保障性综合仿真与分析

装备保障性分析技术第9章保障性综合仿真与分析9.1保障性综合仿真与分析概述9.1.1保障性综合仿真与分析的目的装备保障性综合保障仿真与分析的目的是借助计算机模拟技术进行装备保障性综合试验，对装备的战备完好性及任务持续性进行分析，为保障方案评价及验证提供技术手段。装备保障性综合仿真是一种“人工”试验手段。通过仿真能够对所构建的保障系统进行类似于实物试验的数值分析，它和实物系统试验的主要差别在于仿真试验依据的不是装备本身及其所存在的实际环境，而是作为装备系统映象的系统模型以及相应的“计算机”试验环境。使装备的战备完好性与任务持续性分析能够在相对极短的时间内在计算机上得到实现。通过装备保障性综合仿真可依据仿真运行结果对装备保障性影响因素进行分析，为装备系统相关参数评估及验证提供技术手段，参数主要包括战备完好性参数、任务持续性参数以及保障系统特性参数。通过对这些参数进行评估，找出装备系统保障性设计的薄弱环节，进而改进装备保障性设计，减少装备系统寿命周期使用和维护代价，提高装备系统的战备完好性和任务持续性水平。9.1.2保障性综合仿真与分析概念装备及其保障系统之间以及它们内部各组成部分之间存在着客观的数学关系。可以综合运用定性分析和定量分析方法，建立一定的数学模型去正确表述这些逻辑关系，以探索保障对象及保障系统的本质，研究其运行规律。如果保障系统结构简单，保障对象与保障系统之间或其内部这些数学逻辑关系并不复杂，那么所建立的数学模型往往可以采用解析方法求解。可是，在许多情况下，由于保障对象的构成十分复杂，保障对象与保障系统之间及其内部的逻辑关系十分复杂，以致目前还没有能够在不作假设的情况下建立求解这些复杂关系的解析计算模型，有时这些复杂的逻辑关系本身就很难用经典数学语言进行描述。此刻需要借助系统仿真来解决相关问题，进行系统分析，并在此基础上进行系统评估。保障性综合仿真与分析就是依照保障方案的规定，通过描述保障对象与保障系统及其内部各要素之间的逻辑关系，抽象其中的随机因素，建立保障性综合仿真模型，借助于计算机试验，模拟装备系统运行过程，收集相关实验数据，探索相关特性参数的数理统计规律，为装备系统综合评估提供依据。9.1.3保障性综合仿真与分析特点保障性综合仿真分析技术是继保障性解析分析技术之后，认识装备系统中各实体要素动态运行规律的新型手段，它可以在装备系统的研制阶段模拟保障系统的实际运行过程，对装备系统的相关特性参数进行分析，具有以下特点：1）保障性综合仿真分析是一种基于试验的分析技术保障性综合仿真是一种“人工”的试验手段。通过仿真我们能够对所构建的装备系统模型进行类似于实物试验的数值分析。通过试验获取对系统未来性能测度和对系统长期动态特性分析的数据，以便对装备保障性进行综合评估。2）保障性综合仿真分析适于复杂保障系统的研制阶段保障系统的运行过程中具有大量的随机因素，在构建保障方案时，只有充分考虑这些随机因素的影响，在很少假设或不作假设的前提下，建立能够描述系统内部复杂逻辑关系和数学关系以及具体细节的仿真模型，运用系统仿真的方法，求解出与保障方案相关的特性参数。保障系统很多特性参数虽可以通过保障系统的实际运行过程统计得到，但是在研制阶段，保障系统往往还不存在，此时只有借助于仿真方法，才能在众多客观存在的系统设计约束下，第9章保障性综合仿真与分析对保障方案进行准确的分析。3）保障性综合仿真分析建模直观保障性综合仿真模型与保障方案描述的保障系统运行过程在形式上和逻辑上存在对应性，避免了建立抽象数学模型的困难，对于大多数具有随机因素的复杂系统，往往很难甚至无法用准确的数学模型描述和求解其动态规律。而保障性综合仿真分析模型具有面向过程的特点，省去了复杂的数学抽象，显然简化了建模过程，具有直观性，使广大科研人员、决策人员都能成为保障性综合仿真分析的直接使用者。4）保障性综合仿真分析节省研制费用对于新研装备系统，在对其相关特性进行分析时，如果构建实际系统进行实验，往往要花费大量的人力、物力、财力和时间，在研制阶段根本不现实。