航空裝備保障體系仿真評(píng)估模型?

丁 剛 張 琳 崔利杰 魏東濤

（1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院 西安 710051）（2.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院 西安 710051）

1 引言

隨著部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的深入推進(jìn)，各類戰(zhàn)機(jī)使用強(qiáng)度不斷增加，以有限的資源盡快形成保障能力，提高保障工作效率是裝備維修保障工作面臨的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。通過對(duì)保障體系進(jìn)行仿真評(píng)估可以達(dá)到以下五個(gè)目的：一是分析裝備的使用方案，確定應(yīng)當(dāng)提供的保障活動(dòng)；二是評(píng)估諸多維修保障方案，并確定最優(yōu)方案；三是優(yōu)化資源供應(yīng)、調(diào)配和使用策略；四是評(píng)估維修機(jī)構(gòu)保障效率，優(yōu)化維修過程；五是分析影響戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)完成的維修保障瓶頸，及時(shí)調(diào)整以保證任務(wù)完成。因此，航空裝備保障體系仿真評(píng)估具有重要的實(shí)際意義。

2 航空裝備保障體系仿真評(píng)估

2.1 體系特點(diǎn)

近年來，體系相關(guān)問題研究得到了深入發(fā)展［1～2］。構(gòu)成裝備保障體系的基本要素包括保障資源、維修機(jī)構(gòu)及維修規(guī)程。保障體系的功能是完成維修任務(wù)，將待維修裝備轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)狀況符合規(guī)定要求的裝備。在此過程中，需要輸入各種相關(guān)的戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)要求、信息、物資等。保障體系的能力既取決于它的組成要素及相互關(guān)系，又同外部環(huán)境因素有關(guān)。因此，保障體系狀態(tài)的變化是在某些離散時(shí)間點(diǎn)或量化區(qū)間上發(fā)生的，建模的重點(diǎn)在于刻畫引起體系狀態(tài)發(fā)生改變的事件以及確定與每類事件相關(guān)的邏輯關(guān)系，仿真的主線在于按照一定時(shí)間序列中各種事件的邏輯關(guān)系，觸發(fā)體系狀態(tài)的變化，從而對(duì)體系狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)寫照，探索其演化與涌現(xiàn)規(guī)律。

2.2 問題描述

在仿真優(yōu)化中，優(yōu)化模型本身的描述與仿真的關(guān)聯(lián)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和優(yōu)化目標(biāo)的評(píng)估上，即仿真模型的輸入與輸出。航空裝備保障體系仿真優(yōu)化的輸入分為兩類，一類是裝備單元本身的保障性能力參數(shù)，如平均故障間隔時(shí)間MTBF、平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間MTBCF、平均維修時(shí)間MT?TR、保障資源延誤時(shí)間LDT、管理延誤時(shí)間ADT等；另一類是面向任務(wù)的任務(wù)與環(huán)境參數(shù)，如多階段任務(wù)PMS、環(huán)境擾動(dòng)Evn、保障指揮與控制C2等；仿真優(yōu)化的輸出是裝備體系保障性參數(shù)和體系任務(wù)成功率參數(shù)，如體系裝備完好率Rrrsos、體系使用可用度Aosos、體系任務(wù)持續(xù)概率Rmcsos、PMS任務(wù)成功率MC等。保障性分析主要集中于參數(shù)相關(guān)性和靈敏度分析，通過指揮控制優(yōu)化保障系統(tǒng)達(dá)成使命任務(wù)的成功率要求。仿真評(píng)估問題抽象描述如圖1所示。

圖1 航空裝備保障體系仿真評(píng)估問題描述

3 航空裝備保障體系仿真評(píng)估模型構(gòu)建

3.1 實(shí)體模型

實(shí)體模型開發(fā)的第一步是對(duì)裝備及其保障體系物理系統(tǒng)進(jìn)行抽象，形成保障體系的概念模型，包括任務(wù)的來源、時(shí)間、邊界、對(duì)象、資源和流程等。為了實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)維修保障過程的評(píng)估優(yōu)化，需從概念模型描述的保障體系各組成要素中進(jìn)一步抽象出仿真系統(tǒng)能夠交互訪問的各類功能模型。通過第二次抽象和細(xì)化，形成保障體系的實(shí)體模型，包括裝備系統(tǒng)模型、保障系統(tǒng)模型、基礎(chǔ)模型、場景實(shí)例模型和Agent模型。其中Agent模型主要表示能持續(xù)、自主發(fā)揮作用，具備主動(dòng)性、反應(yīng)性、自治性等特征的計(jì)算實(shí)體。

