基于狀態(tài)變遷圖的艦載機(jī)出動(dòng)能力分析

謝君，傅冰，鮑敬源

1海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033 2海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北武漢430064

基于狀態(tài)變遷圖的艦載機(jī)出動(dòng)能力分析

謝君1，傅冰1，鮑敬源2

1海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033 2海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北武漢430064

為了研究“尼米茲”級(jí)航空母艦的艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)與航空保障能力需求之間的復(fù)雜關(guān)系，首先根據(jù)艦載機(jī)的航空保障作業(yè)流程抽象出6個(gè)狀態(tài)，并采用狀態(tài)變遷圖描述其任務(wù)剖面；其次，由艦載機(jī)出動(dòng)指標(biāo)推演出航空兵力的任務(wù)剖面，根據(jù)任務(wù)剖面繪制相應(yīng)的狀態(tài)變遷圖；最后，基于狀態(tài)變遷圖分析甲板作業(yè)、調(diào)運(yùn)作業(yè)等航空保障能力需求。實(shí)例表明，狀態(tài)變遷圖是一種系統(tǒng)分析的有效工具。

艦載機(jī)；任務(wù)剖面；狀態(tài)變遷圖；出動(dòng)能力；“尼米茲”級(jí)；航空母艦

0 引 言

艦載機(jī)是形成航空母艦（以下簡(jiǎn)稱“航母”）作戰(zhàn)能力的核心力量，但艦載機(jī)與航母之間有極其復(fù)雜的相互依賴和相互促進(jìn)關(guān)系［1］。為了實(shí)現(xiàn)航母的航空作戰(zhàn)效能最大化，航母的航空保障能力應(yīng)與航母的出動(dòng)回收目標(biāo)相適應(yīng)。國(guó)外現(xiàn)役的和在研的航母給了我們關(guān)于“艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)是什么”的初步認(rèn)識(shí)，劉相春等［2］歸納分析了國(guó)外航母艦載機(jī)出動(dòng)回收能力的指標(biāo)體系和內(nèi)涵，Jewell等［3-4］采用實(shí)證法分析了1997年演習(xí)時(shí)“尼米茲”航母艦載機(jī)的出動(dòng)能力。航空保障能力是除平臺(tái)能力以外艦載機(jī)出動(dòng)能力的最重要約束，本文嘗試從航空保障能力與艦載機(jī)出動(dòng)能力的適應(yīng)性角度探索“‘尼米茲’級(jí)航母的出動(dòng)能力目標(biāo)為什么是這樣”的命題，提出的研究思路如圖1所示。在每個(gè)任務(wù)想定中，由艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)演繹的航空保障能力需求應(yīng)和現(xiàn)實(shí)能力相匹配；若現(xiàn)實(shí)能力不能滿足需求，則要做出調(diào)整。

圖1 艦載機(jī)出動(dòng)能力的研究思路Fig.1 Method for analyzing sortie generation capacity

艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)的分析是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程。在研究過(guò)程中，確定任務(wù)剖面是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，任務(wù)剖面可以將系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)的目標(biāo)對(duì)應(yīng)起來(lái)，將系統(tǒng)的工作方式與環(huán)境條件聯(lián)系起來(lái)。但是采用表格、方框圖描述任務(wù)剖面［5］還不足以形象地表示航空兵力作戰(zhàn)使用中艦載機(jī)在空間上的分布和時(shí)間上的并行。本文將利用狀態(tài)變遷圖，描述艦載機(jī)作戰(zhàn)使用的任務(wù)剖面，即在時(shí)間軸上繪出艦載機(jī)兵力狀態(tài)變遷的歷程?；跔顟B(tài)變遷圖,建立分析艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)與航空保障能力關(guān)系的框架，該框架既能滿足初步分析甲板作業(yè)效率等航空保障能力指標(biāo)的需要，也可以進(jìn)一步擴(kuò)展為流程仿真的腳本。

1 國(guó)外航母艦載機(jī)的出動(dòng)能力目標(biāo)