而采用计算机模拟，可以不必花费大量的投资去构建实物系统进行试验分析，就可以对装备系统的相关特性参数进行计算分析，帮助人们对装备保障性进行评估，选择最优或较优的保障方案，对保障方案的改进提出具体实施意见。9.2保障性综合仿真模型9.2.1概述保障性综合仿真模型是从分析装备系统特性参数的角度来描述装备系统之间及其内部要素，本章综合考虑保障对象及其保障系统的特征数据元素及装备系统运行过程两个方面，建立了保障性综合仿真模型，用数据元素来描述保障对象及其保障系统的静态特征，用运行过程来描述驱动保障系统运行的典型任务执行过程及保障系统自身运行过程，通过对保障方案中规定的保障策略进行模拟试验，进而达到度量相关特性参数的目的。保障性综合仿真模型分为典型任务仿真模型、保障对象仿真模型、保障资源仿真模型、保障组织仿真模型和保障活动仿真模型，这些模型由相关数据及相应的过程仿真模型组成。由前述保障性综合仿真的目标，若要对装备系统相关参数进行分析，如要计算任务持续性相关参数，必须在任务开始时确定可用保障对象数量是否能够满足任务要求的保障对象数量，此外还要对任务执行时间进行判断，判断其是否达到要求的任务时间，这两个参数的取值依赖于保障对象在任务开始时刻和任务执行期间的状态，即是完好状态还是故障状态，在任务开始时刻是否有足够数量的可用保障对象是任务能够执行的基本条件，这取决于保障对象的总数、执行预防性维修的保障对象数量、任务执行的情况和故障保障对象的修复情况。保障性综合仿真中各事件集之间的逻辑关系见图9-1。在图9-1中，保障性综合仿真的输入主要分为任务输入、保障对象输入及保障系统输入三大类，保障性综合仿真过程主要分为任务执行过程仿真、故障过程仿真和保障过程仿真，保障性综合仿真的输出主要是对装备系统相关参数进行统计分析计算。任务计划分配和任务执行属于保障对象任务执行过程仿真，使用保障过程、修复性维修过程、预防性维修过程、资源准备过程和供应过程属于保障系统的保障过程，这些过程中的延迟时间决定了保障对象在典型任务执行序列中各个离散时间点的可用状态，而延迟时间的影响因素几乎都是随机因素，只有抽象出与这些过程相关的数据，建立相应的过程模型描述相应的随机事件流程，在流程的执行过程中记录相关事件的执行时间，才能对保障方案相关特性参数进行计算。本章后续小节中会对保障性综合仿真中涉及到的具体事件集展开详细论述。装备保障性分析技术典型任务仿真保障对象仿真战备完好性参数计算战战战战战计算能执行任务率计算……保障系统参数计算平均保障时间计算保障资源满足率计算保障资源利用率计算……保障系统仿真预防性维修过程仿真修复性维修过程仿真保障对象故障仿真典型任务计划基本作战单元组成装备构型及RM参数任务计划分配保障对象状态转换任务执行仿真输出保障组织结构维修策略保障资源配置供应策略预防性维修计划保障组织供应过程仿真保障资源使用过程仿真任务持续性参数计算平均任务持续时间计算任务持续概率计算……运输策略使用保障过程仿真图9-1保障性综合仿真模型仿真逻辑示意图9.2.2保障对象仿真模型1）保障对象状态转换（1）保障对象状态构成由于保障对象分为四个层次：a）基本作战单元级保障对象：以下简记为基本作战单元；b）装备级保障对象：以下简记为装备；c）LRU级保障对象：以下简记为LRU；d）SRU级保障对象：以下简记为SRU。这四个层次的保障对象之间的关系如式9-1所示：SRULRU装备基本作战单元（9-1)通常将被包含的保障对象称为包含其的保障对象的下级组件。可用装备的数量是随着仿真时钟的推进不断变化的，它取决于仿真起始时刻基本作战单元中装备的数量bN，以及仿真过程中各个时刻装备的状态。装备的状态根据其所处的环境分为任务执行状态、任务分配状态、空闲状态和保障状态，如图9-2所示。