任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能影響的仿真研究

袁鍇　曾照洋　周揚　周巖

【摘 要】軍用飛機任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換與保障效能有著直接而緊密的聯(lián)系，為了定量研究任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能的影響，進(jìn)而為軍用飛機武器系統(tǒng)掛架通用化提供決策支持，在基于離散事件仿真的軍用飛機保障效能評估的環(huán)境中，構(gòu)建了任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換仿真模型，參考某型飛機外場使用數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用案例分析，仿真結(jié)果表明：武器系統(tǒng)掛架不通用帶來的過長的任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換時間會顯著降低軍用飛機的保障效能，需要基于仿真研究開展武器系統(tǒng)掛架通用化工作。

【關(guān)鍵詞】軍用飛機；保障效能；任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換；離散事件仿真

中圖分類號： V271.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0001-004

【Abstract】In order to quantitatively study the effect of task configuration transformation on military aircraft's safeguard effectiveness，and to provide decision support for the generalization of military aircraft's weapon system pylons，based on the direct and close relationship between mission configuration transformation and security effectiveness，Discrete event simulation military aircraft security effectiveness assessment environment，the task configuration transformation simulation model is constructed，the reference to a certain type of aircraft field data is used to analyze the application case，the simulation results show that：The task configuration transition time will significantly reduce the military aircraft's safeguard effectiveness.It is necessary to carry out the generalization of the hanger of weapon system based on the simulation research.

【Key words】Military aircraft；Safeguard effectiveness；Task configuration transformation；Discrete event simulation

0 引言

保障效能是指保障系統(tǒng)保障主裝備在預(yù)期的使用環(huán)境和條件下經(jīng)濟有效地滿足平時戰(zhàn)備完好和戰(zhàn)時任務(wù)持續(xù)能力的度量，綜合體現(xiàn)了保障系統(tǒng)和主裝備設(shè)計的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。軍用飛機有很多的武器系統(tǒng)，不同的武器系統(tǒng)又需要使用不同的掛架，在執(zhí)行多種對空、對地任務(wù)時，由于需要攜帶不同武器系統(tǒng)，任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換頻繁，而且任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換花的時間很長，是機務(wù)保障中的一項很復(fù)雜、影響保障效率的工作。在出動任務(wù)強度較低的情況下，相鄰任務(wù)間的間隔時間較長，完好飛機多，任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換并不會對飛機保障效能造成太大影響；但在高出動任務(wù)強度下，任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換時間過長的話將嚴(yán)重影響到飛機的出動水平，影響作戰(zhàn)能力的形成。為解決上述問題，需要開展軍用飛機武器系統(tǒng)掛架通用化工作，而開展這項工作的前提是要能定量分析任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能的影響，以確保通用化工作的問題針對性和經(jīng)濟有效性。

研究任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能的影響本質(zhì)上仍屬于裝備保障效能評估的一種應(yīng)用，目前，國內(nèi)外普遍采用基于離散事件仿真的方法對裝備保障效能進(jìn)行評估[1-7]，并開發(fā)了很多成熟的軟件工具如后勤復(fù)合模型（LCOM）、飛機綜合保障效能評估模型（CASEE）、OPUS10、SIMLOX和ILS-Sims等等。其中，美國空軍后勤司令部和蘭德公司聯(lián)合開發(fā)的仿真工具LCOM得到了最為普遍的認(rèn)可，而由中國航空綜合技術(shù)研究所基于LCOM原理開發(fā)的國產(chǎn)保障效能仿真評估系統(tǒng)ILSLab-Sims，則在多型國產(chǎn)軍用飛機上得到了廣泛應(yīng)用。本文正是在基于離散事件仿真的保障效能仿真評估方法的基礎(chǔ)上，通過引入任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換仿真模型，開展任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能影響的仿真分析。

1 基于離散事件仿真的軍用飛機保障效能評估方法

1.1 基本原理

基于離散事件仿真的軍用飛機保障效能評估方法的核心是采用離散事件仿真方法對飛機使用維護(hù)保障過程進(jìn)行抽象描述，由任務(wù)和隨機模擬的故障驅(qū)動這些過程活動的執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果統(tǒng)計運算得到相應(yīng)的效能指標(biāo)，通過對使用和保障活動的長時間或者多次模擬執(zhí)行，可以統(tǒng)計計算出整個保障體系的效能[8-9]。

1.2 評估指標(biāo)