3.2 任務(wù)模型

3.2.1 任務(wù)描述

任務(wù)裝備體系由不同的裝備單元組成以完成特定使命任務(wù)。裝備單元由基本裝備組成，基本裝備單元是能夠獨(dú)立執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的最小單位，是由單個(gè)裝備系統(tǒng)或同型裝備系統(tǒng)群和保障系統(tǒng)構(gòu)成［3］?；咀鲬?zhàn)單元配置伴隨保障修理組，作戰(zhàn)單元配置戰(zhàn)場搶修分隊(duì)，共同構(gòu)成裝備保障體系。任務(wù)裝備體系組成如圖2所示。

圖2 任務(wù)裝備體系組成

3.2.2 裝備體系任務(wù)模型

裝備體系任務(wù)由多個(gè)階段任務(wù)及其邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行定義，逐層映射到裝備單元和基本裝備單元。裝備體系任務(wù)涵蓋各個(gè)裝備單元的任務(wù)，裝備單元在裝備體系中提供不同的作戰(zhàn)能力，且互相影響和制約，并且具備動(dòng)態(tài)特性，隨時(shí)間的推進(jìn)和任務(wù)執(zhí)行情況的變化而變化。裝備單元任務(wù)涵蓋各基本裝備單元的任務(wù)，但又不等同于各基本裝備單元任務(wù)的迭加，基本裝備單元通常構(gòu)成k/n冗余配置。任務(wù)下達(dá)之后，各階段裝備體系的最小構(gòu)型確定，為了確保任務(wù)持續(xù)完成，體系構(gòu)型應(yīng)該優(yōu)于任務(wù)要求的門限值，即任務(wù)強(qiáng)度不小于要求的強(qiáng)度S，階段任務(wù)強(qiáng)度可以用要求的一定構(gòu)型的裝備工作時(shí)間來表征。當(dāng)構(gòu)成體系的裝備以一定的概率發(fā)生故障時(shí)，維修保障體系運(yùn)行不能維持體系構(gòu)型的門限值時(shí)，則表示體系無法持續(xù)執(zhí)行任務(wù)。裝備體系任務(wù)持續(xù)模型如圖3所示。

圖3 裝備體系任務(wù)持續(xù)模型

3.2.3 裝備單元任務(wù)模型

裝備單元任務(wù)由基本裝備單元在多個(gè)階段中的任務(wù)及其邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行定義。基本裝備單元在執(zhí)行任務(wù)過程中形成一定的任務(wù)剖面，在某一時(shí)間段內(nèi)可能滿足裝備單元的任務(wù)強(qiáng)度要求，也可能無法滿足。保障體系仿真優(yōu)化的目的正是在于對(duì)比分析不同的保障方案并提出實(shí)施建議，使得基本裝備單元出現(xiàn)故障時(shí)能夠以最小的資源消耗最快的重新滿足裝備單元的強(qiáng)度要求。如圖4所示，假設(shè)在任務(wù)的f階段和h階段，要求裝備單元Ⅵ的任務(wù)強(qiáng)度是2/4，裝備單元Ⅰ的任務(wù)強(qiáng)度是1/3，則在f階段裝備單元任務(wù)剖面可以滿足任務(wù)需求，而在h階段，雖然裝備單元Ⅰ的任務(wù)強(qiáng)度滿足任務(wù)需求，但是裝備單元Ⅵ的任務(wù)強(qiáng)度達(dá)不到任務(wù)要求，這樣h階段任務(wù)失敗，因此裝備體系任務(wù)也失敗。

