裝備維修保障仿真實驗的理論問題與技術(shù)框架*

楊英杰，楊萬成，李慧梅，封會娟，楊純艷

（陸軍軍事交通學院投送裝備保障系，天津 300171）

0 引言

裝備維修保障仿真實驗作為面向任務(wù)的裝備維修保障仿真評價的一個重要環(huán)節(jié)，如下頁圖1 所示。從系統(tǒng)論的角度可將裝備維修保障仿真評價問題抽象為3 個研究階段：首先是研究裝備使用任務(wù)系統(tǒng)、保障對象系統(tǒng)和維修保障系統(tǒng)及其相互關(guān)系的建模，主要解決裝備使用、裝備質(zhì)量和裝備維修保障之間的相互作用機理問題［6］；其次，是要研究裝備維修保障仿真建模，重點研究裝備維修保障仿真單元體建模、聚合體建模，以及基于HLA 的裝備維修保障仿真成員建模問題，進而實現(xiàn)支持多分辨率的裝備維修保障仿真模擬［7］；最后，則是研究裝備維修保障仿真實驗問題。裝備維修保障仿真系統(tǒng)作為大型復雜離散事件仿真系統(tǒng)，涉及大量影響輸出的輸入?yún)?shù)。例如，在評價某合同戰(zhàn)斗機步旅裝備維修保障仿真系統(tǒng)的運行效果時，發(fā)現(xiàn)僅考慮維修單元數(shù)量、平均機動時間和備件數(shù)量等3 類影響因素時，就有多達87 個影響參數(shù)［8］。由于缺乏科學的技術(shù)手段支持，導致仿真系統(tǒng)輸入輸出因果關(guān)系難以把握，很難了解重要的仿真影響參數(shù)對仿真運行規(guī)律的影響，由于無法把握運行規(guī)律，裝備維修保障系統(tǒng)的優(yōu)化與改進也就沒有方向。

圖1 裝備維修保障仿真評價研究環(huán)節(jié)

當前，針對一般仿真系統(tǒng)開展仿真實驗的研究已有不少，并研究出一些實驗設(shè)計與分析方法［1-3］。在作戰(zhàn)仿真實驗領(lǐng)域，美軍開展了大量研究工作［4-5］，然而在保障仿真實驗領(lǐng)域，特別是針對裝備維修保障仿真實驗的研究工作還較為少見。要從根本上解決基于仿真的裝備維修保障系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化難題，必須根據(jù)特定的裝備維修保障仿真系統(tǒng)，開展有針對性的仿真實驗理論和技術(shù)方法研究，才能有效迭代“仿真實驗設(shè)計→仿真運行→數(shù)據(jù)分析”這個閉環(huán)過程，為裝備維修保障系統(tǒng)評價與優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

本文以系統(tǒng)論為指導，以仿真模型影響參數(shù)變化的裝備維修保障仿真實驗為研究對象，著力解決單個裝備維修保障方案的評價與優(yōu)化問題，研究確定了一般的裝備維修保障仿真實驗技術(shù)框架，不僅能為裝備維修保障仿真實驗研究提供完整解決方案，還能用于指導開發(fā)集仿真系統(tǒng)與仿真實驗系統(tǒng)為一體的裝備維修保障仿真平臺，實現(xiàn)裝備維修保障仿真系統(tǒng)的研發(fā)與仿真實驗研究的有機融合，將顯著提高裝備維修保障仿真實驗的科學性與合理性。

1 裝備維修保障仿真實驗問題分析

1.1 實驗的原理

裝備維修保障仿真實驗的原理是在明確仿真實驗的目的后，設(shè)計仿真實驗方案，利用仿真運行所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，給出仿真實驗結(jié)果，得出關(guān)于裝備維修保障仿真系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)論。仿真實驗與仿真系統(tǒng)的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 仿真實驗與仿真系統(tǒng)關(guān)系

從仿真系統(tǒng)對仿真實驗的影響來看，主要是通過仿真模型的變化來實現(xiàn)的，包括裝備維修保障仿真層次（分辨率）的變化；仿真模型組成、結(jié)構(gòu)的變化；仿真模型影響參數(shù)的變化。

仿真層次的變化是指仿真實驗同時涉及不同分辨率層次的仿真模型，主要是由于裝備維修保障仿真系統(tǒng)是一個多分辨率仿真系統(tǒng)，現(xiàn)實中保障指揮人員可能同時關(guān)心多個層級的維修保障效果，這就將帶來仿真層次的變化。仿真模型組成、結(jié)構(gòu)的變化主要是指裝備維修保障系統(tǒng)運行邏輯、保障關(guān)系等變化引起的仿真模型構(gòu)型的變化，可理解為裝備維修保障系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和運作關(guān)系發(fā)生變化。仿真模型影響參數(shù)的變化主要是指資源配置等變化引起的仿真模型影響參數(shù)的變化。

