基于Anylogic 的飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程仿真*

李京峰，項(xiàng)華春，陳云翔，嚴(yán)雅榕

（空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院，西安 710051）

0 引言

伴隨新一輪軍隊(duì)規(guī)模結(jié)構(gòu)調(diào)整，航空兵部隊(duì)的裝備管理體制也發(fā)生了相應(yīng)變化。對(duì)于部隊(duì)級(jí)裝備管理環(huán)節(jié)，調(diào)整后航空兵部隊(duì)裝備管理體制運(yùn)行效率的高低直接影響本級(jí)和更高層級(jí)的裝備完好率及作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。在航空兵部隊(duì)裝備管理體制運(yùn)行效率的眾多影響范圍內(nèi)，本文僅以軍用飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程為例進(jìn)行仿真。

軍用飛機(jī)的使用維修保障［1-2］是指為了保持和恢復(fù)飛機(jī)完好的技術(shù)狀態(tài)，保證飛機(jī)能正確操作使用，以便充分發(fā)揮其作戰(zhàn)性能所進(jìn)行的一系列技術(shù)和管理活動(dòng)，以及為保證這些活動(dòng)有效地實(shí)施所必需的維修保障資源。軍用飛機(jī)的使用維修保障包括使用保障、維修工程、保障工程3 個(gè)部分。本文研究的軍用飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程屬于使用保障部分。運(yùn)用仿真技術(shù)模擬軍用飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程，可以準(zhǔn)確反映動(dòng)態(tài)與隨機(jī)的系統(tǒng)特性，節(jié)約研究時(shí)間與費(fèi)用，近年來已成為相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］應(yīng)用Anylogic 仿真軟件建立了基于網(wǎng)絡(luò)離散事件的裝甲裝備維修保障過程仿真模型，進(jìn)行了基于指標(biāo)權(quán)重的維修保障資源評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)［4］利用Petri 網(wǎng)對(duì)戰(zhàn)術(shù)裝備維修保障指揮過程進(jìn)行建模，根據(jù)假設(shè)的實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)比分析了現(xiàn)有和簡化后的指揮過程的平均延遲時(shí)間，從而為戰(zhàn)術(shù)裝備維修保障指揮過程的優(yōu)化提供依據(jù)；文獻(xiàn)［5］將一般的面向?qū)ο笏枷霐U(kuò)展為隨機(jī)服務(wù)資源管理對(duì)象（SSRMO）來對(duì)裝備維修保障系統(tǒng)（EMSS）物理層仿真建模，先給出了基于UML 動(dòng)態(tài)建模技術(shù)的EMSS 業(yè)務(wù)建模方法，然后將業(yè)務(wù)流程分解為每個(gè)SSRMO 的業(yè)務(wù)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)EMSS 的業(yè)務(wù)流程模型。

本文針對(duì)某航空兵部隊(duì)飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程，運(yùn)用Anylogic 仿真軟件進(jìn)行仿真［6-8］，通過變化裝備資源數(shù)量的參數(shù)及飛行計(jì)劃強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在不同裝備管理體制且資源配置不同的情況下各自的資源利用率、資源滿足率及平均保障時(shí)間，為優(yōu)化飛機(jī)維修保障資源配置，提供科學(xué)的可視化支撐。

1 飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程分析

在執(zhí)行作訓(xùn)任務(wù)時(shí)，飛機(jī)的維修保障資源運(yùn)用是一個(gè)較為復(fù)雜的工作，必須根據(jù)飛行計(jì)劃、氣候特征、資源配置、維修環(huán)境等因素制定方案，進(jìn)行人員分工、專業(yè)協(xié)調(diào)和設(shè)備請(qǐng)領(lǐng)等活動(dòng)，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的相互影響過程，在進(jìn)行仿真之前務(wù)必要把飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程描述清楚。具體過程如圖1所示。

由圖1 得知，通常，在建立飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程的模型之前要先明確當(dāng)天的飛行計(jì)劃［9］，以便機(jī)務(wù)人員根據(jù)相關(guān)任務(wù)進(jìn)行準(zhǔn)備，請(qǐng)領(lǐng)、調(diào)度資源。其次，在任務(wù)下達(dá)之后，要明確仿真對(duì)象的資源配置狀況，以便在模型中設(shè)置參數(shù)時(shí)盡量真實(shí)地還原現(xiàn)實(shí)狀況，達(dá)到科學(xué)合理的效果。最后，要清晰地描述開飛前飛機(jī)的直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備過程，這是建模過程中的一個(gè)重要問題，只有符合實(shí)際，建立的模型才有參考意義。本文的初始仿真對(duì)象規(guī)模以軍隊(duì)規(guī)模結(jié)構(gòu)調(diào)整前團(tuán)級(jí)的基本狀況為參考。

