基于系统动力学的舰船装备维修保障体系演化仿真分析

杨春辉，张烁炜，胡涛

海军工程大学 管理工程与装备经济系，湖北 武汉 430033

0 引 言

舰船装备是现代战争战斗力的重要组成部分，及时可靠的舰船装备维修保障是保持、恢复乃至提高战斗力的重要手段[1]。近年来，伴随着作战样式、作战理念和作战环境的演变以及舰船装备技术的发展，舰船装备维修保障的地位和作用越来越突出，相关的维修保障工作也日益复杂[2-3]。

当前，在装备维修保障体系的构成及其保障力的实现领域已经进行了广泛而深入的研究。尹晓虎等[4]分析并研究了维修组织要素之间的交互、隶属与协作关系，定义了维修系统的元组织，并基于维修保障简单系统内各要素关系模型对维修保障体系进行了初步的定量研究。于洪敏等[5]系统分析了影响装备保障能力生成模式转变的主要因素，认为外部影响因素是装备保障能力生成模式转变的基本动因，而内部影响因素是装备保障能力生成模式转变的根本动力。

但在装备维修保障体系演化方面的相关研究比较少见，且一般为定性研究，对于体系外部环境和体系内构成要素中哪些是能力形成的决定性因素，哪些是时间敏感因素，对体系建设将产生什么类型的后果及影响等研究内容，目前的研究还不够系统、深入，且缺乏相应的演化模型来开展量化研究。为此，本文拟分析舰船装备维修保障体系的构成，在此基础上依据其发展历程对体系的演化进行建模及仿真，考察关键因素对体系演化的影响，进而提出相应的政策建议。

1 舰船装备维修保障体系的构成及演化动因分析

舰船装备维修保障体系是指为了满足海军舰船的维修保障任务需求，由大量操作上交互协同、功能上相互独立的各级、各类保障要素，按照一定的保障规则集合成的保障矛盾统一体，其本质是一个动态开放的复杂系统[6]。

与其他类型的武器装备相比，舰船装备在维修保障体系上具有显著特点：

1） 舰船装备高度复杂，涉及到机械、电气、电子等诸多行业，包含众多的设备，其维修保障能力影响因素众多，维修保障相关要素必须成体系建设和发展，才能够满足舰船装备需求。

2） 舰船装备服役时间长，舰船装备维修保障体系建设容易形成惯性，其改变需要较大的投入和较长的时间。

3） 随着使命任务的变化，舰船装备的任务模式、维修保障要求产生了较大幅度的变化。而维修保障领域的建设没有跟上使命任务变化、舰船装备发展，已经产生了较大负面影响。

4） 舰船装备在执行远海任务过程中，持续时间长，远离岸基保障力量，与其他装备在维修保障要求上有显著差异。

因此，舰船装备维修保障体系构成要素比其他装备更为复杂，体系能力提升的投入大、时间长，亟需研究找出体系能力提升的关键因素。

1.1 舰船装备维修保障体系构成分析

根据分析目标的不同，保障体系的构成要素可以直接划分为资源要素和管理要素2类[7]，或者分为保障力量、保障体制及保障理论3类[8]。本文重点从知识管理、知识创新的角度分析舰船装备维修保障体系保障能力变化发展的过程，突出体系中的维修保障理论因素，因此将舰船装备维修保障体系构成要素分为3个部分，即与舰船装备维修保障活动直接关联的舰船装备维修保障力量，指导人员组织和开展维修工作的舰船装备维修保障理论，以及舰船装备维修保障体制。

舰船装备维修保障力量是维修保障体系发挥作用的物质与技术基础，包括与维修保障相关的人力、物力、技术、信息等资源要素。

舰船装备维修保障体制包括与维修保障相关的组织体系和法规体系，是让维修保障力量能够协调一致发挥作用的管理要素。其中，维修保障组织体系主要包括指挥控制机构、维修机构和教学科研机构，这些机构通过实施管理职能，运用各种保障力量协调完成维修保障任务、提升维修保障能力，尤其是维修保障人员需要充分发挥主观能动性，立足于现有硬件、软件条件完成各项任务。维修保障法规体系通过明确机构职责、维修保障流程、技术要求等，将维修保障相关理论进行固化，确保维修保障工作顺利进行。