描述國(guó)外艦載機(jī)出動(dòng)能力的核心指標(biāo)有緊急架次率、高峰出動(dòng)架次率和持續(xù)出動(dòng)架次率等［2］。美國(guó)海軍現(xiàn)役的“尼米茲”級(jí)航母約搭載有80架固定翼飛機(jī)，其建造中的“福特”級(jí)航母搭載的飛機(jī)數(shù)量與“尼米茲”級(jí)航母類似。英國(guó)海軍建造中的CVF級(jí)航母搭載40架艦載機(jī)。法國(guó)海軍建造中的PA2級(jí)航母搭載40架艦載機(jī)。這些航母艦載機(jī)出動(dòng)能力的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)［2］如表1所示。

表1 國(guó)外航母艦載機(jī)出動(dòng)能力設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Indexes to sortie generation of embarked aircrafts

1997年7月20日，“尼米茲”航母搭載68架飛機(jī)進(jìn)行了4個(gè)飛行日（每個(gè)飛行日24 h）的高強(qiáng)度演習(xí)，共出動(dòng)975架次［3-4］。演習(xí)中，日平均出動(dòng)超過(guò)243架次，高于高峰出動(dòng)架次率的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

綜上所述，在目前的技術(shù)條件下，從高峰出動(dòng)架次的角度，一架艦載機(jī)在一個(gè)飛行日（12 h）出動(dòng)2架次是一個(gè)較高的出動(dòng)能力目標(biāo)。為敘述方便，下文僅以“高峰出動(dòng)架次率”指標(biāo)作為“尼米茲”級(jí)航母艦載機(jī)的出動(dòng)能力目標(biāo)進(jìn)行研究。

2 艦載機(jī)的任務(wù)剖面與狀態(tài)變遷

艦載機(jī)的航空保障作業(yè)流程如圖2所示［6］。根據(jù)該作業(yè)流程，將艦載機(jī)經(jīng)歷的作業(yè)環(huán)節(jié)抽象為6類，即機(jī)庫(kù)駐留、升降調(diào)運(yùn)（由機(jī)庫(kù)提升至飛行甲板、由飛行甲板下降至機(jī)庫(kù)）、甲板作業(yè)（飛行前準(zhǔn)備）、彈射起飛、攔阻著艦和空中作戰(zhàn)。

圖2 艦載機(jī)航空保障作業(yè)流程Fig.2 Workflow of aviation support

任務(wù)剖面是裝備完成作戰(zhàn)任務(wù)的過(guò)程中所經(jīng)歷事件和環(huán)境的時(shí)序描述［5］。例如，某艦載機(jī)的任務(wù)想定是一個(gè)飛行日（12 h）出動(dòng)2架次。一個(gè)合理的任務(wù)剖面是：初始時(shí)刻駐留在機(jī)庫(kù)的某艦載機(jī)，經(jīng)升降機(jī)調(diào)運(yùn)至飛行甲板，在飛行甲板進(jìn)行飛行前準(zhǔn)備，3：00彈射起飛，經(jīng)過(guò)2 h空中作戰(zhàn)，在5：00實(shí)施攔阻著艦，降落至母艦；然后經(jīng)過(guò)再次出動(dòng)準(zhǔn)備，7：30再次彈射起飛，經(jīng)過(guò)空中作戰(zhàn)2 h，9：30攔阻著艦，降落至母艦的飛行甲板，后經(jīng)升降機(jī)調(diào)運(yùn)回機(jī)庫(kù)。令艦載機(jī)的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于其作業(yè)環(huán)節(jié)，狀態(tài)在時(shí)序下的排列構(gòu)成狀態(tài)變遷，則狀態(tài)變遷具有刻畫(huà)任務(wù)剖面的能力。利用狀態(tài)變遷圖表示的艦載機(jī)任務(wù)剖面如圖3所示，其中橫軸表示時(shí)間，艦載機(jī)經(jīng)歷的各種作業(yè)環(huán)節(jié)（狀態(tài)）用不同的填充方式表示［7］，填充塊的長(zhǎng)度與時(shí)間長(zhǎng)度一致。

