一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，首先確定武器保障系統(tǒng)的邊界，明確升降機(jī)和彈藥數(shù)量的變化使用系統(tǒng)動力學(xué)建模，而系統(tǒng)中的其它部分使用離散事件仿真建模。然后建立升降機(jī)和彈藥數(shù)量變化的系統(tǒng)動力學(xué)模型，并建立系統(tǒng)其它部分的離散事件仿真模型。接著耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型，得到武器保障系統(tǒng)的整體模型。最后基于得到的整體模型進(jìn)行仿真分析，得到平衡性能仿真結(jié)果，識別出武器保障系統(tǒng)中可能存在的不平衡點(diǎn)。本發(fā)明方法可以對系統(tǒng)中彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配資源利用率進(jìn)行分析，找到流程中的瓶頸和不平衡環(huán)節(jié)，提高武器保障系統(tǒng)的資源利用效率。
【專利說明】
一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種航母武器保障系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空綜合保障系統(tǒng)是航空母艦的一級系統(tǒng)，以指揮和保障艦載機(jī)為主要任務(wù)，包括塔臺飛行指揮、機(jī)務(wù)保障、艦面供給保障、彈藥補(bǔ)給、起降保障、艦載機(jī)調(diào)運(yùn)、維修任務(wù)支援以及航空作業(yè)運(yùn)行指揮管理等功能，是“人一機(jī)一環(huán)境”結(jié)合十分緊密的復(fù)雜大系統(tǒng)，直接影響艦載機(jī)的出動回收能力。航空綜合保障系統(tǒng)本身的復(fù)雜性決定了其設(shè)計(jì)的難度，更是增加了分析系統(tǒng)性能的難度。
[0003]目前對于航空綜合保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有:
[0004](I)多視圖融合的設(shè)計(jì)方法:根據(jù)復(fù)雜大系統(tǒng)中各個要素的相互作用關(guān)系，建立起層次分明、關(guān)系明確的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。
[0005](2)資源配置設(shè)計(jì)方法:使用合理配置有限的且可利用的資源去完成一組有著明確起始點(diǎn)的具有特定目標(biāo)的一次性獨(dú)特任務(wù)。從定量的角度建立起了資源配置模型?；陔S機(jī)理論的資源配置模型解決多任務(wù)共享資源的配置問題，運(yùn)用算法可得到資源配置得最優(yōu)方案。
[0006](3)仿真驅(qū)動的設(shè)計(jì)方法:從離散事件動態(tài)系統(tǒng)與系統(tǒng)動力學(xué)角度研究復(fù)雜大系統(tǒng)仿真建模方法，分析系統(tǒng)時(shí)間、空間與隨機(jī)變量關(guān)系，研究并建立系統(tǒng)的離散事件動態(tài)系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，研究系統(tǒng)仿真的模型校驗(yàn)與驗(yàn)證方法。
[0007]目前，采用上述方法進(jìn)行航空綜合保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，多視圖融合設(shè)計(jì)方法和資源配置設(shè)計(jì)方法缺少對系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)和分析，而在仿真驅(qū)動的設(shè)計(jì)方法中多使用離散事件系統(tǒng)仿真對系統(tǒng)進(jìn)行建模，缺少對系統(tǒng)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的分析，缺少對系統(tǒng)內(nèi)部組成要素對系統(tǒng)平衡性的分析，也缺少對要素之間因果關(guān)系和相互作用形成的反饋機(jī)制的描述。
[0008]平衡性是復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的一個重要因素，系統(tǒng)平衡的主要目的就是使系統(tǒng)的組織從時(shí)間上得到優(yōu)化，也即將系統(tǒng)的每個模塊的空閑時(shí)間降到最少。分析與研究系統(tǒng)平衡問題，有利于提高作業(yè)人員的工作效率以及設(shè)備的工作效率;有利于減少單個作業(yè)任務(wù)的工時(shí)消耗，降低作業(yè)成本;有利于有效減少緩存數(shù)量，為真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)奠定基礎(chǔ);有利于能有效地提尚任務(wù)完成的質(zhì)量。
