基于ExtendSim的直升機外場可更換部件需求仿真系統(tǒng)設(shè)計

呂少杰,柳 楊,魏靖彪,張 頌,馬萬鵬,韓振飛

(陸軍航空兵研究所,北京 101121)

航空裝備的備件需求預(yù)測是制定保障計劃的核心問題和關(guān)鍵所在。它的需求預(yù)測準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)的備件籌措、分配、儲存、調(diào)撥等各項工作的順利進行,從而影響裝備保障質(zhì)量與效率,制約軍隊?wèi)?zhàn)斗力的保持和恢復(fù),尤其對于系統(tǒng)復(fù)雜、使用時間短的新型直升機裝備,其維修備件需求預(yù)測問題,成為制約裝備保障水平提升的瓶頸之一。

現(xiàn)有備件預(yù)測方法可分為兩類:解析方法[1-2]和仿真方法[3-5]。在已知部件壽命分布類型和特征參數(shù)的情況下可以直接運用公式計算備件消耗,這種方法的局限是需要假設(shè)壽命分布滿足某種函數(shù)分布。仿真方法是建立部件使用過程的仿真模型,從而能夠在貼近實際的情況下得出備件消耗預(yù)測值。本文重點研究影響安全、單價高、故障更換頻率高的直升機外場可更換部件,采用基于離散系統(tǒng)仿真技術(shù)的備件消耗預(yù)測方法,使用ExtendSim仿真軟件開發(fā)某型直升機外場可更換部件(LRU)需求仿真系統(tǒng)。通過LRU的使用及消耗過程仿真,實現(xiàn)對該直升機外場可更換部件消耗的科學(xué)預(yù)測。該系統(tǒng)可服務(wù)于陸航維修與航材管理部門,能夠為直升機備件籌措、分配、儲存、調(diào)撥等維修保障決策提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)具有較好的可擴展性,可用于直升機維修保障的進一步研究,具有顯著的軍事及經(jīng)濟效益。

1 直升機外場可更換部件需求預(yù)測的關(guān)鍵問題分析

1.1 直升機的使用及維修保障活動分析

直升機的使用及維修保障活動分析是建立仿真模型的基礎(chǔ)。如圖1所示,直升機依據(jù)使用計劃在飛行日執(zhí)行飛行任務(wù),在起飛前的直接機務(wù)準(zhǔn)備中進行飛行前檢查,然后執(zhí)行飛行任務(wù),完成飛行任務(wù)后的預(yù)先機務(wù)準(zhǔn)備中進行飛行后檢查。如果在飛行前檢查或飛行后檢查階段檢測到故障,那么就要更換相關(guān)部件。此外,如果在預(yù)防性維修時,發(fā)現(xiàn)部件達(dá)到更換條件,也要進行更換。部件更換時需要相應(yīng)的備件供應(yīng)保障。

圖1 直升機維修保障流程圖

在維修活動中, LRU更換的條件包括以下幾種:1)LRU發(fā)生故障且被發(fā)現(xiàn);2)LRU工作時間達(dá)到閥值;3)LRU工作次數(shù)達(dá)到閥值;4)LRU日歷時間達(dá)到閥值。

其中，第一種情形屬于修復(fù)性維修,后三種屬于預(yù)防性維修。

1.2 外場可更換部件的確定

本文以LRU為本仿真系統(tǒng)的最小實體對象,是單層次部件,部件之間不存在裝配關(guān)系。仿真系統(tǒng)中每一個LRU擁有者自己獨立的屬性(使用參數(shù)、可靠性參數(shù))。直升機系統(tǒng)復(fù)雜,零部件數(shù)量龐大,考慮到仿真系統(tǒng)的可實現(xiàn)性與實用性,本系統(tǒng)僅對直升機LRU中的主要部件(不包括發(fā)動機系統(tǒng))進行仿真分析,主要部件的確定通過以下原則:1)其故障將引起飛行任務(wù)的延遲、取消或者終止;2)該LRU的價格昂貴;3)通過對已有故障歷史數(shù)據(jù)分析,故障更換頻率較高的LRU。

1.3 數(shù)據(jù)采集

要建立高度擬實性的模型,必須采集相關(guān)裝備數(shù)據(jù),使用及維修保障過程數(shù)據(jù)。裝備數(shù)據(jù)包括直升機名稱、數(shù)量,LRU名稱、數(shù)量,LRU可靠性參數(shù),LRU歷史故障等。直升機的使用及維修保障過程是一個復(fù)雜與動態(tài)的相互作用過程,需要采集直升機在平時(訓(xùn)練時期)的使用(飛行活動)情況,確定飛行時間、飛行科目、地面運行時間等信息從而得到LRU故障預(yù)測所需要的累積使用時間、循環(huán)次數(shù)等重要參數(shù)。此外,該模型也要準(zhǔn)確地反映出維修保障活動,確定故障發(fā)現(xiàn)時機、地面加電、運行時間、定期更換時機等,需要采集的數(shù)據(jù)包括歷史故障記錄數(shù)據(jù)、故障發(fā)現(xiàn)時機、使用計劃及訓(xùn)練科目等。

