基于狀態變遷圖的艦載機出動能力分析

謝君，傅冰，鮑敬源

1海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033 2海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢430064

基于狀態變遷圖的艦載機出動能力分析

謝君1，傅冰1，鮑敬源2

1海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033 2海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢430064

為了研究“尼米茲”級航空母艦的艦載機出動能力目標與航空保障能力需求之間的復雜關系，首先根據艦載機的航空保障作業流程抽象出6個狀態，并采用狀態變遷圖描述其任務剖面；其次，由艦載機出動指標推演出航空兵力的任務剖面，根據任務剖面繪制相應的狀態變遷圖；最后，基于狀態變遷圖分析甲板作業、調運作業等航空保障能力需求。實例表明，狀態變遷圖是一種系統分析的有效工具。

艦載機；任務剖面；狀態變遷圖；出動能力；“尼米茲”級；航空母艦

0 引 言

艦載機是形成航空母艦（以下簡稱“航母”）作戰能力的核心力量，但艦載機與航母之間有極其復雜的相互依賴和相互促進關系［1］。為了實現航母的航空作戰效能最大化，航母的航空保障能力應與航母的出動回收目標相適應。國外現役的和在研的航母給了我們關于“艦載機出動能力目標是什么”的初步認識，劉相春等［2］歸納分析了國外航母艦載機出動回收能力的指標體系和內涵，Jewell等［3-4］采用實證法分析了1997年演習時“尼米茲”航母艦載機的出動能力。航空保障能力是除平臺能力以外艦載機出動能力的最重要約束，本文嘗試從航空保障能力與艦載機出動能力的適應性角度探索“‘尼米茲’級航母的出動能力目標為什么是這樣”的命題，提出的研究思路如圖1所示。在每個任務想定中，由艦載機出動能力目標演繹的航空保障能力需求應和現實能力相匹配；若現實能力不能滿足需求，則要做出調整。

圖1 艦載機出動能力的研究思路Fig.1 Method for analyzing sortie generation capacity

艦載機出動能力目標的分析是一個反復迭代的過程。在研究過程中，確定任務剖面是一項重要的基礎工作，任務剖面可以將系統的性能與系統的目標對應起來，將系統的工作方式與環境條件聯系起來。但是采用表格、方框圖描述任務剖面［5］還不足以形象地表示航空兵力作戰使用中艦載機在空間上的分布和時間上的并行。本文將利用狀態變遷圖，描述艦載機作戰使用的任務剖面，即在時間軸上繪出艦載機兵力狀態變遷的歷程。基于狀態變遷圖,建立分析艦載機出動能力目標與航空保障能力關系的框架，該框架既能滿足初步分析甲板作業效率等航空保障能力指標的需要，也可以進一步擴展為流程仿真的腳本。

1 國外航母艦載機的出動能力目標

描述國外艦載機出動能力的核心指標有緊急架次率、高峰出動架次率和持續出動架次率等［2］。美國海軍現役的“尼米茲”級航母約搭載有80架固定翼飛機，其建造中的“福特”級航母搭載的飛機數量與“尼米茲”級航母類似。英國海軍建造中的CVF級航母搭載40架艦載機。法國海軍建造中的PA2級航母搭載40架艦載機。這些航母艦載機出動能力的設計數據［2］如表1所示。

表1 國外航母艦載機出動能力設計指標Tab.1 Indexes to sortie generation of embarked aircrafts

1997年7月20日，“尼米茲”航母搭載68架飛機進行了4個飛行日（每個飛行日24 h）的高強度演習，共出動975架次［3-4］。演習中，日平均出動超過243架次，高于高峰出動架次率的設計指標。

綜上所述，在目前的技術條件下，從高峰出動架次的角度，一架艦載機在一個飛行日（12 h）出動2架次是一個較高的出動能力目標。為敘述方便，下文僅以“高峰出動架次率”指標作為“尼米茲”級航母艦載機的出動能力目標進行研究。

2 艦載機的任務剖面與狀態變遷

艦載機的航空保障作業流程如圖2所示［6］。根據該作業流程，將艦載機經歷的作業環節抽象為6類，即機庫駐留、升降調運（由機庫提升至飛行甲板、由飛行甲板下降至機庫）、甲板作業（飛行前準備）、彈射起飛、攔阻著艦和空中作戰。