[0009]武器保障系統(tǒng)作為航空綜合保障系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，目前在設(shè)計(jì)時(shí)也遵循上述的設(shè)計(jì)方法，由于沒有考慮平衡性問題，導(dǎo)致資源利用效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于系統(tǒng)動力學(xué)對武器保障系統(tǒng)進(jìn)行平衡性設(shè)計(jì)，分別建立武器保障系統(tǒng)中彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配、升降機(jī)運(yùn)行、中部和首部井口流程、轉(zhuǎn)運(yùn)車流程等各部分的模型，統(tǒng)計(jì)各個井口中彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配的利用率，最終得到武器保障系統(tǒng)完整的基于系統(tǒng)動力學(xué)平衡設(shè)計(jì)的模型，可以對系統(tǒng)中彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配資源利用率進(jìn)行分析，找到流程中的瓶頸和不平衡環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的資源配置效率。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0012](I)確定艦載機(jī)武器保障系統(tǒng)的約束條件;所述的約束條件包括艦面整體布局、武器運(yùn)輸井道、升降機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車的工作方式，其中艦面整體布局規(guī)定了艦載機(jī)的機(jī)位部署，武器運(yùn)輸井道分布位置和轉(zhuǎn)運(yùn)車的停放位置，升降機(jī)在所述的武器運(yùn)輸井道中運(yùn)行，武器彈藥和轉(zhuǎn)運(yùn)車共同搭載升降機(jī)實(shí)現(xiàn)武器出庫，轉(zhuǎn)運(yùn)車通過搭載升降機(jī)在武器運(yùn)輸井道和艦面運(yùn)動，完成武器彈藥裝載、裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)；
[0013](2)根據(jù)步驟(I)確定的約束條件，將升降機(jī)的運(yùn)行過程和武器彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)裝配過程采用系統(tǒng)動力學(xué)建模，將轉(zhuǎn)運(yùn)車在武器運(yùn)輸井道內(nèi)的流程、轉(zhuǎn)運(yùn)車在艦面的流程以及武器運(yùn)輸井道的井口機(jī)械流程分別采用離散事件仿真的方法進(jìn)行建模；
[0014](3)將步驟(2)建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型同時(shí)導(dǎo)入仿真平臺，通過離散事件模型中的事件觸發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)模型開始和結(jié)束，建立起系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型的耦合關(guān)系，形成艦載機(jī)武器保障系統(tǒng)的整體模型；
[0015](4)在仿真平臺中進(jìn)行整體模型仿真，對所述整體模型中各武器運(yùn)輸井道井口內(nèi)裝配區(qū)在裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)前后的彈藥數(shù)量，各武器運(yùn)輸井道井口內(nèi)貯存區(qū)在裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)前后的彈藥數(shù)量，以及各武器運(yùn)輸井道內(nèi)不同位置的升降機(jī)的數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測，仿真結(jié)束后將對應(yīng)位置處的彈藥數(shù)量變化量或者升降機(jī)的數(shù)量變化量與總的仿真事件作商，得到相應(yīng)位置處的資源利用率；
[0016](5)設(shè)定需要進(jìn)行平衡性監(jiān)控的區(qū)域，將監(jiān)控區(qū)域內(nèi)資源利用率的最大值與最小值做差，差值越小判定平衡性越好，差值越大判定平衡性越差，當(dāng)差值與最大值之比超過了預(yù)先設(shè)定的判別閾值，則對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的資源進(jìn)行重新配置直至平衡性滿足要求。
[0017]所述的系統(tǒng)動力學(xué)模型采用系統(tǒng)動力學(xué)流圖的主鏈型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支鏈型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來描述。所述的離散事件模型采用按照執(zhí)行先后順序排列的離散事件來描述。所述的仿真平臺為Any logic。所述的判別閾值為60 %。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019](I)本發(fā)明方法著眼于武器保障環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)動力學(xué)的角度分析武器保障系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組成要素及其相互作用關(guān)系，闡釋了系統(tǒng)運(yùn)行工作原理和關(guān)鍵要素，將系統(tǒng)作為信息反饋系統(tǒng)來研究，并分析研究與問題有關(guān)的各因素、各個要素之間的因果關(guān)系。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)了有關(guān)于系統(tǒng)平衡性能的指標(biāo)，分析影響武器轉(zhuǎn)運(yùn)周期的關(guān)鍵因素、轉(zhuǎn)運(yùn)效率的瓶頸、解析轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，有利于進(jìn)一步采取必要的技術(shù)措施優(yōu)化飛機(jī)保障的轉(zhuǎn)運(yùn)流程和設(shè)備配置的方案，以便提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率，使其到達(dá)總體技術(shù)指標(biāo)要求；