舰船装备维修保障理论是舰船装备维修保障力量的重要支撑。舰船装备维修保障理论包括维修保障理论、保障训练理论、供应保障理论和指挥管理理论，这些理论一方面指导舰船装备维修保障体制的构建，形成法规与技术标准体系，另一方面通过维修保障人员素质与技能等指标内化为知识，并通过创新、技术引进等方式不断更新。因此，维修保障人员是舰船装备维修保障体系中最为活跃的因素，是维系舰船装备维修保障理论、体制、力量的关键纽带。

舰船装备维修保障体系基本结构如图1所示。作为开放系统，舰船装备维修保障体系在发展演化过程中，与外界的军事环境、技术环境、社会经济环境和自然环境之间存在着紧密联系。随着环境的变化，现有的舰船装备维修保障体系将逐渐无法适应，难以发挥最大的保障效能。为此需要创新舰船装备维修保障理论、调整保障体制、优化保障力量。通过深入分析舰船装备维修保障体系的发展历程，可以总结梳理影响体系能力形成的外界环境因素、内部构成因素及其影响路径，并从中筛选出推动体系演化持续进行的关键动力因素，为开展体系建设提供指导。

1.2 舰船装备维修保障体系演化历程及动因分析

舰船装备维修保障体系的发展大致经历了4个阶段，分别为初建时期（新中国成立到20世纪50年代）、成长发展时期（20世纪60年代到70年代）、现代化建设时期（20世纪80年代到21世纪初）、跃升期（21世纪初至今）。

初建时期，舰船装备维修保障体系处于学习阶段。通过向前苏联军队学、在干中学、自主创新等方式使舰船装备维修保障体系的各要素得到初步构建。

成长发展时期，进一步完善了相应的维修法规，舰船装备维修工作走向程序化道路。文革时期，尽管存在不良因素的干扰，我国海军仍着重加强了维修硬件的建设。

现代化建设时期，由于海军战略的变化，海军外事活动频率剧增。此时期，我军开展了装备成建制、成系统形成作战能力和保障能力（即“两成两力”）建设，逐渐改变了舰船装备“造”、“改”、“修”、“用”的不协调，此时期维修人员开始大范围直接参与舰船装备的研发与设计（research and design，R&D）。

跃升期，舰船装备的高技术集成性及高复杂性给舰船装备维修保障体系带来了新的挑战，仅依靠军内修理力量将难以完成所有保障任务。军民融合式装备保障受到重视，与此同时，高新技术的发展也给予舰船装备维修保障体系前所未有的支持[9]。

总结整个舰船装备维修保障体系发展的4个阶段，可以发现演化是在技术环境变迁、军事任务结构变化、军事经济发展的影响下，体系内各要素与外部环境不断交互的过程。外部技术、军事环境的变迁所造成的内外技术差距及任务结构变化，使保障压力不断增大，军队不得不加大对舰船装备维修保障体系建设的投入。维修硬件方面，通过在维修设备设施、备品备件及人员培训场所方面进行大量的投入来奠定体系功能发挥的物质基础。软件建设方面，一方面通过外部知识引进来弥补自身维修理论以及维修方式方法和领导管理方面的差距；另一方面，通过自主研发与创新、不断吸收成功维修经验来培育适合本国国情的维修知识体系。与此同时，必须不断调整相应的组织规范与组织结构，以适应不断变动的任务结构以及不断更新的舰船装备和维修任务环境。

此外，海军战略的变化将舰船装备维修任务的实施环境由港口和近海推向远海及境外，维修自然环境复杂度的提升又增加了维修任务的复杂程度。维修人员知识水平的不断提高，以及任务时间要求的提高，使其有了直接参与装备研发与设计的机会[10]，也使维修组织的灵活度得到进一步提升。总的来说，舰船装备维修保障体系的演化是内外因素共同作用的结果[11]，是在军事需求的牵引和指导下、技术环境的促进和支持下、自然环境的影响和制约下、国防经济水平的保证下，组织柔性度、人员素质及技能水平不断提高，维修硬件力量不断加强，维修知识、管理思想不断变革的过程。

舰船装备维修保障体系作为一个动态开放的复杂系统，在其运作与发展的过程中无时无刻都与外界环境存在能量、信息、资源的交互，其演化的动因起源于这种交互过程。经分析，可以得到舰船装备维修保障体系演化的8个主要因素。其中：人员及技术水平、硬件要素、组织要素及维修人员在装备研发与设计中的参与度为内部动因；自然环境、技术诱因、国防经济水平和军事环境为外部诱因。限于文章篇幅，不再对各动因进行详细说明。

