面向任務(wù)攜行航材消耗影響因素研究

宋傳洲 王瑞奇 劉戰(zhàn)/海軍航空大學(xué)

0 引言

航材攜行保障工作是航空兵戰(zhàn)斗力的重要組成部分。飛機(jī)異地執(zhí)行任務(wù)時(shí)，均需異地?cái)y行保障，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間越久，需攜帶的航材品種和數(shù)量越多。任務(wù)中航材的消耗情況直接或間接受多種因素影響，且一定程度上各因素之間也會(huì)相互作用。因此，需全面系統(tǒng)地分析不同任務(wù)模式中影響航材消耗的各種因素，提取具有主要影響的特征，建立特征指標(biāo)體系，特別是重點(diǎn)研究將不同任務(wù)影響因素作為多維變量輸入模型中進(jìn)行分類和預(yù)測(cè)，如RF、GВDT、Adaboost、ХGboost 等算法的應(yīng)用，從而為后續(xù)構(gòu)建分類和預(yù)測(cè)模型做好基礎(chǔ)工作。本文通過(guò)查詢各類記錄和文獻(xiàn)、咨詢工作人員和專家，分析歸納出航材自身、環(huán)境、任務(wù)、人員、經(jīng)濟(jì)、其他等6 個(gè)方面的影響因素，并選取了針對(duì)多維變量預(yù)測(cè)模型關(guān)于品種確定和數(shù)量預(yù)測(cè)的特征指標(biāo)。

1 影響航材消耗的自身因素分析

1.1 可靠性

航材的可靠性是設(shè)計(jì)制造之初就具備的固有特性，用來(lái)表征規(guī)定時(shí)間內(nèi)規(guī)定條件下無(wú)故障完成任務(wù)的能力，反映了航材本身設(shè)計(jì)制造水平，其重要特征量包括失效率、可靠度、平均故障間隔時(shí)間、壽命等[1]。在航材壽命方面，由于執(zhí)行任務(wù)時(shí)航材裝機(jī)時(shí)間不同，需考慮剩余壽命，壽命較短或剩余壽命少的航材往往消耗增多，需增加需求量，而一些壽命較長(zhǎng)的航材或者新列裝不久的機(jī)型的失效概率往往較低且數(shù)據(jù)很難獲得，基于其消耗數(shù)量研究其規(guī)律的方法適用性較差。因此，需結(jié)合壽命周期規(guī)律和航材已使用時(shí)間及其失效率分布函數(shù)來(lái)分析，這樣既能得到任務(wù)中航材的失效率，又可對(duì)部分航材發(fā)生故障或失效進(jìn)行提前預(yù)見(jiàn)。采用失效率來(lái)區(qū)分航材類別通常服從指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布等3 種分布函數(shù)[2]。另外，如果是到壽航材，若剩余壽命低于任務(wù)時(shí)間，該航材必然有需求，是可預(yù)見(jiàn)航材。簡(jiǎn)單有效的方法是將航材區(qū)分為初級(jí)期、成熟期、衰退期。任務(wù)中的限時(shí)可修航材可通過(guò)修理周期計(jì)算其周轉(zhuǎn)數(shù)，該周轉(zhuǎn)數(shù)可視為此類航材的任務(wù)需求數(shù)[3]。其中，失效率是指執(zhí)行任務(wù)時(shí)某航材發(fā)生嚴(yán)重故障或失效的平均概率；平均故障間隔時(shí)間是指相鄰兩次故障或失效經(jīng)修理/更換后仍能正常工作之間的工作時(shí)間[1]。

1.2 環(huán)境適應(yīng)能力

環(huán)境適應(yīng)能力也可稱作航材的工作應(yīng)力，航材可靠性不同，環(huán)境適應(yīng)性也不同，同種航材在相同裝備的不同位置或安裝在不同裝備上，因工作環(huán)境不同所受影響不同，發(fā)生故障或失效的可能性也不同，需求就會(huì)不一樣。例如，處于保護(hù)層內(nèi)的航材比處于危害環(huán)境中的相同航材受到環(huán)境影響少，失效率前者比后者低。