圖3 艦載機(jī)的狀態(tài)變遷圖Fig.3 State transition diagram of an aircraft

艦載機(jī)的狀態(tài)變遷不能脫離其作業(yè)流程的約束，作業(yè)流程的約束有：

1）時(shí)序約束。狀態(tài)變遷要符合圖2所示作業(yè)流程中各環(huán)節(jié)的時(shí)序關(guān)系，例如，處于“機(jī)庫(kù)駐留”艦載機(jī)的后續(xù)狀態(tài)是“升降調(diào)運(yùn)”，“空中作戰(zhàn)”艦載機(jī)的前序狀態(tài)是“彈射起飛”等。

2）空間約束。狀態(tài)變遷要符合圖2所示的流程，滿足艦載機(jī)空間位置變化的關(guān)系。艦載機(jī)的空間位置有4類：機(jī)庫(kù)、升降機(jī)、飛行甲板和空中?！吧嫡{(diào)運(yùn)”使艦載機(jī)由機(jī)庫(kù)到飛行甲板或者飛行甲板到機(jī)庫(kù)，“彈射起飛”使艦載機(jī)由飛行甲板到空中，“攔阻著艦”使艦載機(jī)由空中到飛行甲板。

3）時(shí)間約束。狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間要符合艦載機(jī)、航空保障裝備設(shè)施等的性能指標(biāo)，例如，艦載機(jī)的滯空時(shí)間決定了“空中作戰(zhàn)”狀態(tài)的上限。

3 航空兵力的任務(wù)剖面與狀態(tài)變遷

航母航空兵力的任務(wù)剖面不是單機(jī)任務(wù)剖面的簡(jiǎn)單組合，而應(yīng)依據(jù)航空兵力規(guī)劃。制訂航空兵力規(guī)劃的原則是均衡地使用航空兵力，這樣，航空保障的負(fù)載也較為均衡。下文將以文獻(xiàn)［3］所述的1997年的演習(xí)為基礎(chǔ)構(gòu)造一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明航空兵力的任務(wù)剖面和狀態(tài)變遷圖。

3.1 任務(wù)想定

一艘“尼米茲”級(jí)航母搭載68架固定翼飛機(jī)，一個(gè)飛行日（晝間6～18時(shí)）出動(dòng)136架次，甲板作業(yè)周期是1 h 30 min（1+30節(jié)拍）。初始時(shí)刻飛行甲板有51架艦載機(jī)，機(jī)庫(kù)有17架艦載機(jī)，整個(gè)演習(xí)過(guò)程中，平均有17架艦載機(jī)在空中。

3.2 航空兵力規(guī)劃

將68架艦載機(jī)編為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G和H共8組，每組分別有9，8，9，8，9，8，9，8架飛機(jī)。按照1+30節(jié)拍，一個(gè)飛行日有8個(gè)波次，第1波次安排A和B組出動(dòng)，第2波次安排C和D組出動(dòng)，第3波次安排A和E組出動(dòng)，…，兵力規(guī)劃如表2所示。該航空兵力規(guī)劃一個(gè)飛行日共出動(dòng)136架次，符合任務(wù)想定（航空兵力規(guī)劃不唯一，相關(guān)模型參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］）。

表2 波次攻擊的兵力規(guī)劃Tab.2 Plan of round attacks

3.3 航空兵力的任務(wù)剖面

航空兵力的任務(wù)剖面與單架艦載機(jī)的相比，還存在多機(jī)在時(shí)間、空間和資源上的協(xié)調(diào)問(wèn)題。多機(jī)間協(xié)調(diào)主要表現(xiàn)在：

1）飛行甲板的空間協(xié)調(diào)。飛行甲板上的可用停機(jī)位共51個(gè)，若飛行甲板的艦載機(jī)數(shù)量超過(guò)了可用停機(jī)位數(shù)量，則須將部分艦載機(jī)調(diào)運(yùn)至機(jī)庫(kù)駐留。著艦時(shí)，飛行甲板必須給艦載機(jī)留出足夠的周轉(zhuǎn)機(jī)位，用于暫時(shí)停放，否則影響艦載機(jī)的回收效率。

