一种复杂约束条件下舰船任务系统仿真方法

1.本发明涉及船只装备领域，更具体地，涉及一种复杂约束条件下舰船任务系统仿真方法。


背景技术：

2.舰船任务系统在执行任务期间会受到各种各样的约束与限制，包括使用约束、维修约束和保障资源约束等，这些约束与限制都会影响任务系统的成功性。
3.因此，需要深入分析影响舰船任务系统运行的主要使用约束、维修约束和保障资源约束，研究在这些约束条件下的任务系统成功性建模与仿真，以便定量分析影响任务成功性的主要因素。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种复杂约束条件下舰船任务系统仿真方法，能够定量分析影响舰船任务系统成功性的主要因素。
5.本发明实施例提供的复杂约束条件下舰船任务系统仿真方法，包括：
6.s1，设置初始仿真参数，所述初始仿真参数至少包括舰船任务系统的使用约束条件、维修约束条件、保障资源约束条件、每一次仿真任务的结束条件和仿真次数；
7.s2，生成舰船任务系统的初始运行状态，对于此次仿真任务，根据建立的舰船任务系统的运行状态转移方程，获取舰船任务系统在任一个时刻的运行状态；
8.s3，根据舰船任务系统在任一个时刻的运行状态以及此时舰船任务系统已运行时间，判断此次仿真任务是否达到结束条件；
9.s4，当此次仿真任务达到结束条件时，执行下一次仿真任务，重复执行s2-s4，直到仿真任务的总数达到仿真次数；
10.s5，计算所有仿真任务的成功率。
11.本发明实施例提供的一种复杂约束条件下舰船任务系统成功性仿真方法，通过在各种复杂约束条件下，对舰船任务系统的成功性进行建模与仿真，准确分析影响舰船任务系统成功性的主要因素，为舰船任务系统的可用性提供基础。
附图说明
12.图1为本发明实施例提供的一种复杂约束条件下舰船任务系统成功性仿真方法流程图。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
14.图1是本发明实施例提供的一种复杂约束条件下舰船任务系统仿真方法流程图，
如图1所示，仿真方法包括：s1，设置初始仿真参数，初始仿真参数至少包括舰船任务系统的使用约束条件、维修约束条件、保障资源约束条件、每一次仿真任务的结束条件和仿真次数；s2，生成舰船任务系统的初始运行状态，对于此次仿真任务，根据建立的舰船任务系统的运行状态转移方程，获取舰船任务系统在任一个时刻的运行状态；s3，根据舰船任务系统在任一个时刻的运行状态以及此时舰船任务系统已运行时间，判断此次仿真任务是否达到结束条件；s4，当此次仿真任务达到结束条件时，执行下一次仿真任务，重复执行s2-s4，直到仿真任务的总数达到仿真次数；s5，计算所有仿真任务的成功率。
15.可以理解的是，舰船任务系统在执行任务期间会受到各种各样的约束与限制，包括使用约束、维修约束和保障资源约束等，这些约束与限制都会影响任务系统的成功性。因此，需要深入分析影响舰船任务系统运行的主要使用约束、维修约束和保障资源约束，研究在这些约束条件下的任务系统成功性建模与仿真，以便定量分析影响任务系统成功性的主要因素。
16.基于此，本发明实施例提出了在复杂约束条件下对舰船任务系统的成功性进行仿真，设置初始仿真参数，包括各种复杂约束条件、每一次仿真任务的结束条件以及仿真的总次数。开始仿真时，生成每一次仿真任务的初始运行状态，对于任何一次仿真任务，根据建立的舰船任务系统的运行状态转移方程，得到舰船任务系统在任意时刻的运行状态。对于任意时刻，可通过舰船任务系统的运行状态以及此时舰船任务系统已经运行的时间，判断此次任务是否结束，如果结束，则记录此次任务是成功还是失败。此次任务仿真结束后，对下一个任务进行仿真，直到仿真任务的次数达到设定的仿真任务总次数。
17.统计所有仿真任务中成功的次数和失败的次数，计算所有仿真任务的成功率。
18.在一种可能的实施例方式中，可以理解的是，在舰船任务系统执行任务期间，影响任务系统运行的主要因素通常包括使用约束、维修约束和保障资源约束等三个方面。