2 舰船装备维修保障体系演化系统动力学模型

系统动力学（system dynamics, SD）是系统科学理论与计算机建模仿真相结合，研究系统行为以及反馈结构的科学。该理论认为系统的特性及行为模式主要取决于系统的内部构造[12]，并且系统内部构成要素互为因果，侧重从系统内部的构造来找寻问题的根源，但该理论缺乏对外部环境和随机事件干扰的考虑[13]；因此，在采用SD进行建模前，应尽量考虑与分析研究对象子系统所有的内外影响因素及其因果关系。

2.1 主要演化动因转换处理

为对舰船装备维修保障体系演化过程进行定量描述，对主要演化动因进行下述转换处理：

1） 军事环境及维修自然环境的变迁主要由维修任务复杂度的变动来解释，将组织要素的演化理解为维修组织适应度不断提高的过程，即在组织规模扩张及管理能力和维修法规适应性不断增强的基础上，维修组织柔性度不断增强的过程。

2） 舰船装备维修保障体系的演化即体系环境适应度，由演化收益的大小进行阐述，即在一定周期后不断提高维修任务经验积累的过程。

3） 舰船装备维修保障理论的变迁用知识吸收、积累、转化前提下的维修知识更新及实现来解释，以知识吸收、更新、实现与淘汰的视角对其演化过程进行描述。

4） 将管理能力以及维修法规适应度看作维修人员素质及技能水平的一种体现，是维修人员信息化、多能化的结果。

5） 舰船装备维修保障力量主要由作为硬件的保障设备设施、维修器材、技术资料以及作为操作主体的舰船装备维修人员构成。在技术变迁和任务复杂度提高的前提下将出现人员流失现象。维修硬件在长期使用过程中会产生一定程度的折旧。

舰船装备维修保障体系演化模型主要构成要素简化处理关系对应图如图2所示。

2.2 舰船装备维修保障体系演化模型运行路径逻辑图

依据转化处理分析结果及图2绘制如图3所示的模型运行路径逻辑图。

该图存在4条主要反馈回路：

1） 技术环境变迁度-任务结构复杂度-技术差距-财政投入-人员投入-维修人员素质及技能水平-维修人员在装备研发与设计中的参与度-知识吸收能力-维修知识更新及实现-技术环境变迁度。该回路反映技术变迁引发的维修知识更新与实现。

2） 财政投入-维修硬件投入-维修设备设施折旧-舰船装备维修保障力量-维修力量收益-舰船装备维修保障体系演化收益-财政投入。该回路反映的是财政投入带来的硬件要素提升。

3） 舰船装备维修保障力量-维修组织规模-维修组织网络化度-维修组织柔性度-组织柔性度收益-舰船装备维修保障体系演化收益-财政投入-人员投入-舰船装备维修保障力量。该回路反映的是保障力量子系统和组织柔性度子系统的交互路径。

4） 人员投入-维修人员素质及技能水平-维修人员在装备研发与设计中的参与度-知识吸收能力-管理能力-维修法规适应度-维修组织柔性度-组织柔性度收益-舰船装备维修保障体系演化收益-财政投入-人员投入。该回路反映的是维修知识子系统及组织柔性度子系统间的交互路径。

2.3 演化模型基本假设

舰船装备维修保障体系的演化目前并没有成熟的系统动力学模型，并且舰船装备维修保障体系的构成要素及其演化的影响因素较为复杂，为了突出研究重点及简化模型，现对模型做出如下假设：

假设1：为便于观察体系演化趋势，将财政投入限额定为150。此外，受知识水平限制，将维修人员在舰船装备研发与设计中的参与度阈值设定为100。为更接近现实，本模型将考虑相关因素的时间延迟，存在时间延迟的相关因素，时间延迟在0.25～1年之间。

假设2：演化总收益无法尽数反哺财政投入，只能按一定比例转化为新的财政投入并重新进入演化回路。

图 2 舰船装备维修保障体系构成要素简化处理关系对应图Fig.2 Simplified processing relation map of components of ship equipment maintenance support system

图 3 舰船装备维修保障体系演化运行路径逻辑图Fig.3 Logic diagram of evolution operation path of ship equipment maintenance support system

假设3：维修组织的柔性度是维修组织管理能力、网络化程度、法规适应度的集中体系，将维修组织编制体制的调整改革理解为维修组织柔性度演化进程的一部分，组织柔性度的演化受维修力量和维修知识更新与实现演化的双重制约。