2）多機(jī)作業(yè)的并行協(xié)調(diào)。多機(jī)按照兵力規(guī)劃分波次進(jìn)行起飛和著艦作業(yè)。出于飛行甲板空間的限制和作業(yè)安全的考慮，彈射起飛和阻攔著艦不能同時(shí)進(jìn)行；彈射起飛與甲板作業(yè)、升降機(jī)的調(diào)運(yùn)作業(yè)原則上可以互不影響；阻攔著艦與甲板作業(yè)、升降機(jī)的調(diào)運(yùn)作業(yè)原則上也可以互不影響。

在任務(wù)剖面中，需明確每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間才能繪制狀態(tài)變遷圖，而部分狀態(tài)持續(xù)時(shí)間由裝備的性能決定。對(duì)于升降機(jī)、彈射器、阻攔裝置的工作效率，做出如下假定［2-3］：

1）升降機(jī)平均每分鐘調(diào)運(yùn)1架飛機(jī)（4部升降機(jī)）。

2）彈射效率為平均每分鐘彈射1架飛機(jī)（4部彈射器）。

3）阻攔裝置平均回收間隔時(shí)間為每分鐘1架飛機(jī)。

根據(jù)表2所示的航空兵力規(guī)劃編制任務(wù)剖面，需要滿足單機(jī)作業(yè)流程的約束，多機(jī)作業(yè)的協(xié)調(diào)關(guān)系以及升降機(jī)、彈射器、阻攔裝置的工作能力。即使是同一個(gè)航空兵力規(guī)劃方案，由于在不同的單機(jī)流程約束、多機(jī)協(xié)調(diào)關(guān)系或者裝備能力等條件下形成的狀態(tài)的時(shí)序關(guān)系和狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間不同，也會(huì)導(dǎo)致不同的任務(wù)剖面。初始時(shí)刻：A，B，C，D，E，F(xiàn)組位于飛行甲板，其中A，B組已經(jīng)完成甲板作業(yè)，G，H組位于機(jī)庫(kù)。第1波次開(kāi)始，A組和B組彈射起飛后進(jìn)行空中作戰(zhàn)，此時(shí)C組和D組進(jìn)行甲板作業(yè)；第2波次開(kāi)始，C組和D組彈射起飛，然后A組和B組阻攔著艦，…。由任務(wù)剖面繪制相應(yīng)的航空兵力狀態(tài)變遷圖，如圖4所示。為了分析波次攻擊，圖4是以單組為對(duì)象進(jìn)行的繪制，其中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示每組艦載機(jī)，即每組艦載機(jī)的狀態(tài)隨時(shí)間演變的過(guò)程。同理，針對(duì)單架艦載機(jī)任務(wù)剖面的狀態(tài)變遷圖也是可以實(shí)現(xiàn)的。

圖4 航空兵力的狀態(tài)變遷圖Fig.4 State transition diagram of embarked aircrafts

4 航空保障能力需求分析

4.1 甲板作業(yè)能力需求

由圖4可以看出，第2波次安排C組和D組出動(dòng)，需要在6：00至7：30這個(gè)時(shí)段的90 min內(nèi)完成17架艦載機(jī)的出動(dòng)準(zhǔn)備。A組在第1波次回收后，需要在64 min內(nèi)完成該組艦載機(jī)的再次出動(dòng)準(zhǔn)備，在第3波次出動(dòng)；同樣，C組在第2波次回收后，也需要在64 min內(nèi)完成該組艦載機(jī)的再次出動(dòng)準(zhǔn)備，第4波次出動(dòng)；與此同時(shí)，至少還有一組艦載機(jī)也同時(shí)與A組或C組分享著航空保障資源。經(jīng)過(guò)綜合，甲板作業(yè)的能力需求是：90 min完成17架艦載機(jī)的飛行前準(zhǔn)備，64 min完成9架艦載機(jī)的再次出動(dòng)準(zhǔn)備。顯然，若“尼米茲”級(jí)航母不具備這樣的甲板作業(yè)能力，則會(huì)影響其艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)的達(dá)成。