1.3 耗損敏感度

耗損敏感度類似于環(huán)境適應(yīng)能力，主要指在轉(zhuǎn)移、安裝、維修和使用過(guò)程中航材在非正常情況下受到損壞的可能性。這種因素是指因人為操作失誤、裝配技能差、使用設(shè)計(jì)不方便等原因發(fā)生事故性質(zhì)的損耗，與航材自身的失效率無(wú)關(guān)，是偶發(fā)的“事故率”，如更換失效航材時(shí)維修員拆卸用力過(guò)大造成周圍備件受損，又如電子器件不小心被烙鐵熔毀等。

1.4 可更換性

可更換性是指對(duì)航材拆裝的難易程度。飛機(jī)處于特殊任務(wù)環(huán)境或維修條件受限制等情況下若發(fā)生故障，在無(wú)法判斷其維修后能否正常使用時(shí)，需考慮該航材能否分解為外場(chǎng)可更換單元級(jí)別，對(duì)其直接更換。此外，可更換性還受維修員的技術(shù)水平、維修設(shè)備、場(chǎng)地等條件的影響。

1.5 可獲得性

可獲得性主要是指航材獲得的難易程度，用以說(shuō)明航材失效后是否能夠被替代，即通用性?？捎煤讲牡目色@得性一般通過(guò)是否為標(biāo)準(zhǔn)件、通用件、專用件來(lái)表征，一般特設(shè)航材都是專用件，專用性越強(qiáng)，通用性越差，越要重點(diǎn)關(guān)注。航材在攜行空間有限時(shí)，體型會(huì)受到限制，可通過(guò)專人專車、郵寄等方式配送，視為可攜行，因此需進(jìn)一步判斷不損壞航材性能的同時(shí)能否被運(yùn)送，即可儲(chǔ)運(yùn)性。此外，如果在任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)購(gòu)買或者周轉(zhuǎn)，需考慮是否會(huì)發(fā)生延期交貨。

1.6 故障關(guān)聯(lián)性

故障關(guān)聯(lián)性是指多重故障，即當(dāng)某個(gè)航材發(fā)生故障或失效時(shí)，可能引起其他正在工作的航材也發(fā)生故障或失效。此外，失效航材被替換后，新舊同時(shí)使用，相互間也可能因?yàn)槟ズ匣蚱渌蛞l(fā)故障。通常當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，引起的條件變化和相互作用比較復(fù)雜，且隨機(jī)性強(qiáng)，需結(jié)合故障辨識(shí)技術(shù)、故障模式判斷和故障關(guān)聯(lián)圖等進(jìn)行分析。

2 影響航材消耗的任務(wù)因素分析

飛機(jī)執(zhí)行不同任務(wù)，決定了任務(wù)模式、具體科目、地理環(huán)境等幾乎所有外部影響的不同。

2.1 任務(wù)類型

區(qū)分飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)有很多原則，本文按照不同的任務(wù)模式簡(jiǎn)單分為作戰(zhàn)任務(wù)、艦載機(jī)護(hù)航任務(wù)、日常訓(xùn)練任務(wù)、戰(zhàn)備巡邏任務(wù)、聯(lián)合演習(xí)任務(wù)等5 類任務(wù)。每種任務(wù)也可根據(jù)需要細(xì)分，任務(wù)情況差別較大，如同為作戰(zhàn)任務(wù)的進(jìn)攻作戰(zhàn)和防御作戰(zhàn)，前者的航材消耗遠(yuǎn)多于后者。

2.2 任務(wù)強(qiáng)度

任務(wù)強(qiáng)度是指飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)航材的使用強(qiáng)度對(duì)航材損耗的影響程度，是表征任務(wù)類型不同的重要因素。任務(wù)強(qiáng)度可以通過(guò)飛機(jī)起落次數(shù)、啟動(dòng)次數(shù)、出動(dòng)強(qiáng)度、任務(wù)時(shí)間等特征量來(lái)表征。

2.3 任務(wù)等級(jí)

執(zhí)行任務(wù)的等級(jí)決定了航材保障等級(jí)，任務(wù)等級(jí)越高，保障等級(jí)越高，保障規(guī)劃的資源供應(yīng)就越多，包括參與任務(wù)保障人員的能力和可以使用的所有保障資源。因保障資源有限，同一任務(wù)中會(huì)對(duì)航材進(jìn)行區(qū)分，給予不同的保障資源。保障等級(jí)采用平均保障時(shí)間和平均延誤時(shí)間來(lái)表征。平均保障時(shí)間是指航材失效后進(jìn)行限時(shí)維修或更換備件的時(shí)間[4]。

