機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源規(guī)劃及驗(yàn)證方法研究*

郭毓文，魏詩朦

（1.中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089；2.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089）

0 引言

機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場的要求一般為：規(guī)定數(shù)量的飛機(jī)應(yīng)能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)場部署，且其執(zhí)行規(guī)定天數(shù)、規(guī)定任務(wù)所需的保障資源應(yīng)能按規(guī)定要求（主要為空間、重量的限制）進(jìn)行裝載。保障資源通常包括保障設(shè)備、保障設(shè)施、備件、技術(shù)資料、保障人員等。如何給出一套完整、合理、最小化且能保障任務(wù)執(zhí)行的保障資源清單，是本文研究的重點(diǎn)。

國內(nèi)在武器裝備保障資源規(guī)劃方面開展了諸多研究，主要包括以下方面：以保障活動(dòng)為中心的裝備保障資源數(shù)量預(yù)測［1］、基于IDEF0-QFD（integra?tion definition method 0-quality function deployment，集成定義方法0-質(zhì)量功能展開）的工程裝備保障資源規(guī)劃方法研究［2］、保障資源確定技術(shù)及需求分析系統(tǒng)研究［3］、雷達(dá)裝備保障資源規(guī)劃分析［4］、艦船綜合保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［5］、基于HLA（high level ar?chitecrure，高層體系結(jié)構(gòu)）的保障仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［6-7］、裝備綜合保障模型研究［8］等。以上研究給出了保障資源規(guī)劃的要求及思路，初步實(shí)現(xiàn)了保障資源規(guī)劃的目的，但所規(guī)劃的保障資源往往存在過飽和的情況，難以支撐“機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場所需保障資源應(yīng)能按規(guī)定要求進(jìn)行裝載”的需求。

同時(shí)，在保障資源初步規(guī)劃的基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步優(yōu)化也開展了一定的研究，例如基本層次分析法和模糊層次分析法結(jié)合的武器裝備維修保障資源優(yōu)選方法研究［9］、航空裝備初始備件資源的庫存優(yōu)化問題［10-11］、基于維修任務(wù)規(guī)劃的維修資源配置模型［12］、多級(jí)保障系統(tǒng)的維修資源最優(yōu)庫存控制問題［13］等。但以上研究多停留在理論層面，難以指導(dǎo)外場實(shí)際工作的開展。

本文通過建模及各因素間交互關(guān)系研究，首先完成保障資源規(guī)劃，再結(jié)合部隊(duì)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場實(shí)際需求給出外場裝載驗(yàn)證優(yōu)化方法及思路，為機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源規(guī)劃及驗(yàn)證提供指導(dǎo)。

1 保障資源規(guī)劃建模

1.1 任務(wù)模型

機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場中執(zhí)行不同任務(wù)對(duì)保障資源的需求是不同的，為確保保障資源規(guī)劃的合理性及經(jīng)濟(jì)性，主要從任務(wù)類型、任務(wù)周期、任務(wù)強(qiáng)度、參與任務(wù)飛機(jī)數(shù)量等要素入手，研究不同任務(wù)要素對(duì)保障資源的影響并進(jìn)行分析建模。任務(wù)類型要素主要涉及任務(wù)想定及任務(wù)方案，例如飛行訓(xùn)練、值班巡邏、空空作戰(zhàn)、空面作戰(zhàn)等。不同的任務(wù)類型決定了不同的任務(wù)剖面，不同的任務(wù)剖面決定了不同的保障資源。任務(wù)周期要素主要影響飛機(jī)的使用維修活動(dòng)，例如基于日歷時(shí)間的飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)定周期檢查（如飛機(jī)30天檢查），從而對(duì)保障資源規(guī)劃產(chǎn)生影響。任務(wù)強(qiáng)度要素在影響飛機(jī)使用維修活動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)對(duì)備件、人員產(chǎn)生一定影響，例如高強(qiáng)度飛行下空地勤人員需要換班備份。參與任務(wù)飛機(jī)數(shù)量要素會(huì)對(duì)保障資源數(shù)量產(chǎn)生影響。以上各任務(wù)要素既單獨(dú)對(duì)保障資源規(guī)劃產(chǎn)生影響，也相互交叉產(chǎn)生綜合影響。

