基于概率活動網(wǎng)絡(luò)的軍用飛機(jī)綜合保障的建模和仿真

李 瑜 周 巖

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028 ）

基于概率活動網(wǎng)絡(luò)的軍用飛機(jī)綜合保障的建模和仿真

李 瑜 周 巖

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028 ）

針對我軍綜合保障分析設(shè)計的需求，建立了一個概率活動網(wǎng)絡(luò)模型，用于模擬真實的維修和使用保障活動，并介紹了任務(wù)模型和保障資源模型。用實例驗證了該方法的可行性。

綜合保障；建模；仿真；概率；活動網(wǎng)絡(luò)

隨著我軍飛機(jī)平臺技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的戰(zhàn)斗性能得到長足的發(fā)展，但在訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用中，飛機(jī)的綜合保障水平會直接制約其戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。經(jīng)過在外場調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，一線維修人員往往處于備件不足、保障設(shè)備不兼容、測試設(shè)備故障過多等困境。這種情況主要是由于后勤保障系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃沒有能夠和飛機(jī)的真實使用場景結(jié)合起來，基本上都是憑專家經(jīng)驗和類似比較法得到。綜合保障涉及到的因素較多，包括備件、人員、維修策略、工具設(shè)備和廠房等，而且維修保障中的隨機(jī)因素較多，例如維修工作所需的時間，維修設(shè)備突發(fā)的故障，飛機(jī)系統(tǒng)故障類型等，從而導(dǎo)致保障方案設(shè)計的難度非常大。憑經(jīng)驗和類似法在實踐中證明缺陷很大。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計算方法往往過于簡單，無法有效地處理這些大量細(xì)節(jié)的隨機(jī)問題。而通過計算機(jī)仿真能夠?qū)⑺须S機(jī)因素和設(shè)計方案統(tǒng)一考慮在內(nèi)，可以有效地進(jìn)行綜合保障分析設(shè)計。

當(dāng)前國內(nèi)比較缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的綜合保障仿真工具，較多單位購買和使用國外的仿真產(chǎn)品，該類產(chǎn)品的最大問題在于其內(nèi)置的飛機(jī)的使用維修活動模型是固定的，不能根據(jù)我軍的情況進(jìn)行靈活的定制，而國內(nèi)的維修模式和策略往往和國外的差距比較大。為了解決該問題，本單位自主研發(fā)了綜合保障仿真軟件RichSims。RichSims參考美軍的著名保障仿真工具LCOM，核心模型是一個由用戶自己定制的概率活動網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以用于模擬飛機(jī)使用和維修活動的全部工作，滿足我軍綜合保障的仿真與建模需求。

1 概率活動網(wǎng)絡(luò)圖模型

概率活動網(wǎng)絡(luò)圖模型以圖形的結(jié)構(gòu)表達(dá)了使用和維修活動的執(zhí)行邏輯關(guān)系。每個活動都具有特定的屬性用于指定活動的執(zhí)行時間和執(zhí)行概率，這些屬性取值滿足用戶指定的概率分布。例如，液壓系統(tǒng)檢修工作時間服從對數(shù)正態(tài)分布，平均時間為30min，標(biāo)準(zhǔn)差為5min。

圖1是一個典型的軍用飛機(jī)從飛行前檢查到飛行后維修檢查的整個使用歷程。

活動網(wǎng)絡(luò)中的線表示被確切定義的活動，圈（頂點(diǎn)）表示活動的開始和結(jié)束。典型的活動包括了飛機(jī)飛行、飛機(jī)加油、武器裝載、系統(tǒng)或部件的航線檢查、系統(tǒng)或部件的航線修理、系統(tǒng)或部件的航線拆裝或更換、部件在定檢廠的離位檢查、部件在定檢廠的修理、從航材倉庫獲得備件、備件運(yùn)輸?shù)胶骄€等。