2.4 工作強(qiáng)度

航材工作強(qiáng)度用以表征任務(wù)中航材的工作狀態(tài)，包括其負(fù)載量和使用率。與故障關(guān)聯(lián)相似，航材如果超出原有設(shè)計(jì)的正常使用次數(shù)和連續(xù)工作時(shí)間，不但影響自身的失效率，也將影響其他航材。與之相反，有的航材可能因?yàn)楣ぷ鞔螖?shù)過(guò)少或從未工作而引起自身或其他航材性能下降或變質(zhì)失效。

2.5 任務(wù)損傷

任務(wù)損傷是指任務(wù)中飛行器損傷的程度，尤其是在具有對(duì)抗性的任務(wù)如作戰(zhàn)任務(wù)中，任務(wù)損傷可視為戰(zhàn)斗損傷，需考慮戰(zhàn)斗條件、敵我力量對(duì)比等相關(guān)特征。

3 影響航材消耗的環(huán)境因素分析

不同任務(wù)的環(huán)境因素既包含溫度、濕度、鹽度、生物作用等自然環(huán)境因素，也包含誘發(fā)環(huán)境因素。

3.1 溫度

溫度環(huán)境因素分為低溫、高溫、變溫等3 種情況。如表1 所示。

3.2 濕度

表1 溫度的影響

濕度環(huán)境因素分為高濕、干燥、干濕交替3 種情況，如表2 所示。

3.3 鹽度

鹽度對(duì)航材的腐蝕作用在飛機(jī)于沿海、海島和艦船等地執(zhí)行任務(wù)時(shí)尤為明顯，主要是鹽霧和海水噴濺沾染，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕與腐蝕，各類備件都會(huì)受到影響，尤其對(duì)金屬材質(zhì)和電子類零件影響較大，還會(huì)增大磨損，使機(jī)械強(qiáng)度下降，致使絕緣材料失效等。

3.4 生物作用

生物作用在這里主要指霉菌，霉菌對(duì)航材的影響包括腐蝕和吸水含水作用，霉菌分泌物具有腐蝕作用，可侵蝕表面薄膜，尤其是光學(xué)透鏡和傳感器，菌體吸水含水可促生電化學(xué)腐蝕，加速金屬氧化等。

3.5 氣壓

氣壓對(duì)航材的影響分為高壓和低壓，如表3 所示。

3.6 誘發(fā)環(huán)境因素

誘發(fā)環(huán)境因素包括振動(dòng)、沖擊、核輻射、電磁輻射和大氣污染等方面。其中，振動(dòng)和沖擊對(duì)航材的影響較大，其他情況較少見(jiàn)，如表4 所示。

表2 濕度的影響

表3 氣壓的影響

表4 振動(dòng)和沖擊的影響

3.7 機(jī)場(chǎng)環(huán)境

除了上述各類自然因素和誘發(fā)環(huán)境因素外，飛機(jī)的機(jī)場(chǎng)工作環(huán)境也可歸為環(huán)境因素，包括飛機(jī)起落的跑道鋪面、指示設(shè)備、整體布局等，如航母艦載機(jī)的起落對(duì)部分航材的消耗影響很大。

3.8 綜合作用

航材受到環(huán)境因素的影響是綜合作用的結(jié)果，如艦載護(hù)航任務(wù)、駐島、邊境巡邏等海上任務(wù)，處在高溫、高濕、高鹽、生物生長(zhǎng)繁殖快的環(huán)境中，且溫度變化大，各因素互相作用明顯，濕氣浸透、銹蝕速率、生物作用、堿性鹽霧侵蝕、電化學(xué)作用、沖擊或振動(dòng)等都會(huì)加劇增幅。因此，可將執(zhí)行任務(wù)處的地理環(huán)境與氣候情況相結(jié)合來(lái)表征其綜合作用[5]，也可以用環(huán)境嚴(yán)酷度區(qū)分等級(jí)來(lái)表示。此外，環(huán)境因素不僅直接作用于航材，還影響飛行員、維修員、管理員等的工作狀態(tài)，反過(guò)來(lái)也會(huì)影響航材消耗。

