航空裝備保障體系仿真評估模型?

丁 剛 張 琳 崔利杰 魏東濤

（1.空軍工程大學防空反導學院 西安 710051）（2.空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院 西安 710051）

1 引言

隨著部隊實戰化訓練的深入推進，各類戰機使用強度不斷增加，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遇和新挑戰。通過對保障體系進行仿真評估可以達到以下五個目的：一是分析裝備的使用方案，確定應當提供的保障活動；二是評估諸多維修保障方案，并確定最優方案；三是優化資源供應、調配和使用策略；四是評估維修機構保障效率，優化維修過程；五是分析影響戰訓任務完成的維修保障瓶頸，及時調整以保證任務完成。因此，航空裝備保障體系仿真評估具有重要的實際意義。

2 航空裝備保障體系仿真評估

2.1 體系特點

近年來，體系相關問題研究得到了深入發展［1～2］。構成裝備保障體系的基本要素包括保障資源、維修機構及維修規程。保障體系的功能是完成維修任務，將待維修裝備轉變為技術狀況符合規定要求的裝備。在此過程中，需要輸入各種相關的戰訓任務要求、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系，又同外部環境因素有關。因此，保障體系狀態的變化是在某些離散時間點或量化區間上發生的，建模的重點在于刻畫引起體系狀態發生改變的事件以及確定與每類事件相關的邏輯關系，仿真的主線在于按照一定時間序列中各種事件的邏輯關系，觸發體系狀態的變化，從而對體系狀態進行動態寫照，探索其演化與涌現規律。

2.2 問題描述

在仿真優化中，優化模型本身的描述與仿真的關聯主要體現在設計參數的選擇和優化目標的評估上，即仿真模型的輸入與輸出。航空裝備保障體系仿真優化的輸入分為兩類，一類是裝備單元本身的保障性能力參數，如平均故障間隔時間MTBF、平均嚴重故障間隔時間MTBCF、平均維修時間MT?TR、保障資源延誤時間LDT、管理延誤時間ADT等；另一類是面向任務的任務與環境參數，如多階段任務PMS、環境擾動Evn、保障指揮與控制C2等；仿真優化的輸出是裝備體系保障性參數和體系任務成功率參數，如體系裝備完好率Rrrsos、體系使用可用度Aosos、體系任務持續概率Rmcsos、PMS任務成功率MC等。保障性分析主要集中于參數相關性和靈敏度分析，通過指揮控制優化保障系統達成使命任務的成功率要求。仿真評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估問題描述

3 航空裝備保障體系仿真評估模型構建

3.1 實體模型

實體模型開發的第一步是對裝備及其保障體系物理系統進行抽象，形成保障體系的概念模型，包括任務的來源、時間、邊界、對象、資源和流程等。為了實現在計算機系統中對維修保障過程的評估優化，需從概念模型描述的保障體系各組成要素中進一步抽象出仿真系統能夠交互訪問的各類功能模型。通過第二次抽象和細化，形成保障體系的實體模型，包括裝備系統模型、保障系統模型、基礎模型、場景實例模型和Agent模型。其中Agent模型主要表示能持續、自主發揮作用，具備主動性、反應性、自治性等特征的計算實體。

3.2 任務模型

3.2.1 任務描述

任務裝備體系由不同的裝備單元組成以完成特定使命任務。裝備單元由基本裝備組成，基本裝備單元是能夠獨立執行作戰任務的最小單位，是由單個裝備系統或同型裝備系統群和保障系統構成［3］。基本作戰單元配置伴隨保障修理組，作戰單元配置戰場搶修分隊，共同構成裝備保障體系。任務裝備體系組成如圖2所示。

圖2 任務裝備體系組成

3.2.2 裝備體系任務模型

裝備體系任務由多個階段任務及其邏輯轉換關系進行定義，逐層映射到裝備單元和基本裝備單元。裝備體系任務涵蓋各個裝備單元的任務，裝備單元在裝備體系中提供不同的作戰能力，且互相影響和制約，并且具備動態特性，隨時間的推進和任務執行情況的變化而變化。裝備單元任務涵蓋各基本裝備單元的任務，但又不等同于各基本裝備單元任務的迭加，基本裝備單元通常構成k/n冗余配置。任務下達之后，各階段裝備體系的最小構型確定，為了確保任務持續完成，體系構型應該優于任務要求的門限值，即任務強度不小于要求的強度S，階段任務強度可以用要求的一定構型的裝備工作時間來表征。當構成體系的裝備以一定的概率發生故障時，維修保障體系運行不能維持體系構型的門限值時，則表示體系無法持續執行任務。裝備體系任務持續模型如圖3所示。

圖3 裝備體系任務持續模型

3.2.3 裝備單元任務模型

裝備單元任務由基本裝備單元在多個階段中的任務及其邏輯轉換關系進行定義。基本裝備單元在執行任務過程中形成一定的任務剖面，在某一時間段內可能滿足裝備單元的任務強度要求，也可能無法滿足。保障體系仿真優化的目的正是在于對比分析不同的保障方案并提出實施建議，使得基本裝備單元出現故障時能夠以最小的資源消耗最快的重新滿足裝備單元的強度要求。如圖4所示，假設在任務的f階段和h階段，要求裝備單元Ⅵ的任務強度是2/4，裝備單元Ⅰ的任務強度是1/3，則在f階段裝備單元任務剖面可以滿足任務需求，而在h階段，雖然裝備單元Ⅰ的任務強度滿足任務需求，但是裝備單元Ⅵ的任務強度達不到任務要求，這樣h階段任務失敗，因此裝備體系任務也失敗。