活動網(wǎng)絡(luò)圖不僅模擬活動過程，也表達(dá)了活動之間的結(jié)果關(guān)系。如圖1，一些活動是串行的，一些則是并行的，一些活動必須等到所有前置活動完成后才能開始。活動網(wǎng)絡(luò)圖定義了所有可能的活動，但并不表示每一次它們會被執(zhí)行。如圖1中包含了飛行前的活動、飛行活動（被作為一個活動）和不同的飛行后活動。它們中的一些活動，像飛行前和飛行是必須發(fā)生的，其他的，像飛行后的非計劃維修就不一定發(fā)生，這些活動被選擇的時機(jī)取決于飛行中系統(tǒng)的故障發(fā)生和隨機(jī)抽樣模擬的情況。

活動網(wǎng)絡(luò)圖中的每個活動都有一個類型屬性，該類型屬性決定了活動的執(zhí)行條件和執(zhí)行概率。

圖1 活動網(wǎng)絡(luò)圖示例

D類型活動是無條件執(zhí)行的。

A類型活動的含義是多選多，表示在多個平行活動中選多個活動執(zhí)行。仿真模型運(yùn)行時，如果發(fā)現(xiàn)有A類型的活動，那么與其平行的每一個活動都將順序被檢查，根據(jù)其概率因子數(shù)值決定活動是否被選擇。例如，概率因子為0.1，其代表的活動將平均每10次被選1次。系統(tǒng)比對概率因子，在0和1之間產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)選擇活動。如果隨機(jī)數(shù)小于等于概率因子，該活動才有可能被選擇，否則，它不會被選擇。按這種方法，實際被選擇的活動是隨機(jī)的。如圖2例子所示，液壓系統(tǒng)發(fā)生故障后，每10次有6次執(zhí)行輕微的液壓系統(tǒng)修復(fù)工作，每10次有3次需要拆卸部件H1，每10次有4次拆卸部件H2。

E類型表示多重平行活動中，根據(jù)活動概率因子，只有一個活動被選擇執(zhí)行。選擇過程類似A。每一活動都有其概率因子，系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)將與該概率因子進(jìn)行比較，概率因子最少小于等于隨機(jī)數(shù)的活動將被選擇。平行活動中所有概率因子之和必須為1，以保證多重活動中有一個被選擇。

這一類型活動經(jīng)常用于決定組件是在航線修理還是在定檢廠房被修理。如圖3所示，H1部件在發(fā)生故障后70%的可能性在航線修理，另外30%的可能性在定檢廠修理。

另外，活動網(wǎng)絡(luò)圖中還具有F類型—被失效率控制的活動，C類型—轉(zhuǎn)入子活動網(wǎng)，T類型—觸發(fā)內(nèi)部設(shè)備變化的活動，H類型—不失效時執(zhí)行的活動，R類型—根據(jù)資源滿足情況執(zhí)行的活動等。

在仿真期間，活動網(wǎng)絡(luò)圖被用于機(jī)群飛行出動過程模擬。在模擬過程中，一些飛機(jī)處在加油活動，另一些在飛行活動，還有一些處在不同類型的非計劃維修活動等等。仿真器跟蹤每一架飛機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，同時它還根據(jù)系統(tǒng)或部件可靠性數(shù)據(jù)及其它因素選擇每一架飛機(jī)即將執(zhí)行的活動。

圖2 A類型活動示例

圖3 E類型活動示例

2 任務(wù)模型和保障資源模型

RichSims以任務(wù)安排表的形式制定飛行任務(wù)計劃，每項任務(wù)包括了任務(wù)的執(zhí)行時間、準(zhǔn)備時間、取消時間、所需飛機(jī)數(shù)量和機(jī)型情況、飛行任務(wù)對應(yīng)的活動網(wǎng)絡(luò)圖等。

如果可用飛機(jī)數(shù)目低于任務(wù)規(guī)定的最低數(shù)目，在允許延遲時間內(nèi)，該任務(wù)將被掛起，直到可用飛機(jī)數(shù)目足夠多才繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，超過延遲時間還沒有達(dá)到規(guī)定的最低數(shù)目，則該任務(wù)失敗。如果任務(wù)需求得到滿足，分配給任務(wù)的飛機(jī)將會執(zhí)行對應(yīng)的活動網(wǎng)絡(luò)圖工作。

