别确定达到的完好率,从中选择合适的数量。计算结果如表1所示。

表1 两栖步兵战车维修设备需求表

从表1可以看出,当携带的维修保障设备为4套时,能够保障装备的完好率为86.9%,即要满足装备完好率为0.85的任务要求,所需的维修设备至少为4套。

3.3 备品备件的需求预测

备品备件的海上维修保障需求预测模型建立中主要障针对指数、正态和威布尔三类寿命分布,下面分别对这三种情况进行举例说明。

正态分布的模型以模型舰载直升机尾部旋翼叶片为例。海上编队共配备舰载直升机7架,每架飞机的尾部旋翼叶片为4个。直升机尾部旋翼叶片故障率在整个寿命期内呈正态分布。该型装备的平均寿命为2000h,方差为500h,此装备在任务期内平均累积工作200h,则在保障度为0.9的条件下所需的备件数量为

威布尔分布的模型以模型舰载小口径火炮的机械液压传动机构为例。海上编队共装备某一型号的小口径防空火炮六部,其机械液压传动部件的数量为3个。该部件的故障率在整个寿命期内依其模型参数是递减的,该部件的特征寿命为180h,最小寿命为100h,形状参数为1.8。此装备在保证期内平均累积工作50h,则在保障度为0.95的条件下所需的备件数量为

4 结语

现在,海军远洋任务越来越多,作为高技术军种海上开展维修保障的作用和地位重要。为了做好海上维修保障工作,必须要重视保障的科学筹划和组织,通过科学化、定量化的分析研究,实施精确化的保障提高保障效果和效率,发挥好保障资源的保障能力。

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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

陈叶枫,男,硕士,研究方向:军事系统建模与运筹决策。

E911

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.029