[0020](2)本發(fā)明方法針對武器保障系統(tǒng)確定了合適的系統(tǒng)動力學(xué)模型。彈藥在轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配過程中數(shù)量的變化符合資源的消耗和流動特性，也有連續(xù)變化的特性，因此用系統(tǒng)動力學(xué)建?？梢詮母由钊氲慕嵌确治銎渥兓囊?guī)律、影響其變化的因素。升降機(jī)是永久實(shí)體，符合系統(tǒng)動力學(xué)模型中存量的特征，所以也用系統(tǒng)動力學(xué)模型來進(jìn)行分析。同時(shí)系統(tǒng)動力學(xué)模型的微觀連續(xù)特性保證了實(shí)時(shí)監(jiān)控彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配數(shù)量的變化，便于發(fā)現(xiàn)該過程中瓶頸以及后續(xù)的平衡分析；
[0021](3)本發(fā)明方法完成了系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件仿真模型的配合。武器保障模型中主要涉及兩個流程:轉(zhuǎn)運(yùn)車和升降機(jī)，兩個流程既是相互獨(dú)立又是相互配合的。轉(zhuǎn)運(yùn)車模型是標(biāo)準(zhǔn)的離散事件模型，升降機(jī)模型是標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)動力學(xué)模型，臨時(shí)實(shí)體由離散事件建模，永久實(shí)體用系統(tǒng)動力學(xué)建模。兩種模型的配合主要依靠離散事件模型流程中在某些點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)模型，當(dāng)離散事件模型觸發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)模型以后一段時(shí)間內(nèi)，兩者同時(shí)運(yùn)行，由此使得兩種模型能夠很好的耦合在一起，更加清楚的從總體上對武器保障系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的描述；
[0022](4)本發(fā)明方法明確了系統(tǒng)平衡性能的指標(biāo)并據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)平衡性的優(yōu)化配置。本系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)了中部和首部的每個井口中彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配的資源(設(shè)備、人工)利用率情況，反映了相應(yīng)位置操作的繁忙情況，得到了資源利用率，直觀形象地顯示了各部分的利用率差異，便于分析系統(tǒng)的平衡性，并根據(jù)實(shí)際獲取的資源利用率對現(xiàn)有的資源進(jìn)行合理的優(yōu)化配置，使得整個武器保障系統(tǒng)的運(yùn)行更加的平衡。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0024]圖2為本發(fā)明中首部井道內(nèi)升降機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)流圖；
[0025]圖3為本發(fā)明中中部井道內(nèi)升降機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)流圖；
[0026]圖4為本發(fā)明中彈藥裝載和裝配流的系統(tǒng)動力學(xué)流圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明方法以系統(tǒng)平衡作為目標(biāo)，對武器保障系統(tǒng)建模并分析平衡性能的方案是:首先確定武器保障系統(tǒng)邊界，明確升降機(jī)和彈藥數(shù)量變化使用系統(tǒng)動力學(xué)建模，而系統(tǒng)中其它部分使用離散事件仿真建模;然后建立升降機(jī)和彈藥數(shù)量變化的系統(tǒng)動力學(xué)模型，并建立系統(tǒng)其它部分的離散事件仿真模型;接著耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型，得到武器保障系統(tǒng)的整體模型；最后基于得到的整體模型進(jìn)行仿真分析，得到平衡性能仿真結(jié)果，識別出武器保障系統(tǒng)中可能存在的不平衡點(diǎn)，具體流程如圖1所示。
[0028]第一步:確定武器保障系統(tǒng)邊界
[0029]在此，本發(fā)明根據(jù)系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)的目標(biāo)來界定系統(tǒng)邊界，將與建模緊密聯(lián)系的內(nèi)容劃入邊界，而將和系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)無重要關(guān)聯(lián)的因素剔除在外，并且為每個流程內(nèi)容確定合適的建模方法，這既是系統(tǒng)建模的關(guān)鍵部分，也是后續(xù)建?；顒拥幕A(chǔ)。
