基于使用試飛的飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力評(píng)估方法

蘇明，王守敏

中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

軍用飛機(jī)戰(zhàn)備值班能力是衡量裝備實(shí)際戰(zhàn)斗力的重要標(biāo)志，是在編裝備戰(zhàn)斗力的體現(xiàn)，其高低在一定程度上決定了裝備執(zhí)行任務(wù)的能力[1]。國外軍方十分重視作戰(zhàn)值班能力，建立了專門的作戰(zhàn)能力信息系統(tǒng)，用于收集裝備使用中的作戰(zhàn)值班能力信息，為發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)作戰(zhàn)值班能力的缺陷提供幫助，實(shí)現(xiàn)提升作戰(zhàn)值班能力的目標(biāo)[2～5]。在F-35項(xiàng)目中，美軍成立的JSF型號(hào)辦公室制定的聯(lián)合使用要求文件（JORD）中規(guī)定了6個(gè)決定項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵參數(shù)，其中一個(gè)即為作戰(zhàn)值班能力[6]。長期以來，國內(nèi)對(duì)軍用飛機(jī)作戰(zhàn)能力研究方面的工作還沒有完全開展起來，仍主要集中于軍用飛機(jī)的技術(shù)性能、空戰(zhàn)與對(duì)地攻擊的各種戰(zhàn)術(shù)，而忽略了作戰(zhàn)值班能力這一關(guān)鍵因素對(duì)作戰(zhàn)能力的影響。因此，如何構(gòu)建合適的評(píng)估方法對(duì)軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力進(jìn)行評(píng)估，從而發(fā)現(xiàn)制約軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力的關(guān)鍵因素，提高軍用飛機(jī)的實(shí)際戰(zhàn)斗力，成為亟待解決的問題。

本文通過分析軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力的影響因素，建立了作戰(zhàn)值班能力的評(píng)估模型，并進(jìn)行了仿真評(píng)估，驗(yàn)證了所提出的分析方法的可行性，為后續(xù)軍用飛機(jī)型號(hào)開展作戰(zhàn)值班能力評(píng)估提供參考和借鑒。

1 影響因素分析

《北約可靠性與維修性要求文件編寫指南》（ARMP-4）及AGARD對(duì)作戰(zhàn)值班能力的定義是：在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開始執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，軍用飛機(jī)處于可用狀態(tài)的程度，即作戰(zhàn)值班能力是指軍用飛機(jī)在接到作戰(zhàn)或訓(xùn)練命令，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)時(shí)響應(yīng)作戰(zhàn)或訓(xùn)練任務(wù)的能力。軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)值班能力受多個(gè)因素的影響，主要包括三大類：

（1）軍用飛機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及其可靠性、維修性參數(shù)，包括裝備系統(tǒng)的構(gòu)成方式、組成裝備系統(tǒng)的各單元的可靠性參數(shù)、裝備各組成部分的維修性等。若設(shè)計(jì)的可靠性水平不高，則在實(shí)際使用中裝備就會(huì)故障頻出，影響裝備的使用和干擾任務(wù)的執(zhí)行，使得作戰(zhàn)值班能力低下。

（2）軍用飛機(jī)保障系統(tǒng)的屬性。裝備投入使用就需維修保障，產(chǎn)生修理時(shí)間、保障延誤時(shí)間等。修理時(shí)間是指實(shí)施修復(fù)性維修所用的時(shí)間，反映了可靠性、維修性設(shè)計(jì)對(duì)作戰(zhàn)值班能力的影響；延誤時(shí)間反映了保障系統(tǒng)的屬性（如保障體制等）對(duì)作戰(zhàn)值班能力的影響，多由備件延誤引起。

（3）軍用飛機(jī)系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)信息，包括任務(wù)的持續(xù)時(shí)間、裝備系統(tǒng)的任務(wù)強(qiáng)度和單次任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間等。

由此可見，軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)值班能力與其可靠性、維修性、保障性及具體的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)具有緊密的聯(lián)系，可以利用軍用飛機(jī)在過去一段時(shí)間內(nèi)的試飛統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)其作戰(zhàn)值班能力的特征參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而評(píng)估軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)值班能力。