1.2 可靠性水平模型

為確保機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場執(zhí)行任務(wù)期間飛機(jī)的使用可用度，攜轉(zhuǎn)備件的規(guī)劃就顯得極其重要，而裝備的可靠性水平則直接影響所需備件的種類及數(shù)量。整機(jī)級(jí)的可靠性水平是由系統(tǒng)級(jí)可靠性水平?jīng)Q定的，系統(tǒng)級(jí)可靠性水平由部件級(jí)可靠性水平?jīng)Q定。部件可分為可修復(fù)單元和可更換單元，部件級(jí)中可更換單元的可靠性水平主要影響保障資源中備件的規(guī)劃，具體包括備件種類及數(shù)量。本文主要研究機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場所需保障資源規(guī)劃，因此僅針對(duì)部件級(jí)中外場可更換單元（line replaceable unit，LRU）的平均故障間隔時(shí)間（mean time between failure，MTBF）進(jìn)行建模（如圖1所示），根據(jù)任務(wù)輸入確定攜行備件清單。車間可更換單元（shop replaceable unit，SRU）的備件由基地級(jí)庫存提供，不作為機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場的攜行備件。

圖1 可靠性水平模型Fig.1 Model of reliability level

用于進(jìn)行備件規(guī)劃的部件級(jí)可靠性水平主要依據(jù)性能試驗(yàn)及作戰(zhàn)試驗(yàn)階段裝備的實(shí)際可靠性評(píng)估值，建立部件可靠性水平數(shù)據(jù)庫，為備件規(guī)劃提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 保障資源模型

保障資源模型是保障資源規(guī)劃的關(guān)鍵模型，確保保障資源的有限性是建模的基本準(zhǔn)則。保障資源主要包括保障設(shè)備、保障設(shè)施、備件、人員、技術(shù)資料等。機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源可劃分為攜行轉(zhuǎn)場保障資源和目標(biāo)機(jī)場配置保障資源2部分，攜行轉(zhuǎn)場保障資源主要包括保障設(shè)備、人員、備件及技術(shù)資料，目標(biāo)機(jī)場配置保障資源主要包括保障設(shè)備、保障設(shè)施、備件。如圖2所示，規(guī)劃保障設(shè)備種類及數(shù)量時(shí)主要參考要素有使用時(shí)機(jī)、攜行/本場、配套比例等；保障設(shè)施主要參考要素有使用時(shí)機(jī)和配套比例等，主要包括機(jī)庫和保障車輛等，均由目標(biāo)機(jī)場配置；規(guī)劃保障人員數(shù)量時(shí)主要參考要素有保障專業(yè)、技能等級(jí)、保障強(qiáng)度等；規(guī)劃備件種類及數(shù)量時(shí)主要參考外場可更換部件的可靠性水平；技術(shù)資料主要參考要素有使用時(shí)機(jī)和配套比例，包括技術(shù)說明書、使用維護(hù)說明書及履歷本等。

圖2 保障資源模型Fig.2 Model of support resources

1.4 使用維修活動(dòng)模型

使用維修活動(dòng)模型是以任務(wù)及可靠性水平為輸入、以保障資源為輸出的核心模型，如圖3所示?？煞譃槭褂门c維修兩大部分，其中維修可分為預(yù)防性維修及修復(fù)性維修。通過對(duì)任務(wù)類型、周期、強(qiáng)度等屬性的分析，規(guī)劃預(yù)防性維修的項(xiàng)目及頻度；通過對(duì)部件可靠性水平的分析，規(guī)劃修復(fù)性維修的項(xiàng)目及頻度。預(yù)防性維修主要包括飛行前、再次出動(dòng)、飛行后等日常機(jī)務(wù)維護(hù)工作以及飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等周期維護(hù)工作。修復(fù)性維修主要指發(fā)現(xiàn)故障后的故障排除工作，通常通過換件或修復(fù)實(shí)現(xiàn)。

