航空地面電源車戰(zhàn)備完好性評價建模仿真

李 康，黃之杰，朱 倩

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院 學(xué)員一大隊(duì)，江蘇 徐州 221000； 2.空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000)

● 裝備保障EquipmentSupport

航空地面電源車戰(zhàn)備完好性評價建模仿真

李 康1，黃之杰2，朱 倩2

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院 學(xué)員一大隊(duì)，江蘇 徐州 221000； 2.空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000)

為科學(xué)有效地評價航空地面電源車的戰(zhàn)備完好性，從分析影響其戰(zhàn)備完好性的主要因素入手，以戰(zhàn)備完好率和使用可用度為評價參數(shù)，運(yùn)用蒙特卡洛抽樣、數(shù)理統(tǒng)計、離散事件和排隊(duì)論等理論，建立面向任務(wù)的航空地面電源車戰(zhàn)備完好性評價模型，依托SIMLOX仿真平臺對模型的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明，該模型的輸出結(jié)果合理可信，能夠反映影響戰(zhàn)備完好性的主要因素。

航空地面電源車；戰(zhàn)備完好性；建模仿真

作為裝備可靠性、維修性和保障性的綜合評估參數(shù)與總體指標(biāo)，戰(zhàn)備完好性主要描述裝備(系統(tǒng))在預(yù)計使用條件下，能夠承擔(dān)和完成預(yù)設(shè)任務(wù)的能力，是衡量裝備(系統(tǒng))保障力的重要指標(biāo)，是裝備可用性、保障性及在編實(shí)力等因素的函數(shù)[1]。航空地面電源車是直接為飛機(jī)通電檢查或啟動而服務(wù)的地面保障裝備，其戰(zhàn)備完好性對于飛機(jī)能否正常完成飛行訓(xùn)練與作戰(zhàn)任務(wù)至關(guān)重要。目前，較少有專家學(xué)者對航空地面電源車的戰(zhàn)備完好性展開研究，致使無法評判其戰(zhàn)備完好性的好壞，這對航空地面電源車的使用管理工作帶來諸多不便?；诖?，本文對給定任務(wù)剖面下航空地面電源車的戰(zhàn)備完好性進(jìn)行研究，以便找出影響其完成任務(wù)的主要因素，對有限經(jīng)費(fèi)與資源條件下關(guān)鍵備件的優(yōu)化配置具有重要意義。

1 航空地面電源車戰(zhàn)備完好性評價參數(shù)

對裝備戰(zhàn)備完好性的評價，由于其類型、任務(wù)范圍和使用特點(diǎn)等影響因素的不同，其表征參數(shù)也不盡相同[2]。根據(jù)航空地面電源車的使用保障特點(diǎn)，本文選取戰(zhàn)備完好率和使用可用度作為其戰(zhàn)備完好性的評價參數(shù)。

1.1戰(zhàn)備完好率

戰(zhàn)備完好率表示當(dāng)需要武器裝備(系統(tǒng))投入作戰(zhàn)時，裝備(系統(tǒng))能夠執(zhí)行任務(wù)的概率[3]。從任務(wù)角度考慮，戰(zhàn)備完好率可表示為：在任務(wù)及維修保障資源既定的條件下，裝備(系統(tǒng))能夠執(zhí)行的任務(wù)數(shù)占總?cè)蝿?wù)數(shù)的比值，即

(1)

1.2使用可用度

使用可用度是與裝備能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)，表示裝備服役后，在某種既定的使用環(huán)境下，能工作時間與預(yù)期總工作時間的比值，其具體表達(dá)式為[4]

(2)

對于航空地面電源車而言，其不能工作時間主要由修復(fù)性維修時間、預(yù)防性維修時間、管理延誤時間和保障延誤時間組成，其服役后總?cè)諝v時間構(gòu)成如圖1所示。

圖1 航空地面電源車總?cè)諝v時間構(gòu)成

由圖1可知，以時間表示的使用可用度AO的計算模型為[5]

