载机军舰航空弹药贮运系统建模与仿真分析

载机军舰航空弹药贮运系统建模与仿真分析摘要:为解决舰载机所需的航空弹药按时补充问题，建立了带有自动调节系统的载机军舰航空弹药贮运系统的预测模型。对航空弹药贮运系统进行研究，采用系统动力学方法，构建影响航空弹药贮运效率的各元素因果回路图与存量流量图及预测模型，并以系统动力学软件VensimPLE5.9为平台进行建模仿真。运行结果表明，该模型在扰动条件下进行航空弹药贮运趋势的预测与航空弹药贮运系统演练得出的数据与结论相符。?ス丶?词:航空弹药；贮运系统；系统动力学?ブ型挤掷嗪?:TP273文献标志码:AAbstract:Theforecastingmodelaboutaviationammunitionstorage??transportationsystemwithautomaticregulatorysysteminaircraftcarriertoreplenishtherequiredaviationammunitiontimelywasestablished.Thispaperstudiedthestorageandtransportationsystemaboutaviationammunition,builtthecausalloopdiagramsandstockandflowdiagramsabouteveryelementimpactingthestorage??transportationefficiencyofaviationammunitionwiththemethodofsystemdynamicsandsimulatedbythesystemdynamicssoftwareVensimPLE5.9.Thesimulationresultsshowthatthismodelcanpredictthestorageandtransportationtrendaboutaviationammunitionundertheconditionofperturbation,whichcorrespondwiththedataandconclusionofexerciseswithaircraftammunitionstoragesystem.Keywords:aviationammunition;storageandtransportation;systemdynamics??0引言??攻击型载机军舰是现代海军强国的主要作战兵力，能够进行远洋兵力机动投送。载机军舰上的战斗/攻击机中队携带航空弹药可以飞到距母舰数百公里之外的空域，执行攻击空中、地面和水面上目标的任务。??载机军舰能够充分发挥强大的作战效能，与航空保障系统强有力的支持是密不可分的。航空弹药贮运系统是航空保障系统的重要组成部分，为舰载机提供航空弹药、机载外挂设备等安全贮存、检测组装、转运、停放及辅助其在舰载机上的装卸保障工作等。??关于贮运方面的研究在民用领域较多????［1-3］??，在军用领域研究较少????［4-5］??，在舰艇领域研究弹药贮运的资料就更少了。航空弹药贮运系统在外界扰动条件下，贮存舱、检测组装舱、临时停放舱、飞行甲板弹药停放区和飞行甲板挂弹区的航空弹药数量的变化趋势如何，相应的转运速率、检测组装速率和挂弹速率等如何制定，需要建立模型进行仿真分析。本文采用系统动力学方法，建立载机军舰航空弹药贮运系统的运行模型，期望对解决这个问题提供一种可行的方案。??系统动力学是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈结构与行为的一门科学，是系统科学和管理科学的一个重要分支????［6］??。系统动力学模型是定量模型与概念模型的结合统一，它以反馈回路为基础，对存在的多重反馈因素、多维线性、高阶以及存在参数关系难以量化或数据缺乏的复杂时变系统进行研究????［7］??。