基于Simlo×的無人機裝備綜合保障建模與仿真研究

針對無人機裝備的綜合保障效能評估問題，借助Simlo×平臺提出了一種仿真分析的思路。仿真模型以出動架次率、任務完成度、使用可用度、備件滿足率等指標為評價參數，將裝備規模、通用質量特性、出動強度、保障模式等因素作為分析因子，使用裝備設計理論數據、實際運用數據等作為數據輸入，將裝備典型使用模式作為仿真設計想定，符合裝備試驗與作戰使用實際需求。以前沿部署一套無人偵察機為仿真實例，驗證了該技術路線的合理性與實用性，為其推廣運用提供了有效參考。

引言

近年來，航空裝備綜合保障評估一直是各國關注的焦點和發展的重點。綜合保障是指為滿足戰備完好率和任務完成率等要求，向裝備提供匹配的保障資源和有效的保障系統等一系列管理和技術活動。綜合保障能力既依賴于裝備通用質量特性，又受人力、備件、保障設備等因素影響，同時也取決于保障活動的組織體系，是多種因素錯綜影響的復雜系統，傳統解析計算難以準確量化，統計學方法也受到試驗樣本和周期等諸多因素制約，而系統仿真方法具備周期短、耗費小的特點，可靈活開展優化分析，不受實際試驗環境約束。因此，運用系統仿真方法對綜合保障效能型指標進行仿真分析是一種經濟、便捷和高效的評估手段。

進入21世紀以來，無人機在世界各場武裝沖突中大放異彩。在納卡沖突中，無人機首次得到大規模放量使用，作戰行動貫穿始終，開創了無人機主導戰爭進程的先河。戰爭形態的迅速轉變和無人機裝備的迅猛發展，對完善和創新裝備試驗鑒定理論、技術與方法提出

26|無人機2025No.5/總第130期了更高要求。美國“全球鷹”無人機試驗中，通過仿真模擬1個戰斗空中巡邏隊在前沿基地敏捷戰斗部署并執行30天連續作戰任務，結果表明僅能提供27% 有效偵察時間；而基于正常基地保障的條件下，執行7天連續作戰任務則僅能提供 39% 有效偵察時間。仿真結果為提出“全球鷹”無人機裝備改進建議和實際作戰使用提供了有效支撐。

隨著計算機計算能力、軟件開發、人工智能算法的進步，利用仿真推演的方法實現裝備基本作戰單元的維修保障分析、評估和優化成為可能。針對航空地面保障裝備和淺射導彈的有關綜合保障效能指標的仿真評估驗證了系統仿真技術的可行性和符合性，為裝備綜合保障評估與優化分析提供了新的思路。

當前國外綜合保障領域的典型仿真系統或模型有LCOM模型、Simlox模型、SCOPE模型、OPUS10模型、LOGAM模型、TOPSAM模型、LOGSIM模型、SALOMO模型等。本文在借鑒美國“全球鷹”綜合保障效能評估既有實踐的基礎上，對基于Simlox平臺開展無人機裝備綜合保障仿真評估的方法和流程進行探討。

Simlox仿真平臺介紹

主要功能

Simlox是用于裝備群層次的任務持續能力及戰備完好性分析評價的專業軟件，由瑞典SYSTECON公司經過近40年的持續研發和改進，是用于設備后勤保障、設備維修保障仿真以及維修數據分析的Systecon ILS系列軟件之一。該系列軟件在全球已有500多個用戶，其中包括美國空軍、英國空軍、德國空軍以及波音公司、洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯門公司等。目前國內多家科研院所和研制部門均采購使用該款軟件，開展保障方案優化分析和任務持續能力、戰備完好性評價。

Simlox具有強大的建模和系統評估能力，能夠模擬并分析復雜的使用和保障方案，精確仿真各指標隨事件變化情況并圖示化顯示仿真結果。它還能對多種類型的系統配合使用、多種比率、多個地點進行評估，仿真建模十分靈活和高效。