圖3 使用與維修活動(dòng)模型Fig.3 Model of usage and maintenance activities

2 模型交互關(guān)系

圖4給出了4個(gè)模型間的交互關(guān)系。

任務(wù)模型和可靠性水平模型以輸入要求和試飛數(shù)據(jù)為依據(jù)，用以驅(qū)動(dòng)使用與維修活動(dòng)模型，生成執(zhí)行任務(wù)期間所需的使用維修活動(dòng)。使用與維修活動(dòng)模型是整個(gè)保障資源規(guī)劃的核心，分別與上游的任務(wù)、可靠性水平模型，以及下游的保障資源模型建立交互的映射邏輯關(guān)系。

在規(guī)劃保障資源配置方案前，應(yīng)首先明確任務(wù)過程中可能發(fā)生的使用維修活動(dòng)集合，通過梳理各項(xiàng)使用維修活動(dòng)的具體操作流程及流程涉及的保障資源，建立使用維修活動(dòng)與所需保障資源的映射關(guān)系，最終生成涵蓋保障設(shè)備、保障設(shè)施、備件、人員、技術(shù)資料等保障要素的保障資源數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中每一項(xiàng)使用維修活動(dòng)都是一個(gè)獨(dú)立的單元，當(dāng)任務(wù)輸入變化時(shí)，只需根據(jù)任務(wù)變化梳理使用維修活動(dòng)的變化，對(duì)數(shù)據(jù)庫中的單元進(jìn)行調(diào)用即可，最后將所有使用維修活動(dòng)涉及的保障資源進(jìn)行整理合并，得到機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源規(guī)劃方案。方案生成后，要根據(jù)部隊(duì)實(shí)際配備情況進(jìn)行對(duì)比分析，提高保障資源規(guī)劃的合理性及準(zhǔn)確度。本文以1.4節(jié)中提到的日常機(jī)務(wù)維護(hù)工作及周期維護(hù)工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)定檢為例，對(duì)使用維修活動(dòng)與保障資源的映射關(guān)系進(jìn)行說明。

日常機(jī)務(wù)維護(hù)工作主要包括飛行前、再次出動(dòng)、飛行后的飛機(jī)檢查及維護(hù)。其中，飛行前和再次出動(dòng)檢查包括：機(jī)軍特航各專業(yè)全機(jī)上電及目視檢查，燃油、液壓油、滑油、氮?dú)?、氧氣等消耗品的補(bǔ)充加注，阻力傘的安裝，武器彈藥的補(bǔ)充掛載等。飛行后檢查包括：機(jī)軍特航各專業(yè)全機(jī)上電及目視檢查，防護(hù)用品恢復(fù)等。涉及的保障資源主要包括：輪擋、加油車（燃油）、附油加注裝置（滑油、液壓油）、充氮車、充氧車、阻力傘、運(yùn)彈車、掛彈車、機(jī)務(wù)人員、飛行保障工具箱、防護(hù)用品、技術(shù)資料等。

發(fā)動(dòng)機(jī)定檢工作主要包括：渦輪葉片孔探，油濾磁塞清洗，軸承表面檢查，接口管路外觀檢查等。涉及的保障資源主要包括：孔探儀、接油盤、放大鏡、機(jī)務(wù)人員、通用工具箱（打開口蓋、擰開放油口等工作）、技術(shù)資料等。

保障資源模型中各項(xiàng)保障資源具有種類、配套比例、使用時(shí)機(jī)、攜行/本場等屬性，用于關(guān)聯(lián)映射使用維修活動(dòng)等模型中的具體模塊數(shù)據(jù)，建立如表1所示的保障資源數(shù)據(jù)庫（樣本數(shù)據(jù)），為保障資源規(guī)劃提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。最終，依據(jù)任務(wù)及可靠性水平的輸入，完成保障資源規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)保障資源調(diào)配。

