艦載機(jī)通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證

祝華遠(yuǎn)，李軍亮，張陜輝，郭 森

(1. 海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041；2. 北京質(zhì)遠(yuǎn)恒峰科技有限公司，北京 100010)

0 引 言

通用質(zhì)量特性指標(biāo)是裝備壽命周期管理的重要對(duì)象，貫穿于裝備論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和退役報(bào)廢的各個(gè)階段。通用質(zhì)量特性指標(biāo)研究包括指標(biāo)論證、分配、驗(yàn)證與評(píng)估等多項(xiàng)內(nèi)容，其管理水平直接影響武器裝備的作戰(zhàn)效能發(fā)揮[1–3]。在裝備綜合保障的體系中，作戰(zhàn)需求牽引著裝備的發(fā)展和運(yùn)用、保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，而保障系統(tǒng)則會(huì)影響裝備系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能發(fā)揮。從本質(zhì)上講，通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證與優(yōu)化，是在把握裝備作戰(zhàn)任務(wù)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)裝備各項(xiàng)性能和保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論證與優(yōu)化，通用質(zhì)量特性指標(biāo)評(píng)估是對(duì)保障對(duì)象和保障系統(tǒng)及其適用性的度量，是指標(biāo)論證與優(yōu)化的重要手段。因此，通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證的科學(xué)性與評(píng)估的準(zhǔn)確性對(duì)于裝備發(fā)展論證、迭代設(shè)計(jì)、作戰(zhàn)使用等有著重要作用。

艦載機(jī)作為航母編隊(duì)的主要戰(zhàn)斗單元，其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮對(duì)航母體系的影響至關(guān)重要。但影響艦載機(jī)作戰(zhàn)適用性的因素較多，艦載機(jī)在使用過程中受到惡劣的自然環(huán)境和苛刻的平臺(tái)環(huán)境影響，存在2 項(xiàng)主要矛盾：一是高可靠要求與高故障率之間的矛盾[4–8]，二是快速出動(dòng)能力與強(qiáng)艦基約束之間的矛盾。前者主要指高溫、高鹽、高濕的海洋環(huán)境易導(dǎo)致艦載機(jī)機(jī)體和機(jī)載產(chǎn)品發(fā)生故障與艦載機(jī)高可靠要求之間的矛盾；后者主要體現(xiàn)在艦面有限空間約束、母艦多自由度運(yùn)動(dòng)與艦載機(jī)保障作業(yè)流程復(fù)雜、保障強(qiáng)度高之間的矛盾。為了解決這兩項(xiàng)矛盾，就需要在裝備設(shè)計(jì)之初對(duì)裝備的各項(xiàng)通用質(zhì)量特性指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)論證，從而以各項(xiàng)指標(biāo)為依據(jù)規(guī)劃裝備全系統(tǒng)全壽命周期的管理工作。

目前通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證與優(yōu)化方法主要有解析和建模仿真兩類。解析方法主要有經(jīng)典的概率統(tǒng)計(jì)模型、模糊評(píng)判、貝葉斯分析等[7]；建模仿真方法主要有系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、離散事件、智能體仿真等[8–11]。解析方法主要針對(duì)單一指標(biāo)的設(shè)計(jì)與分析，如在可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)過程中如何將整機(jī)級(jí)可靠性指標(biāo)向系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)或者關(guān)鍵部件分配等。仿真方法可以實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)一體化論證，基于裝備的總體效能要求對(duì)可靠性、維修性、保障性指標(biāo)與作戰(zhàn)性能等的統(tǒng)一論證，可根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行單項(xiàng)、多項(xiàng)指標(biāo)的靈敏度分析，從而對(duì)指標(biāo)在閾值范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，這是以后指標(biāo)論證與優(yōu)化的主要趨勢(shì)。但是目前在工程實(shí)踐中，指標(biāo)論證的頂層輸入不夠明確，即型號(hào)作戰(zhàn)任務(wù)要求向裝備作戰(zhàn)性能與通用質(zhì)量特性指標(biāo)轉(zhuǎn)化的定量分析方法不夠完善。雖然近些年來，越來越重視裝備的體系貢獻(xiàn)率，但還不能將裝備體系貢獻(xiàn)率與裝備通用質(zhì)量特性論證的映射關(guān)系清晰表述[12]。體系貢獻(xiàn)率涉及諸多不確定性因素，因?yàn)闃?gòu)成裝備體系的各系統(tǒng)之間存在涌現(xiàn)性、非線性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，制約到裝備體系貢獻(xiàn)的度量與評(píng)估。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)面向作戰(zhàn)任務(wù)的艦載機(jī)通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證流程，構(gòu)建論證模型和優(yōu)化模型，并結(jié)合算例，說明設(shè)計(jì)方法的可行性，從而提高論證科學(xué)性與精確性。