綜合考慮軍用飛機的平時戰(zhàn)備完好和戰(zhàn)時任務(wù)持續(xù)能力，構(gòu)建出保障效能評估的參數(shù)體系如圖1所示。

由圖1可見，使用可用度Ao、出動架次率SGR、再次出動準(zhǔn)備時間TTA、能執(zhí)行任務(wù)率MCR、壽命周期費用LCC和任務(wù)成功概率MCSP是對裝備系統(tǒng)的頂層度量，這些參數(shù)受裝備以及保障系統(tǒng)特性的影響，是裝備及保障系統(tǒng)特性參數(shù)的綜合體現(xiàn)，基于離散事件仿真的軍用飛機保障效能評估一般選用上述參數(shù)中的一個或多個進(jìn)行評估。由于本文應(yīng)用案例分析主要分析任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對出動架次率的影響，因此，對出動架次率的含義進(jìn)行具體說明：endprint

出動架次率（Sortie Generation Rate，SGR）是對飛機在任務(wù)期間連續(xù)出動能力的度量，具體算法為：SGR=

式中，NSG表示任務(wù)期間飛機的總出動架次，ND表示任務(wù)天數(shù)，NA表示飛機架數(shù)。

1.3 仿真評估模型架構(gòu)

為了利用離散事件仿真對軍用飛機使用和保障進(jìn)行完整的抽象描述和評估，需要按照圖2所示的軍用飛機保障效能仿真評估模型架構(gòu)進(jìn)行仿真建模和分析，如下圖所示。

根據(jù)建模對象的分類，軍用飛機保障效能評估仿真模型可劃分為飛機平臺模型、任務(wù)模型、使用和維修活動網(wǎng)絡(luò)圖模型、保障系統(tǒng)模型以及輔助優(yōu)化模型。

1.3.1 飛機平臺模型

飛機平臺模型用于對飛機的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，是描述飛機及其組成單元特性的模型，包括飛機部署、各功能單元的RMS屬性、與任務(wù)相關(guān)的各單元的關(guān)鍵度特性、基本可靠性、任務(wù)可靠性等模型。

1.3.2 任務(wù)模型

任務(wù)模型用于對基本作戰(zhàn)單元所需執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行建模，它圍繞飛機在一個基本作戰(zhàn)單元的任務(wù)剖面，以基本作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)、訓(xùn)練想定、飛機使用方案為建模對象，描述和組織任務(wù)發(fā)生、任務(wù)時序、任務(wù)結(jié)構(gòu)以及任務(wù)之間的邏輯關(guān)系等內(nèi)容的模型，模型中包括飛機數(shù)量、任務(wù)時間、任務(wù)強度等內(nèi)容。

1.3.3 使用和維修活動網(wǎng)絡(luò)圖模型

使用和維修活動網(wǎng)絡(luò)圖模型是保障效能仿真評估的核心模型，它將飛機使用維護(hù)過程中的各類工作進(jìn)行建模，將飛行任務(wù)、保障資源、自主保障系統(tǒng)、計劃維修、非計劃維修等有機的聯(lián)系在一起。具備靈活性的使用和維修活動網(wǎng)絡(luò)圖可以描述飛行前檢查、飛行后檢查、飛行活動、故障修理等工作，主要分為主飛行網(wǎng)、修復(fù)性維修網(wǎng)、周專檢定檢網(wǎng)等子模型。

1.3.4 保障系統(tǒng)模型

保障系統(tǒng)模型用于對基本作戰(zhàn)單元所在的保障系統(tǒng)進(jìn)行建模，是描述基本作戰(zhàn)單元中保障系統(tǒng)屬性的模型，包括人員的構(gòu)成、備件的供應(yīng)、工具設(shè)備配置、設(shè)施配置等。由于資源約束對于保障效能的影響至關(guān)重要，所以資源的變化情況被考慮進(jìn)模型中，保障系統(tǒng)模型通過資源沖突策略和資源輪換策略來模擬保障資源使用的真實情況。

1.3.5 評估優(yōu)化模型

評估優(yōu)化模型是保障效能計算與分析優(yōu)化部分，可以為決策分析提供參考依據(jù)。評估優(yōu)化包括各種保障效能指標(biāo)統(tǒng)計計算、輔助備件優(yōu)化配置、飛機最小保障需求分析、保障規(guī)模分析、保障資源補給策略分析等。

