基于任务流程的舰船RMS建模与仿真

原宗

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

基于任务流程的舰船RMS建模与仿真

原宗

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

舰船的可靠性、维修性、保障性（RMS）是影响舰船战备完好性的重要设计特性，为了丰富舰船装备RMS设计手段与分析方法，运用计算机建模与仿真技术，提出了基于任务流程建立舰船RMS仿真模型的总体思路，建立了反映舰船任务、装备、保障资源三者之间关联关系的动态描述模型，运用离散事件系统仿真的思想设计了舰船RMS仿真流程，在此基础上设计了舰船RMS建模与仿真平台的总体框架、功能模块和主要用户界面，并对系统进行了实现，该系统能够为舰船RMS设计提供技术手段支撑和分析决策支持。

舰船任务；可靠性；维修性；保障性；建模；仿真

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.004.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：原宗.基于任务流程的舰船RMS建模与仿真［J］.中国舰船研究，2016，11（2）：5-11，26.

YUAN Zong.Warship'sRMS modeling and simulation based on the task proces［sJ］.Chinese Journal of Ship Research，

2016，11（2）：5-11，26.

0　引　言

舰船作为现代海战的主要装备，属于多学科高度集成的技术领域，其组成结构复杂，涉及专业门类繁多，技术性能要求高；同时，舰船执行使命任务期间远离岸上基地，航程远、航时长，海洋环境变幻莫测，各种航态交替进行，补给保障困难。装备的复杂性和任务的特殊性决定了舰船与装甲车、坦克等军事装备相比，对可靠性、维修性、保障性（Reliability，Maintainability and Supportability，RMS）具有更高的要求。因此，为了提高舰船的战备完好性和装备保障能力，需要在舰船研制过程中同步开展RMS设计。

然而，由于一直缺乏有效的技术手段支撑，舰船RMS设计、分析与评价工作开展起来难度很大，利用传统的经验方法和数学解析方法很难有效解决RMS技术指标难以落实、保障资源配置规划不合理等难题［1］。为此，本文将综合运用计算机建模与仿真技术，建立基于任务流程的舰船装备RMS仿真模型，研究与开发舰船RMS仿真平台，以丰富舰船RMS设计手段，提高设计水平。

1　舰船RMS仿真模型的特点与需求

1.1反映舰船装备的结构层次关系

舰船装备结构层次复杂，设备的种类和数量多，在不同系统、设备之间还存在着复杂的功能交互与依存关系。几乎每个设备的正常运行都要依赖于舰上其他设备（如发电设备、冷却设备等）的运行，对于主机这一类大型、复杂设备来说，其正常工作更是需要一整套辅助系统、设备的支撑。因此，舰船RMS仿真模型应能反映舰船装备全部组成要素的逻辑关系，以及底层单元故障对上层单元功能实施的影响［2-4］。

1.2反映舰船装备的任务流程关系

舰船是一个具有多任务剖面的装备系统，在执行不同任务期间，会有不同的系统、设备投入使用，即使在同一任务的不同阶段，系统、设备的使用方式与工作流程也会有所区别，不同系统、设备出现故障后对全舰任务的影响程度也不尽相同。因此，舰船RMS仿真模型应当与舰船的具体任务剖面关联起来，反映出在各任务剖面中需要哪些设备参与任务，这些设备采用何种工作模式，在任务各阶段的起停机时刻，以及哪些设备可以在任务中维修，哪些设备故障会导致任务中断等相关因素。

1.3反映舰船装备维修与保障资源的关联关系

舰船保障资源涉及的方面很广，包括备品备件、保障设备、技术资料、维修人员等，本文主要考虑维修保障资源，暂不考虑使用保障资源。在主装备出现故障需要进行维修时，会调用相应的保障资源以保证维修工作的实施，在装备维修与保障资源间存在着复杂的、非线性的对应关系。因此，RMS仿真模型应将装备故障与维修所需的保障资源关联起来，反映出装备的可靠性、维修性设计与保障资源的关联关系，并能具体描述在多个维修活动下保障资源的占有、共享、竞争等维修保障活动过程中的运行特性［5-7］。