19.其中，在舰船任务系统执行规定任务的过程中，操作人员不仅需要高效完成规定的任务，而且还需要统筹兼顾到船只其它任务的运行，常常对组成任务系统的部分单元的使用提出一定的使用约束或限制，这些对单元的使用约束或限制常常反映在使用规则之中。如常见的任务系统使用约束条件包括：
20.(1)单元状态最大持续时间。任务系统在执行任务期间对部分单元在某种状态下的持续运行时间进行限制。如一个由主单元和备用单元组成的冗余任务系统，当主单元出现故障，则由备用单元承担相应功能，但是，由于备用单元的功能精度差于主单元，从满足任务要求角度，通常规定备用单元的最大运行时间。
21.当部分单元有最大持续时间的规定时，这些约束条件将影响任务系统的状念转移进程。设单元ai在状态si下持续时间超过t
i,max
时，将导致任务系统无法满足规定的精度要求。若任务系统进入当前状态时，单元ai由其它状态转移至状态si，此时，单元ai的状态si的实际持续时间为：
[0022][0023]
其中，t
i(k)
是单元ai在状态si下的对应寿命，由于单元ai受到最大持续时间的影响从而间接地影响到任务系统的状态转移。
[0024]
(2)单元状态最小持续时间约束,即限制舰船任务系统中的部分单元在某种状态
下的最小持续时间，如惯性导航设备的最小启动时间等。类似地，当单元ai在状态si下规定了最小持续时间为t
i,min
时，若系统进入当前状态时，单元ai由其它状态转移至状态si，此时，应生成从状态si对应分布的随机变量t
i(k)
。此时，单元ai的状态si的实际持续时间为：
[0025][0026]
对于舰船任务系统的维修约束分析，为了有效提高任务系统的成功性，不仅需要对故障单元进行及时维修，而且还需要根据单元的使用与维修特点，规定了单元的维修要求，如单元的定期维护与保养、定期维修等，这些单元的维修要求可提高单元的可用性，进而影响任务系统的成功性。如常见的系统维修约束包括：
[0027]
(1)单元最大允许维修时间约束。在舰船系统中，某些单元故障后需要及时进行维修，即在规定时间范围内将该故障单元修复，否则会造成任务失败。对这类单元常常规定有最大允许维修时间限制。
[0028]
若系统中包含这类维修约束的单元，不妨设单元ai的最大允许维修时间为t
rmax
，在系统失败状态集中增加一种状态s
i-error
，表示由于单元ai在允许时间内不能成功维修而导致的状态。当该单元由其它状态进入故障状态、系统状态转为时，立即对该单元进行维修，维修时间为t
ir
。若t
ir
≤t
rmax
，即在规定的最大允许时间内修复了单元ai，此时不影响系统的后续状态转移；若t
ir
＞trmax，即在规定的最大允许时间未修复单元ai，则系统在状态至多持续t
rmax
时长，随后进入故障状态s
i-error
。
[0029]
(2)单元定期检修约束，对于任务系统中的重要单元，采取定期检修的维修方式，可将故障防范于未然。通过定期检修后，单元性能恢复如初，降低了故障发生率，提高了任务系统的成功性。
[0030]
对于舰船任务系统的保障资源约束，为有效保持船只装备的可用性，必须合理配置相关维修人员、技术资料，以及备件、保障设备等保障资源，为充分发挥船只装备的作战效能提供支撑。在众多的船只装备保障要素中，相对于维修人员维修能力、维修设备保障能力等要素，备件保障能力是影响设备/系统可用性，以及各类任务成功性的主要要素。由于受船只内部空间环境的限制，船只装备通常采用换件方式进行维修。如果在设备维修过程中无法获得所需要的备件，则导致设备无法及时修复，从而影响任务系统完成规定的任务。对于舰船任务系统而言，在远离本土长期海上执行任务期间，各种保障资源(尤其是维修所用备件)的补给常常周期长、成本高，决定了装备维修保障所需的备件应以随舰携行为主，备件资源的这种有限性将直接影响任务系统的成功性。
[0031]