仿真原理

綜合保障仿真模型是對裝備使用和維修與保障活動的建模描述。Simlox通過建立裝備模型、任務模型、保障活動模型和保障資源模型，仿真計算有限的保障資源、維修策略、裝備自身RMS水平、保障組織等對裝備完成規定的任務剖面所產生的影響，最終得到任務完成度、使用可用度等保障效能結果。仿真采用蒙特卡洛離散事件模擬的方法，采用下次事件推進機制來對仿真過程進行控制，通過對事件的隨機抽樣和多次仿真運行，可計算得到一定置信度條件下的指標計算結果。各模型框架見表1，各模型邏輯關聯關系如圖1所示。

仿真總體技術框架

基于Simlox的無人機裝備綜合保障仿真可分為仿真準備、仿真建模和仿真運行分析3個階段，按照以下子流程進行。

仿真任務分析

在無人機設計和研發階段，綜合保障仿真主要用于：可靠性、維修性、保障性要求論證；通用質量特性指標分解與權衡優化；開展保障方案的初步論證與評估。在試驗階段，綜合保障仿真主要用于技術指標驗證和綜合保障效能評估。在使用階段，綜合保障仿真可以用于面向用戶的保障方案制定、為保障資源需求進行測算和優化分析等。綜合保障建模與仿真在各階段的應用如圖2所示。

仿真指標選取

仿真指標包括出動架次率（SGR）使用可用度、任務完成度、備件滿足率等。

（1）出動架次率

又稱出動強度，是指在特定的使用及維修保障方案下，單架無人機每日能夠持續出動的次數。

出動架次率評估標準有24h連續出動、7天高強度出動和30天高強度出動。在軍事領域，出動架次率一般用于衡量戰斗機提供持續打擊的能力。出動架次率可從Simlox的仿真運行結果換算得出。

（2）使用可用度

使用可用度是度量無人機保持可工作狀態的能力，是與能工作時間和不能工作時間相關的一種可用性參數，其計算方法是：無人機能工作時間與能工作時間、不能工作時間二者之和的比。使用可用度可從Simlox的仿真運行結果直接輸出。

（3）任務完成度任務完成度可以反映裝備能否有效

完成既定任務的能力，其一種度量方法為：實際執行任務時間占計劃任務時間的百分比。任務完成度可從Simlox的仿真運行結果直接輸出。此外，抽取無人機在任務區的實際有效偵察時間（去除無人機往返任務區的時間），可以對無人機的持續偵察能力進行評價。

（4）備件滿足率

該指標結果可對備件配套的數量、種類能否滿足不同出動強度的使用需求進行評估。其計算方法是：能夠提供的備件數量與實際備件需求總數的比值。備件滿足率可從Simlox的仿真運行結果直接輸出。

仿真因子設計

無人機綜合保障體系與有人機不同，具有系統組成復雜、地面站為分布式部署、任務載荷靈活換裝、協同能力要求高的特點。從綜合保障效能評估的角度出發，影響無人機任務完成能力的因素非常復雜，分為下列4個方面：

（1）裝備規模：即裝備的部署和出動數量，一般情況下，可用的無人機數量越多，任務完成度、出動架次率、使用可用度等指標就越高；（2）出動強度：指裝備的任務周期和出動強度等，一般情況下，出動強度增大，無人機的使用可用度、備件滿足率會相應變低；（3）通用質量特性：指可靠性、維修性等設計水平，是各項評價指標的關鍵支撐特性指標；（4）保障模式：包括保障活動、保障體制、保障資源等，在其他因素不變的情況下，通過對保障模式的優化可提高各項評價指標的水平。

通用質量特性、保障資源等因素在裝備制造出來后基本固化，通常作為不變因子，但在設計研發階段也可作為變量因子進行優化分析；任務周期和出動強度等用于構建任務模型，設計不同任務想定的仿真樣本，通常作為仿真設計因子；而保障活動、保障體制在裝備實際使用中可靈活優化調整，需要權衡優化選擇，通常作為變量因子。

樣本設計

仿真試驗相比實物試驗較少受試驗條件和規模的約束，可以考察的因子數量更多。綜合保障仿真的目的是摸清綜合保障效能的極限和影響因素，因此可以進行多因子多水平樣本設計，相較實裝試驗更加經濟、高效。通常分為確定因子及其數量、選取因子水平、生成樣本表3個步驟。仿真按照樣本表順序運行。