2　舰船RMS仿真模型

2.1舰船装备结构模型

舰船装备结构模型主要用于描述舰船装备的逻辑层次结构关系，并包含有舰船装备的基本信息、可靠性信息、维修性信息等。其中：基本信息主要是设置装备的编号、名称、型号、数量和当前状态（正常、故障、降工况等）；可靠性信息主要是设置装备的故障分布函数类型（指数分布、正态分布、威布尔分布等）及其参数；维修性信息主要是设置装备的维修性分布函数类型（指数分布、正态分布、威布尔分布等）及其参数。舰船装备结构模型的建模过程如下：

1）建立舰船装备结构树。

根据舰船的系统划分和功能结构，将舰船装备按照系统、子系统、设备、部件的层次从上至下逐层分解，建立如图1所示的舰船装备结构树。

图1　舰船装备结构树Fig.1　Ship breakdown structure

2）输入装备的基本信息及可靠性、维修性信息。

将舰船装备结构树中各层次装备的基本信息及可靠性、维修性信息等进行输入。

2.2舰船装备任务模型

舰船装备任务模型主要用于描述舰船任务的层次结构及其时序关系。由于舰船任务较为复杂，需要根据舰船使用方案中对任务剖面的描述，将各任务剖面分别细化为不同的任务阶段和任务单元，形成逐步细化、深入的“任务剖面→任务阶段→任务单元”3级递进关系。其中：任务剖面是从宏观的角度描述舰船在一定时间段内的总体任务要求，以及舰船装备在任务中所需经历的事件和环境；任务阶段是对任务剖面的展开，具体描述舰船为了完成任务在特定时间段内需运行的工况或具备的功能；任务单元则是构成舰船任务的基本组成元素，详细描述参与任务的装备名称、数量和使用方式，在每个任务单元中，参与任务的装备和装备的使用方式是唯一的。舰船装备任务模型的建模过程如下：

1）将任务剖面细化到各任务阶段。

分析舰船的任务剖面，按照任务剖面的描述中舰船在不同时间段内所需具备的不同功能要求，以此为基础将任务剖面细化到各任务阶段，并明确各任务阶段的起始和终止时间。

2）将任务阶段细化到各任务单元。

分析舰船执行各功能所需参与任务的装备及装备的使用方式，以此为基础将任务阶段细化到各任务单元，并明确各任务单元的起始和终止时间。在各任务单元中，一旦影响任务执行的装备发生故障，将启动维修事件。需要说明的是，维修事件的发生不得使任务单元超出规定的终止时间，否则将判定该任务单元失败。

舰船装备任务模型如图2所示。

图2　舰船装备任务模型Fig.2　Task models of ship equipments

2.3舰船装备保障资源模型

舰船装备保障资源模型主要用于描述舰船上用于舰员级维修的各类维修保障资源的分类组成和层次结构，并包含有备品备件、保障设备、技术资料、维修人员等各类保障资源的详细信息。其中：备品备件信息包括备品备件的名称、型号、数量、存放位置等；保障设备信息包括保障设备的名称、型号、数量、存放位置等；技术资料信息包括技术资料的名称和数量；维修人员信息包括人员的数量、姓名、专业、技术等级等。舰船装备保障资源模型的建模过程如下：

1）建立保障资源结构树。

按照保障资源的种类划分，建立如图3所示的保障资源结构树。

2）输入保障资源的相关信息。

将保障资源结构树中备品备件、保障设备、技术资料、维修人员等各类保障资源的相关信息进行输入。

图3　保障资源结构树Fig.3　Structural tree of support resources

2.4建立舰船装备结构模型、任务模型、保障资源模型之间的关联关系

在建立舰船装备结构模型、任务模型、保障资源模型之后，以装备任务流程为牵引，采用动态主逻辑图的建模方法将3种模型按照内容组成与逻辑结构进行关联。具体包括：在舰船任务与舰船装备之间，将各任务单元与其所需投入任务的设备及设备的工作模式用关联矩阵符号关联起来；在舰船装备与保障资源之间，将舰船装备的部件与其在既定维修级别上所需要的维修保障资源关联起来。从而建立如图4所示的能够反映舰船任务、装备、保障资源三者之间关联关系的动态描述模型，即舰船RMS仿真模型。