1.4 故障率分布模型的確定

科學(xué)合理地確定不同LRU的故障率隨時間(使用時間、日歷時間、循環(huán)次數(shù))的分布模型是本仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確性的基本保證。本文采用基于歷史數(shù)據(jù)的典型故障率分布擬合法來確定故障分布模型。LRU屬于航空設(shè)備,而Weibull模型是研究航空設(shè)備可靠性較為適合的分布模型,該分布可以通過形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)的變化可以很好地描述上述各種故障狀態(tài)。將采集的LRU歷史故障數(shù)據(jù)通過Weibull分布擬合過程以分布函數(shù)的形式傳遞給ExtendSim數(shù)據(jù)庫供仿真模型調(diào)用。

2 基于Extendsim的仿真建模與分析

Extendsim仿真軟件采用模塊組合的方式快速搭建模型,具有較高的靈活性和可擴展性。采取最短時間的事件步長法,支持分層結(jié)構(gòu)和命名連接,模塊之間采用基于消息的傳遞機制,提供多種復(fù)雜數(shù)據(jù)傳遞方式[6]。

事件仿真模塊是整個仿真系統(tǒng)的核心,通過ExtendSim所提供的基本建模元素構(gòu)建出能夠映射出真實的直升機裝備實體屬性、裝備使用過程、檢查及維修保障流程。同時,在此模塊將通過蒙特卡洛仿真方法對隨機過程和隨機事件進行構(gòu)造或表述概率過程并實現(xiàn)概率分布抽樣,為統(tǒng)計分析模塊提供數(shù)據(jù)輸出。

如圖2所示,外場可更換部件需求的仿真系統(tǒng)由多個事件仿真模塊構(gòu)成。LRU實體生成模塊利用數(shù)據(jù)庫存儲的LRU基本屬性信息和裝機狀態(tài)信息并對故障的隨機分布進行一次采樣獲取故障時間信息,從而生成LRU實體。生成的LRU實體進入直升機隊列模塊,在該模塊不同的LRU將對應(yīng)組成直升機實體,等待飛行任務(wù)。任務(wù)生成模塊依據(jù)總使用計劃、直升機使用方式以及飛行日飛行時長分布模擬生成使用計劃。當(dāng)使用計劃到達(dá)直升機隊列后將根據(jù)計劃和直升機狀態(tài)進行任務(wù)分配。接受飛行任務(wù)的直升機實體將進入檢查與預(yù)防性維修模塊。檢查與預(yù)防性維修模塊包括飛行前檢查、飛行后檢查和預(yù)防性維修。如果無LRU出現(xiàn)故障則進入飛行模塊并依據(jù)使用計劃中的飛行時間完成飛行任務(wù),在完成任務(wù)后返回直升機隊列待命。如果存在LRU故障和到壽,則進入維修更換模塊并依據(jù)更換時長(依據(jù)仿真簡化假設(shè),本系統(tǒng)設(shè)定為0,立即更換)進行更換,即對LRU的屬性數(shù)據(jù)進行更新并重新采樣故障時間,更換后的LRU返回直升機隊列待命。

2.1 簡化假設(shè)

仿真建模過程中,需要進行必要的簡化假設(shè):

1) 一個部件的實際使用壽命以它裝配到裝備上的時刻為開始, 它發(fā)生故障、不能實現(xiàn)預(yù)定功能的時刻為止;

2) 部件發(fā)生故障后,直接用備件替換;

3) 不同的LRU 之間的故障相互獨立;

4) 假設(shè)維修資源及人力資源充足;

5) 不確定因素導(dǎo)致的備件故障為零。

2.2 LRU實體生成模塊

如圖3所示,LRU實體生成模塊在仿真開始時構(gòu)造出參與仿真的所有LRU實體,通過數(shù)據(jù)庫存儲的LRU基本屬性信息和裝機狀態(tài)信息并對故障的隨機分布進行采樣獲取故障時間信息為每個實體進行屬性賦值。

圖3 LRU實體生成模塊

2.3 使用計劃生成模塊

使用計劃生成模塊依據(jù)年度總飛行時長、直升機使用方式以及飛行日飛行時長分布模擬生成使用計劃。當(dāng)未選擇自定義使用方式時,將采用均勻使用方式生成使用計劃;當(dāng)選擇自定義使用方式時,將依據(jù)每架機的年度飛行時長生成使用計劃。后一種方式適用于對機群進行梯次使用控制。

