裝備維修保障系統(tǒng)的業(yè)務(wù)建模

裝備維修保障系統(tǒng)的業(yè)務(wù)建模

安裝維修系統(tǒng)（css）是一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)，包括五個相關(guān)因素：設(shè)施結(jié)構(gòu)、設(shè)備任務(wù)、設(shè)備系統(tǒng)、維護(hù)活動和備份消耗系統(tǒng)。在EMSS中,一方面,EMSS的狀態(tài)數(shù)隨著參數(shù)的增加呈指數(shù)級增長而導(dǎo)致了復(fù)雜性,另一方面,EMSS的演化規(guī)律受隨機(jī)參數(shù)影響而導(dǎo)致了動態(tài)性。所以,基于解析方程的EMSS逼真建模很難并進(jìn)而導(dǎo)致了EMSS的仿真研究。目前EMSS相關(guān)的仿真研究大致包括四個方面:維修活動的仿真;備件庫存系統(tǒng)仿真;裝備任務(wù)仿真;裝備可靠性和維修性仿真。這些研究工作各自對所感興趣的EMSS某個側(cè)面建立了仿真模型,可是在實(shí)際的EMSS中這四個方面是緊密關(guān)聯(lián)的,所以本文研究面向整個EMSS的仿真建模。EMSS的整體仿真建模在邏輯上需要考慮從物理層到業(yè)務(wù)層的全面兼容性;在橫向上需要包括多類裝備任務(wù),裝備的金字塔型層次結(jié)構(gòu)和“維修-備件庫存”系統(tǒng)的多級結(jié)構(gòu)。為了滿足這兩個基本需要,本文采用了面向?qū)ο?ObjectOriented,OO)的設(shè)計(jì)方法,最近,OO的思想還被Manuel等成功應(yīng)用在和EMSS類似的多級庫存供應(yīng)鏈系統(tǒng)的仿真建模中。1制下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)EMSS是一個物理實(shí)在的且在人工規(guī)則控制下的系統(tǒng)。因此,本節(jié)以一種“物理層—業(yè)務(wù)層”的兩層方法對EMSS加以分析,最后列一個EMSS的參數(shù)表來展現(xiàn)分析的成果。1.1戰(zhàn)單元combund從基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)看,EMSS是包括多級基礎(chǔ)設(shè)施、裝備系統(tǒng)、維修人員與設(shè)備、備件供應(yīng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)的多級系統(tǒng)。以經(jīng)典的三級保障體制為例,EMSS最高層是基地級維修保障中心,其下是L個能夠執(zhí)行某種任務(wù)的作戰(zhàn)單元(CombatUnit,CU),CU中有主管裝備任務(wù)的作戰(zhàn)部門和中繼級裝備維修保障部門,后者包括維修組和備件庫存。每個CU下有N個能夠完成基本作戰(zhàn)任務(wù)的基本作戰(zhàn)單元(BasicCombatUnit,BCU),BCU中有執(zhí)行任務(wù)的裝備(群)以及完成基層級維修保障任務(wù)的維修組和備件庫存。EMSS物理層具有明顯的面向服務(wù)性和隨機(jī)性:(1)如果將任務(wù)、故障和備件需求看成顧客,則可將裝備、維修臺和備件庫存當(dāng)成服務(wù)臺;(2)EMSS中裝備系統(tǒng)的劣化失效、備件到達(dá)、任務(wù)到達(dá)以及維修時間等因素都是隨機(jī)的?？傊?EMSS物理層是一個由多種服務(wù)節(jié)點(diǎn)連接而成的隨機(jī)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),又可簡稱為排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)。1.2基于sqp的業(yè)務(wù)規(guī)則EMSS業(yè)務(wù)層實(shí)質(zhì)上是EMSS之中的“軟件”,它是由各種業(yè)務(wù)流程組成的,而業(yè)務(wù)流程又可以分為各種基本業(yè)務(wù)活動。因?yàn)镋MSS的保障目的是裝備任務(wù),保障方式是維修,關(guān)鍵維修資源是維修臺和備件,所以不妨將EMSS的基本業(yè)務(wù)活動分成三類,分別是裝備任務(wù)管理活動、維修管理活動和備件管理活動。