3　舰船RMS仿真流程

在建立舰船RMS仿真模型的基础上，利用计算机仿真技术模拟装备结构模型、任务模型、保障资源模型之间的动态交互关系，实现对装备执行任务过程的模拟。舰船RMS仿真是一种典型的离散事件系统仿真，它根据时间顺序来组织、调度和处理各类事件，仿真中各实体单元（包括装备、任务单元、保障资源）的状态和活动仅在离散的时间点上发生，本文采用下次事件时间推进机制设计舰船RMS仿真过程。

舰船RMS仿真过程中有2类基本事件，即故障事件和维修事件。故障事件的产生由基本组成单元的可靠性分布函数抽样产生，维修事件的维修时间由维修性分布函数决定，在维修事件中又涉及到保障资源［8-11］。整个仿真过程具体包括以下步骤：

1）在启动仿真任务时，首先需要对舰船装备的RMS数据进行设置和赋值。

2）然后根据装备的可靠性分布函数，对装备在规定任务剖面中的故障情况进行仿真，得到在各任务单元中装备的故障发生时间，即形成装备故障事件，进而激发维修事件的产生。

3）当维修事件产生后，就会激发特定的维修保障过程，此时，会通过查找舰船装备与保障资源之间的关联矩阵来判断保障资源是否满足维修工作的需求。若保障资源满足，则消耗或占用相应的保障资源，开始维修工作；若保障资源不满足，则维修工作进入维修等待序列，直至保障资源满足条件后再转入维修状态。

4）当所有维修工作处理完毕后，将仿真时钟推进到最小时间元，仿真继续进行。

5）达到设定的仿真次数后，记录在仿真期间的各类数据，输出所需要的统计量，并进行相关参数的计算，仿真结束。

舰船RMS仿真流程如图5所示。

此外，由于舰船装备的数量很多，在同一时刻往往会有多项维修工作同时进行，而不同的维修工作可能需要调用相同的保障资源，形成对保障资源的竞争。解决保障资源竞争主要是通过装备对任务的影响程度分析来赋予各装备不同的优先级，如导致任务中止的装备为最高级、影响任务效率的装备为次高级等。在出现竞争后，优先满足优先级高的装备的维修工作。对于相同优先级的维修工作，则根据维修事件起始的时间先后顺序来进行保障资源调度。

图4　舰船RMS仿真模型Fig.4　Warship's RMS simulation model

4　舰船RMS建模与仿真平台的实现

由上文可见，舰船RMS建模与仿真是一个非常复杂、需要反复迭代和逐步细化的过程，并需要建立在大量的装备RMS数据同步计算的基础之上，在建模与仿真过程中还需要综合运用系统分析、对比、预计和评估等手段，这使得整个建模与仿真工作中模型的层次很多，涉及的因素很广，建模的工作量和仿真的计算量很大。仅依靠手工建模显然无法满足舰船RMS建模与仿真的工程需求，采用计算机建模与仿真技术来解决这类影响因素多、复杂性和随机性高的动态系统仿真问题已成为重要的发展趋势。只有充分利用计算机建模与仿真技术计算效率高、可多次重复、可视性好的特点，研制并开发专门针对舰船装备特点的计算机辅助RMS建模与仿真软件，才能够将舰船RMS建模与仿真技术推广至工程实际应用。