[0030]艦載機(jī)周期性出動需要的武器包括近程空空導(dǎo)彈、中程空空導(dǎo)彈、空面導(dǎo)彈和航炮，對于空空、空面等不同的作戰(zhàn)任務(wù)有相應(yīng)的不同種類武器的需求數(shù)量。通常來說，武器保障系統(tǒng)的關(guān)鍵約束包含艦面整體布局、武器運(yùn)輸井道、升降機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車的相關(guān)約束。其中艦面的整體布局規(guī)定了艦載機(jī)的機(jī)位部署，井道分布位置和轉(zhuǎn)運(yùn)車臨時(shí)停放位置(前?？繀^(qū)和后?？繀^(qū))等相關(guān)信息。一般的，艦體的首部和中部各有兩個井道，井道包括頂層、中層和底層三部分，首部的每個井道分別有一部升降機(jī)，可以在上、中、下三個層運(yùn)行，中部的每個井道分別有兩部升降機(jī)，分別在頂層和中層之間，中層和底層之間運(yùn)行。武器運(yùn)輸井道升降機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)貯存?zhèn)}庫內(nèi)資源與甲板面上資源的交換調(diào)度，升降機(jī)的工作方式為:轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，武器彈藥箱和適配器一起運(yùn)轉(zhuǎn)，并和轉(zhuǎn)運(yùn)車一起共同搭載升降機(jī)實(shí)現(xiàn)武器出庫;轉(zhuǎn)運(yùn)車通過搭載升降機(jī)在井道和艦面運(yùn)動，完成武器裝載、裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)，彈藥在貯存區(qū)貯存轉(zhuǎn)出，在裝配區(qū)完成裝配。
[0031]根據(jù)以上約束條件可以得出，武器保障系統(tǒng)中核心的兩個流程是轉(zhuǎn)運(yùn)車的運(yùn)動過程和升降機(jī)的運(yùn)行過程，完成這兩個流程的場所包括了艦面、首部和中部的井道，因此整個武器保障系統(tǒng)包含了井道、艦面、井口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和執(zhí)行的流程機(jī)制。其中，首部和中部井道中的升降機(jī)是永久實(shí)體，用系統(tǒng)動力學(xué)建模，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配武器使得彈藥數(shù)量變化具有連續(xù)性質(zhì)，也可以用系統(tǒng)動力學(xué)建模。而系統(tǒng)中其它部分，即轉(zhuǎn)運(yùn)車在井道內(nèi)的流程、轉(zhuǎn)運(yùn)車在艦面的流程以及井口機(jī)械流程，是典型的離散事件過程，所以使用離散事件仿真方法建模。
[0032]第二步:建立升降機(jī)和彈藥數(shù)量變化的系統(tǒng)動力學(xué)模型
[0033]1、分析系統(tǒng)中的因果關(guān)系
[0034]建立系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)的前提是確定系統(tǒng)中的因果反饋環(huán)。在系統(tǒng)動力學(xué)中，元素之間是相互影響、相互作用的，也就是存在因果關(guān)系，系統(tǒng)的功能和行為正是通過這種因果關(guān)系的相互作用形成的。因此在界定了系統(tǒng)的邊界之后，圍繞著系統(tǒng)平衡的目標(biāo)，從系統(tǒng)涉及的過程、信息、資源、組織、環(huán)境、系統(tǒng)和能力的角度，分析武器保障系統(tǒng)。對于升降機(jī)的運(yùn)行，井道內(nèi)頂層、中層、底層的升降機(jī)數(shù)量受到升降機(jī)運(yùn)行速度的影響，運(yùn)行速度的方向決定了井道不同位置升降機(jī)數(shù)量變化的方向，運(yùn)行速度的大小決定了升降機(jī)數(shù)量變化的大小。貯存區(qū)和裝配區(qū)彈藥數(shù)量的變化受到彈藥貯存和裝配速率的影響，速率大小決定了彈藥數(shù)量變化的快慢，而彈藥貯存和裝配速率的又受到工人數(shù)量、工人操作熟練程度、轉(zhuǎn)運(yùn)車數(shù)量、升降機(jī)數(shù)量的約束。
[0035]2、確定系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)中基本變量
[0036]流一一系統(tǒng)動力學(xué)中用流來描述系統(tǒng)的活動，表示系統(tǒng)從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，由流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)變化。武器保障系統(tǒng)中體現(xiàn)兩種流，一個是升降機(jī)在底層、中部和頂層位置的變化，隨著轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配的需求，轉(zhuǎn)運(yùn)車需要搭載升降機(jī)深入井道的底層、中層和頂層，引起井道不同位置的升降機(jī)的數(shù)量的變化;另一個是彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)流和裝配流，需要系統(tǒng)對彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配完成的彈藥的數(shù)量變化。