EMSS業(yè)務(wù)規(guī)則是生成EMSS業(yè)務(wù)活動和業(yè)務(wù)流程的根本因素。EMSS業(yè)務(wù)規(guī)則是各種對象根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)采取適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)活動的映射規(guī)則,包括任務(wù)管理規(guī)則、維修管理規(guī)則和備件庫存管理規(guī)則。業(yè)務(wù)規(guī)則和隨機(jī)環(huán)境的交互影響形成了各種復(fù)雜的EMSS業(yè)務(wù)流程。1.3mss參數(shù)設(shè)置以下按5個類別簡要列舉影響EMSS性能的一些重要參數(shù)。EMSS參數(shù)可以分為可控的設(shè)計(jì)參數(shù)和不可控的環(huán)境參數(shù)。其中設(shè)計(jì)參數(shù)可以分為一次性設(shè)定的配置參數(shù)和長期控制系統(tǒng)運(yùn)行的業(yè)務(wù)規(guī)則;環(huán)境參數(shù)可以分為確定參數(shù)和隨機(jī)參數(shù),如表1所示。2基于psrmo的ssos模擬建模本節(jié)將進(jìn)行基于SSRMO的EMSS仿真模型的綜合設(shè)計(jì)。2.1ssro算法從第1節(jié)的分析已知EMSS物理基礎(chǔ)設(shè)施是一種三層體系結(jié)構(gòu),所以對應(yīng)地要設(shè)計(jì)一種基于三級SSRMO的EMSS仿真模型,其總體框架如圖1所示。為了有效地對EMSS物理層的關(guān)聯(lián)服務(wù)資源進(jìn)行建模,需要在對象的設(shè)計(jì)上對隊(duì)列、服務(wù)臺、隊(duì)列管理和服務(wù)規(guī)則等通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行統(tǒng)一封裝,這是隨機(jī)服務(wù)資源管理對象(StochasticServiceResourceManagementObject,SSRMO)得名的根本原因。每個SSRMO的結(jié)構(gòu)包括隊(duì)列實(shí)體和服務(wù)臺實(shí)體,而方法則包括三種響應(yīng)函數(shù):狀態(tài)響應(yīng)函數(shù)、消息響應(yīng)函數(shù)和事件響應(yīng)函數(shù)。以BCU的SSRMO建模為例,可分成“BCU備件SSRMO”、“BCU任務(wù)SSRMO”和“BCU維修SSRMO”三個對象,如圖2所示。2.2基于ssmo的sass仿真建模SSRMO仿真模型通過各個SSRMO根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則不斷交互執(zhí)行基本業(yè)務(wù)活動來完成EMSS中的業(yè)務(wù)流程。所以,基于SSRMO的EMSS仿真建模要先解決業(yè)務(wù)流程建模的問題,再解決將業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)成每個SSRMO業(yè)務(wù)規(guī)則的問題。以下分別提出這兩個問題的解決方案。2.2.1基于l動態(tài)建模技術(shù)的流程建模UML系列模型是面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模型,本文借助UML動態(tài)建模技術(shù)來解決業(yè)務(wù)流程建模的問題。UML動態(tài)建模包括狀態(tài)圖、活動圖、順序圖和協(xié)作圖的建模。圖3以一個可中斷任務(wù)到達(dá)空閑BCU引發(fā)的業(yè)務(wù)流程為例,說明UML中活動圖的建模方法。2.2.2知消息、自身狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)的映射規(guī)則函數(shù)SSRMO業(yè)務(wù)規(guī)則設(shè)計(jì)體現(xiàn)為將業(yè)務(wù)流程模型中蘊(yùn)含的SSRMO業(yè)務(wù)規(guī)則設(shè)計(jì)成各個SSRMO的處理函數(shù)。