RichSims中的保障資源包括了人員、備件、工具設(shè)備、設(shè)施等。資源是RichSims中除了飛機(jī)以外的最重要的導(dǎo)致排隊請求的實體。由于資源的稀缺性，導(dǎo)致飛機(jī)的任務(wù)能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于僅考慮固有可靠性的情況。

在活動網(wǎng)絡(luò)圖的執(zhí)行過程中，某個活動被選中處理時，如果活動的資源能被滿足，活動將被執(zhí)行，資源被活動占用。否則，活動被放在隊列中等待分配和執(zhí)行。為了解決資源沖突，RichSims使用了一個有效的常用的資源沖突解決策略，例如使用替換件、加快部件修理、搶占低優(yōu)先級的任務(wù)和串換件。

保障資源，尤其是人力資源，在真實的使用中往往不能24h都能提供。人員每天的工作時間是有限的，在不同的時間段，人員就要換班以休息。RichSims中設(shè)計了一個資源輪換器，允許多個策略同時運(yùn)行。根據(jù)策略，在某個輪換周期中，資源將被增加或者減少。

3 仿真分析案例

3.1 模型初始條件

假定24架飛機(jī)部署在一個機(jī)場。飛機(jī)由發(fā)動機(jī)、航電、液壓等42個主要分系統(tǒng)構(gòu)成。分系統(tǒng)分別包含了238種LRU備件。

執(zhí)行30天的短期作戰(zhàn)任務(wù)，飛行任務(wù)安排為每天每架飛機(jī)平均出動4次，平均的出動飛行時間為1.5h。

采用3級維修保障模式，外場執(zhí)行拆換件工作，定檢修理廠執(zhí)行部分LRU的修復(fù)工作，定檢修理廠不能修復(fù)的就返回生產(chǎn)廠家維修。

7臺ATE部署在修理廠。它們分別能夠測試以下機(jī)載設(shè)備：計算機(jī)、微波、顯示、通信導(dǎo)航識別、指示和控制、天線A、天線B。每個ATE包含多個測試模塊，測試模塊在測試使用過程中也有可能發(fā)生故障，壞的測試模塊可以在修理所進(jìn)行修理或者返廠維修，每個測試模塊都有一個備件。

3.2 仿真運(yùn)行結(jié)果

以下為機(jī)群的平均出動架次率指標(biāo)在30天的變化情況（如圖4所示）。

圖4 平均出動架次率指標(biāo)在30天的變化情況

3.3 結(jié)果分析

隨著飛機(jī)的高強(qiáng)度出動，不斷的有部件隨機(jī)的發(fā)生故障。前期的故障件可通過庫存?zhèn)浼Q件修理，并有部分故障件在修理廠進(jìn)行修復(fù)。因此，前20天能將飛機(jī)的出動架次率保持在較高的水平上。后10天由于庫存消耗的速度比修復(fù)的快，加上部分故障件發(fā)生返廠維修，在30天內(nèi)無法返場，因此，出動架次率下降比較明顯。

總體來看，平均的出動架次率達(dá)到每架次每天3次，基本滿足作戰(zhàn)任務(wù)的需求。

4 結(jié)論

基于概率活動網(wǎng)絡(luò)的仿真系統(tǒng)RichSims已經(jīng)用于我軍保障效能指標(biāo)計算、二三級維修體制論證和飛機(jī)轉(zhuǎn)場保障需求測算等。通過在各個飛機(jī)型號綜合保障仿真建?？芍?，概率活動網(wǎng)絡(luò)能夠有效的描述我軍裝備的使用和維修保障工作，在概率活動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上執(zhí)行的仿真分析結(jié)果比較接近真實的情況。RichSims不僅能夠為研究裝備保障提供一種全新可行的途徑，還可以成為裝備保障指揮人員進(jìn)行裝備保障作戰(zhàn)的輔助決策工具，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（編輯：勞邊）

TP319

C

1003–6660（2014）06–0036–03

10.13237/j.cnki.asq.2014.06.010

[收修訂稿日期] 2014-09-12