圖4 裝備單元任務持續模型

3.2.4 基本裝備單元任務模型

基本航空裝備單元一般映射到某型戰機，戰機在執行任務過程中，組成戰機的二級系統及其部件以一定的模型產生故障或戰損，戰機必須返場維修或失效報廢，從而影響任務的持續推進。對基本裝備單元任務進行建模，主要是定義其飛行前準備時間、任務飛行時間、故障維修時間、故障等待備件時間、再次出動準備時間、飛行后檢查時間和任務成功判斷點等。基本裝備單元任務持續模型如圖5所示。

圖5 基本裝備單元任務持續模型

基本裝備單元在執行多階段任務中，飛行前準備時間T1=t1-t0；t1時刻開始機動，t2時刻到達任務空域執行作戰任務，機動時間T2=t2-t1=T4=t4-t3；對裝備單元執行任務的有效支撐時間T3=t3-t2；故障維修時間T5=t5-t4；維修等待備件時間T6=t6-t5；再次出動準備時間T7=t7-t6；階段任務成功判斷點為裝備單元持續滿足強度要求達到階段轉化的時刻。裝備體系執行任務期間，體系并不過分關注某一基本裝備單元的完好狀態，只需要關注裝備單元的任務強度是否滿足，從而將綜合保障資源與調度的服務對象由傳統的面向單一裝備的粗放型保障轉移到面向裝備體系的精細化保障上，這也是后續仿真優化的基本出發點和落腳點。

3.3 保障模型

裝備保障體系及業務過程建模涉及綜合保障系統的各個方面，一般包括保障指揮模型、保障監控模型、裝備維修模型、器材供應模型、彈藥供應模型和基礎模型等。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，內部構成如圖6所示，Agent功能包括創建維修工作樹以管理維修和使用活動，記錄維修工作屬性和關聯維修工作模型。維修功能以保障事件發生和保障活動推進為載體，其中保障事件模型包括保障工作樹的自動同步和保障事件屬性配置，保障活動模型包括保障工作樹自動同步和保障活動定義。裝備維修任務派發之后，維修Agent觸發保障事件、推進保障活動以調動相應的維修保障資源。

圖6 裝備維修Agent模型

保障活動階段流程繪制是組織實施保障活動的底層抽象，是對維修過程的詳細描述，以飛機修復性維修過程為例，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或多個組件進行修復，也可以通過對裝備的不可更換部分進行直接維修修復，組件通過直接維修或更換下一級故障組件進行修復。站點內修復性維修過程如圖7所示。

圖7 站點內修復性維修過程

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間消耗可參考文獻［4］的公式進行計算。

3.4 業務模型

保障業務流程以使命任務裝備體系為分析對象，以多階段作戰任務推進為邏輯主線，將作戰任務逐層分解映射到基本裝備單元。隨著任務時間的推進，根據任務要求轉換裝備體系執行任務。任務過程中，由裝備可更換單元的可靠性模型作為故障機制觸發自然故障，并產生相應的修復性維修任務；由裝備保障事件模型作為觸發機制產生相應的預防性維修任務，并將裝備運送到達維修站點執行維修保障活動；因不同維修機構能力不同，裝備維修通常先由伴隨保障修理組進行，若維修能力不足，則需調度戰場搶修分隊在現場完成；如果裝備仍然無法修復，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，不斷調用所需保障資源，航材供應等。在裝備修復之后返回裝備單元繼續執行作戰任務，直至裝備體系任務完成。

3.5 評估模型

本文采用基于HLA的分布式仿真評估模型［5～8］。完成仿真實驗業務推演定義后，通過FOM（Federat?ed object model）提供仿真聯邦服務。針對仿真各類實體及聚焦的核心agent，通過對應的SOM實現分布式的部署、通信、計算和分析。根據仿真業務的需求，分為任務分解類SOM，指揮管理類SOM、裝備維修類SOM、航材供應類SOM和業務監控類SOM，并將各類SOM映射到對應實體上。

隨著時間主線的推進，調用各類飛機系統模型、飛機任務模型、保障任務模型和保障資源模型等，完成保障任務。在仿真計算過程中，記錄各實體SOM的活動、事件和時間數據，采用Redis高速數據緩存處理計算過程數據，并存放到仿真計算過程數據集進行統一管理［9～11］。仿真分析評估分為數據存儲、數據分析和評估優化三部分，其中數據存儲針對過程數據流表和數據實體表進行統一存儲和管理；數據分析針對不同的保障行動特點和規律構建科學的指標體系，選擇合理的算法產生評估數據，為保障方案修改、保障力量優化、保障體制編制、任務計劃的合理性等提供參考和依據，提供評估所需的各類指標數據。

保障效能評估采用四級指標體系［12］，即任務完成能力指標、任務支撐能力指標、綜合保障能力指標和裝備單元能力指標。對應于不同的保障性能力需求，指揮與評估機構通過保障活動的科學有效組織使諸多指標維持在一個可接受的范圍。仿真評估主要實現維修保障作業條件下保障能力的對比分析，并提供評估所需的各類指標數據。

4 結語

本文首先明確了航空裝備保障體系的特點及保障體系仿真評估解決的主要問題。探索構建了仿真實體模型，任務分解映射模型、保障模型、業務模型和仿真評估模型；通過研究，能夠為深入推進航空裝備體系保障性建模與分析奠定基礎，為高效、準確地實施現代航空裝備體系維修保障能力評估提供支撐。