圖1 飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程

1.1 飛行計(jì)劃

航空兵部隊(duì)的飛行計(jì)劃是根據(jù)飛機(jī)基本信息及訓(xùn)練內(nèi)容等所制定的任務(wù)計(jì)劃，是開展相關(guān)維修保障工作的依據(jù)。按照飛行計(jì)劃的安排內(nèi)容可以分為高強(qiáng)度計(jì)劃、中強(qiáng)度計(jì)劃和低強(qiáng)度計(jì)劃，飛行計(jì)劃強(qiáng)度的大小將影響資源利用率的高低以及保障時(shí)間的長短等指標(biāo)。

在使用Anylogic 軟件仿真的過程中，會(huì)依次對(duì)比不同強(qiáng)度的飛行計(jì)劃在不同資源配置狀況下各自的資源利用率以及保障時(shí)間，從而得到使航空兵部隊(duì)飛機(jī)維修保障效率最高的優(yōu)化方案。其中，高強(qiáng)度計(jì)劃中安排18 架飛機(jī)5 個(gè)起落、中強(qiáng)度計(jì)劃中安排15 架飛機(jī)3 個(gè)起落、低強(qiáng)度計(jì)劃中安排12架飛機(jī)2 個(gè)起落的訓(xùn)練內(nèi)容。

1.2 資源配置

在對(duì)航空兵部隊(duì)飛機(jī)維修保障運(yùn)用過程仿真時(shí)，必須明確仿真對(duì)象的規(guī)模結(jié)構(gòu)及相關(guān)資源配置概況，以便在飛行計(jì)劃下達(dá)后及時(shí)地調(diào)度資源，滿足計(jì)劃需求。保障資源的利用情況將直接影響作戰(zhàn)訓(xùn)練的實(shí)施和效能。

通常，每個(gè)飛行團(tuán)由一個(gè)機(jī)務(wù)大隊(duì)（包括一個(gè)修理廠）進(jìn)行機(jī)務(wù)保障，除此之外還有油料股、航材股、軍械股、四站等單位參與保障，同時(shí)需要機(jī)場、停機(jī)坪、塔臺(tái)等機(jī)場設(shè)施，以及加油車、氮?dú)廛?、地面電源車、氧氣車等保障車輛。

在使用Anylogic 軟件仿真時(shí)，初始資源配置設(shè)置為該模擬機(jī)場具有飛機(jī)24 架，其中返廠3架，電源車12 輛，氮?dú)廛? 輛，加油車12 輛，氧氣車2 輛。

1.3 保障流程

按照飛行計(jì)劃的內(nèi)容，機(jī)務(wù)人員會(huì)在飛機(jī)起飛前開展直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備工作。依據(jù)實(shí)際工作的流程，針對(duì)飛機(jī)維修保障運(yùn)用過程的仿真內(nèi)容提取如下：

1）在準(zhǔn)備相關(guān)工作之后調(diào)用氮?dú)廛嚈z查氮?dú)鈮毫Σ⒊涞?，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)；

2）加注燃油，檢查燃油質(zhì)量，了解其他專業(yè)檢查情況；

3）接通地面電源及地面通風(fēng)，進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)通電檢查；

4）氧氣系統(tǒng)檢查，該部分檢查與1）中的氮?dú)鈾z查同時(shí)進(jìn)行，除此之外，還有相關(guān)儀表、系統(tǒng)的檢查。

2 基于Anylogic 的飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程建模

Anylogic 軟件［10-11］是俄羅斯XJ Technologies 公司研發(fā)的復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件。軟件以UML-RT、Java語言和微分方程為基礎(chǔ)，提供了不同領(lǐng)域的專業(yè)庫，在使用這一建模工具時(shí)，用戶可以利用快速“拖-拉式”來構(gòu)建模型。AnyLogic 軟件充分支持任意基于Java 語言的算法以及二維、三維空間環(huán)境，主要用于離散、連續(xù)和混合行為的系統(tǒng)仿真，可將基于Agent 建模、離散事件建模和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法結(jié)合起來使用。

由此可以看出，運(yùn)用Anylogic 軟件仿真快捷、靈活、方便，符合本文模擬飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程的需求。通過分析，飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程屬于典型的離散事件，因此，本文主要采用Anylogic中的離散事件建模方法。

2.1 參數(shù)設(shè)置及模型假設(shè)

首先進(jìn)行模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，參數(shù)內(nèi)容如表1 所示。

表1 飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程參數(shù)設(shè)置

飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程受到很多因素的影響，為了更好地構(gòu)建仿真模型，需要在建模之前進(jìn)行一些假設(shè)。

1）在飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程中，所有保障設(shè)備、設(shè)施的保障效果是一樣的且均未發(fā)生故障或損壞；