1 面向作戰(zhàn)任務(wù)的艦載機(jī)通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證

隨著新型艦載機(jī)結(jié)構(gòu)一體化、輕質(zhì)化和隱身化等要求的提升，機(jī)載產(chǎn)品集成化、模塊化、可測(cè)化的水平增強(qiáng)，要求新型艦載機(jī)具備可靠性高、故障自診斷能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、易于維護(hù)保障的特性，保證較高的作戰(zhàn)適用性和艦機(jī)適配性。但艦載機(jī)在使用過程中受到自然環(huán)境、平臺(tái)環(huán)境、保障系統(tǒng)等諸多因素的影響，保障作業(yè)過程中充斥著不確定性和隨機(jī)性。為了提高艦載保障作業(yè)效率，提高艦載機(jī)的出動(dòng)能力、任務(wù)可靠性和任務(wù)持續(xù)性，必須基于系統(tǒng)工程思想開展艦載機(jī)通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證。

以航母編隊(duì)和多機(jī)種艦載機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)要求為頂層輸入，以先進(jìn)保障理論和技術(shù)體系為驅(qū)動(dòng)，深入分析艦基保障平臺(tái)和艦載機(jī)自身的結(jié)構(gòu)與性能特征，明確艦載機(jī)的保障需求，論證艦機(jī)一體化的保障性指標(biāo)體系。包括體系級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和資源級(jí)指標(biāo)（如使用可用度、任務(wù)成功率、出動(dòng)架次率、平均延誤時(shí)間、資源利用率等）以及各指標(biāo)的性能閾值，根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)一步明確保障系統(tǒng)各要素的設(shè)計(jì)要求，如保障設(shè)備、信息系統(tǒng)、艦面接口數(shù)量、布局等的設(shè)計(jì)，從而做到艦機(jī)保障力量運(yùn)用一體化、保障資源配置優(yōu)化、信息資源共享化[1,8]。艦載機(jī)保障性指標(biāo)論證總體流程如圖1 所示。

圖 1 艦載機(jī)保障指標(biāo)論證流程Fig. 1 Demonstration process of carrier-based aircraft support indicators

2 基于離散事件的艦載機(jī)保障過程建模

對(duì)艦基環(huán)境下艦載機(jī)使用與維修保障過程進(jìn)行抽象描述，客觀真實(shí)地構(gòu)建由飛行任務(wù)和隨機(jī)故障驅(qū)動(dòng)的保障活動(dòng)流程以及保障作業(yè)模型。艦載機(jī)的綜合保障工作主要涉及了2 類作業(yè)[1,8]：1）使用保障作業(yè)，如起降、調(diào)運(yùn)、電氣液保障、彈藥保障等專項(xiàng)作業(yè)；2）維修保障作業(yè)：包括預(yù)防性維修與修復(fù)性維修作業(yè)。完成以上內(nèi)容需構(gòu)建出下列基本模型：不同機(jī)型艦載機(jī)（艦載戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、固定翼預(yù)警機(jī)等）的任務(wù)模型、飛機(jī)平臺(tái)模型（艦載機(jī)的基本構(gòu)型、RMS 要求等）、活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖模型、保障資源模型和輔助優(yōu)化模型等，其概念模型如圖2 所示。

圖 2 艦載機(jī)保障流程建模的基本內(nèi)容Fig. 2 The basic content of carrier-based aircraft support process modeling