由此，可將裝備維修保障仿真實驗模式分為3類：一是仿真層次變化的仿真實驗；二是仿真模型構(gòu)型變化的仿真實驗；三是仿真模型影響參數(shù)變化的仿真實驗。本研究針對的是仿真模型影響參數(shù)變化的仿真實驗。

1.2 實驗的特點

考慮裝備維系保障仿真系統(tǒng)的特點，裝備維修保障仿真實驗主要有以下特點：

1）實驗可重復。基于裝備維修保障仿真系統(tǒng)進行仿真實驗，可方便地設(shè)定保障系統(tǒng)的配置，通過仿真系統(tǒng)的迭代運行實驗，最終到達優(yōu)化裝備維修保障方案的目的。相較演習等實兵實驗，如需通過反復實驗的方式尋找滿意的裝備維修保障系統(tǒng)配置，仿真實驗是唯一可行的技術(shù)手段。

2）實驗層次多。裝備維修保障仿真系統(tǒng)屬于多分辨率仿真系統(tǒng)，涉及多個仿真層次，仿真實驗可針對不同分辨率層次的仿真模型展開。這就要求研究不同仿真層次的實驗參數(shù)確定問題。

3）實驗參數(shù)多。裝備維修保障仿真系統(tǒng)是一個大型復雜仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)本身的影響參數(shù)很多，例如僅是考慮備件種類這一影響參數(shù)，就有多達幾十上百種，直接對這么多實驗參數(shù)進行仿真實驗，將變得無從下手，因而必須研究裝備維修保障仿真實驗參數(shù)的篩選方法，裁剪仿真實驗參數(shù)數(shù)量。

實際上，裝備維修保障仿真模型的有效性也是影響實驗有效的重要因素，為此，在開展仿真實驗前還需對所使用的裝備維修保障仿真系統(tǒng)進行VV&A［9］。

1.3 實驗的基本過程

裝備維修保障仿真實驗的基本過程可劃分為如下3 個階段，即：仿真實驗準備、仿真實驗實施和仿真實驗分析?；具^程如圖3 所示。

圖3 裝備維修保障仿真實驗的基本過程

1.3.1 裝備維修保障仿真實驗準備

仿真實驗需求分析明確仿真實驗的目的及約束，進而才能圍繞實驗目的，設(shè)計出滿足需求的仿真實驗方案。實驗參數(shù)與評價指標確定依據(jù)仿真系統(tǒng)的層級、模型參數(shù)等影響因素，合理確定仿真實驗參數(shù)和水平，另外還應根據(jù)仿真實驗目的，明確評價指標。仿真實驗設(shè)計用于制定仿真開銷可控的實驗方案，著力回答仿真實驗應該怎么做、做到何種程度這兩個問題。

1.3.2 裝備維修保障仿真實驗實施

仿真實驗運行在于做好仿真系統(tǒng)硬件和軟件相關(guān)準備，并按照一定的時序執(zhí)行仿真實驗方案。仿真實驗控制是對仿真實驗全程進行有效管控，重點是控制仿真聯(lián)邦的開始運行、暫停運行、結(jié)束運行，確定仿真結(jié)束條件，以及解決仿真聯(lián)邦的管理，仿真時間推進等運行機制問題。仿真實驗數(shù)據(jù)收集考慮自動地將仿真數(shù)據(jù)進行記錄，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)采集的無人值守，提高仿真效率。

1.3.3 裝備維修保障仿真實驗分析

實驗數(shù)據(jù)分析在于揭示實驗參數(shù)（輸入）、評價指標（輸出）與裝備維修保障仿真系統(tǒng)之間的復雜作用關(guān)系，辨析出其中的顯著實驗參數(shù)，即主因素，在一定精度范圍內(nèi)，確定主因素的最優(yōu)水平組合或達到評價指標要求的滿意水平組合。最后還要形成仿真實驗報告，對仿真實驗分析結(jié)論進行歸納和總結(jié)，便于專家對問題的分析和回溯。