2 建模

飛行任務(wù)周期如圖1所示，整個(gè)飛行周期分為地面維護(hù)階段、地面等待階段、接到命令后的緊急準(zhǔn)備階段、空中階段。地面維護(hù)階段受軍用飛機(jī)上一飛行任務(wù)階段的狀態(tài)影響，以及其地面維護(hù)階段是否會(huì)增加新故障的影響，等待及接到命令后的緊急準(zhǔn)備階段的狀態(tài)取決于地面維修及排故保障的效果。據(jù)此，可建立穩(wěn)定狀態(tài)下軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力計(jì)算模型。

圖1 飛行任務(wù)周期Fig. 1 Flight mission cycle

由圖2的決策樹可知，經(jīng)過維修流程后，軍用飛機(jī)處于不能作戰(zhàn)值班狀態(tài)主要有三種情況。結(jié)合每種情況的發(fā)生概率，可以得到軍用飛機(jī)不能作戰(zhàn)值班能力的評(píng)估模型為：

式中：Pnk為軍用飛機(jī)處于不能作戰(zhàn)值班狀態(tài)的概率；Pk為軍用飛機(jī)空中發(fā)生故障的概率；Pd為軍用飛機(jī)地面發(fā)生故障的概率；tmk為因故障而發(fā)生的維修時(shí)間；tmd為因修理而發(fā)生的延誤時(shí)間；td為規(guī)定的候機(jī)等待時(shí)間。

圖2 地面決策樹Fig. 2 Ground decision tree

定義非工作狀態(tài)為：飛機(jī)因發(fā)生故障不能恢復(fù)到正常狀態(tài)的階段。據(jù)此，式（1）可以合并寫為：

軍用飛機(jī)的狀態(tài)僅有作戰(zhàn)值班狀態(tài)與不可作戰(zhàn)值班狀態(tài)兩類情況。依據(jù)概率論中集合的相關(guān)定義，軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)值班能力是不可作戰(zhàn)值班能力的補(bǔ)集。因此，軍用飛機(jī)處于作戰(zhàn)值班狀態(tài)的概率為Pok，即：

3 某型機(jī)作戰(zhàn)值班能力仿真評(píng)估

3.1 仿真思路

以某型軍用飛機(jī)的實(shí)際工作過程為依據(jù)，即裝備的首次故障應(yīng)為仿真中首次發(fā)生故障時(shí)間tRmin最小的系統(tǒng)。對(duì)于未發(fā)生故障的系統(tǒng)，應(yīng)在其預(yù)計(jì)的應(yīng)發(fā)生故障時(shí)間內(nèi)扣除tRmin后，作為該系統(tǒng)的首次發(fā)生故障時(shí)間，依次類推，直至各次發(fā)生故障前工作時(shí)間（工作時(shí)間）與超過規(guī)定時(shí)間的修復(fù)時(shí)間的總和達(dá)到要求的仿真時(shí)間。

3.2 某型機(jī)組成

某型機(jī)是典型的三代機(jī)，該型機(jī)主要系統(tǒng)主要有動(dòng)力裝置、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等構(gòu)成，主要系統(tǒng)的可靠性框圖如圖3所示。

3.3 仿真假設(shè)

仿真假設(shè)及要求如下：系統(tǒng)的修復(fù)是完全修復(fù)，即修復(fù)如新，即系統(tǒng)的故障僅與故障率有關(guān)且故障率不隨修復(fù)次數(shù)的變化而變化；各子系統(tǒng)的失效相互獨(dú)立，即一個(gè)子系統(tǒng)的故障不引起另一個(gè)子系統(tǒng)的故障；誤操作引起的軍用飛機(jī)故障不予以統(tǒng)計(jì)，即僅考慮系統(tǒng)本身的責(zé)任故障，不考慮外界引入的非責(zé)任故障；試驗(yàn)設(shè)施及測(cè)試儀表故障引起的受測(cè)試產(chǎn)品故障不予以統(tǒng)計(jì)。

圖3 某型機(jī)可靠性框圖Fig. 3 Reliability block diagram of a certain type of aircraft

3.4 模型的輸入

仿真模型的輸入由作戰(zhàn)值班能力的影響因素決定。依據(jù)前文的作戰(zhàn)值班能力影響因素分析，仿真模型的基本輸入如下：

（1）該型機(jī)的試飛可靠性因素。統(tǒng)計(jì)前期該型機(jī)的試飛數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到該型機(jī)的7個(gè)系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)及維修分布類型，見表1。由于機(jī)體、起落架、剎車三系統(tǒng)的可靠性較高，試飛階段沒有該型號(hào)三者的數(shù)據(jù)。因此，本文對(duì)這三者系統(tǒng)不予考慮。