[0037]存量一一存量也是積累量，可以用來描述物質(zhì)和非物質(zhì)的積累，它反映了系統(tǒng)的狀態(tài)或條件，最基本的作用是用來反映系統(tǒng)在某個時(shí)間點(diǎn)上的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)所有的活動終止時(shí)，存量還保持原來的狀態(tài)。在武器保障系統(tǒng)中的存量有:首部和中部井口的分別位于頂層、中部和底層的升降機(jī)數(shù)量;首部和中部井口的轉(zhuǎn)運(yùn)前彈藥數(shù)量、轉(zhuǎn)運(yùn)后彈藥數(shù)量、裝配前彈藥數(shù)量、裝配后彈藥數(shù)量。這些變量都是可以累積的，其數(shù)值反映了系統(tǒng)處在不同的狀態(tài):井道頂層、中層和底層的升降機(jī)數(shù)量指示著升降機(jī)當(dāng)前處在井道的何種位置，轉(zhuǎn)運(yùn)完成和裝配完成的彈藥數(shù)量指示著當(dāng)前的轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配效率，這也是系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的變量。
[0038]流量——用來描述系統(tǒng)累積效應(yīng)變化快慢的變量，表示了存量隨時(shí)間變化的情況，是數(shù)學(xué)意義上的導(dǎo)數(shù)。在武器保障系統(tǒng)中，流量是升降機(jī)從頂層到中層(從中層到頂層)的速度、升降機(jī)從中層到底層(從底層到中層)的速度、彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，裝配過程中的裝配速率。前兩者度量了在井口頂層、中層和底層的存量升降機(jī)數(shù)量流動的速率，后兩者度量了轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配彈藥存量的流動速率。
[0039]輔助變量——用來描述決策過程中的中間變量，即存量和流量之間信息傳遞和轉(zhuǎn)換過程中的中間變量。影響系統(tǒng)平衡性能的因素來自各個方面，基本上分為任務(wù)的過程變量、環(huán)境變量、資源變量、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變量、組織模式變量、信息流動變量、任務(wù)能力變量、功能變量。武器保障系統(tǒng)中影響到升降機(jī)運(yùn)行的輔助變量是首部和中部進(jìn)口的升降機(jī)從頂層到中層(從中層到頂層)的運(yùn)行時(shí)間、從中層到底層(從底層到中層)的運(yùn)行時(shí)間，影響彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配流的輔助變量是短程空空導(dǎo)彈舵翼裝配時(shí)間、中程空空導(dǎo)彈舵翼裝配時(shí)間、空面導(dǎo)彈舵翼裝配時(shí)間、首部和中部各個井口中在貯存艙調(diào)運(yùn)武器的時(shí)間。
[0040]3、分析系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)中的流圖
[0041]因果關(guān)系只能描述反饋結(jié)構(gòu)的基本方面，而存量流量圖不僅能描述反饋結(jié)構(gòu)的基本方面，而且能區(qū)別變量的性質(zhì)。本發(fā)明中，武器保障系統(tǒng)主要應(yīng)用了系統(tǒng)動力學(xué)流圖的主鏈型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支鏈型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，來描述彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配情況以及升降機(jī)位置的變化情況。
[0042]升降機(jī)的狀態(tài)可以分為:運(yùn)動和靜止。靜止的升降機(jī)可以停留在不同的位置，和電梯類似。首部的每個井內(nèi)各有一臺升降機(jī)，系統(tǒng)動力學(xué)模型如下:存量頂部升降機(jī)數(shù)量以從頂部到中部的運(yùn)行速率為流量轉(zhuǎn)移到存量中部升降機(jī)數(shù)量，其中升降機(jī)從頂部到中部運(yùn)行速率和此部分運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，中部升降機(jī)數(shù)量再以從中部到底部運(yùn)行速率為流量轉(zhuǎn)移到存量底部升降機(jī)數(shù)量，升降機(jī)從中部到底部運(yùn)行速率和此部分的運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，具體如圖2所不O
[0043]中部井道和首部井道內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，每個井內(nèi)各有兩臺升降機(jī)，所以要針對井道的兩個分結(jié)構(gòu)分開建立其系統(tǒng)動力學(xué)模型，模型如下:第一部分結(jié)構(gòu)是存量頂部升降機(jī)數(shù)量以從頂部到中部運(yùn)行速率為流量轉(zhuǎn)移到存量中部升降機(jī)數(shù)量I，其中從頂部到中部運(yùn)行速率與此部分的運(yùn)行時(shí)間有關(guān);第二部分結(jié)構(gòu)是存量中部升降機(jī)數(shù)量2以從中部到底部運(yùn)行速率為流量轉(zhuǎn)移到存量底部升降機(jī)數(shù)量，其中從中部到底部運(yùn)行速率與此部分的運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，具體如圖3的(a)和(b)所示。