需要強調(diào)的是，上述3 個階段并不是串行關(guān)系，而是逐次迭代、不斷逼近，如圖4 所示。

圖4 裝備維修保障仿真實驗的迭代

2 裝備維修保障仿真實驗研究的關(guān)鍵科學問題

通過分析裝備維修保障仿真實驗問題，結(jié)合具體的工程實踐，歸納出在實際裝備維修保障仿真實驗中經(jīng)常會遇到的幾類問題：1）根據(jù)裝備維修保障仿真實驗目的，如何確定仿真實驗參數(shù)和評價指標；2）如何從大量仿真實驗參數(shù)中篩選出小部分進行仿真實驗方案的設(shè)計；3）仿真實驗參數(shù)水平數(shù)如何確定；4）具有代表性的仿真實驗點如何選?。?）每個仿真實驗點的仿真運行次數(shù)如何確定；6）如何對仿真實驗數(shù)據(jù)進行科學分析；7）如何有效管控仿真實驗的進行，獲取仿真實驗數(shù)據(jù)。

其中，1）屬于仿真實驗參數(shù)與評價指標確定問題；2）～5）屬于仿真實驗設(shè)計問題；6）屬于仿真實驗分析問題；7）屬于仿真實驗的工具手段問題。

2.1 仿真實驗參數(shù)與評價指標確定

從仿真實驗參數(shù)全集和評價指標全集中，明確用于仿真實驗的參數(shù)與評價指標。然而裝備維修保障仿真實驗參數(shù)與評價指標眾多，因此，必須研究參數(shù)與指標的確定方法，為后續(xù)進行仿真實驗設(shè)計做準備。

2.2 仿真實驗設(shè)計

仿真實驗設(shè)計用于制定仿真實驗方案，應在明確實驗方案制定流程的基礎(chǔ)上，研究如何建立仿真實驗方案的評價指標，提煉仿真實驗方案設(shè)計所需解決的問題，指導實驗方案的設(shè)計與優(yōu)化。

2.3 仿真實驗分析

仿真實驗分析旨在對仿真系統(tǒng)運行得到的大量數(shù)據(jù)進行有效處理。應根據(jù)裝備維修保障仿真實驗數(shù)據(jù)分析需求，開展相應的實驗分析方法研究，找出影響裝備維修保障系統(tǒng)有效運轉(zhuǎn)的顯著影響參數(shù)，確定出優(yōu)化的實驗參數(shù)水平組合。

2.4 仿真實驗工具

在解決了仿真實驗的關(guān)鍵技術(shù)問題后，需進一步解決仿真實驗的手段支持問題，即設(shè)計并開發(fā)裝備維修保障仿真實驗原型系統(tǒng)，該原型系統(tǒng)應直接面向裝備維修保障仿真系統(tǒng)，并具備較強的適用性和可操作性。

上述4 個問題貫穿于裝備維修保障仿真實驗的整個過程。

3 裝備維修保障仿真實驗技術(shù)框架

圍繞裝備維修保障仿真實驗的關(guān)鍵問題，提出了裝備維修保障仿真實驗技術(shù)框架，如圖5 所示。裝備維修保障仿真實驗研究框架包括4 個方面的研究內(nèi)容，分別是仿真實驗參數(shù)與評價指標抽取、仿真實驗設(shè)計、仿真實驗分析和仿真實驗原型系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，下面逐一對其進行分析。

3.1 實驗參數(shù)與評價指標抽取

首先分析裝備維修保障仿真實驗參數(shù)來源，明確仿真實驗參數(shù)實質(zhì)就是仿真實體屬性，進而提出基于仿真實體屬性確定裝備維修保障仿真實驗參數(shù)全集的思路［10］。對裝備維修保障仿真實體類型進行分析，按仿真分辨率層次將仿真實體分為仿真單元體和仿真聚合體兩大類。在明確仿真實體類型后，重點分析仿真單元體的屬性描述問題，爾后研究仿真聚合體屬性的聚合方法，包括屬性類別聚合和屬性值聚合。在完成上述研究工作后，就可以得到裝備維修保障仿真實驗參數(shù)全集。分別面向裝備維修保障系統(tǒng)和裝備保障對象，研究確定裝備維修保障實驗評價指標全集［10］。由于仿真實驗參數(shù)和評價指標全集數(shù)量十分龐大，首先根據(jù)專家經(jīng)驗對仿真實驗參數(shù)進行初選，再以實驗目的為牽引，研究確定仿真實驗參數(shù)與評價指標。

3.2 仿真實驗設(shè)計

分析傳統(tǒng)實驗方案制定流程，針對仿真實驗參數(shù)較多的問題，提出裝備維修保障仿真實驗方案制定流程。研究建立用于評價仿真實驗方案優(yōu)劣的指標，進而確定仿真實驗方案的設(shè)計要素，圍繞設(shè)計要素，開展實驗方案的優(yōu)化設(shè)計。重點解決實驗設(shè)計方法的確定、單個仿真實驗點的仿真運行次數(shù)、實驗參數(shù)主因素的選取思路及定量篩選、實驗參數(shù)水平數(shù)的確定等問題。上述研究將完整解決裝備維修保障仿真實驗方案的優(yōu)化設(shè)計問題。