假设4：当舰船装备维修保障力量成长到一定规模时会产生规模效应，与管理能力及维修法规共同促进组织网络化建设，而当组织规模达到一定程度时，若缺乏相应的管理、组织制度革新，庞大的组织规模将产生规模阻碍效应，阻碍组织的柔性化进程，从而降低维修组织的适应能力。

假设5：在没有理论认识提升的前提下进行的组织调整改革将无法产生相应的演化收益。

假设6：将人员流失与维修硬件折旧纳入演化回路，构成维修保障力量流出量。

假设7：维修知识更新及实现将对技术环境变迁度产生补偿效应。此外，任务结构复杂度的度量不以参数具体数值来度量，而是以其波动程度来度量。

2.4 舰船装备维修保障体系演化过程的系统流图

图4是根据因果关系图构建的舰船装备维修保障体系演化路径系统流图。该图由维修知识更新及实现子系统、维修保障力量子系统、组织柔性子系统等3个子系统构成。体系演化模型涉及3个状态变量（维修知识更新及实现、舰船装备维修保障力量、维修组织柔性度）、6个流率变量（维修知识积累增量、维修知识淘汰量、维修力量增加量、维修力量减弱量、组织柔性增加量、组织柔性减少量），以及23个常量（初始知识存量、初始任务结构复杂度、压力系数1和2、知识补偿系数、转化系数1～8、初始知识吸收能力、初始财政投入、初始硬件数、硬件投入转化系数、人员流失系数、维修力量收益系数、维修知识更新及实现收益系数、力量规模转化系数、组织柔性度收益系数、人员投入比例）。

维修知识更新及实现子系统是在技术变迁及任务需求变迁环境下，通过人员投入在一定的延迟后实现知识的积累、吸收和创新，是实现舰船装备维修保障体系演化的根本路径，该子系统中的“维修人员在舰船装备研发与设计中的参与度”，在系统建立初期对体系的演化几乎不产生作用，因为体系建立初期，维修人员的能力素质并未达到相应的标准，同时决策层也难以认识到该元素的重要性，而在体系演化中后期，由于管理水平、任务结构、知识水平的更新，维修人员在舰船装备研发与设计中的参与度开始得到重视。

图 4 舰船装备维修保障体系演化系统流图Fig.4 Evolution system flow chart of ship equipment maintenance support system

舰船装备维修保障力量子系统由维修人员及维修硬件构成，舰船装备维修人员作为知识积累、转化和创新的主体以及器械、设备设施的主要使用者及维护者，与日益更新的维修设备设施共同实现维修组织规模的扩张，进而形成规模效应。

规模效应以及相应的管理革新子系统是形成维修组织网络化的前提和基础，为应对日益复杂的舰船装备保障任务，舰船装备维修保障组织必须具备更高的组织柔性度、更强的舰船装备维修保障力量以及更先进的维修保障知识。子系统间协调交互，互相制约，共同促成舰船装备维修保障体系的演化。

3 舰船装备维修保障体系演化仿真分析

3.1 模型主要变量计算表达式

本文运用Anylogic平台作为建模和仿真的工具。在系统动力学模型中，根据变量之间内在关系以及相关数据的统计分析，可以得出主要变量及其计算表达式，如表1所示。

表1中，delay1（y，n）函数表示指定参数在回路中产生的反馈效能存在时间延迟，n为延迟时间，单位为年。

依据现有数据，结合上述模型运行路径、主要参数公式及假设，对模型常量进行以下设定：对体系演化在时间维度上进行3∶1的缩放，设定仿真时间为20年。财政投入阈值设定为150，维修人员在装备研发与设计中的参与度阈值为100，初始知识存量为50、初始财政投入为10、初始知识吸收能力为0.1、初始硬件数为30。其他相关常量含义及取值如表2所示。

3.2 模型仿真结果分析

仿真运行结果如图5所示。

以模型运行所形成曲线的不同阶段对应体系实际演化的4个时期。由仿真结果可以看出：

1） 舰船装备维修保障体系演化收益在模型运行头5年增长缓慢，在第2个5年后呈现指数增长趋势，这表明在体系演化过程中出现了能力涌现效应[14]。而在最后一个5年由于财政投入阈值限制呈现出平缓增长趋势。

2） 维修力量减弱量由于和人员流失率以及维修设备设施折旧挂钩，人员流失率受自然流失以及技术环境变迁的双重影响，由于技术环境变迁值处于随机波动状态，所以维修力量减弱量的增长呈现出剧烈波动，但其整体走势为上涨。