[0044]首部井口和中部井口中貯存艙和裝配艙中的彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)流和彈藥裝配流都是庫存存量的增加過程，它們的系統(tǒng)動力學(xué)模型的基本結(jié)構(gòu)相同，所以統(tǒng)一表達(dá)成如下模型:存量武器數(shù)量以裝配或貯存速率為流量轉(zhuǎn)移為存量裝配或貯存完成的數(shù)量，裝配或貯存速率由井道內(nèi)裝配或貯存參數(shù)來控制，具體如圖4所示。
[0045]第三步:建立系統(tǒng)其它部分的離散事件仿真模型
[0046]武器保障系統(tǒng)的核心除了升降機(jī)運(yùn)行過程之外，轉(zhuǎn)運(yùn)車在井道內(nèi)的運(yùn)行、轉(zhuǎn)運(yùn)車在艦面上的運(yùn)行、以及井口機(jī)械過程也是武器保障系統(tǒng)中必不可少的部分，本發(fā)明對這三部分分別采用標(biāo)準(zhǔn)的離散事件仿真方法來建模。三部分的離散事件仿真模型如下:
[0047]1、轉(zhuǎn)運(yùn)車在井口內(nèi)運(yùn)行的模型
[0048]首部井口和中部井口構(gòu)造不同，進(jìn)行的事件和活動略有不同。首部井口內(nèi)發(fā)生的事件按照流程順序依次是:升降機(jī)到達(dá)井口一一轉(zhuǎn)運(yùn)車前往裝配區(qū)一一轉(zhuǎn)運(yùn)車前往貯存艙一一轉(zhuǎn)運(yùn)車入庫一一選擇武器一一進(jìn)入出庫等待隊(duì)列一一轉(zhuǎn)運(yùn)車出庫開始一一轉(zhuǎn)運(yùn)車前往甲板一一轉(zhuǎn)運(yùn)車到達(dá)甲板一一進(jìn)入等待掛載彈藥隊(duì)列一一轉(zhuǎn)運(yùn)車前往?？繀^(qū)一一到達(dá)?？繀^(qū)。在以上事件進(jìn)行中發(fā)生的活動依次是:排隊(duì)等待進(jìn)入裝配區(qū)、前往裝配區(qū)活動、向貯存艙轉(zhuǎn)移活動、橫移入庫、調(diào)運(yùn)武器、排隊(duì)等待出庫、橫移出庫、向飛行甲板轉(zhuǎn)移活動、換車、排隊(duì)等待掛載彈藥、掛載彈藥、回到停靠區(qū)。
[0049]中部井口內(nèi)發(fā)生的事件依次是:升降機(jī)到達(dá)一一轉(zhuǎn)運(yùn)車前往裝配區(qū)一一橫移開始一一進(jìn)入前往貯存艙隊(duì)列一一開始入庫一一選擇武器一一開始出庫一一進(jìn)入前往裝配區(qū)隊(duì)列一一開始入庫一一開始出庫一一進(jìn)入前往甲板隊(duì)列一一開始前往甲板一一轉(zhuǎn)運(yùn)車到達(dá)甲板一一開始掛載彈藥一一開始前往?？繀^(qū)一一到達(dá)停靠區(qū)。在以上事件進(jìn)行中發(fā)生的活動依次是:排隊(duì)等待前往裝配區(qū)、前往裝配區(qū)、橫移、排隊(duì)等待前往貯存艙、到貯存艙、橫移入庫、調(diào)運(yùn)武器、橫移、排隊(duì)等待前往裝配區(qū)、到裝配區(qū)、橫移入庫、橫移出庫、排隊(duì)等待前往甲板、前往飛行甲板、換車、掛載彈藥、回?？繀^(qū)。
[0050]2、轉(zhuǎn)運(yùn)車在艦面運(yùn)行的模型
[0051]轉(zhuǎn)運(yùn)車的起停點(diǎn)都是?？繀^(qū)，包括前部?？繀^(qū)和后部?？繀^(qū)。在經(jīng)過選擇后分別前往首部井口和中部井口，然后在等待井口機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備就緒后通過四個節(jié)點(diǎn)進(jìn)入不同的井道。轉(zhuǎn)運(yùn)車流程發(fā)生的事件依次是:進(jìn)入隊(duì)列等待出發(fā)一一選擇前往井口位置一一開始下降一一開始搬運(yùn)武器一一開始前往裝配區(qū)一一開始裝配一一開始前往甲板一一開始前往停靠區(qū)一一搬運(yùn)結(jié)束一一到達(dá)準(zhǔn)備區(qū)。以上事件進(jìn)行中發(fā)生的活動依次是:排隊(duì)等待出發(fā)、移動到對應(yīng)井口、下降到武器庫、搬運(yùn)武器到轉(zhuǎn)運(yùn)車、移動到裝配區(qū)、裝配、上升到甲板、搬出武器、回到準(zhǔn)備區(qū)。
[0052]3、井口機(jī)械流程的模型
[0053]井口機(jī)械流程發(fā)生的事件依次是:進(jìn)入隊(duì)列等待一一安全立柱開始升起一一解鎖開始開蓋進(jìn)入隊(duì)列等待關(guān)蓋閉鎖開始安全立柱開始下降結(jié)束。以上事件進(jìn)行中發(fā)生的活動依次是:排隊(duì)等待、升起安全立柱、解鎖、打開井蓋、排隊(duì)等待關(guān)蓋、井蓋關(guān)閉、閉鎖、安全立柱下降。
[0054]第四步:耦合系統(tǒng)動力學(xué)和離散事件模型
[0055]本發(fā)明中，武器保障系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型是相互獨(dú)立又相互配合的，分別對應(yīng)著升降機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車兩個核心流程，耦合這兩部分流程是得到最終完整的仿真模型的關(guān)鍵步驟。轉(zhuǎn)運(yùn)車在井道內(nèi)運(yùn)行和在艦面運(yùn)行的離散事件模型中的關(guān)鍵事件會觸發(fā)升降機(jī)的系統(tǒng)動力學(xué)模型開始，并控制其結(jié)束，當(dāng)離散事件模型觸發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)模型以后一段時(shí)間內(nèi)，兩者同時(shí)運(yùn)行。