2）直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備過程中，相關(guān)人員均能正常工作且工作效率一致，沒有意外情況發(fā)生；

3）為了模擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備的各個(gè)環(huán)節(jié)完成時(shí)間偏差，假設(shè)各環(huán)節(jié)的完成時(shí)間服從正態(tài)分布，該設(shè)置由Anylogic 軟件中的normal（double sigma，double mean）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。其中sigma 和mean的值由歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出；

4）預(yù)設(shè)所有Service 模塊的隊(duì)列容量為最大隊(duì)列容量，以保證模型的正常運(yùn)行。

2.2 Anylogic 仿真模型構(gòu)建過程

基于上述假設(shè)和參數(shù)設(shè)置，建立仿真模型如圖2 所示。

圖2 Anylogic 仿真模型

在圖2 的仿真模型中，首先在上方模擬機(jī)場布局，給出飛機(jī)和保障裝備移動(dòng)路線。接著用離散事件建模方法構(gòu)建飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程的邏輯關(guān)系。在流程圖中，用sourcePlane 資源模塊根據(jù)schedulePlanHigh 時(shí)間表每次產(chǎn)生一架飛機(jī)，緊接著timeMeasureStart 與timeMeasureEnd 構(gòu)成一對(duì)對(duì)象，用于測(cè)量它們之間的Agent（智能體）所花費(fèi)的時(shí)間。使用prepare 模塊表示開展直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備前的準(zhǔn)備工作，接著由split 產(chǎn)生飛機(jī)的副本，分別進(jìn)入serviceNitrogen 模塊和serviceOxygen 模塊，其中serviceNitrogen 代表從資源池nitrogen 獲取一輛氮?dú)廛嚈z查氮?dú)鈮毫Σ⒊涞?，serviceOxygen 代表從資源池oxygen 獲取一輛氧氣車進(jìn)行氧氣系統(tǒng)檢查，之后由delay 模塊表示儀表及系統(tǒng)檢查，這兩部分工作同時(shí)進(jìn)行。氮?dú)廛嚤Ｕ贤戤吅筮M(jìn)入serviceRefuel模塊，表示加注燃油，檢查燃油質(zhì)量，servicePower 模塊表示接通地面電源等工作內(nèi)容。而后由combine合并飛機(jī)及副本，向起飛線toFlight 滑行，在wait 模塊等待5 s 后，由speedUp 模塊完成加速過程，最后起飛并由sink 釋放飛機(jī)，整個(gè)流程結(jié)束。

3 飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程仿真

模型仿真單位時(shí)間為1 s，整體時(shí)間以時(shí)間表為準(zhǔn)，schedulePlanHigh 代表高強(qiáng)度計(jì)劃時(shí)間表，schedulePlanMedium 代表中強(qiáng)度計(jì)劃時(shí)間表，schedulePlanLow 代表低強(qiáng)度計(jì)劃時(shí)間表，仿真截止時(shí)刻以流程圖中不再有飛機(jī)運(yùn)行為準(zhǔn)。最終統(tǒng)計(jì)指標(biāo)“資源利用率”、“資源滿足率”和“平均保障時(shí)間”分別展示在圖表“Utilization”、“Satisfaction”和“MTOS”當(dāng)中。

3.1 模型初始設(shè)置運(yùn)行結(jié)果

按照上述初始資源配置及參數(shù)設(shè)置，采用高強(qiáng)度飛機(jī)計(jì)劃，仿真模型運(yùn)行結(jié)果如圖3 所示。

圖3 Anylogic 仿真結(jié)果

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)電源車和加油車的滿足率均為100%，但利用率偏低，平均保障時(shí)間3 447.76 s。

3.2 模型運(yùn)行結(jié)果分析

在航空兵部隊(duì)開展作訓(xùn)任務(wù)過程中，保障裝備的利用率固然重要，但由于部隊(duì)的特殊性質(zhì)，要以完成任務(wù)為首要目標(biāo)，因此，裝備實(shí)現(xiàn)充分保障更為重要。通過優(yōu)化，尋找使得4 種車輛滿足率恰好達(dá)到100%的資源配置方案。

經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3 種強(qiáng)度飛行計(jì)劃中滿足率最接近100%的資源配置方案，將其與初始資源配置條件下仿真結(jié)果對(duì)比如圖4 所示。