在以上五種模型劃分中，飛機平臺模型描述了飛機的整體結(jié)構(gòu)及其屬性，整機及其結(jié)構(gòu)單元的RMTS特性參數(shù)是影響飛機系統(tǒng)保障效能的關(guān)鍵因素之一，也是保障效能評估優(yōu)化的對象之一；任務(wù)模型建立了飛機所需執(zhí)行的飛行任務(wù)剖面，驅(qū)動著整個仿真進(jìn)行，并由此引發(fā)飛機故障；保障系統(tǒng)模型描述了軍用飛機的整個保障系統(tǒng)，建立了飛機的使用環(huán)境，是影響飛機系統(tǒng)保障效能的另一關(guān)鍵因素和保障效能評估優(yōu)化的另一對象；使用和維修活動網(wǎng)絡(luò)模型描述了使用和維修作業(yè)的內(nèi)容，是仿真運行的主要內(nèi)容，包括了由故障引起的修復(fù)性維修作業(yè)和計劃的預(yù)防性維修作業(yè)；評估優(yōu)化模型充分利用計算機啟發(fā)式搜索的能力，為決策分析提供有用參考。

2 軍用飛機任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換仿真模型

軍用飛機的任務(wù)構(gòu)型與任務(wù)密切相關(guān)，在離散事件仿真四大基本構(gòu)成要素：實體、活動、資源以及控制中，任務(wù)屬于控制的一種，即規(guī)定活動由何人在何時何地實施（即how，when，where），是強制系統(tǒng)接受指令?；陔x散事件仿真原理，一次軍用飛機出動任務(wù)模型一般由以下各屬性定義：

（1）任務(wù)ID：某次出動任務(wù)在仿真中的標(biāo)識

（2）任務(wù)優(yōu)先級：當(dāng)出現(xiàn)資源競爭時是否優(yōu)先保證某次出動任務(wù)執(zhí)行

（3）飛機類型：某次出動任務(wù)需要的機型

（4）最少飛機數(shù)：某次出動任務(wù)最少需要的飛機數(shù)

（5）最多飛機數(shù)：某次出動任務(wù)最多需要的飛機數(shù)

（6）備用飛機數(shù)：某次出動任務(wù)需要的備用飛機數(shù)

（7）仿真第幾天執(zhí)行：某次出動任務(wù)被安排在整個仿真周期中的第幾天執(zhí)行

（8）指定時間：某次出動任務(wù)飛機起飛時刻

（9）起飛前準(zhǔn)備時間：仿真在起飛時刻之前的多長時間開始搜索滿足某次出動任務(wù)需要的飛機

（10）取消時間：仿真在起飛時刻之后多長時間內(nèi)還沒有搜到滿足最小飛機數(shù)要求的飛機，則取消該任務(wù)

（11）任務(wù)間隔：每隔多長時間重復(fù)執(zhí)行某次出動任務(wù)

（12）結(jié)束時間：整個仿真結(jié)束時間

（13）飛行時間：某次出動任務(wù)飛機飛行時間

（14）活動網(wǎng)絡(luò)圖：某次出動任務(wù)從飛行前準(zhǔn)備到飛行后檢查整個過程的活動

基于上述任務(wù)模型的建模思路，可以在任務(wù)模型中增加任務(wù)構(gòu)型屬性，包括：

（1）飛行前外部配置：某次出動任務(wù)的執(zhí)行需要飛機具有的外部任務(wù)構(gòu)型，例如掛彈架、發(fā)射架、導(dǎo)彈、副油箱等等

（2）飛行后外部配置：某次出動任務(wù)執(zhí)行完后飛機的外部任務(wù)構(gòu)型變化結(jié)果，例如導(dǎo)彈在飛行中被發(fā)射出去了，則此次飛行后飛機的任務(wù)構(gòu)型相比飛行前就只剩下了掛彈架

（3）飛機分配搜索模式：針對某次出動任務(wù)所需的某種任務(wù)構(gòu)型，仿真在搜索飛機執(zhí)行出動任務(wù)時按照怎樣的順序搜索不同狀態(tài)、不同外部任務(wù)構(gòu)型的飛機，其中，狀態(tài)主要指飛機是否完成了飛行前準(zhǔn)備，對于同一種任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換，例如從任務(wù)構(gòu)型A轉(zhuǎn)換到任務(wù)構(gòu)型B，仿真應(yīng)優(yōu)先選擇已做完飛行前準(zhǔn)備且具有任務(wù)構(gòu)型A的飛機做任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換。