仿真控制參數設定

Simlox使用內置控制參數表（Control表）對仿真運行進行控制，包括仿真周期、仿真次數、初始隨機種子數、顯著性水平、結果收集間隔等。一般根據仿真數據置信度、精度要求等進行設置。

仿真數據收集

仿真數據包括裝備設計理論數據和實際運用數據。

裝備設計理論數據來源于設計研發階段的可靠性、維修性分析報告，將裝備產品結構及其故障率、維修保障時間、使用保障時間等指標的預估值作為可靠性模型、保障活動模型的底層數據資源。保障資源模型依據裝備的保障方案，對人力、工具和備件的種類及數量進行配置。任務模型根據任務想定進行設計。

實際運用數據是指裝備執行實際任務產生的數據，包括對RMS指標的統計分析和對保障過程中資源使用情況的記錄等。

仿真模型構建

Simlox通過輸入各類數據表進行模型構建，可實現不同裝備類型、任務、保障活動和保障體制的自由組合，便于按照樣本表進行仿真運行，實現指標對比優化分析。

仿真運行

進行仿真運行和仿真結果收集存檔，并評估仿真效果，若達成仿真目標，則進入仿真分析階段，否則需要優化調整仿真方案，重新組織仿真。

仿真結果分析

在仿真分析階段的工作是進行數據處理，根據變量水平變動，對指標結果

的影響程度進行敏感度分析，得出仿真結論，給出裝備研制建議、裝備使用與保障建議等，生成仿真報告。

仿真實例

以美國MQ-9無人機為代表的察打一體無人機已有近20年的作戰使用和保障經驗。當前，在美國空軍“敏捷作戰部署”作戰概念的牽引下，MQ-9多次開展“敏捷作戰部署”保障演練，其核心目的是將此類作戰力量分散到臨時前沿基地，進行快速部署、轉移并伺機出擊，達到作戰力量分散、作戰火力集中及作戰行動不可預測的效果。

本次仿真模擬美軍“MQ-9”無人機“敏捷作戰部署”場景，對其使用可用度和任務持續能力進行仿真評估，分析不同備件保障方案對于使用可用度和任務持續能力的影響程度。

仿真假設

為便于建模，根據Simlox軟件特點，進行以下必要假設：

（1）不考慮季節環境、天氣等自然條件因素對任務計劃、保障活動、裝備可靠性及維修性的影響。（2）不考慮機載設備虛警及維修人員判斷失誤對保障活動的影響。（3）不考慮管理延誤對任務計劃、保障活動的影響。（4）不考慮無人機戰損、停放保管和大修的影響。（5）不考慮保障設備/工具、保障設施、技術資料的影響。（6）假設LRU/SRU在部署機場只能更換、在維修廠都可修，且可以進行串件維修。（7）假設裝備發生故障的概率服從指數分布。（8）假設使用保障活動和維修活動均服從正態分布。

樣本設計

本次仿真主要分析備件保障對使用可用度和任務持續能力的影響，因此將備件配置方案作為變量因子，其他因素

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作為不變因子和仿真設計因子。

（1）使用可用度

模擬1套“MQ-9”無人機在前沿基地執行例行偵察、高強度監視兩種典型任務，仿真不同備件保障條件下的無人機使用可用度。仿真因子設定見表2，生成樣本表見表3。

（2）任務持續能力

模擬1套“MQ-9”無人機在前沿基地部署，仿真在不同備件配置策略下執行30天連續偵察任務的可持續時間。樣本表見表4。

仿真模型

（1）裝備模型設定1套“MQ-9”無人機由4架行后檢查。飛行前準備（再次出動準備）包括航跡規劃、選配載荷或掛載武器、加注燃油和地面站準備等，飛行后檢查包括故障檢查、卸載武器以及地面站撤收等。

維修保障主要是在裝備故障時保障系統能夠為故障的裝備提供維修功能，以保持和恢復裝備完好的技術狀態，包括修復性維修和預防性維修。預防性維修包括周期性檢查和定期檢修；修復性維修包括LRU/SRU更換與修理、結構修復等。保障活動流程如圖3所示。