將不同方案仿真運(yùn)行統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)匯總以供對(duì)比分析，如下頁表2 所示。3.2.1 橫向分析以高強(qiáng)度飛行計(jì)劃為例，在初始資源配置條件下，氮?dú)廛嚭脱鯕廛嚨馁Y源利用率明顯較加油車和電源車高，但是二者的資源滿足率分別為88.9%和90.4%，距離100%較遠(yuǎn)，沒有滿足充分保障任務(wù)完成的需求。調(diào)整為最優(yōu)資源配置后，氮?dú)廛嚭脱鯕廛嚨馁Y源利用率較之前有所下降，但目前值仍然可觀，加油車和電源車的資源利用率則明顯提升，更為重要的是，4 種車的資源滿足率均在98%以上，達(dá)到了充分保障任務(wù)完成的需求。使用Anylogic 按照高強(qiáng)度飛行計(jì)劃循環(huán)仿真發(fā)現(xiàn)，仿真時(shí)間越長，資源滿足率越接近100%。

圖4 多方案仿真結(jié)果對(duì)比

在平均保障時(shí)間方面，最優(yōu)資源配置條件下的值比初始資源配置短。在資源配置的變化上，氮?dú)廛嚭脱鯕廛嚪謩e只增加1 輛，會(huì)起到縮短平均保障時(shí)間的作用，而加油車減少了8 輛，電源車減少了5輛，會(huì)延長平均保障時(shí)間的作用。從數(shù)量的變化上看，加油車和電源車本應(yīng)起到更重要的作用，但事實(shí)是氮?dú)廛嚭脱鯕廛嚨挠绊懜用黠@，整體縮短了平均保障時(shí)間，說明氮?dú)廛嚭脱鯕廛囋诒Ｕ狭鞒讨械奈恢酶鼮橹匾?/p>

中強(qiáng)度飛行計(jì)劃和低強(qiáng)度飛行計(jì)劃的分析可以參考高強(qiáng)度飛行計(jì)劃，基本類似。

3.2.2 縱向分析

以最優(yōu)資源配置為例，在3 種強(qiáng)度飛行計(jì)劃條件下，4 種車輛的資源利用率高強(qiáng)度比中強(qiáng)度都要高，按照邏輯關(guān)系，中強(qiáng)度的資源利用率本應(yīng)比低強(qiáng)度的高，但實(shí)際上低強(qiáng)度的資源利用率更高。經(jīng)過分析，得到產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是中強(qiáng)度飛行計(jì)劃在上午10∶35 放飛一架飛機(jī)后，直到下午12∶30又安排一架飛機(jī)，在此期間沒有任何飛行任務(wù)，然而這段時(shí)間會(huì)影響到資源利用率的指標(biāo)值，導(dǎo)致數(shù)值的下降，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，截止到中強(qiáng)度飛行計(jì)劃上午10∶35 放飛后，4 種車的資源利用率分別為37.1%、54.9%、54.8%、38.5%，均高于低強(qiáng)度資源利用率，驗(yàn)證了上述猜想。

資源滿足率方面，高強(qiáng)度飛行計(jì)劃小于中強(qiáng)度飛行計(jì)劃，小于低強(qiáng)度飛行計(jì)劃，這是由于任務(wù)強(qiáng)度越低，越容易得到滿足所致。

平均保障時(shí)間方面，任務(wù)強(qiáng)度越高，平均保障時(shí)間越短，經(jīng)過分析認(rèn)為，任務(wù)強(qiáng)度越高，資源利用率越高，資源得到了充分地利用，因此，任務(wù)強(qiáng)度高反而平均保障時(shí)間短。

通過以上分析主要得到兩點(diǎn)啟示：

1）綜合考慮國際國內(nèi)環(huán)境影響，航空兵部隊(duì)?wèi)?yīng)具備完成高強(qiáng)度飛行計(jì)劃的能力，因此，相關(guān)保障裝備的配置應(yīng)該充分，但并不是越多越好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況尋找到最優(yōu)配置。

2）在仿真過程中可以發(fā)現(xiàn)，一些資源在維修保障過程中占據(jù)關(guān)鍵位置，會(huì)明顯影響相關(guān)參數(shù)，對(duì)于這樣的資源要合理地配備充足。同時(shí)，精簡相關(guān)階段的保障時(shí)間對(duì)于優(yōu)化資源配置也會(huì)有所幫助。

表2 多方案統(tǒng)計(jì)指標(biāo)匯總

4 結(jié)論

通過Anylogic 軟件對(duì)某航空兵部隊(duì)飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程仿真，得到飛行計(jì)劃強(qiáng)度、資源配置對(duì)“資源利用率”、“資源滿足率”、“平均保障時(shí)間”等指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)其中關(guān)聯(lián)，并得到假設(shè)條件下的最優(yōu)資源配置，為研究如何提高航空兵部隊(duì)裝備管理體制運(yùn)行效率提供實(shí)驗(yàn)支撐，具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。

下一步仿真研究工作中，會(huì)更加貼近實(shí)際的模擬維修保障過程，將模型假設(shè)中一些理想化的條件進(jìn)行改進(jìn)，融入維修保障過程中設(shè)備故障、機(jī)務(wù)人員能力差異、意外狀況等不確定性因素。