对舰船任务系统的使用约束条件和维修约束条件进行定义后，对使用约束条件和维修约束条件对任务成功性的作用机理进行介绍。
[0032]
在舰船任务系统运行过程中，由于受使用、维修、保障资源等因素的制约，导致任务系统运行进程的改变，并最终影响到任务系统的成功性。在这些因素中，使用因素与维修因素常常直接对任务系统的状态保持与状态转移方向产生作用，而保障资源等因素主要是通过影响维修活动而产生作用。
[0033]
设舰船任务系统的当前运行状态为在舰船任务系统运行状态下处于工作状态和故障状态的单元数为h(1≤h≤n)，不妨认为这些单元为舰船
任务系统的前h个单元，对应的h个单元分别为a1,a2,...,ah，为舰船任务系统的h个单元中每一个单元的运行状态；对于舰船任务系统运行状态h个单元在该运行状态下的运行持续时间分别为
[0034]
舰船任务系统在运行状态下的运行持续时间与使用约束条件、维修约束条件、保障资源约束条件以及h个单元在该运行状态下的运行持续时间之间的关系式能够表示为：
[0035][0036]
其中，use_restrn,rep_restrn,res_restrn分别表示使用约束条件、维修约束条件和保障资源约束条件。
[0037]
由上式可以看出，尽管每个单元状态的持续时间在无约束条件下服从指数分布，但由于系统状态受使用、维修、保障资源等约束条件的限制，此时任务系统在状态下的持续时间的分布规律已不服从指数分布。
[0038]
进一步分析表明，尽管使用约束条件、维修约束条件与保障资源约束条件等制约因素影响到任务系统的状态保持与状态转移，但并没有影响单元的固有寿命规律与维修规律，即每个单元的运行规律还具有无记忆性，因此，任务系统的运行状态转移仍具有markov性，即在使用、维修与保障资源等约束条件下，任务系统的运行过程实际上服从markov更新过程。
[0039]
在一种可能的实施例方式中，s2包括：构建舰船任务系统在第k个运行状态的状态持续时间的表达方程；根据舰船任务系统在第k个运行状态的状态持续时间以及每一个单元的状态持续时间，建立舰船任务系统从第k个运行状态转移到第(k 1)个运行状态的判决条件；基于建立的舰船任务系统运行状态转移的判决条件，构建舰船任务系统的运行状态集合中，每两个运行状态之间的状态转移矩阵，所述状态转移矩阵描述了舰船任务系统的运行状态集合，每两个运行状态之间能否转移。
[0040]
可以理解的是，上述对任务系统在各个状态下的运行持续时间进行了分析，下面对任务系统在不同时间的运行状态转移过程进行分析。
[0041]
设任务系统由n个单元组成，分别记为a1,a2,...,an，其中单元ai在任务过程中共出现mi种状态，分别记为并假设所有单元在各状态下的持续时间服从指数分布。此时，任务系统的状态可表示为s
system
＝(s1,s2,....,sn)。同时根据任务系统的成功判别准则，可将任务系统的状态集{se
system
}划分为成功状态集{sw
system
}和失败状态集{sf
system
}。
[0042]
(1)单元状态的仿真表示。对于单元ai而言，共有mi种互斥状态，其在某种状态下的时长主要由单元自身性能和维修资源来决定。特别地，若单元ai存在备用状态，则其处于备用状态的时长将由其它单元的状态决定，只要其它单元能顺利完成系统任务，单元ai就不会改变其所处的状态；否则单元ai从备用状态转移到其它状态，以承担系统任务。因此，若单元ai存在备用状态，可将第mi个状态设为备用状态，并用m
i-1
个变量分别表示当前系统状态下，单元ai处于其第1种，第2种，...，第m
i-1
种状态的持续时间。由于单元ai的mi种状态是互斥的，故变量至多只有一个非0变量，非0变量表示单元ai处于该变量对应的状态中；若所有变量为0，则表示单元ai处于第mi种状态，即备用状态。若单元ai不存在备用状态，则变量个数等于单元的状态数。
[0043]
