基于Monte Carlo仿真的舰船热力系统RMS指标论证研究

（海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033）

蒸汽动力系统是舰船重要的一级大型复杂系统，舰船的任何行动和工作几乎都离不开它。在论证阶段，提出的蒸汽动力系统可靠性、维修性、保障性（RMS）指标要求是否合适，关系到舰船建造的成败；在使用阶段，动力系统工作能力的好坏将影响舰船遂行任务的能力。因此，在论证阶段必须提出明确的蒸汽动力系统RMS指标要求，并对指标进行科学严谨的论证计算。

基于舰船蒸汽动力系统RMS指标论证的意义出发，根据系统环境、使用、故障、维修、保障的特点建立适合蒸汽动力系统特点的RMS 论证指标体系，采用基于Monte Carlo 数字仿真的方法建立了指标论证模型，本文在论证模型的基础上开发了相应的计算软件，从而形成一套完整的舰船热力系统RMS指标论证方法。

1 舰船热力系统RMS指标体系的建立

建立一套适用的RMS指标体系是RMS 要求论证的前提之一。[1]尽管RMS是各种装备都具有的通用特性，但是由于使用要求、维修条件、保障环境等不同，所导致的故障判据、修复要求和保障方式也各不相同，不同装备的RMS指标也各不相同。舰船蒸汽动力系统由多个可相互联通且与外部有多方面密切联系的独立组构成，每个独立组又包括大量的、相互关系密切的设备和系统，本身是一套非常复杂的热力系统；[2]同时，舰船在执行不同任务时，又对动力系统提出了不同的要求。此外，与其他类型的舰船动力系统相比，蒸汽动力系统还具有设备布局相对分散、允许“人在系统内工作”等特点，它们为舰船蒸汽动力系统的RMS 带来了很多特点。

1.1 舰船热力系统特点分析

1）舰船蒸汽动力系统环境特点分析

舰船蒸汽动力系统作为舰船的一级系统，尽管其设备布局相对分散，但与陆用系统相比，仍具有设备布局相对紧凑、活动空间狭小等舰船系统共有特点。[3]此外，也具有机舱工作环境差、高温高湿、噪音大、人员易疲劳等独有特点。

这些特点对系统RMS的影响体现在：① 船员工作环境恶劣；② 舰船环境下的设备布局通常较为紧凑，可用于维修的空间狭小，而且动力设备大多数安装在水线以下，设备的维修可能会带来吊舱之类的牵连工程，这就导致部分设备在岸上可修，安装到舰船后却不可修；③ 由于舰船空间和排水量的限制，随舰可携带的人力和备件等保障资源有限，而舰船遂行任务通常远离岸基保障，任务期间装备的保障人力资源主要是装备的使用人员，受大多数船员技术等级较低的实际情况的限制，所能实施的保障大多局限于简单的换件维修。

2）舰船蒸汽动力系统使用特点分析

使用是发挥装备战斗力的惟一环节，对于舰船蒸汽动力系统，灵活的使用方式是其RMS 得以最大限度发挥的有效手段之一。

舰船蒸汽动力系统的使用特点可归纳如下：①无论在平时还是战时，战斗舰船在绝大部分情况下都不是以全速状态航行，因此，舰船动力系统的突出使用特点是绝大部分时间工作在低负荷状态，舰船蒸汽动力系统也不例外；② 舰船蒸汽动力系统通常至少由多个独立组组成，且系统中的设备大多可变工况工作，因此，动力系统可以有多种使用方式；③ 在保证规定的推进功率和对外提供的蒸汽流量与品质不变的情况下，不同的使用方式除投入的设备不同外，系统所能达到的其他各种技术战术性能指标也不同；④ 动力系统的可用与否是与任务要求密切相关的。

3）舰船蒸汽动力系统故障特点分析

舰船蒸汽动力系统存在大量冗余设备、系统可通过桥管供汽方式重构，带来了系统的可靠性逻辑关系随任务要求变化而变化的特点，即系统的故障不能根据设备的故障情况通过简单的逻辑演绎得到。在舰船蒸汽动力系统的故障中，存在两种典型的故障情形：一是部分设备故障但系统仍能正常工作；二是各设备虽未停止工作，但由于其性能发生了退化，耗能增加、出力下降，从而在系统层面上达不到要求的功能指标而被判定为故障。