(3)

在不考慮非工作時間情況下與任務(wù)時間相聯(lián)系，那么預(yù)期總工作時間可以表示總?cè)蝿?wù)時間，能工作時間則可表示裝備完成任務(wù)的時間。從這個層面上講，使用可用度AO可以表示為[6]

(4)

1.3戰(zhàn)備完好率與使用可用度的關(guān)系[7]

從上述分析來看，戰(zhàn)備完好率與使用可用度兩個評價參數(shù)都是時間的函數(shù)，均表示裝備在需要時能夠使用的能力，區(qū)別在于所考慮的時間不同。使用可用度與裝備能工作時間和不能工作時間有關(guān)，而戰(zhàn)備完好率則考慮總?cè)諝v時間，其基本假設(shè)是：裝備在執(zhí)行任務(wù)時，如果未發(fā)生故障，則可以繼續(xù)執(zhí)行下次任務(wù)；如果裝備發(fā)生了故障，但維修時間不超過再次執(zhí)行任務(wù)前的時間間隔，則也認(rèn)為裝備處于完好狀態(tài)。由于單獨(dú)考慮裝備再次執(zhí)行任務(wù)前所允許的修復(fù)概率，所以戰(zhàn)備完好率的數(shù)值一般大于使用可用度。

2 戰(zhàn)備完好性建模仿真

2.1基本假設(shè)

為簡化所建立的戰(zhàn)備完好性仿真模型，并使模型在仿真實(shí)施時切實(shí)可行，作以下基本假設(shè)：

(1)航空地面電源車及其組成部件只有兩種狀態(tài)：工作與故障，且更換組件后不影響裝備的正常功能。

(2)系統(tǒng)各功能單元之間是串聯(lián)關(guān)系，故障相互獨(dú)立，但只要某一個組成單元發(fā)生故障，即認(rèn)為系統(tǒng)故障。

(3)系統(tǒng)及組件的故障和修復(fù)是獨(dú)立進(jìn)行的，各組件的壽命和維修時間服從指數(shù)分布。

(4)維修工作不考慮維修人員及其作業(yè)效率，也不考慮裝(設(shè))備的使用情況，只進(jìn)行簡單抽象描述。

(5)備品備件的基本類型、部署地點(diǎn)及數(shù)量事先已知。

2.2輸入數(shù)據(jù)模型

航空地面電源車由動力系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和變壓整流系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)至少有8個基本表征參數(shù)且又可分為眾多功能單元，為解決仿真時輸入數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大的問題，需要建立數(shù)據(jù)輸入模型。該模型根據(jù)影響航空地面電源車戰(zhàn)備完好性的主要因素，將仿真輸入的數(shù)據(jù)分為設(shè)備參數(shù)和使用規(guī)則參數(shù)兩類，具體包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(可靠性框圖參數(shù))、使用參數(shù)(裝備使用率、保障組織、保障資源等)、任務(wù)參數(shù)(任務(wù)時間、任務(wù)成功點(diǎn)、任務(wù)結(jié)束條件等)、保障性參數(shù)、維修性參數(shù)和可靠性參數(shù)等數(shù)據(jù)模型。

2.3任務(wù)時間線及保障組織模型

任務(wù)模型以航空地面電源車的日歷時間描述預(yù)期的工作階段、任務(wù)和作業(yè)方式，并確定各工作階段內(nèi)參與任務(wù)的設(shè)備及基本配置，包括任務(wù)類型、設(shè)備預(yù)期使用率、工作階段類型與持續(xù)時間等參數(shù)。

保障組織模型主要針對航空地面電源車的修復(fù)性維修和預(yù)防性維修而建立，該模型用于描述在既定保障條件下，裝備維修、備件更換、維修設(shè)備等作業(yè)的資源需求能否得到滿足，其基本邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 保障組織模型