任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換仿真建模[10]的核心在于如何構(gòu)建飛機分配搜索模式列表，針對整個仿真過程中飛機飛行前可能攜帶的每個任務(wù)構(gòu)型都需要建立一個搜索模式，在每個搜索模式下，綜合考慮飛行前準(zhǔn)備時間和整個仿真中飛機可能具有的任務(wù)構(gòu)型向該飛行前任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換的時間，建立搜索順序。其中，任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換時間以任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換活動網(wǎng)絡(luò)圖的形式進(jìn)行建模[11]，這種建模方法能夠反映任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換作業(yè)及所需資源，可以為分析作業(yè)流程、資源配置對任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換的影響提供模型支撐。此外，飛機分配搜索模式列表還需要針對每種可選的任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換前飛機狀態(tài)和任務(wù)構(gòu)型組合設(shè)置一個截止時間，如果當(dāng)前時間距離任務(wù)取消時間小于截止時間，意味著已經(jīng)沒有可能趕得上任務(wù)的執(zhí)行，那么該模式的飛機將不參與該任務(wù)。如果任務(wù)的最少飛機數(shù)量已經(jīng)滿足了，那么就應(yīng)該檢查當(dāng)前時間距離任務(wù)的起飛時間是否大于截止時間，如果大于，參與任務(wù)分配，如果小于，該模式的飛機將不參與任務(wù)。endprint

以ILSLab-Sims建模環(huán)境為例，具體建模方法如下：

（1）設(shè)置任務(wù)構(gòu)型ID，如圖3序號1）橢圓框內(nèi)所示

（2）構(gòu)建任務(wù)構(gòu)型ID之間轉(zhuǎn)換的活動網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3序號2）方框內(nèi)所示

（3）設(shè)置與飛行前任務(wù)構(gòu)型ID對應(yīng)的搜索模式ID，如圖3序號3）橢圓框內(nèi)所示

（4）在搜索模式ID下關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換前飛機狀態(tài)屬性、轉(zhuǎn)換前任務(wù)構(gòu)型ID及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換活動網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3序號4）橢圓框內(nèi)所示

（5）在搜索模式ID下關(guān)聯(lián)該狀態(tài)、該轉(zhuǎn)換前任務(wù)構(gòu)型的飛機的搜索次序和搜索截止時間，如圖3序號5）橢圓框內(nèi)所示

（6）從設(shè)置的任務(wù)構(gòu)型ID中選擇飛行前任務(wù)構(gòu)型和飛行后任務(wù)構(gòu)型如圖3序號6）橢圓框內(nèi)所示

3 應(yīng)用案例分析

在參考某型飛機外場使用數(shù)據(jù)構(gòu)建的保障效能仿真基準(zhǔn)模型[12]基礎(chǔ)上，假設(shè)作戰(zhàn)周期為30天，共24架飛機，戰(zhàn)時在每天的7：00、9：00、11：00、19：00和21：00共執(zhí)行5個波次的任務(wù)，其中各波次分別執(zhí)行5次起飛任務(wù)，每次任務(wù)需要2架飛機（任務(wù)時長為1個小時，起飛前準(zhǔn)備時間60分鐘，取消時間30分鐘），并參考某型飛機外場任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)確定每個飛行前任務(wù)構(gòu)型對應(yīng)的搜索模式列表（數(shù)據(jù)略），保障效能評估參數(shù)選用出動架次率和與計算出動架次率密切相關(guān)的總出動架次。每天的詳細(xì)任務(wù)編排及所需任務(wù)構(gòu)型如下表所示：

根據(jù)想定任務(wù)編排，每天的飛行時間為50個小時，在30天的仿真周期內(nèi)，共計安排了30*50=1500個飛行小時的任務(wù)。在當(dāng)前任務(wù)編排下，目標(biāo)出動架次率=50/24=2.08次？天/架。

設(shè)置5種任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能影響的仿真分析方案：

仿真方案1：每次任務(wù)仿真在飛機起飛前60分鐘開始搜索飛機，不考慮任務(wù)構(gòu)型，此方案為基準(zhǔn)方案

仿真方案2：每次任務(wù)仿真在飛機起飛前60分鐘開始搜索飛機，考慮任務(wù)構(gòu)型

仿真方案3：每次任務(wù)仿真在飛機起飛前160分鐘開始搜索飛機，考慮任務(wù)構(gòu)型

仿真方案4：每次任務(wù)仿真在飛機起飛前190分鐘開始搜索飛機，考慮任務(wù)構(gòu)型

仿真方案5：每次任務(wù)仿真在飛機起飛前250分鐘開始搜索飛機，考慮任務(wù)構(gòu)型

其中，考慮任務(wù)構(gòu)型時，在第1天作戰(zhàn)開始前，將12架飛機的任務(wù)構(gòu)型初始化為CONFIG7，將另外12架飛機的任務(wù)構(gòu)型初始化為CONFIG8-1。不同仿真方案的24架飛機在30天內(nèi)的累計飛行次數(shù)和出動架次率對比如下表：