对于舰船蒸汽动力系统，比较典型的故障特点体现在以下几个方面：①系统故障与否在很大程度上取决于使用方式的灵活性；②系统故障与否还与任务对系统或设备的功能指标要求有关；③系统的故障与设备的性能退化相关；④系统的故障与工作环境有关；⑤ 由于部分设备存在冗余，设备的故障并不一定能导致系统故障；⑥ 部分自动化设备的故障并不一定导致系统的故障，可以由人工代替操作。

4）舰船蒸汽动力系统维修特点分析

系统一旦被判定为故障，就必须通过维修使系统恢复正常。与舰船蒸汽动力系统的使用特点和故障特点相呼应，系统的维修在维修时机、维修方式等方面有如下几个比较典型的特点：①系统在工作的同时可以对部分故障设备进行维修；② 部分任务允许系统停机维修；③ 任务前允许对系统实施预防性维修；④ 任务期间的维修以换件维修为主；⑤系统在任务中有设备发生故障时，允许暂不处理，待任务结束后再进行维修。

5）舰船蒸汽动力系统保障特点分析

舰船的使用过程是码头修整、海上航行、海上修整、码头修整的交替过程，与此对应，动力系统的保障有码头日常保障、海上伴随保障、任务前集中保障、返航后集中保障等几种模式。

归纳起来，舰船动力系统的保障有如下几个特点：① 在码头修整期间，舰船的维修保障由船员级、中继级、基地级三级共同完成，各类保障资源也是分三级储备，船员级的保障能力最弱，在该级别上所能实施的保障有限，但该级别的保障是最迅捷的；② 舰船作为一个独立的基本作战单元，经常遂行海上航行任务，因此，远离岸基保障是其比较突出的一个特点；③ 由于海上航行期间的维修以换件维修为主，器材保障的地位十分突出；④ 舰船遂行任务返航后，可根据任务期间的器材消耗情况向中继级或基地级申领取材，使得舰船仓库始终保持一定数量的器材；⑤为克服舰船空间和排水量有限的限制，任务期间可采取伴随保障船对舰船实施海上伴随保障；⑥ 动力系统的复杂性带来了保障的复杂性，由于设备众多，相应地，保障资源的种类也很多，动力系统的保障水平主要由针对具体设备的各类保障资源的储备水平决定。

6）舰船蒸汽动力系统的RMS 特点综合分析

综合环境特点、使用特点、故障特点、维修特点以及保障特点的分析，可以得到，舰船蒸汽动力系统的RMS 至少具有如下鲜明的特点：① 使用可用度和任务可靠度等指标必须与任务要求对应，脱离了任务背景，这类指标就失去了论证的意义；②动力系统的可靠性除了与设备的可靠性有关外，还与使用方式和故障判据密切相关，指标的可行性论证时必须结合使用方式和故障判据；③ 性能退化现象大量存在且不可避免，而且对动力系统的使用与维修保障均有直接的影响，指标论证时不能忽视；④ 动力系统的维修性除了与设备的维修性相关外，还要考虑设备故障后允许动力系统重构对维修的影响；⑤ 正是由于动力系统允许任务中维修，因而器材保障在动力系统RMS 中的地位十分突出，保障性指标中必须有专门针对器材保障的指标。

综上所述，可以建立蒸汽动力系统RMS指标集如图1所示。

图1 舰船蒸汽动力系统RMS指标参数集

1.2 舰船蒸汽动力系统RMS 论证指标体系的建立

在建立的舰船蒸汽动力系统RMS指标集的基础上，进一步选择本文将进行论证的指标参数，建立蒸汽动力系统RMS 论证指标体系。因为在指标集当中，同一类指标参数之中，有些指标的概念具有相互包容性，只需要选择其中一个即可，而有些指标参数不需要进行论证，只需要在设计时加以注意即可。因此，根据本文论证研究的需要，选择了9个具有代表性的蒸汽动力系统RMS指标参数建立起论证的指标体系，作为后续研究的重点，如图2所示。