表1 各系統(tǒng)的分布及其故障率情況Table 1 Distribution of each system and its failure rate

（2）該型機(jī)的使用因素。假設(shè)該型機(jī)計(jì)劃執(zhí)行作戰(zhàn)值班持續(xù)時(shí)間為90天（每天8h），在持續(xù)時(shí)間內(nèi)一直處于執(zhí)行作戰(zhàn)值班的狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)因飛機(jī)發(fā)生故障需要進(jìn)行維修工作時(shí)才停止任務(wù)進(jìn)入維修狀態(tài)。一旦飛機(jī)完成維修立即進(jìn)入執(zhí)行作戰(zhàn)值班狀態(tài)。每次任務(wù)時(shí)間1h，自收到命令到執(zhí)行任務(wù)時(shí)間為0.5h。

（3）執(zhí)行任務(wù)因素。軍用飛機(jī)在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)，選擇不同的設(shè)備工作，為考慮最嚴(yán)酷的情況，本文選擇戰(zhàn)斗狀態(tài)，即所有設(shè)備均全部開機(jī)工作。

3.5 仿真程序構(gòu)成及仿真流程

仿真程序一共有4個(gè)模塊構(gòu)成，分別完成如下功能：（1）參數(shù)輸入模塊。完成從數(shù)據(jù)文件中讀入仿真參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。（2）過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。完成仿真時(shí)中間數(shù)據(jù)的存放，便于后續(xù)計(jì)算。需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有：裝備的狀態(tài)（包括：正常、停機(jī)維修中）、裝備中現(xiàn)場(chǎng)可更換單元（LRU）的狀態(tài)（包括工作、非工作）和當(dāng)前仿真停機(jī)總時(shí)長等。（3）數(shù)據(jù)處理模塊。完成對(duì)仿真中產(chǎn)生的大量中間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算得出每個(gè)仿真采樣點(diǎn)的作戰(zhàn)值班能力。（4）結(jié)果輸出模塊。完成仿真結(jié)果的輸出。

仿真流程如圖4所示，具體流程為：（1）讀入仿真參數(shù)。包括表1中的數(shù)據(jù)及給定的任務(wù)數(shù)據(jù)；確定仿真采樣周期。每一次仿真任務(wù)持續(xù)90天，每天8h，采樣間隔時(shí)間為1h，共進(jìn)行720次采樣和10次仿真。（2）確定軍用飛機(jī)狀態(tài)。（3）若軍用飛機(jī)此時(shí)處于維修狀態(tài)，則此次采樣軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)值班能力為0，同時(shí)剩余維修時(shí)間Trm=Trm-1，非工作狀態(tài)時(shí)間Td=Td+1；反之，進(jìn)行下一步。（4）確定各系統(tǒng)狀態(tài)。對(duì)軍用飛機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確定各系統(tǒng)是否處于工作狀態(tài)。（5）發(fā)生故障時(shí)，通過故障檢測(cè)率判定故障是否被檢測(cè)出。未被檢出時(shí)，則產(chǎn)生維修時(shí)間Tm的同時(shí)產(chǎn)生保障延誤時(shí)間Tld。（6）若故障被檢測(cè)出，則進(jìn)一步判定故障是否被隔離。若沒被隔離，則產(chǎn)生維修時(shí)間Tm的同時(shí)產(chǎn)生保障延誤時(shí)間Tld；反之，若被隔離，則僅產(chǎn)生維修時(shí)間Tm。（7）計(jì)算Td=Td+Tm+Tld。（8）進(jìn)行下一次采樣。（9）判定仿真是否結(jié)束。（10）仿真結(jié)束后，依據(jù)仿真數(shù)據(jù)，計(jì)算該型機(jī)的作戰(zhàn)值班能力。（11）改變仿真參數(shù)重新進(jìn)行仿真，依據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 仿真結(jié)果分析

每次仿真720h，每1h進(jìn)行1次采樣，共720個(gè)樣本點(diǎn)，仿真共進(jìn)行10次。將每次仿真的數(shù)據(jù)分為10評(píng)估段，取每評(píng)估段的平均值，作為仿真的結(jié)果，見表2。以仿真結(jié)果為縱軸、仿真組數(shù)為橫軸，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真流程圖Fig. 4 Simulation fl ow chart