在此基礎(chǔ)上，基于離散事件建模的原理，采用ILSBox-Designer 軟件構(gòu)建各類子模型。

2.1 任務(wù)模型

任務(wù)模型用于對(duì)作戰(zhàn)單元中裝備所需執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行建模，其以作戰(zhàn)與訓(xùn)練想定、裝備使用方案為建模對(duì)象，以適當(dāng)?shù)男问奖憩F(xiàn)任務(wù)發(fā)生、任務(wù)時(shí)序、任務(wù)之間邏輯關(guān)系、任務(wù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，模型中包括裝備數(shù)量、任務(wù)時(shí)間、任務(wù)強(qiáng)度等。

2.2 裝備模型

裝備模型用于對(duì)裝備種類、數(shù)量、構(gòu)型以及各功能單元的通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，是描述裝備及其組成單元特性的模型。

2.3 保障資源模型

保障資源模型以表單方式對(duì)人員、備件、設(shè)備等保障資源進(jìn)行建模，描述保障資源的種類、數(shù)量、庫(kù)存、供應(yīng)及使用機(jī)制等。

2.4 保障組織模型

保障組織包括了基層級(jí)，中繼級(jí)和庫(kù)房等站點(diǎn)和相互間的保障關(guān)系。

2.5 保障活動(dòng)模型

保障過程模型使用活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖技術(shù)，將裝備使用維護(hù)過程中的各類工作進(jìn)行建模，支持裝備的使用保障、修復(fù)性維修保障、預(yù)防性維修保障等保障活動(dòng)的構(gòu)建。

3 面向保障效能的保障指標(biāo)優(yōu)化

在艦面作業(yè)空間、保障資源等各類約束下，需要對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行專項(xiàng)使用保障或維修保障，從而為執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)做好準(zhǔn)備。艦載機(jī)保障過程是一個(gè)確定性與隨機(jī)性相結(jié)合的動(dòng)態(tài)過程，具有動(dòng)態(tài)與不平衡的特征，保障過程中涉及到多架艦載機(jī)、多種保障資源在多個(gè)作業(yè)階段、多個(gè)保障站點(diǎn)之間的有效協(xié)調(diào)[8,10]。針對(duì)保障指標(biāo)的確定性和保障過程與保障環(huán)境的隨機(jī)性與不確定性，綜合運(yùn)用解析與離散事件仿真方法構(gòu)建艦載機(jī)保障指標(biāo)論證的技術(shù)框架，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)保障要素的靈敏度進(jìn)行分析，并適當(dāng)調(diào)整保障系統(tǒng)的配置，實(shí)現(xiàn)保障資源的精確化與保障作業(yè)活動(dòng)的快速化。

圖3 給出了通用的優(yōu)化仿真基本框架，在具體建模過程中，需要根據(jù)描述的方法構(gòu)建出具體的裝備模型、保障資源模型、保障活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型等，然后根據(jù)具體的任務(wù)要求建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)影響保障效能的因子進(jìn)行靈敏度分析，進(jìn)一步合理確定保障指標(biāo)閾值范圍，也就是優(yōu)化指標(biāo)的解空間，不同優(yōu)化模型可以采取不同的優(yōu)化算法。

圖 3 基于離散事件艦載機(jī)保障指標(biāo)優(yōu)化Fig. 3 Optimization of carrier-based aircraft support indicators based on discrete events

4 算例分析

4.1 考慮隨機(jī)故障的某型艦載機(jī)保障指標(biāo)評(píng)估與優(yōu)化

在作戰(zhàn)任務(wù)明確的情況下，故障是驅(qū)動(dòng)艦載機(jī)維修保障的主要事件。為了充分滿足艦載機(jī)在惡劣服役環(huán)境下的可靠性要求，算例1 主要研究任務(wù)周期內(nèi)可靠性指標(biāo)對(duì)機(jī)群保障效能的影響，從而給出基于保障效能約束的可靠性指標(biāo)優(yōu)化方法。假設(shè)某機(jī)群有16 架艦載機(jī)，任務(wù)周期持續(xù)時(shí)間60 d，每架飛機(jī)的出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間為60 min，任務(wù)取消時(shí)間為30 min，每次任務(wù)須出動(dòng)2 架飛機(jī)，每飛行日固定任務(wù)時(shí)間為7:00～17:00，間隔2 h 出動(dòng)一次。分析機(jī)群在任務(wù)周期內(nèi)的使用可用度、任務(wù)成功率等指標(biāo)，判斷是否達(dá)到規(guī)定要求，若不滿足規(guī)定要求則進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