4 影響航材消耗的人員因素分析

4.1 飛行員能力

飛行員是航空兵最重要的戰(zhàn)斗力之一，飛行員的能力對(duì)航材消耗有很大的影響，包含參與任務(wù)飛行的時(shí)間和次數(shù)、人為失誤次數(shù)、技術(shù)等級(jí)、心理素質(zhì)等。例如，在遇到繁重而艱巨甚至危險(xiǎn)系數(shù)很高的任務(wù)時(shí)，初級(jí)飛行員的操作經(jīng)驗(yàn)和能力都有所不足，心理壓力也會(huì)增大，人為錯(cuò)誤增多，導(dǎo)致航材需求量增多。

4.2 維修員能力

維修員能力與飛行員的類似，包括參與任務(wù)的次數(shù)、人為失誤次數(shù)、技術(shù)等級(jí)、心理素質(zhì)等，維修過(guò)程中人為錯(cuò)誤操作所造成的損耗與用于說(shuō)明損耗敏感度的“事故率”有密切聯(lián)系。

4.3 管理因素

管理因素主要指貫穿于整個(gè)任務(wù)前后的管理工作和管理員能力，一方面包括在封裝、運(yùn)輸、保養(yǎng)等流程中出現(xiàn)航材損傷和因指揮調(diào)度不當(dāng)造成的航材供應(yīng)延誤，另一方面包括管理員的能力所涵蓋的失誤次數(shù)、技術(shù)等級(jí)、心理素質(zhì)等。

4.4 維修資源

維修資源包括所能調(diào)動(dòng)的所有資源，如維修人員、方案、設(shè)備、工具和參考資料等，而維修方案中規(guī)定了攜行保障的全部?jī)?nèi)容，包括預(yù)防性和修復(fù)性維修、維修間隔期、維修級(jí)別及修理策略等，這些都會(huì)不同程度地影響航材消耗。儲(chǔ)運(yùn)保養(yǎng)費(fèi)包含運(yùn)輸和保養(yǎng)兩部分，通常該費(fèi)用較低，遠(yuǎn)低于重新購(gòu)買的成本。因此，經(jīng)濟(jì)因素對(duì)航材攜行品種確定的影響比重更大。

6 影響航材消耗的其他因素

通常將很難確定或短時(shí)間無(wú)法查明原因的突發(fā)因素歸為其他影響因素。

7 提取特征

5 影響航材消耗的經(jīng)濟(jì)因素分析

經(jīng)濟(jì)因素主要包括購(gòu)置、封裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、保養(yǎng)和維修等各環(huán)節(jié)的費(fèi)用。一方面，維修設(shè)備、工具、場(chǎng)地等因資金充足會(huì)提升等級(jí)。另一方面，有關(guān)購(gòu)置費(fèi)和儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)，若任務(wù)中航材可周轉(zhuǎn)或購(gòu)買，則可不必?cái)y帶，但若該航材購(gòu)置費(fèi)很高，需通過(guò)運(yùn)輸郵遞等方式攜帶。

7.1 提取原則

特征選取是建立模型的重要部分，特征選擇不好會(huì)增大分類和預(yù)測(cè)偏差。特征選取的關(guān)鍵在于對(duì)消耗影響因素展開(kāi)分析，應(yīng)遵循全面系統(tǒng)、鮮明穩(wěn)定、科學(xué)簡(jiǎn)明、操作靈活、數(shù)據(jù)可靠等5 個(gè)原則[6]選擇和構(gòu)建特征體系。

7.2 構(gòu)建體系

按照以上原則，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查并咨詢?cè)擃I(lǐng)域?qū)＜液凸ぷ魅藛T，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，最終分析得出用于攜行品種確定和數(shù)量預(yù)測(cè)的兩個(gè)特征體系，如表5、表6 所示。

表5 用于航材品種確定的特征

表6 用于航材數(shù)量預(yù)測(cè)的特征

8 結(jié)論

通過(guò)對(duì)任務(wù)中航材消耗影響因素的分析，遵循特征選取原則，構(gòu)建了面向任務(wù)攜行航材品種確定和數(shù)量預(yù)測(cè)特征體系，這些特征可根據(jù)不同任務(wù)模式取值，為多維變量分類和預(yù)測(cè)模型諸如RF、GВDT、Adaboost、ХGboost 等 在航材需求預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用做了特征分析和提取工作，必要時(shí)可采取灰色關(guān)聯(lián)、SHAP、DEMATEL 等方法進(jìn)一步排序篩選。