图5　舰船RMS仿真流程图Fig.5　Flow chart of ship RMS simulation

4.1舰船RMS建模与仿真平台的功能模块

舰船RMS建模与仿真平台由建模管理模块、仿真控制模块、数据分析模块、辅助功能模块等几大功能模块和数据库组成，平台总体框架如图6所示。

1）建模管理模块。

建模管理模块的主要功能是利用模型库中预设的建模符号及单元，构建舰船RMS仿真模型，并对模型进行有效的管理与配置，以支持仿真过程中对各层次模型的精确调度。

2）仿真控制模块。

仿真控制模块的主要功能包括进行舰船RMS仿真的初始化，在此基础上开始仿真运行，按照仿真逻辑安排各故障事件和维修事件的发生，进行相应的仿真运算。

3）数据分析模块。

数据分析模块的主要功能是完成对仿真结果的计算与分析，在舰船RMS建模与仿真结束后，对各个指标按照相应的公式进行计算，并按用户所关心的评价指标进行输出。

4）辅助功能模块。

辅助功能模块的主要功能是保证平台正常、安全、可靠的运行，具体包括用户权限管理、登录/退出管理、安全管理等子功能。

5）数据库。

数据库中主要存储装备基本数据、装备RMS数据、装备保障资源数据、仿真模型数据等，系统在运行过程中按照规定的读写规则和组织形式对数据库中相应的数据进行调用、存储和更新。

图6　舰船RMS建模与仿真平台总体框架Fig.6　General structure of ship RMS modeling and simulation platform

4.2舰船RMS建模与仿真平台的用户界面

舰船RMS建模与仿真平台的主要用户为舰船装备设计人员，为了使其能够迅速、方便地掌握平台的基本操作功能，舰船RMS建模与仿真平台应当具备良好的可视化特征以及友好的用户界面，以使用户即使在不深入研究RMS建模与仿真机理的情况下，也能利用该平台进行装备RMS设计与分析。

舰船RMS建模与仿真平台的部分用户界面如图7～图9所示。

5　算　例

本文选取某舰船赴规定海域执行巡逻任务为算例，将整个任务剖面分为航渡、待机、巡逻、返航4个任务阶段，并将各任务阶段细分为任务单元。参与任务的主要装备包括推进柴油机、齿轮箱、轴系、发电机组、舵装置、雷达、导航设备、通信设备等。

图7　装备结构建模界面Fig.7　Interface of composition modeling for ship equipments

图8　装备任务建模界面Fig.8　Interface of task modeling for ship equipments

图9　仿真结果输出界面Fig.9　Interface of simulation results

在建立该舰船RMS模型的基础上，输入推进柴油机、发电机组、舵装置的RMS基础数据，如表1所示。设定任务时间为200 h，仿真次数为1 000。在仿真结束后进行仿真数据统计，推进柴油机、发电机组、舵装置的使用可用度、任务可靠度和保障资源满足率等指标的统计值如表2所示。

表1　部分装备RMS基础数据Tab.1　Equipments'RMS essential data

表2　部分装备RMS指标统计数据Tab.2　Equipments'RMS statistical data

6　结　语

本文针对舰船装备RMS难于定量化、精确化设计的问题，利用计算机建模与仿真技术，提出以装备任务流程串联起舰船主装备与保障资源的对应关系，建立了反映“装备结构—装备任务—保障资源”三者之间动态联系的舰船RMS仿真模型，再引用离散事件系统仿真的思想，对舰船RMS仿真的流程进行研究，在此基础上设计了舰船RMS建模与仿真平台的总体框架和功能模块，达到了为舰船RMS设计提供技术手段支撑和分析决策支持的目的。

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Warship's RMS modeling and simulation based on the task process

YUAN Zong
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Reliability，Maintainability and Supportability（RMS）are important design features that signifi⁃cantly affect the availability of the warship.In order to enrich the design and analyzing methods of war⁃ship's RMS，this paper，based on the task process，proposes a modeling method for warship's RMS simula⁃tion by using the computer simulation modeling technology，establishes a dynamic description model re⁃flecting the relationship among the warship's tasks，equipment，and support resources，and designs a simula⁃tion process of the warship's RMS by exploiting the simulation method for the discrete event system.Final⁃ly，the modeling and simulation software system is implemented，which includes the overall frame，function module，and main user interface.It is concluded that the proposed system could provide technical and ana⁃lytical support for the design of warship's RMS.

warship's task；reliability；maintainability；supportability；modeling；simulation

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.002

2015-05-20网络出版时间：2016-3-17 10:56

国家部委基金资助项目

原宗（通信作者），男，1984年生，硕士，工程师。研究方向：舰船综合保障。

E-mail：yuanzong93@163.com