2.4任務(wù)可靠性及置信度模型

航空地面電源車執(zhí)行任務(wù)成功與否由組件故障所引起的停機(jī)時間確定，若該時間大于所設(shè)定的允許停機(jī)時間，則認(rèn)為該次任務(wù)失敗，反之則任務(wù)成功。任務(wù)可靠性表示裝備(系統(tǒng))在既定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，通常用任務(wù)可靠度R表示。任務(wù)可靠性模型為[8]

(5)

為描述其可信度，建立任務(wù)置信度模型為[1]

(6)

(7)

式中：Ru和Rd分別為置信上限和置信下限；n為仿真次數(shù)；a為顯著性水平(參考已有文獻(xiàn)，通常取0.95)，1-a為R的置信水平；μa為a的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)(可通過查表獲得)。

2.5蒙特卡洛(MC)統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)及離散事件模型[9]

根據(jù)蒙特卡洛直接抽樣原理，航空地面電源車各組成設(shè)備都是服從某一分布的隨機(jī)變量，這里假設(shè)設(shè)備的可靠性與維修性均服從指數(shù)分布，根據(jù)收集的設(shè)備平均故障間隔時間(MTBF)和平均修復(fù)時間(MTTR)，在[0，1]內(nèi)抽取隨機(jī)數(shù)δ，根據(jù)式(8)、(9)預(yù)測航空地面電源車各組成設(shè)備的隨機(jī)壽命T和故障修復(fù)時間Tx。

T=-MTBF×lnδ

(8)

Tx=-MTTR×lnδ

(9)

一般而言，裝備(系統(tǒng))的狀態(tài)是時間連續(xù)狀態(tài)離散的馬爾科夫過程[10]，在前面的基本假設(shè)中已假設(shè)航空地面電源車只有“工作”和“故障”兩種狀態(tài)，因此在仿真時可以建立設(shè)備狀態(tài)列表，根據(jù)相鄰事件系統(tǒng)狀態(tài)不變來確定仿真步長。

2.6仿真原理及流程

航空地面電源車戰(zhàn)備完好性仿真以任務(wù)為驅(qū)動，運(yùn)用蒙特卡洛法與排隊(duì)理論，按照任務(wù)階段順序，模擬任務(wù)時間線中與任務(wù)有關(guān)的各種事件(任務(wù)、故障、預(yù)防性維修、修復(fù)性維修、備件配置與調(diào)配等)，統(tǒng)計輸出裝備在給定條件下執(zhí)行任務(wù)的可用性、可靠性及產(chǎn)生影響的關(guān)鍵組件，仿真模型框圖如圖3所示。

圖3 航空地面電源車戰(zhàn)備完好性仿真模型

3 仿真實(shí)例

為驗(yàn)證仿真模型和算法的可行性，以某型航空地面電源車(以下稱A型電源車)為例，對其戰(zhàn)備完好性進(jìn)行仿真研究。

3.1仿真數(shù)據(jù)輸入

A型電源車由A-1、A-2、A-3、A-4和A-5等5個現(xiàn)場可更換類型(LRU)組成，其維修過程分為四站連(基層級)、航材股(中繼級)和修理廠(基地級)3級。利用A型電源車實(shí)際保障與維修等數(shù)據(jù)可計算出各功能系統(tǒng)的故障率，具體信息見表1、表2。

表1 A型電源車戰(zhàn)備完好性仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息

表2 A型電源車預(yù)防性維修信息

3.2仿真結(jié)果輸出

根據(jù)所建立的模型及數(shù)據(jù)輸入，利用SIMLOX仿真平臺對A型電源車戰(zhàn)備完好性進(jìn)行仿真評估，仿真周期設(shè)置為8 760 h(365天)，任務(wù)執(zhí)行設(shè)置為240次，仿真次數(shù)為20次，初始隨機(jī)種子數(shù)為1 234 567 890，結(jié)果收集間隔期為24 h。仿真結(jié)果如圖4—7所示。