表1 保障資源數(shù)據(jù)庫Table1 Data base of suppor t r esources

3 使用維修活動(dòng)頻度計(jì)算方法

根據(jù)建立的使用維修活動(dòng)模型可知，典型的使用維修活動(dòng)模型包括飛行、日常預(yù)防性維護(hù)工作、周期預(yù)防性維護(hù)工作及修復(fù)性維修工作，具體計(jì)算方法如下。

（1）飛行架次

式中：Ff為任務(wù)期間飛行架次數(shù)；Ii為某任務(wù)類型飛行強(qiáng)度；?ti為某類型任務(wù)典型任務(wù)剖面時(shí)間；Nm為任務(wù)期間任務(wù)類型數(shù)。

（2）飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備

式中：Fb為任務(wù)期間飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備頻度；T為任務(wù)周期；nP(tp>6h)為單項(xiàng)預(yù)防性維修工作時(shí)間大于6 h的天數(shù)，nr(tr>12h)為單項(xiàng)修復(fù)性維修工作時(shí)間大于12 h的天數(shù)，發(fā)生以上2種情況默認(rèn)當(dāng)日無飛行安排。

（3）飛行后機(jī)務(wù)檢查

式中：Fa為任務(wù)期間飛行后機(jī)務(wù)檢查頻度；Fcancel為任務(wù)期間任務(wù)撤銷次數(shù)，F(xiàn)cancel可用整機(jī)平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間MTBCF估算，公式為

（4）再次出動(dòng)機(jī)務(wù)準(zhǔn)備

式中：Ft為任務(wù)期間再次出動(dòng)機(jī)務(wù)準(zhǔn)備頻度。

（5）周期預(yù)防性維護(hù)工作

主要包括日歷間隔維護(hù)及使用間隔維護(hù)，分別采用式（6）與式（7）計(jì)算維護(hù)頻度。

式中：FCi為某日歷間隔維護(hù)工作頻度；tci為某日歷維護(hù)工作間隔。

式中：FOi為某使用間隔維護(hù)工作頻度；toi為某使用維護(hù)工作間隔。

（6）修復(fù)性維修工作

式中：FM為修復(fù)性維修工作頻度；MTBFa為整機(jī)平均故障間隔時(shí)間。

4 機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源仿真框架

國內(nèi)海軍工程大學(xué)李忠猛針對(duì)艦船裝備總體介紹了維修保障資源規(guī)劃與管理面臨的新形勢與特點(diǎn)，并針對(duì)國內(nèi)外在維修保障資源模型開發(fā)與技術(shù)應(yīng)用方面的差距進(jìn)行了分析［14］。本文根據(jù)國內(nèi)外仿真模型的特點(diǎn)，建立的機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源仿真平臺(tái)框架如圖5所示。充分利用已有的建模工具和仿真平臺(tái)軟件，開發(fā)保障資源仿真支持環(huán)境。根據(jù)用戶輸入的任務(wù)需求和可靠性水平，最終將仿真結(jié)果輸出給用戶。

圖5 機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源仿真平臺(tái)框架Fig.5 Simulation platform fr amewor k of tr ans-field support resources

仿真平臺(tái)的軟件環(huán)境分為4層，各軟件層之間通過規(guī)范的接口實(shí)現(xiàn)信息交互和軟件集成。

（1）界面層

主要用于用戶與平臺(tái)間的信息交互。如可靠性數(shù)據(jù)、任務(wù)設(shè)定、保障要求等。

（2）應(yīng)用層

是仿真平臺(tái)的主體，提供分析與評(píng)價(jià)功能，并管理數(shù)據(jù)與模型；同時(shí)，該層還能提供與其他仿真平臺(tái)的接口，該層也是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（3）事務(wù)層