2.4 直升機隊列模塊

直升機隊列模塊的主要功能是將初始生成的LRU實體、完成飛行任務(wù)的非故障到壽LRU實體、因同機LRU故障到壽未完成飛行任務(wù)的非故障到壽LRU實體和因故障到壽而換新的LRU實體集中管理,依據(jù)機號進行分組,等待使用計劃,當(dāng)使用計劃到達(dá)則將對應(yīng)該使用計劃機號的一組LRU實體輸出,如圖4所示。

圖4 直升機隊列模塊

2.5 檢查與計劃性維修模塊

考慮到本仿真系統(tǒng)的仿真目標(biāo)及對仿真時間的跨度要求,檢查與預(yù)防性維修模型采用了一個簡化概念模型,該模型包括飛行前檢查、飛行后檢查和預(yù)防性維修檢查。如果無LRU出現(xiàn)故障則進入飛行模型并依據(jù)使用計劃中的飛行時間完成飛行任務(wù)。如果存在LRU故障和到壽,則進入維修更換模型進行更換(見圖5)。

圖5 檢查與計劃性維修模塊

2.6 飛行模塊

參加飛行的直升機實體計入飛行模塊中通過activity模塊的延時機制進行模擬,完成飛行任務(wù)的直升機實體分解成LRU實體后輸出到直升機模塊。

2.7 換件維修模塊

換件維修模塊如圖6所示,同樣采用activity延時模擬更換維修過程,同時,將對故障到壽LRU的故障時間再次抽樣獲取的下次故障的發(fā)生時間,更新日歷到壽期、裝機狀態(tài)信息等完成更新。

圖6 換件維修程序設(shè)計流程圖

3 仿真系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖7所示,仿真系統(tǒng)以裝備數(shù)據(jù)、使用及維修保障活動數(shù)據(jù)及仿真控制參數(shù)為輸入,通過合理構(gòu)建仿真模型并在ExtendSim仿真環(huán)境實現(xiàn)仿真運行,最終輸出給定時長內(nèi)LRU需求預(yù)測。其中:裝備數(shù)據(jù)包括仿真的直升機數(shù)量、LRU的種類及數(shù)量、LRU可靠性參數(shù)及LRU歷史故障、更換記錄數(shù)據(jù)。使用及維修保障活動數(shù)據(jù)包括飛行計劃及訓(xùn)練科目、維修保障流程、故障發(fā)現(xiàn)時機、故障發(fā)現(xiàn)概率等數(shù)據(jù)。仿真控制參數(shù)包括仿真時長、仿真規(guī)模和運行控制參數(shù)和輸出控制參數(shù)。

圖7 基于ExtendSim的直升機外場可更換部件需求仿真軟件總體框架

當(dāng)系統(tǒng)啟動并在模型加載完成后將出現(xiàn)如圖8所示,用戶操作界面(窗口)包括三個區(qū)域:仿真配置區(qū)、仿真結(jié)果輸出區(qū)和仿真控制區(qū)。

圖8 用戶操作界面

仿真配置區(qū)包括:1)仿真時長設(shè)定,確定仿真的開始及結(jié)束時間。2)仿真規(guī)模設(shè)定,選定參加仿真的旅團、旅團中的參加仿真的直升機及參加仿真的部件。

3)直升機信息設(shè)置(錄入),查看或編輯直升機參數(shù)信息。4)LRU設(shè)置,設(shè)置LRU的壽命信息、故障間隔分布及更換時長分布。5)LRU裝機狀態(tài)設(shè)置,查看或編輯LRU裝機狀態(tài)信息。6)飛行時長設(shè)置。7)導(dǎo)入導(dǎo)出仿真配置文件。

仿真控制區(qū)包括:1)開始仿真與暫停仿真。2)顯示總仿真次數(shù)與當(dāng)前仿真次數(shù)。

仿真結(jié)果輸出區(qū)主要實現(xiàn):當(dāng)仿真結(jié)束時,按部別及換件類型輸出顯示仿真結(jié)果及詳細(xì)信息,并導(dǎo)出excel格式的仿真結(jié)果。仿真系統(tǒng)的運行結(jié)果表明,其能夠?qū)崿F(xiàn)對直升機機外場可更換部件需求的預(yù)測。

4 結(jié)束語

本文以仿真軟件ExtendSim作為平臺,并采用離散事件仿真建模方法,對直升機的使用及檢查維修過程進行了詳細(xì)模擬,實現(xiàn)對直升機機外場可更換部件需求的科學(xué)預(yù)測。構(gòu)建的仿真系統(tǒng)能夠為直升機備件采購籌措、分配、儲存、調(diào)撥等維修保障決策提供了科學(xué)依據(jù),為裝備保障航材管理從經(jīng)驗性向科學(xué)型、從粗放式向精確化的轉(zhuǎn)變提供了有力支撐。