SSRMO處理函數(shù)是從SSRMO的觸發(fā)事件、通知消息、自身狀態(tài)、其他對象狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)到該SSRMO所能夠采取的活動的,具有“IFconditionTHENaction”形式的映射規(guī)則函數(shù)。SSRMO處理函數(shù)包括:被動式的事件響應(yīng)函數(shù)(EventHandlingFunction,EHF)和消息響應(yīng)函數(shù)(MessageHandlingFunction,MHF);主動式的狀態(tài)響應(yīng)函數(shù)(StateHandlingFunction,SHF)和基于黑板模型的SSRMO協(xié)作機(jī)制。(1)mhf的特征SSRMO被動響應(yīng)函數(shù)分成EHF和MHF兩種,要根據(jù)它們的特點(diǎn)來提取。EHF是EMSS中發(fā)生在此后某個時刻的處理函數(shù),大多用在業(yè)務(wù)流程中處理故障件流轉(zhuǎn)和備件流轉(zhuǎn)等具有延時的事件上。而MHF是發(fā)生在當(dāng)前時刻的業(yè)務(wù)處理函數(shù),大多數(shù)用在業(yè)務(wù)流程中處理可以瞬時到達(dá)的通知消息。比如,從圖3可以分析出:BCU備件SSRMO至少需要有處理“備件需求到達(dá)消息”的MHF和處理“上級下發(fā)備件運(yùn)到事件”的EHF。(2)滿足特定條件的業(yè)務(wù)規(guī)則有一些業(yè)務(wù)規(guī)則還要求SSRMO主動地監(jiān)控一些關(guān)鍵的自身或者其他SSRMO的狀態(tài),當(dāng)滿足特定條件時采取對應(yīng)的活動。具備上述特點(diǎn)的業(yè)務(wù)規(guī)則應(yīng)該設(shè)計(jì)成SHF。例如:從圖3可以發(fā)現(xiàn),BCU維修SSRMO在“有新故障到達(dá)”且“維修臺忙碌”兩個狀態(tài)同時成立時就采取“排進(jìn)隊(duì)列等待”活動。根據(jù)該業(yè)務(wù)規(guī)則設(shè)計(jì)出的響應(yīng)函數(shù)就是對應(yīng)的SHF。(3)多核心協(xié)同的ssr-協(xié)同模型基于SSRMO的仿真建模在通過對象分解來減少復(fù)雜性的同時也造成了狀態(tài)信息和活動的分割,從而減弱了EMSS業(yè)務(wù)規(guī)則的建模能力。所以,本文采用黑板模型來將多個需要協(xié)作的SSRMO分布式信息集中,然后各個SSRMO能根據(jù)黑板信息來相互協(xié)作以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的響應(yīng)函數(shù)。以BCU為例,當(dāng)建立信息共享黑板后,可設(shè)計(jì)以下響應(yīng)函數(shù):若BCU任務(wù)SSRMO“任務(wù)量大于5”且BCU維修SSRMO“維修隊(duì)列長于4”,則BCU任務(wù)SSRMO“將新到達(dá)任務(wù)調(diào)整給其他BCU”和BCU備件SSRMO“發(fā)起備件請領(lǐng)”。3基于ss案例模型的仿真設(shè)計(jì)本節(jié)將基于本文提出的SSRMO方法來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個EMSS案例的仿真模型。下邊將給出EMSS案例的各種參數(shù)設(shè)置和仿真運(yùn)行的結(jié)果及分析。3.1基本作戰(zhàn)單元假設(shè)維修基地下有3個作戰(zhàn)單元(CU),每個CU下有3個基本作戰(zhàn)單元(BCU),每個BCU中有3臺互異的裝備。BCU到CU的運(yùn)輸時間為30個時間單位,CU到維修基地的運(yùn)輸時間設(shè)為70個時間單位。3.2基于lru的維修資源現(xiàn)假設(shè)所有的裝備都是兩層結(jié)構(gòu),所有的部件的可靠性邏輯關(guān)系都是串聯(lián)。三種裝備的結(jié)構(gòu)信息見表2,表中的LRU和SRU分別是現(xiàn)場可更換單元(LineRepairableUnit)和車間可更換單元(ShopReparableUnit)的簡稱。