表2 仿真評(píng)估結(jié)果表Table 2 Simulation evaluation results table

圖5 仿真結(jié)果圖Fig. 5 Simulation result diagram

由圖5可以看出，初始階段，作戰(zhàn)值班能力的評(píng)估值較低且波動(dòng)較大，表明作戰(zhàn)值班能力的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性較強(qiáng)，隨著時(shí)間的推移，樣本取樣增多，作戰(zhàn)值班能力逐漸穩(wěn)定，最終達(dá)到0.65左右，可見，該型機(jī)的成熟階段作戰(zhàn)值班能力為0.65。得到該型機(jī)單機(jī)的戰(zhàn)備值班能力后，即可在保證作戰(zhàn)值班能力的情況下進(jìn)行部署決策（如保證出動(dòng)能力不變，應(yīng)部署飛機(jī)的數(shù)目）。

4.2 仿真結(jié)果的敏感性分析

4.2.1 單因素分析

在仿真過程中，在給定的參數(shù)基線下通過改變單個(gè)因素的取值得到單一因素對(duì)裝備可用度的影響變化曲線，得到軍用飛機(jī)使用可用度對(duì)每個(gè)獨(dú)立因素變化的敏感程度，從而可以確定影響航空裝備可用度的主要因素。每個(gè)輸入數(shù)值仿真10次，取平均值，其余未改變的參數(shù)去輸入中值，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，每一個(gè)變量對(duì)給定任務(wù)情況下，提升或減小對(duì)軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力的影響。其中，平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、故障檢測(cè)率（FDR）和故障隔離率（FIR）對(duì)作戰(zhàn)值班能力均具有提升作用，且MTBF的提升效果最為明顯，初期提升MTBF能夠迅速提升作戰(zhàn)值班能力，雖然后期增長比較平緩，但作戰(zhàn)值班能力仍有可能趨近于1，所以軍用飛機(jī)的可靠性是影響作戰(zhàn)值班能力的主要因素之一。

同時(shí)，從圖6中可以看出，軍用飛機(jī)的故障維修時(shí)間Tm、延遲時(shí)間Tld對(duì)作戰(zhàn)值班能力有很強(qiáng)的弱化作用。因此，提升軍機(jī)系統(tǒng)的檢測(cè)/隔離能力，對(duì)維修人員進(jìn)行積極培訓(xùn)，提升維護(hù)人員的維修能力以減少維修時(shí)間，同時(shí)合理優(yōu)化軍用飛機(jī)的備件種類和數(shù)量，以減少保障延誤時(shí)間的方式提升軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力也是可行的。

圖6 單因素仿真結(jié)果圖Fig. 6 Single factor simulation result diagram

4.2.2 耦合因素分析

通過單變量仿真分析，確定了MTBF為影響軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力的主要因素。通過耦合影響分析，兩兩對(duì)比上面提出的主要因素，可以確定影響因素之間的關(guān)系，進(jìn)一步確定各主要影響因素的敏感度程度的大小。MTBF與FDR、FIR耦合仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，軍用飛機(jī)可靠性較低時(shí)，提高軍用飛機(jī)系統(tǒng)測(cè)試性的準(zhǔn)確度可以將作戰(zhàn)值班能力提高到可接受的水平。而提升可靠性水平可以快速提升給定任務(wù)條件下軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)值班能力，并且這一增益過程將在MTBF增長為600h時(shí)呈現(xiàn)邊際效應(yīng)。

圖7 MTBF-FDR-FIR耦合因素影響圖Fig. 7 MTBF-FDR-FIR coupling factor inf l uence diagram

5 結(jié)論

本文根據(jù)作戰(zhàn)值班能力與可靠性、維修性、保障性及具體的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)所具有緊密聯(lián)系，提出了作戰(zhàn)值班能力的評(píng)估方法，并利用某型機(jī)在過去一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和仿真的方式評(píng)估了該型機(jī)的作戰(zhàn)值班能力。分析表明，該模型具有良好的評(píng)估和分析能力，并可應(yīng)用于其他軍用飛機(jī)作戰(zhàn)值班能力評(píng)估。

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