(2)使用约束的仿真表示。在无约束条件下，任务系统的状态持续时间实际上是所有单元当前工况持续时间的最小值，而其任务系统的转移方向则由最早改变状态的单元来决定。在具有使用限制的条件下，组成任务系统的单元在该系统状态下的持续时间还应满足使用约束条件。因此，使用约束条件可以利用单元的寿命或维修时间来表示。譬如，对于集航向测量系统，为保持测量精度，对陀螺罗经提出单次最大持续工作时间t
c,max
，惯性导航设备启动时间不低于t
s,min
。此时，该任务系统的使用约束为：
[0044]
use_restrn＝{min(t
as
,t
bs
)≥t
s,min
,tc≤t
c,max
}；
[0045]
其中,t
as
,t
bs
,tc分别为惯性导航设备a、b的启动时间和陀螺罗经的单次工作时间。
[0046]
(3)维修约束的仿真表示。相对而言，维修约束与保障资源约束不仅涉及因素多，而且约束形式多样，需要针对不同任务系统特点确定维修约束与保障资源约束的表示方法。如对于某航向测量系统而言，从提高陀螺罗经的可用性角度，通常对陀螺罗经进行定期检修，其检修间隔为t
cr
，即当陀螺罗经累计无故障运行时间超过t
cr
时进行检修。当陀螺罗经在状态处于工作状态，则在状态结束时陀螺罗经的累积工作时间为：
[0047][0048]
若陀螺罗经停机检修，令t
c,op
＝0,陀螺罗经工作t
c,w
重新生成；若陀螺罗经不检修。若陀螺罗经下一状态仍为工作状态，则陀螺罗经不检修。
[0049]
(4)保障资源约束的仿真表示。保障资源作为影响任务成功性的主要制约因素，由于备件配置方案的复杂性，逐个分析每种备件对任务成功性的影响不仅会导致模型极其复杂，而且还导致不同任务的军事需求难以简单转化为对船只备件的保障要求，其结果是目前船只携行备件主要依据经验进行配置，而无法根据军事需求进行配置，这是导致随舰备件保障能力普遍不高的重要原因。
[0050]
为了更好地建立系统任务成功性模型，本发明实施例将船只备件等效为对设备(单元)进行的整机备份，以简化任务成功性建模的复杂性。假设任务系统由n个单元组成，第i个单元的整机冗余量为ni(i＝1,2,...,n)，则备件资源约束可表示为：
[0051][0052]
其中，f
i(k)
表示任务系统处于状态时单元ai的累积故障次数。显然，当f
i(k)
＞ni时，单元i的累积故障次数已超过整机冗余量，即无备件可用于维修，此时单元i始终处于故障状态而无法工作。
[0053]
当系统处于状态开始时刻，获取该状态下各单元状态，设有h(1≤h≤n)个单元处于工作或维修状态，相应的状态持续时间分别为若单元ai的状态s
i(k)
为s
ij
，则t
i(k)
＝t
ij
。根据任务系统运行状态的竞争模型可知，系统在当前状态的持续时间此时，任务系统是否进入下一状态取决于：
[0054][0055]
表明单元a
l
在满足使用、维修与保障资源约束条件下率先发生状态变化，并根据任务系统的使用规则，确定系统状态转移的下一状态。在系统状态结束，即系统状态开始时刻，更新系统所有单元状态及其特续时间。其中，若单元ai进入新状态s
ij
，则其持续时间重新生成，为服从新状态对应分布类型和参数的随机变量，即t
i(k 1)
＝t
ij'
，且更新t
ij
＝0；若处于非备用状态的单元ai保持当前状态不变，则该单元的状态持续时间更新，
[0056]
在一种可能的实施例方式中，基于建立的舰船任务系统运行状态转移的判决条件，构建舰船任务系统的运行状态集合中，每两个运行状态之间的状态转移矩阵具体为，为方便在表示任务系统{se
system
}的状态转移，设舰船任务系统运行状态集合{se
system
}中共有n个运行状态，分别记为se1,se2,...,sen；根据舰船任务系统的工作流程，逐一判断舰船任务系统能否从运行状态sei直接一步转移到运行状态sej，并用a
ij
表示，其中：
[0057][0058]
这样就构建了舰船任务系统运行状态转移矩阵a＝(a
ij