这9个指标分别是反映战备完好性的使用可用度；反映任务成功性的任务可靠度和系统致命故障间隔平均时间；反映可靠性的系统平均故障间隔时间；反映维修性的系统平均恢复时间、设备换件维修时间和备件平均维修时间；反映保障性的舰上备件获取平均时间和备件过剩率。

图2 蒸汽动力系统RMS 论证指标体系

2 基于系统使用方案的Monte Carlo仿真论证

Monte Carlo 数字仿真方法是一种通过随机变量的统计试验、随机模拟来求解工程数学物理、工程技术问题的数值方法[4]，用于复杂系统RMS指标计算的基本原理是基于对系统的使用、维修和保障过程的多次模拟，得到大量的系统故障前工作时间、维修时间和保障延误时间等，从而按照各RMS指标与上述时间之间的关系，计算系统的RMS指标。

任务仿真就是以系统实际使用过程中的设备使用、故障维修、备件供应、人员调用等各种事件为模板，经过多次反复的“抽样”模拟，从每次任务中获取所需的RMS参数，在多次循环后统计参数的平均值。在文献[5]思路的基础上，基于可行作战使用方案的舰船蒸汽动力系统RMS仿真基本流程如图3所示。在仿真开始时，首先初始化仿真的输入参数，包括给定设备可靠性和维修性指标；给定各种随舰维修保障资源的数量；给定各阶段任务时间和功能要求及故障判据等任务剖面数据；预置各任务阶段的可行系统使用方案、方案的使用顺序及各方案所对应的最小设备清单；给定仿真循环次数；仿真时钟、系统停机时间、维修时间、维修延误时间等清零；然后进入任务过程的仿真逻辑，主要包括按任务阶段要求确定可行的使用方案、按使用方案要求投入工作设备、对故障设备定位并确认修理条件、对故障件的修复确认并及时更新备件库存数量、根据维修情况对保障资源进行占用与释放、根据设备故障情况及维修条件对设备进行维修确定、搜索是否有故障件及维修条件、判断故障件的修复情况并释放保障资源等主要事件；最后根据仿真时钟判断本次循环是否结束，根据仿真次数判断整个仿真是否结果，达到仿真次数后进行RMS参数的统计计算，输出仿真结果。

图3 基于可行使用方案的舰船蒸汽动力系统RMS仿真流程

3 舰船热力系统RMS 论证软件的编制

为了建立快速高效的模型解算工具，根据图3的舰船蒸汽动力系统RMS仿真流程，采用C#和Matlab 语言联合编制了相应的计算论证软件。软件使用Matlab 语言建立核心函数，所有仿真运算的编码均在Matlab代码中实现，C#程序负责完成与用户交互的输入、仿真结果输出界面。

软件编制完成后，选择一组典型试验数据进行仿真试验，所得结果令人满意，符合仿真的逻辑与工程实践，计算后的软件界面如图4所示。

图4 基准方案计算结果截图

4 结论

蒸汽动力系统是舰船重要的一级复杂系统，在研制论证初期就必须明确其RMS 要求，并进行论证；由于舰船热力系统的诸多特点，本文在对其6个方面特点总结研究的基础上建立了舰船蒸汽动力系统RMS指标集，并从中选择适合系统指标论证的参数建立了RMS 论证指标体系；在Monte Carlo仿真方法的基础上，给出了基于系统使用方案的仿真论证模型，并据此开发了舰船蒸汽动力系统RMS指标论证软件。从软件计算结果来看，令人满意，从而证明软件的有效性和本文方法的正确性。本文的研究形成了一套完整的舰船热力系统RMS指标论证方法，开发的软件亦具有良好的工程应用价值。

[1]王汉功,甘茂治,陈学楚,等.装备全系统全寿命管理[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2]罗云.舰用蒸汽动力装置原理与设计[M].武汉:海军工程学院,1982.

[3]金家善.舰船蒸汽动力装置技术状态评估方法研究[D].武汉:海军工程大学,2003.

[4]杨为民,盛一兴.系统可靠性数字仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.

[5]刘隆波,金家善,王锐.蒸汽动力分布式集成智能故障决策支持系统[J].海军航空工程学院学报,2009,24(1):93-96.