这些状态的具体含义如下：a）任务执行状态：指保障对象在任务开始时刻到任务终止时刻的状态，任务执行状态的装备数量记为oN；第9章保障性综合仿真与分析b）任务分配状态：指保障对象在已被分配任务时刻到任务开始执行时刻的状态，任务分配状态的装备数量记为aN；c）空闲状态：指保障对象完好且没有分配任务的状态，空闲状态的装备数量记为fN；d）保障状态：指保障对象处于使用保障活动或维修保障活动的状态，保障状态的装备数量记为sN。保障对象状态任务执行状态空闲状态保障状态任务分配状态图9-2保障对象的状态处于上述四个状态的装备数量之和应等于基本作战单元中装备的数量。即：boafsNNNNN（9-2）可用保障对象是对于即将分配装备的任务而言的，由于在任务开始前，只有给任务分配任务要求数量的装备时，任务才能开始执行，给任务分配的装备只能是可用保障对象，可用保障对象的数量rN是指处于空闲状态或任务分配状态的装备数量，但是需要注意的是处于任务分配状态的装备只对于比其优先级高的任务可用，换句话说，已经分配了任务的装备只能被其优先级高的任务征用，任务分配过程仿真模型在后续章节会有详细介绍。（2）可被分配任务的保障对象状态保障对象作为分配给任务的对象，同样也存在优先级，保障对象的优先级从两个层面来考虑,一是没有被分配任务的保障对象，二是已经分配了任务的保障对象。如图9-3所示。空闲装备预分配空闲装备已分配到较低优先级任务的装备准备执行任务的装备123同型装备图9-3保障对象任务分配优先级在任务准备时刻，就开始对其分配保障对象，直至达到任务要求的保障对象数。系统的分配顺序由系统的状态决定，如下所示：a）空闲装备b）预分配空闲装备c）分配到其它任务的装备（任务优先级低）预分配空闲状态保障对象是指维修即将完成的装备，这些装备达到空闲状态所需时间很容易计算出来。处在等待备件或保障资源阶段的保障对象不属于预分配空闲状态保障对象。尽管预分配空闲状态保障对象当前不可用，但仍就可以被预分配到任务，直到它们由预分配空闲状态保障对象过渡到空闲状态保障对象，预分配才变为正式分配，同时开始进行重新配装备保障性分析技术置，进入任务前准备阶段。对于处在空闲状态的装备，首先考虑装备对于将要分配的任务是否需要重新配置（例如，更换武器系统等），并把重新配置和等待更换组件需要的时间考虑进来。由重新配置引起的延迟包括等待保障资源的时间，但是不包括等待更换组件的时间，因为只有当有备件资源满足的情况才能开始重新配置，如果备件不满足需要，将会选择其他配置完全相同或具有备件的保障对象。任务执行过程的一个重要参数就是在其能够在要求时间的范围内开始执行任务的前提下最迟开始重新配置/准备的时间点。但是，对于配置了不同组件的装备而言，任务的准备时间是不一样的。这意味着每个任务重新配置/准备的开始时间不是唯一的。为了解决这个问题，可以用保障对象最短准备时间确定任务的最迟开始时间。在保障对象被分配任务之前都需要检查装备状态。当装备任务序列中的基本任务的准备时间到来时，按照任务优先级第一的原则，首先通知空闲状态的保障对象，然后会通知进入预分配空闲状态的保障对象，优先级最高的任务最先获得保障对象，其次按“最迟开始重新配置/准备时间”（按升序排列）获得保障对象。任务获得保障对象的条件是：保障对象在“任务最迟开始重新配置（准备开始时间）”之前准备就绪。具有同样优先级的任务都有两次机会获得保障对象。第一次获得保障对象仅仅允许给每个任务分配最小数量的保障对象，然后，在较低优先级任务获取保障对象前，把当前优先级任务拥有的保障对象数量加到规定值从而完成第二次通知。换句话说，具有同样优先级的任务，认为‘能够开始执行的任务数量’比“让每个任务都达到应有保障对象数量”重要。但是，在不同的优先级之间，情况则相反，“任务达到应有保障对象数量”比“能够执行的任务数量”更重要。（3）已分配任务的保障对象状态如果对空闲状态保障对象和预分配空闲状态保障对象分配任务后发现所需保障对象数量仍不能满足任务要求，它就会从优先级较低的任务中征用保障对象。已经被分配到优先级较低的任务的保障对象虽进入任务准备阶段，但还未到任务执行时刻，