根據(jù)給定的建模方法，基于ILSBox-Designer軟件進(jìn)行仿真，首先構(gòu)建型號(hào)艦載機(jī)模型、構(gòu)型模型以及任務(wù)模型。

構(gòu)建各種基本模型后，設(shè)定仿真參數(shù)：仿真次數(shù)1000 次，仿真總時(shí)間60 d，置信度水平0.95，裝備調(diào)度方式為壽命梯次優(yōu)先。

仿真結(jié)束后，相關(guān)保障指標(biāo)的仿真結(jié)果如表1所示。

表 1 仿真結(jié)果展示Tab. 1 the simulation result

根據(jù)仿真結(jié)果可知，2 項(xiàng)機(jī)群保障效能指標(biāo)均不滿足規(guī)定要求。在裝備保障系統(tǒng)能力滿足保障要求的情況下，裝備故障是影響使用可用度和任務(wù)成功率的主要因素。追溯仿真過程的故障信息，各系統(tǒng)在任務(wù)期內(nèi)的故障次數(shù)和占比分別如圖4 所示。

圖 4 某型艦載機(jī)各系統(tǒng)的故障占比分布Fig. 4 The distribution of fault proportion of each system of a certain type of carrier-based aircraft

可知，氧氣系統(tǒng)的故障占比最高，為28.89%，總共發(fā)生了11 次。統(tǒng)計(jì)出機(jī)群的任務(wù)時(shí)間，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入式（1）可得該系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間為97 h。

式中：MT BFL為平均故障間隔時(shí)間MTBF 單側(cè)置信下限，h；T為累積工作時(shí)間，h；r為累積責(zé)任故障數(shù)；α為選定的顯著性水平，α =0.2。

針對(duì)國(guó)軍標(biāo)中定義的使用可用度和任務(wù)成功率的有限適用性問題，丁定浩[2]在時(shí)域維重新推導(dǎo)了戰(zhàn)備完好性參數(shù)及其定義，其中使用可用度的定義如下式：

式中：ta=tm+tr；tm為 無故障工作時(shí)間；tr為維修時(shí)間；γFD為故障檢測(cè)率。

任務(wù)成功率模型如下式：

式 中，λ ≈1/MT BF。

分析可知，可以根據(jù)平均故障間隔時(shí)間來調(diào)整系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)，前提是可靠性參數(shù)能夠滿足式（3）和式（2），即滿足以下優(yōu)化模型：

在滿足式（5）約束條件的前提下，可得系統(tǒng)的MTBF為124 h 時(shí)，滿足上述要求，因此可按照該要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改型。

4.2 考慮故障預(yù)測(cè)率的某型機(jī)通用質(zhì)量特性指標(biāo)評(píng)估優(yōu)化

隨著先進(jìn)傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能算法的不斷進(jìn)步，先進(jìn)艦載機(jī)主要采取自主保障模式，故障診斷與預(yù)測(cè)能力是其中的一項(xiàng)核心能力[13]。因此，在該算例中重點(diǎn)考慮故障預(yù)測(cè)率對(duì)艦載機(jī)保障效能指標(biāo)的影響。假設(shè)任務(wù)持續(xù)時(shí)間60 d，每架飛機(jī)的出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)60 min，取消時(shí)間為30 min，每次出動(dòng)2 架飛機(jī)。裝備具備故障預(yù)測(cè)功能，故障預(yù)測(cè)率指標(biāo)分別設(shè)置為（0, 0.2, 0.4, 0.6. 0.8, 1.0）。試判斷任務(wù)周期內(nèi)該產(chǎn)品的使用可用度是否大于0.9，任務(wù)成功率是否大于0.8。