圖2 艦載機航空保障作業流程Fig.2 Workflow of aviation support

任務剖面是裝備完成作戰任務的過程中所經歷事件和環境的時序描述［5］。例如，某艦載機的任務想定是一個飛行日（12 h）出動2架次。一個合理的任務剖面是：初始時刻駐留在機庫的某艦載機，經升降機調運至飛行甲板，在飛行甲板進行飛行前準備，3：00彈射起飛，經過2 h空中作戰，在5：00實施攔阻著艦，降落至母艦；然后經過再次出動準備，7：30再次彈射起飛，經過空中作戰2 h，9：30攔阻著艦，降落至母艦的飛行甲板，后經升降機調運回機庫。令艦載機的狀態對應于其作業環節，狀態在時序下的排列構成狀態變遷，則狀態變遷具有刻畫任務剖面的能力。利用狀態變遷圖表示的艦載機任務剖面如圖3所示，其中橫軸表示時間，艦載機經歷的各種作業環節（狀態）用不同的填充方式表示［7］，填充塊的長度與時間長度一致。

圖3 艦載機的狀態變遷圖Fig.3 State transition diagram of an aircraft

艦載機的狀態變遷不能脫離其作業流程的約束，作業流程的約束有：

1）時序約束。狀態變遷要符合圖2所示作業流程中各環節的時序關系，例如，處于“機庫駐留”艦載機的后續狀態是“升降調運”，“空中作戰”艦載機的前序狀態是“彈射起飛”等。

2）空間約束。狀態變遷要符合圖2所示的流程，滿足艦載機空間位置變化的關系。艦載機的空間位置有4類：機庫、升降機、飛行甲板和空中。“升降調運”使艦載機由機庫到飛行甲板或者飛行甲板到機庫，“彈射起飛”使艦載機由飛行甲板到空中，“攔阻著艦”使艦載機由空中到飛行甲板。

3）時間約束。狀態持續的時間要符合艦載機、航空保障裝備設施等的性能指標，例如，艦載機的滯空時間決定了“空中作戰”狀態的上限。

3 航空兵力的任務剖面與狀態變遷

航母航空兵力的任務剖面不是單機任務剖面的簡單組合，而應依據航空兵力規劃。制訂航空兵力規劃的原則是均衡地使用航空兵力，這樣，航空保障的負載也較為均衡。下文將以文獻［3］所述的1997年的演習為基礎構造一個實例來說明航空兵力的任務剖面和狀態變遷圖。

3.1 任務想定

一艘“尼米茲”級航母搭載68架固定翼飛機，一個飛行日（晝間6～18時）出動136架次，甲板作業周期是1 h 30 min（1+30節拍）。初始時刻飛行甲板有51架艦載機，機庫有17架艦載機，整個演習過程中，平均有17架艦載機在空中。

3.2 航空兵力規劃

將68架艦載機編為A，B，C，D，E，F，G和H共8組，每組分別有9，8，9，8，9，8，9，8架飛機。按照1+30節拍，一個飛行日有8個波次，第1波次安排A和B組出動，第2波次安排C和D組出動，第3波次安排A和E組出動，…，兵力規劃如表2所示。該航空兵力規劃一個飛行日共出動136架次，符合任務想定（航空兵力規劃不唯一，相關模型參見文獻［8］）。

表2 波次攻擊的兵力規劃Tab.2 Plan of round attacks

3.3 航空兵力的任務剖面

航空兵力的任務剖面與單架艦載機的相比，還存在多機在時間、空間和資源上的協調問題。多機間協調主要表現在：

1）飛行甲板的空間協調。飛行甲板上的可用停機位共51個，若飛行甲板的艦載機數量超過了可用停機位數量，則須將部分艦載機調運至機庫駐留。著艦時，飛行甲板必須給艦載機留出足夠的周轉機位，用于暫時停放，否則影響艦載機的回收效率。

2）多機作業的并行協調。多機按照兵力規劃分波次進行起飛和著艦作業。出于飛行甲板空間的限制和作業安全的考慮，彈射起飛和阻攔著艦不能同時進行；彈射起飛與甲板作業、升降機的調運作業原則上可以互不影響；阻攔著艦與甲板作業、升降機的調運作業原則上也可以互不影響。

在任務剖面中，需明確每個狀態持續的時間才能繪制狀態變遷圖，而部分狀態持續時間由裝備的性能決定。對于升降機、彈射器、阻攔裝置的工作效率，做出如下假定［2-3］：

1）升降機平均每分鐘調運1架飛機（4部升降機）。

2）彈射效率為平均每分鐘彈射1架飛機（4部彈射器）。

3）阻攔裝置平均回收間隔時間為每分鐘1架飛機。

根據表2所示的航空兵力規劃編制任務剖面，需要滿足單機作業流程的約束，多機作業的協調關系以及升降機、彈射器、阻攔裝置的工作能力。即使是同一個航空兵力規劃方案，由于在不同的單機流程約束、多機協調關系或者裝備能力等條件下形成的狀態的時序關系和狀態的持續時間不同，也會導致不同的任務剖面。初始時刻：A，B，C，D，E，F組位于飛行甲板，其中A，B組已經完成甲板作業，G，H組位于機庫。第1波次開始，A組和B組彈射起飛后進行空中作戰，此時C組和D組進行甲板作業；第2波次開始，C組和D組彈射起飛，然后A組和B組阻攔著艦，…。由任務剖面繪制相應的航空兵力狀態變遷圖，如圖4所示。為了分析波次攻擊，圖4是以單組為對象進行的繪制，其中橫軸表示時間，縱軸表示每組艦載機，即每組艦載機的狀態隨時間演變的過程。同理，針對單架艦載機任務剖面的狀態變遷圖也是可以實現的。