)n×n，其中，运行状态转移矩阵a中的元素包括0和1，反映系统状态的可能转移。显然，若系统状态sei为成功状态，则系统可从该状态转移到其它状态，即a
ij
(1≤j≤n)不全为0；否则该系统状态为吸收态，即a
ij
＝0(1≤j≤n)。
[0059]
舰船任务系统从任务开始时刻经历的第k个运行状态为舰船任务系统运行状态集合{se
system
}中的元素，舰船任务系统的第k个状态能用n维单位行向量x
(k)
表示，其中，x
(k)
＝(0,0,...,1,0,...0)，该向量第i个元素为1，其它元素全为0。利用舰船任务系统运行状态转移矩阵a，确定舰船任务系统从第k个运行状态转移到第(k 1)个运行状态的状态向量x
(k 1)
为x
(k 1)
＝x
(k)
·
a；其中，若x
(k 1)
为单位向量，表明舰船任务系统的第(k 1)个运行状态是唯一的，向量x
(k 1)
中非零元素所在的位置对应舰船任务系统的第(k 1)个运行状态；若x
(k 1)
为零向量，表明不存在第(k 1)个运行状态，即当前第k个运行状态为舰船任务系统的吸收态，表示任务失败；若x
(k 1)
既非单位向量也非零向量，表明舰船任务系统的第(k 1)个运行状态存在多种可能，第(k 1)个运行状态的选择取决于构成舰船任务系统的多个单元中率先改变状态的单元的运行状态，此时，需要对这些单元在第k个状态中状态持续时间进行比较。
[0060]
在一种可能的实施例方式中，根据舰船任务系统在任一个时刻的运行状态以及此时舰船任务系统已运行时间，判断此次仿真任务是否达到结束条件包括：根据此次仿真任务的初始运行状态和运行状态转移方程，确定当前时刻此次仿真任务的当前运行状态和舰船任务系统已运行时间；当此次仿真任务的当前运行状态为故障状态或者舰船任务系统已运行时间达到设定的任务运行时间时，此次仿真任务结束，并记录此次仿真任务是否成功。
[0061]
其中，此次仿真任务结束时，若此次仿真任务的当前运行状态为故障状态，则此次
仿真任务执行失败；若此次仿真任务已运行时间达到设定的任务运行时间，则此次仿真任务执行成功。
[0062]
可以理解的是，设每一次仿真任务的运行时间为t
all
，此时任务系统已运行时间为t。若t＜t
all
，系统状态进入失败状态集{sf
system
}，则该次任务失败；若t＝t
all
，系统状态仍处于成功状态集{sw
system
}，则该次任务成功。
[0063]
由于仿真过程中涉及大量随机数的生成，因此，单次任务结果也具有随机性。当对仿真过程重复r次时，记录任务成功的次数rs，则为仿真得到的任务成功的频率。根据大数定律可知，当仿真次数r无限增大时，任务成功的频率依概率收敛到任务成功率。因此，仿真次数r足够大时，就可以用近似表示任务成功率。通常可取仿真次数r在10000到100000之间。仿真结束后，记录单元i的累积故障次数f
i(k)
，可计算所有仿真任务的成功率，根据所有仿真任务的成功率，判别舰船任务系统是否为可用。
[0064]
本发明实施例提供的一种复杂约束条件下舰船任务系统仿真方法，设置仿真约束条件，生成舰船任务系统的初始运行状态，对于此次仿真任务，根据建立的舰船任务系统的运行状态转移方程，获取舰船任务系统在任一个时刻的运行状态；根据舰船任务系统在任一个时刻的运行状态以及此时舰船任务系统已运行时间，判断此次仿真任务是否达到结束条件；当此次仿真任务达到结束条件时，执行下一次仿真任务，直到仿真任务的总数达到仿真次数；计算所有仿真任务的成功率。本发明实施例通过在各种复杂约束条件下，对舰船任务系统的成功性进行建模与仿真，准确分析影响舰船任务系统成功性的主要因素，为舰船任务系统的可用性提供基础。
[0065]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0066]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包括这些改动和变型在内。