3） 财政投入是影响舰船装备维修保障体系演化的重要因素，由于给财政投入设定了阈值，在财政投入达到阈值后，所有流率变量的增长趋势均放缓。

4） 组织柔性度在模型运行中期存在波动，但整体呈现螺旋上升趋势。这说明维修组织发展到一定程度后，因管理及制度革新落后于维修组织规模的发展导致维修组织僵化、活性降低，从而降低系统应对复杂任务的能力，若维修组织不及时做出调整，维修任务的成功率将大大降低。

3.3 关键参数敏感性分析

根据演化概念模型，体系演化的关键表现为系统行为模式的转化，尽管体系演化是内、外因共同作用的结果，但内在动因是导致系统行为模式转化的最为直接和关键的原因。为了对现实舰船装备维修保障体系发展决策提供相关的决策及支持，明确模型中关键参数对舰船装备维修保障体系演化的影响程度，可以通过改变模型运行的参数值来观察和比较模型输出。

表 1 模型主要变量计算表达式Table 1 Calculation expressions of main variables in the model

表 2 模型主要常量及含义Table 2 Main constants and meanings of the model

图 5 模型仿真运行结果Fig.5 Results of model simulation

以人员投入比例及硬件投入比例为变动参数，以舰船装备维修保障体系收益为对照参数进行参数敏感性分析。令人员投入比例、维修硬件投入比例的变化范围均为[0.1，1]，变动步长为0.1，进行仿真迭代，仿真结果如图6所示。

从图6中可以看出，在实验初期提高硬件投入比例的边际收益与提高人员投入比例的边际收益差距并不明显，这表明在体系演化初期，人员投入以及硬件投入应处于同等重要的位置。而到了实验中后期，提高人员投入比例的边际收益远大于增加硬件投入比例所带来的边际收益，这表明在舰船装备维修保障体系进入跃升期时，提高人员投入比例，强化维修人才培养训练体系，建立相应激励机制，防止人才流失，会给体系的演化带来更为强大的支持作用。根据该结果，对现行的舰船装备维修保障体系的建设提出以下几点建议：

图 6 人员投入、硬件投入的敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of personnel investment and hardware investment

1） 建立及完善维修保障人员评测体系，再根据外部环境的变化及内部建设的需要确立相应的维修人员素质评估准则和标准，把好人才入口关；

2） 注重培养维修保障人员的综合素质，建立维修保障人员培养与使用的良性运行机制；

3） 不断完善法规制度、组织管理模式，减少人才培养和使用的阻力。

此外，以转化系数2为变动参数，以维修组织柔性度以及舰船装备维修保障体系演化收益为对照参数进行参数敏感性分析。令转化系数2变化范围为[0.1，1]，步长为0.1，进行仿真迭代，仿真结果如图7所示。

从图7中可以看出，在实验初期，由于维修人员素质与技能水平欠缺，管理机构重视程度不够，维修人员难以直接参与舰船装备的研发与设计，所以维修人员在舰船装备研发与设计的参与度在体系演化前期对体系演化收益以及组织柔性度的帮助并不明显；而在体系演化中后期，随着维修人员素质与能力水平以及组织知识吸收能力的跃升、决策者重视程度的提高，维修人员在舰船装备研发与设计中参与度的提升给组织柔性度以及体系演化带来了较高的杠杆收益。实验结果表明，在加强维修人员培养与训练的基础上，提高维修人员在舰船装备研发与设计中的参与度是成熟的维修组织亟需采取的自强化措施。

图 7 维修人员在舰船装备研发与设计中参与度的敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of R & D participation of maintenance personnel

4 结 语

本文在分析舰船装备维修保障体系构成及演化动因的基础上，建立了舰船装备维修保障体系演化系统动力学模型，分析了人员投入、维修人员在研发与设计中的参与度等主要参数的灵敏度。所建立的模型与我国舰船装备维修保障体系演化趋势拟合较好，为研究复杂且难以预测的舰船装备维修保障体系的演化提供了一种可以对其进行分析及预测的定量研究方法。我国舰船装备维修保障编制体制目前正处在调整改革期，这是组织柔性度演化的一部分，对舰船装备维修保障体系演化具有极大影响。下一步将以编制体制改革为关键变量开展仿真，并对未来维修保障体系演化方向开展预测分析。