圖4 航空兵力的狀態變遷圖Fig.4 State transition diagram of embarked aircrafts

4 航空保障能力需求分析

4.1 甲板作業能力需求

由圖4可以看出，第2波次安排C組和D組出動，需要在6：00至7：30這個時段的90 min內完成17架艦載機的出動準備。A組在第1波次回收后，需要在64 min內完成該組艦載機的再次出動準備，在第3波次出動；同樣，C組在第2波次回收后，也需要在64 min內完成該組艦載機的再次出動準備，第4波次出動；與此同時，至少還有一組艦載機也同時與A組或C組分享著航空保障資源。經過綜合，甲板作業的能力需求是：90 min完成17架艦載機的飛行前準備，64 min完成9架艦載機的再次出動準備。顯然，若“尼米茲”級航母不具備這樣的甲板作業能力，則會影響其艦載機出動能力目標的達成。

4.2 設備能力需求

同樣，升降機、彈射器和阻攔裝置的能力也可以成為分析的對象。當升降機、彈射器和阻攔裝置等裝備的工作效率變化時，會引起艦載機處于升降調運、彈射起飛、攔阻著艦、甲板作業和空中作戰等狀態的時間變化。例如，當彈射效率由假定的每分鐘1架變為1.5 min 1架時，第2波次的彈射會多花費8.5 min，則第1波次A組的回收時間將推遲8.5 min，導致其再次出動準備時間由原來的64 min被壓縮為55.5 min。

反之，根據任務剖面對于狀態時間的約束，也可推斷出升降機、彈射器和阻攔裝置的能力需求。

4.3 調運需求

任務想定中，“尼米茲”航母搭載68架艦載機，飛行甲板允許停放51架飛機。由圖4可以判讀任何時刻位于飛行甲板的艦載機數量，驗證是否超出了飛行甲板的允許停機數，從而做出調運到機庫的決定。由圖4可以看出，在一個飛行日中，A組和C組共17架艦載機由飛行甲板調入機庫，G組和H組共17架艦載機由機庫調至飛行甲板。

5 結 語

本文針對“尼米茲”級航母艦載機出動能力目標的論證問題，從航空保障能力是否可行的角度提出了研究思路。采用狀態變遷圖描述航空兵力的任務剖面，能夠清晰、直觀地刻畫艦載機狀態隨時間變化的歷程，從而快速推算出甲板作業環節、關鍵設備、調運等的能力需求。

目前，艦載機的作業流程比較簡單，若對甲板作業等環節進行細化，還可進一步分析加油或者掛彈等的能力需求。當然，雖然任務剖面的分辨率比較低，基于狀態變遷圖的能力需求分析也不可能很精細，但是可以經濟地滿足艦載機出動能力目標概要分析的需要。如需精確地分析，還要開發分辨率較高的模型并借助仿真等手段，而狀態變遷圖也可以進一步擴展為仿真的腳本。

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Analysis of the Sortie Generation Capacity of Embarked Airwings by Using the State Transition Diagram

XIE Jun1，FU Bing1，BAO Jingyuan2

1 School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To investigate the complicated relation between the sortie generation and aviation maintenance of Nimitz class aircraft carrier，three secession steps are suggested in this paper.Firstly，the transition of 6 states is abstracted from the workflow of aviation maintenance to characterize the mission profile of carrier based aircrafts.Then，the mission profile of air wings is deduced from the sortie generation objective，and a state transition diagram is plotted correspondingly.Finally，the demand of aviation maintenance capacity，namely for flight-deck operation and transfer operation，are determined based on the above state transition diagram.It is observed that the proposed method is both effective and efficient for system analysis.

carrier based aircraft；mission profile；state transition diagram；sortie generation capacity；USS Nimitz；aircraft carrier

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.001

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.001.html

U674.771

A

1673－3185（2014）02－01－05

期刊網址：www.ship-research.com

2013－09－05 網絡出版時間：2014-3-31 16:33

國家部委基金資助項目

謝君（1973－），女，博士，副教授。研究方向：系統分析。E-mail：hwanze21cn＠sina.com

謝君

［責任編輯：喻 菁］