圖4 任務(wù)時間累積仿真結(jié)果

圖5 任務(wù)數(shù)量累積仿真結(jié)果

圖6 狀態(tài)累積仿真結(jié)果

圖7 備件短缺仿真結(jié)果

3.3仿真結(jié)果分析

由圖4及式(4)可得A型電源車的使用可用度

由圖5及式(1)可得A型電源車的戰(zhàn)備完好率

由戰(zhàn)備完好率和使用可用度的仿真計算結(jié)果可知，這與1.3中對戰(zhàn)備完好性與使用可用度關(guān)系的分析是一致的，仿真結(jié)果證明所建立的A型電源車戰(zhàn)備完好性仿真模型是可行的。

根據(jù)式(5)及仿真結(jié)果，可以計算出任務(wù)可靠度R為86.87%，取顯著性水平α為0.95，則由式(6)和式(7)可得任務(wù)可靠度的置信上限和置信下限分別為94.31%和79.43%，如果已知任務(wù)規(guī)定要求，通過對比任務(wù)規(guī)定要求和任務(wù)可靠度置信上下限，即可判斷A型電源車的戰(zhàn)備完好性是否滿足要求。

由圖6可以看出，在整個仿真周期內(nèi)，對A型電源車戰(zhàn)備完好性影響較大的主要是預(yù)防性維修(Active PM)和裝備發(fā)生故障后的備件短缺(Awaiting Items)以及周轉(zhuǎn)時間(Transport),這與A型電源車的實(shí)際使用情況是相吻合的。

圖7反映了具體的短缺備件名稱及維修站點(diǎn)，例如短缺量最大的是子系統(tǒng)A-3下面的HJJ-100單元。整體來看，備件短缺多發(fā)生在基層級(四站連)和中繼級(航材股)維修站點(diǎn)，這也是符合實(shí)際情況的，因?yàn)樾蘩韽S既是頂層修理站點(diǎn)，又是A型電源車生產(chǎn)單位，其備件必然是充足的。

根據(jù)以上分析，若要提高A型電源車的戰(zhàn)備完好性，可以采取以下措施：一是提高預(yù)防性維修效率，縮短預(yù)防性維修時間；二是科學(xué)配置備件，尤其要有重點(diǎn)地提高基層級和中繼級維修站點(diǎn)的備件庫存種類和數(shù)量。

4 結(jié) 語

戰(zhàn)備完好性是反映裝備可靠性、維修性和保障性的總體指標(biāo)之一。本文從航空地面電源車的實(shí)際使用情況出發(fā)，建立了戰(zhàn)備完好性仿真評價模型，依托SIMLOX仿真平臺，結(jié)合某型電源車的實(shí)際使用維修數(shù)據(jù)對模型的可行性進(jìn)行了檢驗(yàn)，并分析了仿真結(jié)果，找出了主要影響因素，提出了提高戰(zhàn)備完好性的措施。模型為裝備的使用管理、維修計劃的制訂、備品備件的配置等工作提供了有效手段，對于提高航空地面電源車的戰(zhàn)備完好性水平具有重要意義。

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(編輯：孫協(xié)勝)

ModelingandSimulationonOperationalReadinessofAerialPowerSupplyVehicle

LI Kang1, HUANG Zhijie2, ZHU Qian2

(1.Postgraduate Training Brigade, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China; 2.Department of Aviation Four Station, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

To evaluate the operational readiness of aerial power supply vehicle scientifically and effectively, the paper firstly analyzes the influencing factors. Then, by taking readiness rate and operational availability as evaluation parameters, it establishes operational readiness evaluation model with the theory of Monte-Carlo, mathematical statistics, discrete event and queuing, and tests the feasibility of the model with the simulation platform SIMLOX. The result shows that the outcome is reasonable and credible, and it can reflect the main influencing factors.

aerial power supply vehicle; operational readiness; modeling and simulation

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.007

TP391.9

A

1674-2192(2017)10- 0024- 05

2017-05-05；

2017-06-08.

李 康(1992—)，男，碩士研究生；黃之杰(1978—)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師.