3.3 仿真實驗分析

裝備維修保障仿真實驗分析可形式化描述為：

式中，X 為裝備維修保障仿真實驗參數(shù)集，假設(shè)仿真實驗參數(shù)集X 由n 個構(gòu)成，則實驗參數(shù)空間的笛卡爾積形式可表示為：

y 為裝備維修保障仿真實驗的評價指標，ε 是一個隨機變量，滿足，表示仿真實驗參數(shù)與評價指標之間具有隨機影響關(guān)系，f 表示仿真實驗參數(shù)與評價指標間的相互作用關(guān)系，利用裝備維修保障仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)此映射關(guān)系。

仿真實驗分析就是要研究實驗參數(shù)與評價指標之間的作用關(guān)系，在一定精度范圍內(nèi)，尋求最優(yōu)或滿意的實驗參數(shù)水平組合，指導維修保障資源的優(yōu)化配置。為此提出下面的數(shù)據(jù)分析需求：

圖5 裝備維修保障仿真實驗理論與技術(shù)框架

1）靈敏度分析。顯然，當X 發(fā)生變化時，y 也相應地會發(fā)生變化。那么y 隨X 的變化趨勢，包括變化的方向和變化的程度如何，這就是靈敏度分析的核心內(nèi)容。這里需解決的關(guān)鍵問題是：X 中仿真實驗參數(shù)的變化如何引起評價指標的變化，如何確定實驗參數(shù)的最優(yōu)水平組合。

2）仿真實驗空間尋需。實際上，裝備保障指揮決策者常常希望得到一組滿意的裝備維修保障方案以輔助決策，因此，只需尋找使得系統(tǒng)運行滿意的實驗參數(shù)水平組合。仿真實驗空間尋需的目的并不是要在仿真實驗空間S 中，找出某個仿真實驗點s∈S，使得評價指標y→max。而是關(guān)心評價指標是否達到預定的維修保障要求，希望獲取滿足評價指標要求的仿真實驗子空間。對于這些評價指標的限定，通常是事先給出的，如維修任務(wù)完成率大于某一值等。如果定義一個分段函數(shù)U，將評價指標的維修保障要求描述為：y＞k，其中k 為給定的評價指標要求閾值，則當y≥k 時，U（y）=1 表示評價指標y 達到了預定的維修保障要求，當y＜k 時，U（y）=0 表示評價指標y 沒有達到預定的維修保障要求。即：

3.4 裝備維修保障仿真實驗原型系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

明確裝備維修保障仿真實驗原型系統(tǒng)的設(shè)計目標，將裝備維修保障仿真實驗原型系統(tǒng)分為仿真實驗設(shè)計子系統(tǒng)、仿真實驗管理控制子系統(tǒng)和仿真實驗分析子系統(tǒng)，并分別對各子系統(tǒng)功能需求進行分析。在此基礎(chǔ)上，對裝備維修保障仿真實驗原型系統(tǒng)進行總體設(shè)計和功能設(shè)計，最終實現(xiàn)裝備維修保障仿真實驗原型系統(tǒng)的開發(fā)。通過上述仿真實驗原型系統(tǒng)，就可以針對裝備維修保障仿真系統(tǒng)進行仿真實驗，有效提高裝備維修保障仿真實驗的效率、降低實驗開銷，自動控制仿真實驗的進行。3 個子系統(tǒng)的功能運作關(guān)系如圖6 所示。

圖6 仿真實驗系統(tǒng)功能運作關(guān)系

4 結(jié)論

對裝備維修保障仿真實驗研究所處的環(huán)節(jié)和開展實驗所面臨的困難進行了闡述，對裝備維修保障仿真實驗問題進行了深入分析，進而總結(jié)歸納出裝備維修保障仿真實驗研究所需解決的關(guān)鍵科學問題。在此基礎(chǔ)上，提出了裝備維修保障仿真實驗的技術(shù)框架，圍繞如何確定仿真實驗影響參數(shù)與評價指標，如何優(yōu)化設(shè)計仿真實驗方案，如何依據(jù)實驗方案進行仿真實驗分析，以及如何設(shè)計仿真實驗系統(tǒng)進行了研究。上述理論研究成果不僅為完整解決裝備維修保障仿真實驗問題提供了科學依據(jù)，同時也為解決類似大型復雜仿真系統(tǒng)的實驗問題提供了借鑒。