由于系统动力学在实现复杂系统建模和行为模拟方面具有方法学优势，已被多个学科引入，解决经济、军事、生态等各种领域复杂非线性巨系统反馈结构问题????［8-12］??。??1航空弹药贮运系统动力学模型??1.1系统边界确定??航空弹药贮运系统边界的确定主要取决于所研究和关心的变量及时间的跨度，以状态变量为中心可以比较容易地确定系统边界。??本文研究的主体是贮运系统各阶段航空弹药数量的情况，研究的边界只涉及与其相关的实体，具体包括贮存舱、检测组装舱、临时停放舱、飞行甲板弹药停放区和飞行甲板挂弹区航空弹药数量。本文中只研究以上实体间由于相互关系而构成的系统，不考虑可能存在的其他因素对整个系统的影响。??在动态的航空弹药贮运系统中，由于航空弹药贮运有五个阶段，各阶段的转运速率等影响在时间和空间上相隔较远，大多数副作用包含在带有延迟反馈环中，离决策点或问题的发现源相当远。因此，综合考虑各种因素，本文研究航空弹药贮运系统的时间跨度的拟定时限为16?@h。??1.2基本假设??在载机军舰远洋作战时，航空弹药贮运系统的运行过程具有诸多不确定因素。本文主要对航空弹药的贮存、检测组装、停放、转运、挂弹等关键因素进行研究，故对航空弹药贮运系统进行了适当的抽象和简化，提出如下假设：??1)载机军舰航空弹药贮运系统的运行在时间上是连续的；??2)贮存舱航空弹药数量很多，能够满足航空弹药贮运系统所分析的时间跨度内的弹药需求；??3)防火防爆系统对航空弹药贮运保障良好，在载机军舰上没有发生火灾与爆炸等危险情况；??4)临时停放舱是检测组装舱的一部分，由于其具有缓存功能，故把临时停放舱单独作为一部分进行分析。??1.3因果回路图分析??在明确系统边界与基本假设之后，就要分析因果回路图，因果回路图就是系统各要素之间反馈环分析图，是描绘复杂系统反馈结构的工具。??如图1，载机军舰航空弹药贮运系统因果回路图包含??B1~B5??、R1~R4和P1~P4共计13个回路。其中B1回路为“检测组装舱航空弹药数量→检测组装舱航空弹药缺口→检测组装舱决策延迟→舱舱转运速率→检测组装舱航空弹药数量”，B2回路为“临时停放舱航空弹药数量→临时停放舱弹药数量缺口→检测组装速率→临时停放舱航空弹药数量”，B3回路为“飞行甲板弹药停放区航空弹药数量→弹药停放区弹药缺口→停放区净需求比例→水平垂直转运速率→飞行甲板弹药停放区航空弹药数量”，B4回路为“飞行甲板挂弹区航空弹药数量→挂弹区报告延迟→挂弹区弹药缺口→弹药缺口决策延迟→挂弹区净需求比例→舰面转运速率→飞行甲板挂弹区航空弹药数量”，B5回路为“飞行甲板挂弹区航空弹药数量→舰载机联队弹药挂弹速率→挂弹区航空弹药承载能力→挂弹区净需求比例→舰面转运速率→飞行甲板挂弹区航空弹药数量”。??R1回路为“临时停放舱航空弹药数量→水平垂直转运速率→飞行甲板弹药停放区航空弹药数量→舰面转运速率→飞行甲板报告延迟→期望的检测组装舱航空弹药数量→检测组装舱航空弹药缺口→检测组装舱决策延迟→舱舱转运速率→检测组装舱航空弹药数量→检测组装速率→临时停放舱航空弹药数量”，R2回路为“飞行甲板弹药停放区航空弹药数量→水平垂直转运速率→飞行甲板弹药停放区航空弹药数量”，R3回路为“飞行甲板挂弹区航空弹药数量→舰面转运速率→飞行甲板挂弹区航空弹药数量”，R4回路为“飞行甲板挂弹区航空弹药数量→舰载机联队弹药挂弹速率→挂弹区航空弹药承载能力→挂弹区弹药缺口→弹药缺口决策延迟→挂弹区净需求比例→舰面转运速率→飞行甲板挂弹区航空弹药数量”。P1回路为“检测组装舱航空弹药数量→检测组装速率→检测组装舱航空弹药数量”，P2回路为“临时停放舱航空弹药数量→水平垂直转运速率→临时停放舱航空弹药数量”，P3回路为“飞行甲板弹药停放区航空弹药数量→舰面转运速率→飞行甲板弹药停放区航空弹药数量”，P4回路为“飞行甲板挂弹区航空弹药数量→舰载机联队弹药挂弹速率→飞行甲板挂弹区航空弹药数量”。????