圖4 裝備單元任務(wù)持續(xù)模型

3.2.4 基本裝備單元任務(wù)模型

基本航空裝備單元一般映射到某型戰(zhàn)機(jī)，戰(zhàn)機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中，組成戰(zhàn)機(jī)的二級(jí)系統(tǒng)及其部件以一定的模型產(chǎn)生故障或戰(zhàn)損，戰(zhàn)機(jī)必須返場維修或失效報(bào)廢，從而影響任務(wù)的持續(xù)推進(jìn)。對(duì)基本裝備單元任務(wù)進(jìn)行建模，主要是定義其飛行前準(zhǔn)備時(shí)間、任務(wù)飛行時(shí)間、故障維修時(shí)間、故障等待備件時(shí)間、再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間、飛行后檢查時(shí)間和任務(wù)成功判斷點(diǎn)等?；狙b備單元任務(wù)持續(xù)模型如圖5所示。

圖5 基本裝備單元任務(wù)持續(xù)模型

基本裝備單元在執(zhí)行多階段任務(wù)中，飛行前準(zhǔn)備時(shí)間T1=t1-t0；t1時(shí)刻開始機(jī)動(dòng)，t2時(shí)刻到達(dá)任務(wù)空域執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，機(jī)動(dòng)時(shí)間T2=t2-t1=T4=t4-t3；對(duì)裝備單元執(zhí)行任務(wù)的有效支撐時(shí)間T3=t3-t2；故障維修時(shí)間T5=t5-t4；維修等待備件時(shí)間T6=t6-t5；再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間T7=t7-t6；階段任務(wù)成功判斷點(diǎn)為裝備單元持續(xù)滿足強(qiáng)度要求達(dá)到階段轉(zhuǎn)化的時(shí)刻。裝備體系執(zhí)行任務(wù)期間，體系并不過分關(guān)注某一基本裝備單元的完好狀態(tài)，只需要關(guān)注裝備單元的任務(wù)強(qiáng)度是否滿足，從而將綜合保障資源與調(diào)度的服務(wù)對(duì)象由傳統(tǒng)的面向單一裝備的粗放型保障轉(zhuǎn)移到面向裝備體系的精細(xì)化保障上，這也是后續(xù)仿真優(yōu)化的基本出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

3.3 保障模型

裝備保障體系及業(yè)務(wù)過程建模涉及綜合保障系統(tǒng)的各個(gè)方面，一般包括保障指揮模型、保障監(jiān)控模型、裝備維修模型、器材供應(yīng)模型、彈藥供應(yīng)模型和基礎(chǔ)模型等。以裝備Agent和裝備維修Agent為例，裝備Agent向裝備維修Agent輸入維修消息，包括預(yù)防性維修、自然故障和搶救搶修，裝備維修Agent在接收消息后，完成維修任務(wù)，內(nèi)部構(gòu)成如圖6所示，Agent功能包括創(chuàng)建維修工作樹以管理維修和使用活動(dòng)，記錄維修工作屬性和關(guān)聯(lián)維修工作模型。維修功能以保障事件發(fā)生和保障活動(dòng)推進(jìn)為載體，其中保障事件模型包括保障工作樹的自動(dòng)同步和保障事件屬性配置，保障活動(dòng)模型包括保障工作樹自動(dòng)同步和保障活動(dòng)定義。裝備維修任務(wù)派發(fā)之后，維修Agent觸發(fā)保障事件、推進(jìn)保障活動(dòng)以調(diào)動(dòng)相應(yīng)的維修保障資源。

圖6 裝備維修Agent模型

保障活動(dòng)階段流程繪制是組織實(shí)施保障活動(dòng)的底層抽象，是對(duì)維修過程的詳細(xì)描述，以飛機(jī)修復(fù)性維修過程為例，包括原位直接維修、更換維修過程和額外拆卸維修過程。裝備故障可以通過更換一個(gè)或多個(gè)組件進(jìn)行修復(fù)，也可以通過對(duì)裝備的不可更換部分進(jìn)行直接維修修復(fù)，組件通過直接維修或更換下一級(jí)故障組件進(jìn)行修復(fù)。站點(diǎn)內(nèi)修復(fù)性維修過程如圖7所示。