4.2 設(shè)備能力需求

同樣，升降機(jī)、彈射器和阻攔裝置的能力也可以成為分析的對(duì)象。當(dāng)升降機(jī)、彈射器和阻攔裝置等裝備的工作效率變化時(shí)，會(huì)引起艦載機(jī)處于升降調(diào)運(yùn)、彈射起飛、攔阻著艦、甲板作業(yè)和空中作戰(zhàn)等狀態(tài)的時(shí)間變化。例如，當(dāng)彈射效率由假定的每分鐘1架變?yōu)?.5 min 1架時(shí)，第2波次的彈射會(huì)多花費(fèi)8.5 min，則第1波次A組的回收時(shí)間將推遲8.5 min，導(dǎo)致其再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間由原來(lái)的64 min被壓縮為55.5 min。

反之，根據(jù)任務(wù)剖面對(duì)于狀態(tài)時(shí)間的約束，也可推斷出升降機(jī)、彈射器和阻攔裝置的能力需求。

4.3 調(diào)運(yùn)需求

任務(wù)想定中，“尼米茲”航母搭載68架艦載機(jī)，飛行甲板允許停放51架飛機(jī)。由圖4可以判讀任何時(shí)刻位于飛行甲板的艦載機(jī)數(shù)量，驗(yàn)證是否超出了飛行甲板的允許停機(jī)數(shù)，從而做出調(diào)運(yùn)到機(jī)庫(kù)的決定。由圖4可以看出，在一個(gè)飛行日中，A組和C組共17架艦載機(jī)由飛行甲板調(diào)入機(jī)庫(kù)，G組和H組共17架艦載機(jī)由機(jī)庫(kù)調(diào)至飛行甲板。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)“尼米茲”級(jí)航母艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)的論證問(wèn)題，從航空保障能力是否可行的角度提出了研究思路。采用狀態(tài)變遷圖描述航空兵力的任務(wù)剖面，能夠清晰、直觀地刻畫(huà)艦載機(jī)狀態(tài)隨時(shí)間變化的歷程，從而快速推算出甲板作業(yè)環(huán)節(jié)、關(guān)鍵設(shè)備、調(diào)運(yùn)等的能力需求。

目前，艦載機(jī)的作業(yè)流程比較簡(jiǎn)單，若對(duì)甲板作業(yè)等環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化，還可進(jìn)一步分析加油或者掛彈等的能力需求。當(dāng)然，雖然任務(wù)剖面的分辨率比較低，基于狀態(tài)變遷圖的能力需求分析也不可能很精細(xì)，但是可以經(jīng)濟(jì)地滿足艦載機(jī)出動(dòng)能力目標(biāo)概要分析的需要。如需精確地分析，還要開(kāi)發(fā)分辨率較高的模型并借助仿真等手段，而狀態(tài)變遷圖也可以進(jìn)一步擴(kuò)展為仿真的腳本。

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Analysis of the Sortie Generation Capacity of Embarked Airwings by Using the State Transition Diagram

XIE Jun1，F(xiàn)U Bing1，BAO Jingyuan2

1 School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To investigate the complicated relation between the sortie generation and aviation maintenance of Nimitz class aircraft carrier，three secession steps are suggested in this paper.Firstly，the transition of 6 states is abstracted from the workflow of aviation maintenance to characterize the mission profile of carrier based aircrafts.Then，the mission profile of air wings is deduced from the sortie generation objective，and a state transition diagram is plotted correspondingly.Finally，the demand of aviation maintenance capacity，namely for flight-deck operation and transfer operation，are determined based on the above state transition diagram.It is observed that the proposed method is both effective and efficient for system analysis.

carrier based aircraft；mission profile；state transition diagram；sortie generation capacity；USS Nimitz；aircraft carrier

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.001

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.001.html

U674.771

A

1673－3185（2014）02－01－05

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－09－05 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-3-31 16:33

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

謝君（1973－），女，博士，副教授。研究方向：系統(tǒng)分析。E-mail：hwanze21cn＠sina.com

謝君

［責(zé)任編輯：喻 菁］