[0056]具體來說，彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)量和裝配數(shù)量的系統(tǒng)動力學(xué)模型與系統(tǒng)的整體離散事件模型的配合:只有在轉(zhuǎn)運(yùn)車調(diào)運(yùn)武器的過程中，轉(zhuǎn)運(yùn)出的彈藥數(shù)量才會增加，因此在離散事件模型的調(diào)運(yùn)武器延遲事件開始的時(shí)候，控制相應(yīng)的彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)量增加的速率開啟，當(dāng)調(diào)運(yùn)武器延遲事件結(jié)束，相應(yīng)的彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)量增加的速率置零，彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)量不再增加。同樣地，只有在離散事件模型中的彈藥裝配事件進(jìn)行的時(shí)候，裝配完成的數(shù)量才會增加，因此當(dāng)離散事件模型中的彈藥裝配事件的時(shí)間延遲開始的時(shí)候，觸發(fā)彈藥裝配完成數(shù)量增加的速率啟動，當(dāng)彈藥裝配完成后，彈藥裝配完成數(shù)量增加的速率置零，彈藥裝配完成數(shù)量不再增加。另一方面，首部和中部井口內(nèi)貯存艙和裝配艙的彈藥完成數(shù)量這部分的存量經(jīng)過運(yùn)算之后，可以作為統(tǒng)計(jì)量表示貯存艙和裝配艙的資源(設(shè)備、人工等)利用率變化情況，為系統(tǒng)和人員交互的展示界面和平衡設(shè)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)支持。
[0057]升降機(jī)的系統(tǒng)動力學(xué)模型與系統(tǒng)整體的離散事件模型的配合:對于首部的一個井道來說，當(dāng)升降機(jī)從頂層向中層運(yùn)行事件開始的時(shí)候，首部井道內(nèi)升降機(jī)模型中的升降機(jī)從頂部到中部的運(yùn)行速率開啟，升降機(jī)數(shù)量變化流開始運(yùn)行，而當(dāng)升降機(jī)到達(dá)中層事件發(fā)生時(shí)，升降機(jī)從頂部到中部的運(yùn)行速率置零，頂層和中層的升降機(jī)數(shù)量不再變化。升降機(jī)在中層和底層之間運(yùn)行事件對升降機(jī)模型的觸發(fā)機(jī)制也是如此，不再贅述。另一方面，模型會對頂層、中層和底層的升降機(jī)數(shù)量進(jìn)行不斷監(jiān)控，以此判斷升降機(jī)當(dāng)前處在哪個位置，從而觸發(fā)開始裝配、到達(dá)甲板后操作等后續(xù)事件的開始和活動的進(jìn)行，這也是系統(tǒng)動力學(xué)模型對系統(tǒng)整體的模型的作用。
[0058]根據(jù)上述的分析和建模，在建模仿真軟件Anylogic中搭建各部分的模型，選擇元件庫，拖動元件到用戶設(shè)計(jì)區(qū)域，連接元件之間的關(guān)系，設(shè)置元件屬性和變量參數(shù)，設(shè)計(jì)函數(shù)控制相應(yīng)變量的參數(shù)值在對應(yīng)事件發(fā)生時(shí)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)離散事件模型對系統(tǒng)動力學(xué)模型的觸發(fā)和控制，得到武器保障系統(tǒng)的整體模型。
[0059]另外，為了更好地進(jìn)行人和系統(tǒng)的交互，還可以利用仿真軟件的統(tǒng)計(jì)和展示功能，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)以圖表等多種形象直觀的方式顯示出來，便于分析人員使用。
[0060]第五步:得到平衡性能仿真分析結(jié)果
[0061]利用模型進(jìn)行仿真可以得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析系統(tǒng)的平衡性能，這也是系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)的最終目的。
[0062]在武器保障系統(tǒng)模型中可以對首部和中部共四個井口內(nèi)裝配區(qū)和貯存區(qū)在裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)前后的彈藥數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，也能不斷存儲井道不同位置的升降機(jī)數(shù)量的值。通過運(yùn)行仿真程序，對監(jiān)控值與運(yùn)行時(shí)間(總的仿真時(shí)間)作商可以得到不同位置的資源(設(shè)備、人工)利用率，相當(dāng)于速率。通過比較各個部分的資源利用率的差距大小來分析系統(tǒng)的平衡性能。當(dāng)某個觀測區(qū)域內(nèi)資源利用率最大值與最小值相差比例越大，說明該區(qū)域內(nèi)平衡性能越差，反之，該區(qū)域內(nèi)的各個流程的進(jìn)行是越平衡的。如果某個觀測區(qū)域內(nèi)資源利用率最大值與最小值相差比例超過了 60%，那么可以認(rèn)為這部分平衡性能較差，資源利用率高的可能是加工瓶頸，資源利用率較低部分資源過剩，需要優(yōu)化流程和資源配置情況。