圖7 站點(diǎn)內(nèi)修復(fù)性維修過程

直接維修過程、更換維修過程和額外拆卸過程模型的具體時(shí)間消耗可參考文獻(xiàn)［4］的公式進(jìn)行計(jì)算。

3.4 業(yè)務(wù)模型

保障業(yè)務(wù)流程以使命任務(wù)裝備體系為分析對(duì)象，以多階段作戰(zhàn)任務(wù)推進(jìn)為邏輯主線，將作戰(zhàn)任務(wù)逐層分解映射到基本裝備單元。隨著任務(wù)時(shí)間的推進(jìn)，根據(jù)任務(wù)要求轉(zhuǎn)換裝備體系執(zhí)行任務(wù)。任務(wù)過程中，由裝備可更換單元的可靠性模型作為故障機(jī)制觸發(fā)自然故障，并產(chǎn)生相應(yīng)的修復(fù)性維修任務(wù)；由裝備保障事件模型作為觸發(fā)機(jī)制產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)防性維修任務(wù)，并將裝備運(yùn)送到達(dá)維修站點(diǎn)執(zhí)行維修保障活動(dòng)；因不同維修機(jī)構(gòu)能力不同，裝備維修通常先由伴隨保障修理組進(jìn)行，若維修能力不足，則需調(diào)度戰(zhàn)場搶修分隊(duì)在現(xiàn)場完成；如果裝備仍然無法修復(fù)，則后送維修工廠或大修廠完成裝備維修；在裝備維修過程中，不斷調(diào)用所需保障資源，航材供應(yīng)等。在裝備修復(fù)之后返回裝備單元繼續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，直至裝備體系任務(wù)完成。

3.5 評(píng)估模型

本文采用基于HLA的分布式仿真評(píng)估模型［5～8］。完成仿真實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)推演定義后，通過FOM（Federat?ed object model）提供仿真聯(lián)邦服務(wù)。針對(duì)仿真各類實(shí)體及聚焦的核心agent，通過對(duì)應(yīng)的SOM實(shí)現(xiàn)分布式的部署、通信、計(jì)算和分析。根據(jù)仿真業(yè)務(wù)的需求，分為任務(wù)分解類SOM，指揮管理類SOM、裝備維修類SOM、航材供應(yīng)類SOM和業(yè)務(wù)監(jiān)控類SOM，并將各類SOM映射到對(duì)應(yīng)實(shí)體上。

隨著時(shí)間主線的推進(jìn)，調(diào)用各類飛機(jī)系統(tǒng)模型、飛機(jī)任務(wù)模型、保障任務(wù)模型和保障資源模型等，完成保障任務(wù)。在仿真計(jì)算過程中，記錄各實(shí)體SOM的活動(dòng)、事件和時(shí)間數(shù)據(jù)，采用Redis高速數(shù)據(jù)緩存處理計(jì)算過程數(shù)據(jù)，并存放到仿真計(jì)算過程數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)一管理［9～11］。仿真分析評(píng)估分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和評(píng)估優(yōu)化三部分，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)針對(duì)過程數(shù)據(jù)流表和數(shù)據(jù)實(shí)體表進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理；數(shù)據(jù)分析針對(duì)不同的保障行動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律構(gòu)建科學(xué)的指標(biāo)體系，選擇合理的算法產(chǎn)生評(píng)估數(shù)據(jù)，為保障方案修改、保障力量優(yōu)化、保障體制編制、任務(wù)計(jì)劃的合理性等提供參考和依據(jù)，提供評(píng)估所需的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)。

保障效能評(píng)估采用四級(jí)指標(biāo)體系［12］，即任務(wù)完成能力指標(biāo)、任務(wù)支撐能力指標(biāo)、綜合保障能力指標(biāo)和裝備單元能力指標(biāo)。對(duì)應(yīng)于不同的保障性能力需求，指揮與評(píng)估機(jī)構(gòu)通過保障活動(dòng)的科學(xué)有效組織使諸多指標(biāo)維持在一個(gè)可接受的范圍。仿真評(píng)估主要實(shí)現(xiàn)維修保障作業(yè)條件下保障能力的對(duì)比分析，并提供評(píng)估所需的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文首先明確了航空裝備保障體系的特點(diǎn)及保障體系仿真評(píng)估解決的主要問題。探索構(gòu)建了仿真實(shí)體模型，任務(wù)分解映射模型、保障模型、業(yè)務(wù)模型和仿真評(píng)估模型；通過研究，能夠?yàn)樯钊胪七M(jìn)航空裝備體系保障性建模與分析奠定基礎(chǔ)，為高效、準(zhǔn)確地實(shí)施現(xiàn)代航空裝備體系維修保障能力評(píng)估提供支撐。