主要是建模系統(tǒng)和仿真分析系統(tǒng)。其中，建模系統(tǒng)主要是建立任務(wù)模型、可靠性水平建模、保障資源模型以及使用維修活動(dòng)模型；優(yōu)化系統(tǒng)主要是對(duì)通過仿真得到的保障資源方案進(jìn)行合理性和可行性分析，進(jìn)一步優(yōu)化保障資源方案配置，輸出方案結(jié)果。

（4）數(shù)據(jù)層

提供保證系統(tǒng)運(yùn)行所需要的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資源。主要包括任務(wù)數(shù)據(jù)庫、可靠性水平數(shù)據(jù)庫、使用與維修活動(dòng)數(shù)據(jù)庫及保障資源數(shù)據(jù)庫等。

5 實(shí)例驗(yàn)證

現(xiàn)計(jì)劃向某基地機(jī)動(dòng)部署6架機(jī)，主要執(zhí)行值班巡邏及飛行訓(xùn)練2種任務(wù)，計(jì)劃任務(wù)周期30天，每架機(jī)計(jì)劃執(zhí)行60 h值班巡邏及30 h飛行訓(xùn)練任務(wù)，值班巡邏典型剖面時(shí)間為2.5 h，飛行訓(xùn)練典型剖面時(shí)間為2 h，整機(jī)平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間為15 h，整機(jī)平均故障間隔時(shí)間為3 h。根據(jù)任務(wù)需求，可以預(yù)測可能發(fā)生的日歷時(shí)間間隔維護(hù)工作包括飛機(jī)30天檢查，使用時(shí)間間隔維護(hù)工作包括發(fā)動(dòng)機(jī)25 h、50 h、100 h，APU30 h、飛機(jī)100 fh（flight hour，飛行小時(shí)）、飛機(jī)25起落/50起落等檢查。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)100 h、飛機(jī)100 fh維護(hù)工作所需時(shí)間大于6 h，但可當(dāng)日完成。

將需求數(shù)據(jù)帶入公式（1）～（8），可以求得每架機(jī)使用維修活動(dòng)如下：飛行39架次/90 h，飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備28次，再次出動(dòng)機(jī)務(wù)準(zhǔn)備17次，飛行后機(jī)務(wù)檢查22次，飛機(jī)30天檢查1次，發(fā)動(dòng)機(jī)25 h、50 h、100 h維護(hù)工作分別為4次、2次、1次，APU30 h維護(hù)工作1次，飛機(jī)25起落、50起落維護(hù)工作分別為2次、1次，修復(fù)性維修30次。根據(jù)計(jì)算得到的使用維修活動(dòng)類型及次數(shù)，通過調(diào)用建立的保障資源數(shù)據(jù)庫（表1）及部件可靠性水平完成保障資源方案規(guī)劃。規(guī)劃的保障資源可采用裝載試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，具體見圖6。

圖6 保障資源裝載試驗(yàn)驗(yàn)證方法Fig.6 Support resources loading test validation method

裝載試驗(yàn)驗(yàn)證主要分為攜行方艙裝載和機(jī)上裝載2部分；可采用實(shí)物裝載和仿真推演的方法，仿真推演是指制作同比模型進(jìn)行演示裝載；試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注保障資源規(guī)模、裝載接口、裝載方式、空間布局等方面的信息，收集相關(guān)問題并開展迭代優(yōu)化。

6 結(jié)束語

本文對(duì)軍機(jī)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源規(guī)劃方法進(jìn)行了研究，建立了任務(wù)、可靠性水平、保障資源和使用維修活動(dòng)4個(gè)模型并確定了模型交互關(guān)系。在模型基礎(chǔ)上，給出了使用維修活動(dòng)頻度計(jì)算方法、保障資源規(guī)劃方法以及驗(yàn)證方法。最后，構(gòu)建了機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障資源仿真框架，為后續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)仿真軟件提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文提出的保障資源規(guī)劃及驗(yàn)證方法，對(duì)指導(dǎo)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場試驗(yàn)與試飛驗(yàn)證評(píng)估具有重要意義。