在载机军舰航空弹药贮运系统因果回路图中，B1回路是带有时间延迟负反馈环，会引起检测组装舱航空弹药数量的振荡行为；B2回路是负反馈环，会引起临时停放舱航空弹药的寻的行为；B3回路是负反馈环，会引起飞行甲板弹药停放区航空弹药数量的寻的行为；B4回路是带有时间延迟的负反馈环，会引起飞行甲板挂弹区航空弹药数量的振荡行为；B5回路是负反馈环，会引起飞行甲板挂弹区航空弹药数量的寻的行为；R1回路是带有时间延迟的正反馈环，会引起检测组装舱、临时停放舱和飞行甲板弹药停放区航空弹药数量的指数振荡增长行为；R2回路是正反馈环，会引起飞行甲板弹药停放区航空弹药数量的指数增长行为；R3回路是正反馈环，会引起飞行甲板挂弹区航空弹药数量的指数增长行为；R4回路是带有时间延迟的正反馈环，会引起飞行甲板挂弹区航空弹药数量的指数振荡增长行为。P1~P4回路是控制回路，使模型更贴近实际情况。由R2回路和B3回路相互作用，形成S型增长基模；由R3回路和B4回路相互作用，形成带有超调的S型增长基模。??1.4存量流量图分析??存量流量图是在因果回路图的基础上区分变量的性质，用更加直观的符号刻画系统各要素之间的逻辑关系，明确系统的反馈形式和控制规律，为深化研究系统打基础的图形表示法。??航空弹药贮运系统存量流量图是贮存、检测组装、转运、停放和挂弹的结构描述，其图形表示所承载的信息远远大于文字叙述和因果关系，所表达的逻辑比叙述更为直观、准确。载机军舰航空弹药贮运系统存量流量图由5个状态变量、5个速率变量和40辅助变量构成，共计有50个变量。以状态变量为核心建立了5个子系统：贮存舱航空弹药数量子系统、检测组装舱航空弹药数量子系统、临时停放舱航空弹药数量子系统、飞行甲板弹药停放区航空弹药数量子系统和飞行甲板挂弹区航空弹药数量子系统。子系统内各变量相互影响，子系统间存在关联关系，见图2。??在贮存舱航空弹药数量子系统中，状态变量是贮存舱航空弹药数量，速率变量是舱舱转运速率；在检测组装舱航空弹药数量子系统中，状态变量是检测组装舱航空弹药数量，速率变量是舱舱转运速率和检测组装速率；在临时停放舱航空弹药数量子系统中，状态变量是临时停放舱航空弹药数量，速率变量是检测组装速率和水平垂直转运速率；在飞行甲板弹药停放区航空弹药数量子系统中，状态变量是飞行甲板弹药停放区航空弹药数量，速率变量是水平垂直转运速率和舰面转运速率；在飞行甲板挂弹区航空弹药数量子系统中，状态变量是飞行甲板挂弹区航空弹药数量，速率变量是舰面转运速率和舰载机联队弹药挂弹速率。??1.5方程建立??根据载机军舰航空弹药贮运系统存量流量图建立方程如下：???И?d??L???┆?zc????(t)/??d??t=－ξ???┆?cc????(t)??(1)???И?d??L???┆?jczz????(t)/??d??t=ξ???┆?cc????(t)－η???┆?jczz????(t)??(2)???И?d??L???┆?lstf????(t)/??d??t=η???┆?jczz????(t)－ξ???┆?spcz????(t)??(3)???И?d??L???┆?jbdytf????(t)/??d??t=ξ???┆?spcz????(t)－ξ???┆?jm????(t)??(4)???И?d??L???┆?jbgd????(t)/??d??t=ξ???┆?jm????(t)－σ???┆?dygd????(t)??(5)??其中：??L???┆?zc????(t)??为贮存舱航空弹药数量；??t??为时间变量（单位:h)；?Е为??┆?cc????(t)??为舱舱转运速率(本文中速率表示每小时导弹数量,下同)；??L???┆?jczz????(t)??为检测组装舱航空弹药数量；?Е仟??┆?jczz????(t)??为检测组装速率；??L???┆?lstf????(t)??为临时停放舱航空弹药数量；?Е为??┆?spcz????(t)??为水平垂直转运速率；??L???┆?jbdytf????(t)??为飞行甲板弹药停放区航空弹药数量；?Е为??┆?jm????(t)??为舰面转运速率；??L???┆?jbgd????(t