[0063]例如在Anylogic仿真軟件中對武器保障系統(tǒng)模型仿真的結(jié)果是:首部和中部各四個井口內(nèi)裝配區(qū)的人工利用率分別是0.6、0.134、0.6、0.125;相應(yīng)位置的貯存區(qū)的人工利用率分別是0.223、0.445、0.445、0.445。對于裝配區(qū)人工利用率來說，首部第二個井口和中部第二個井口比相應(yīng)位置的第一個井口內(nèi)的人工利用率明顯偏低，比例達(dá)到78%，因此這兩部分存在人力資源過剩的情況，而首部和中部的第一井口是裝配環(huán)節(jié)的瓶頸;對于貯存區(qū)人工利用率來說，首部第一個井口人工利用率比其它井口內(nèi)的略低，比例為49.8%，雖然這部分存在人工資源過剩的情況，但是整體上還在認(rèn)為該區(qū)域處在平衡狀態(tài)的閾值范圍內(nèi)。因此彈藥裝配是武器轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的平衡薄弱環(huán)節(jié)，是解決系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵部分，要合理調(diào)配以上利用率不平衡位置的人力資源。
[0064]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟: (1)確定艦載機(jī)武器保障系統(tǒng)的約束條件;所述的約束條件包括艦面整體布局、武器運(yùn)輸井道、升降機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車的工作方式，其中艦面整體布局規(guī)定了艦載機(jī)的機(jī)位部署，武器運(yùn)輸井道分布位置和轉(zhuǎn)運(yùn)車的停放位置，升降機(jī)在所述的武器運(yùn)輸井道中運(yùn)行，武器彈藥和轉(zhuǎn)運(yùn)車共同搭載升降機(jī)實(shí)現(xiàn)武器出庫，轉(zhuǎn)運(yùn)車通過搭載升降機(jī)在武器運(yùn)輸井道和艦面運(yùn)動，完成武器彈藥裝載、裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)； (2)根據(jù)步驟(I)確定的約束條件，將升降機(jī)的運(yùn)行過程和武器彈藥的轉(zhuǎn)運(yùn)裝配過程采用系統(tǒng)動力學(xué)建模，將轉(zhuǎn)運(yùn)車在武器運(yùn)輸井道內(nèi)的流程、轉(zhuǎn)運(yùn)車在艦面的流程以及武器運(yùn)輸井道的井口機(jī)械流程分別采用離散事件仿真的方法進(jìn)行建模； (3)將步驟(2)建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型同時(shí)導(dǎo)入仿真平臺，通過離散事件模型中的事件觸發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)模型開始和結(jié)束，建立起系統(tǒng)動力學(xué)模型和離散事件模型的耦合關(guān)系，形成艦載機(jī)武器保障系統(tǒng)的整體模型； (4)在仿真平臺中進(jìn)行整體模型仿真，對所述整體模型中各武器運(yùn)輸井道井口內(nèi)裝配區(qū)在裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)前后的彈藥數(shù)量，各武器運(yùn)輸井道井口內(nèi)貯存區(qū)在裝配和轉(zhuǎn)運(yùn)前后的彈藥數(shù)量，以及各武器運(yùn)輸井道內(nèi)不同位置的升降機(jī)的數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測，仿真結(jié)束后將對應(yīng)位置處的彈藥數(shù)量變化量或者升降機(jī)的數(shù)量變化量與總的仿真事件作商，得到相應(yīng)位置處的資源利用率； (5)設(shè)定需要進(jìn)行平衡性監(jiān)控的區(qū)域，將監(jiān)控區(qū)域內(nèi)資源利用率的最大值與最小值做差，差值越小判定平衡性越好，差值越大判定平衡性越差，當(dāng)差值與最大值之比超過了預(yù)先設(shè)定的判別閾值，則對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的資源進(jìn)行重新配置直至平衡性滿足要求。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的系統(tǒng)動力學(xué)模型采用系統(tǒng)動力學(xué)流圖的主鏈型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支鏈型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來描述。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的離散事件模型采用按照執(zhí)行先后順序排列的離散事件來描述。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的仿真平臺為Any logic。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的武器保障系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的判別閾值為60 %。
【文檔編號】G06F17/50GK105824999SQ201610141117
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】李昊華, 劉廣, 朱夢妮, 李海旭
【申請人】中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院