仿真次數(shù)1000 次，仿真總時(shí)間60 d，置信度水平0.95，裝備調(diào)度方式為壽命梯次優(yōu)先。

在不同的故障預(yù)測(cè)率下，任務(wù)周期內(nèi)的保障效能指標(biāo)見表1，2 項(xiàng)指標(biāo)基本滿足要求，只有在故障預(yù)測(cè)率為0 時(shí)，單機(jī)的任務(wù)成功率達(dá)不到指標(biāo)要求。根據(jù)分析結(jié)果可知，當(dāng)預(yù)測(cè)率為（0.2,0.4,0.6.0.8,1.0）時(shí)，均滿足任務(wù)成功率要求。

仿真模型仿真過程比較復(fù)雜，可以較好的刻畫保障過程的不缺性與隨機(jī)性，但是很難獲得系統(tǒng)解析模型，只能得到一些離散點(diǎn)的仿真結(jié)果，如圖5 和圖6所示。如果將故障預(yù)測(cè)率設(shè)置為連續(xù)變量時(shí)，仿真時(shí)間將會(huì)大幅度增加。在獲得復(fù)雜系統(tǒng)仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用代理模型是工程中比較常見的技術(shù)手段，其可以根據(jù)仿真結(jié)果得到簡(jiǎn)單的解析模型進(jìn)行定量分析和迭代。代理模型有多項(xiàng)式擬合、擬合響應(yīng)面法、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，崔利杰證明了多項(xiàng)式擬合算法在基于離散事件的保障流程仿真中有較好的適用性[11]。在此，設(shè)置擬合度大于95%的要求，可得單機(jī)在不同故障預(yù)測(cè)率下的代理模型。

圖 5 故障預(yù)測(cè)率對(duì)使用可用度的靈敏度仿真Fig. 5 Sensitivity simulation of failure prediction rate to operation availability

圖 6 故障預(yù)測(cè)率對(duì)任務(wù)成功率的靈敏度仿真Fig. 6 Sensitivity simulation of failure prediction rate to mission success rate

使用基于多項(xiàng)式擬合的代理模型，擬合精度約束為0.95，擬合度為0.97，多項(xiàng)式參數(shù)分別為：a0=0.975,a=0.0325,b=?0.0582,c=0.052。

使用基于多項(xiàng)式擬合的代理模型，擬合精度約束為0.95，擬合度為0.9，多項(xiàng)式參數(shù)分別為：a0=0.75，a=0.92545,b=?1.39，c=0.71。

分析可知，當(dāng)預(yù)測(cè)率達(dá)到0.12 時(shí)可以滿足使用可用度和任務(wù)成功率要求，比設(shè)定的0.2 的預(yù)測(cè)率要求要低。在工程中受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造成本等的影響，不同指標(biāo)精度對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性必然不同，因此在仿真模型的基礎(chǔ)上使用代理模型可以得到更為精確的數(shù)值解，進(jìn)一步優(yōu)化通用質(zhì)量特性指標(biāo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合艦載機(jī)的使用特性，提出艦載通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證的一般流程，綜合運(yùn)用解析和離散事件仿真的方法構(gòu)建了指標(biāo)論證的基本模型，并基于ILSBox-Designer 軟件進(jìn)行了仿真。2 個(gè)算例分別對(duì)故障率和故障預(yù)測(cè)率的靈敏度進(jìn)行了評(píng)估與優(yōu)化，結(jié)果表明設(shè)計(jì)方法科學(xué)可行，有較好的工程應(yīng)用性。

雖然研究過程中算例設(shè)置比較簡(jiǎn)單，但可為復(fù)雜工程系統(tǒng)的指標(biāo)論證與評(píng)估提供一種思路。對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)，則需要嵌入優(yōu)化算法，提高仿真效率，如強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法等。

在研究過程中對(duì)于裝備經(jīng)濟(jì)性影響沒有解析，后續(xù)可以考慮引入裝備的各種成本模型，更為系統(tǒng)地論證裝備的保障指標(biāo)。