設(shè)裝備故障可以歸結(jié)為LRU的故障,LRU的故障有兩類,一類可修故障是由更底層的SRU故障引起,可以通過更換SRU修復(fù),設(shè)所有SRU的故障時間都服從參數(shù)為0.001的指數(shù)分布;另一類是不可修故障,設(shè)每種LRU都有0.1的概率不可修而需要報(bào)廢。表3給出了每種LRU維修所需的維修資源。假設(shè)維修資源R1的維修時間服從參數(shù)為(0.2,1,4)(0.2,1,4)的三角分布,而其他維修資源的維修時間都服從參數(shù)為(0.5,1,4)(0.5,1,4)的三角分布。取三角分布的原因是為了避免常規(guī)的正態(tài)分布的概率密度函數(shù)兩邊無限延伸的缺點(diǎn),該缺點(diǎn)會導(dǎo)致維修時間出現(xiàn)負(fù)值。另外,三角分布還能夠描述實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)的非對稱單峰分布。3.3焦慮修復(fù)性維修本文的仿真模型中,維修基地配置R3和R4各1個;每個CU中配置R1和R2各1個。在維修活動上只考慮修復(fù)性維修,其流程是:①LRU的更換可以在BCU進(jìn)行,SRU的更換只能用特定的維修資源來完成。②在各級,如果有備件則立即更換,否則按照各自的策略獲取備件。③在各級,如果可修則進(jìn)入待修隊(duì)列,否則將故障件送修到上級。④修復(fù)后,修復(fù)件成為本級備件庫存的備件。⑤在各個維修臺前,維修策略是先到先修。3.4庫存優(yōu)化策略EMSS的備件子系統(tǒng)參數(shù)包括備件的特性參數(shù)和備件庫存策略兩方面:(1)備件特性參數(shù)包括“備件購買延時”和“備件價格”等,不妨假設(shè)所有的LRU備件的價格都是20,所有的SRU備件的價格都是5,基地庫存購買所有備件的到貨延時服從參數(shù)為(200,360,400)(200,360,400)的三角分布。(2)備件庫存策略是:①各級存儲的備件種類由本級的維修需求和下級的備件需求決定:在BCU只有LRU備件,在CU有LRU和本級維修所需的SRU(簡稱為CUSRU)備件,而在維修基地則有下級所需的LRU備件,CUSRU備件,和本級維修所特需的SRU(簡稱為MBSRU)備件;②各級庫存對上次訂購之后的各種新到備件請求量做統(tǒng)計(jì),當(dāng)達(dá)到門限時進(jìn)行請領(lǐng)/購買。假設(shè)BCU門限是1,CU門限是3,維修基地的門限是6。3.5任務(wù)4:計(jì)劃任務(wù)任務(wù)特性參數(shù)包括任務(wù)的到達(dá)間隔分布,任務(wù)持續(xù)時間分布和任務(wù)的可中斷性。本例假設(shè)有兩類任務(wù):第一類是計(jì)劃任務(wù),它每隔10個單位時間執(zhí)行一次,每次執(zhí)行5個單位時間;第二類是隨機(jī)任務(wù),它的到達(dá)間隔時間服從參數(shù)為0.01的指數(shù)分布,任務(wù)執(zhí)行時間服從參數(shù)為0.1的指數(shù)分布。3.6基于ssmo的仿真模型仿真分析按照以上給出的EMSS信息,本文基于SSRMO方法建立了EMSS模型,然后用VC++6.0將其編程實(shí)現(xiàn)。并在P4,3.06GHz的CPU,512MB內(nèi)存的微機(jī)上進(jìn)行了一次時鐘長度為100000的仿真,實(shí)際耗時56s,表4給出了這次仿真統(tǒng)計(jì)出的EMSS性能指標(biāo)。至此可以得出兩個方面的結(jié)論:(1)從本文案例貼近實(shí)際的特點(diǎn)可以看出基于SSRMO的仿真建模方法的可行性;(2)從表4可以看出基于SSRMO仿真模型對EMSS設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價的可行性。例如,從表4可以得到以下結(jié)論:①R1,R2,R3和R4這4種資源基本上處于空閑的狀態(tài),所以可以考慮減少它們的配置數(shù)量;②BCU的可用度和LRU備件滿足率能夠保持比較高的水平,但是BCU的任務(wù)隊(duì)列長度卻有可能非常長,這是由于BCU之間任務(wù)動態(tài)分配的機(jī)制沒有引進(jìn),當(dāng)隨機(jī)任務(wù)較多或者BCU出現(xiàn)偶然故障就造成很多任務(wù)等待的緣故,所以要考慮加入任務(wù)動態(tài)調(diào)度的機(jī)制來避免等待。4基于ssmo的建模方法本文提出了基于隨機(jī)服務(wù)資源管理對象(SSRMO)的裝備維修保障系統(tǒng)