通過對比可知，在不延長每次任務(wù)仿真提前搜索飛機時間的條件下，考慮任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換后，累計飛行次數(shù)和飛行出動架次率均出現(xiàn)了約50%的大幅下滑，至于考慮任務(wù)構(gòu)型的飛機出動架次率在30天作戰(zhàn)周期內(nèi)均能保持同一水平，究其原因，是在飛機總數(shù)不變的情況下，任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換時間過長導(dǎo)致每天能執(zhí)行的任務(wù)變少導(dǎo)致的。

根據(jù)每個飛行前任務(wù)構(gòu)型對應(yīng)的搜索模式列表，當(dāng)每次任務(wù)仿真在飛機起飛前60分鐘開始搜索飛機時，實際上每天只能飛“前兩個波次或前10個任務(wù)”。因為“波次3或任務(wù)11～15”和“波次4～5或任務(wù)16～25”所需外部配置只能從狀態(tài)為未開展飛行前準(zhǔn)備、外部配置為CONFIG7或8-1轉(zhuǎn)換而來，而相應(yīng)的截止時間=（任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換時間+飛行前準(zhǔn)備時間）×1.1>（起飛前準(zhǔn)備時間+取消時間），任務(wù)取消導(dǎo)致的。例如，“作戰(zhàn)11”要求2架飛機在11點起飛，起飛飛機外部配置為CONFIG12，根據(jù)“提前搜索飛機時間（分鐘）：60”的設(shè)置，仿真在10點開始搜索可用飛機，根據(jù)“搜索模式”設(shè)置，2架狀態(tài)為Available、外部配置為CONFIG7的飛機進(jìn)入任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換和飛行前準(zhǔn)備活動，經(jīng)過204min，這些活動完成，此時時間為13：24，早已過了“作戰(zhàn)11”的取消時間11：30，因此，在實際仿真過程中“作戰(zhàn)11”取消。以此類推，“任務(wù)11～15或波次3”和“任務(wù)16～25或波次4～5”都取消了。

而大幅延長每次任務(wù)仿真提前搜索飛機時間，可以顯著增加累計飛行次數(shù)和飛行出動架次率，甚至能夠接近不考慮任務(wù)構(gòu)型時的水平，但上述應(yīng)對措施僅是從仿真參數(shù)（提前搜索飛機時間）的設(shè)置上來確保任務(wù)的按時執(zhí)行，在實際作戰(zhàn)中并不可行，因為需要提前四五個小時選定飛機為相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)開展使用保障和任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換工作，工作效率太低，而且作戰(zhàn)人員在為期30天的高強度作戰(zhàn)任務(wù)壓力下，體力和心理都承受不了這樣長時間的保障工作，必將影響戰(zhàn)斗力的持續(xù)形成。故更需要采取的改進(jìn)措施應(yīng)該是基于任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能影響的仿真分析，有針對性地對當(dāng)前武器系統(tǒng)掛架不通用、掛架種類太多等問題進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，從源頭上大幅減少任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換所需時間，真正提升軍用飛機保障效能。

4 總結(jié)

針對任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換對軍用飛機保障效能的影響分析缺乏定量方法的問題，提出了基于離散事件仿真的分析方法。首先分析了基于離散事件仿真的軍用飛機保障效能評估的基本原理，然后基于該原理給出了依托任務(wù)模型、以飛機分配搜索模式列表為核心的任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換仿真建模方法，最后參考某型飛機外場使用數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真想定，完成了應(yīng)用案例分析。后續(xù)可在本研究的基礎(chǔ)上，開展各種任務(wù)構(gòu)型轉(zhuǎn)換方案對軍用飛機保障效能影響的敏感性分析，進(jìn)而確定優(yōu)先需要開展的武器系統(tǒng)掛架型號，為掛架通用化工作提供決策支持。此外，還可用于戰(zhàn)時軍用飛機保障效能仿真分析建模。

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