對各項保障活動周期、地點及耗時設定見表5。

（3）保障資源模型

對人力、工具等模擬設定，備件配置為3種策略，見表6。（4）根據仿真設定，任務模型設計“MQ-9”例行偵察、高強度監視和30天連續偵察3種想定，見表7。

仿真運行

無人機平臺、1套地面控制站組成，逐層級解構為現場可更換單元（LRU/SRU），并賦予相應的故障率以建立可靠性模型。

設定每個樣本運行次數為100次，仿真計算結果取各次運行結果的平均值（顯著性水平為0.05），隨機種子數為1593863，結果收集間隔為24h，按表3的樣本序號順序運行。

仿真輸出

保障體制設定為部署機場和維修廠兩級站點。部署機場承擔無人機的使用保障活動和設備更換維修活動，是無人機執行任務和維護保障的最前線；維修廠具有更高修理能力，承擔系統大修和大部件的修理、備件制造和部署機場不能完成的保障工作。

（2）保障活動模型

使用保障活動主要是提供相應的保障功能，以保證裝備隨時可用，包括飛行前準備（再次出動準備）和飛

Simlox的仿真輸出結果如圖4所示，指標仿真結果統計見表8、表9。

仿真結果分析

使用可用度仿真結果表明：

（1）一套MQ-9無人機在執行30天常規偵察任務時，在同樣的備件配置方案下，出動強度并未對使用可用度造成明顯影響。若不預先采購庫存，平均可用架數不足2架；若預先采購庫存故障頻發的零部件，MQ-9的使用可用度可提高約 14% 以上；若預先采購庫存全部備件，平均可用架數接近3架，MQ-9的使用可用度可提高約 25% 以上。

（2）備件等待時間過長是影響MQ-9使用可用度的最直接原因，在裝備不可用時間中，等待備件時間的占比普遍在 93% 以上。

（3）MQ-9需要依靠頻繁換件來保持裝備的可用性，在修復性維修任務中，串件產生的維修數量占所有維修任務總數的 36% 左右。

任務持續能力

（1）一套MQ-9無人機在前沿緊急部署、無備件配置的條件下，執行30天單機連續24h偵察任務，約可持續至第10天（此后MQ-9因故障缺乏備件而無法起飛），并提供有效偵察時間186h（任務區偵察時間 ） 在前101h內，能夠保證任務區全天24h始終有1架MQ-9執行偵察任務，而在101h后，由于可用無人機數量減少，僅能在任務區進行間斷偵察。

（2）若預先采購庫存故障頻發的零部件，MQ-9偵察持續時間由371h延長至552h，提高約 49% ；有效偵察時間由186h延長至334h，提高約44% 。

（3）若預先采購庫存全部備件，MQ-9偵察持續時間由371h延長至620h，提高約 73% ；有效偵察時間由186h延長至383h，提高約 95%

仿真結論

本次仿真模擬MQ-9無人機前沿部署場景，分析了不同備件配置策略下使用可用度和任務度兩個指標的變化情況。從仿真結果中可以看到，無論是執行高強度偵察任務還是例行偵察，備件保障都是影響MQ-9執行偵察任務的關鍵因素，相比之下出動強度對于任務完成度的影響并不明顯。因此，合理的備件配置方案是有效提高MQ-9使用可用度、減少維修任務時間、大幅提升MQ-9持續偵察能力的關鍵因素。

此外，從效費比的角度出發，對比兒種備件配置方案，預先采購庫存故障頻發的零部件是更為經濟合理的選擇。因此，在執行緊急任務時，可優先采取這種方案進行備件保障，在有限保障條件下提高無人機的有效偵察時間。

結束語

本文的研究目標服務于無人機綜合保障效能評估，研究了基于Simlox平臺的無人機綜合保障仿真與建模方法，提出了總體技術框架，通過仿真實例對其可行性進行了驗證，仿真結果可用于優化無人機保障方案，提出裝備使用和保障建議，以及為裝備保障活動提供決策參考。

下一步研究工作將圍繞以下幾方面展開：一是深化綜合保障仿真建模理論研究，在仿真設計、模型校驗、數據分析等方面進一步改進優化；二是拓展綜合保障仿真手段，研究使用Opus10（與Simlox為同系列軟件）對保障方案進行權衡優化的方法和路徑，彌補Simlo×在靈敏度分析方面依靠人工處理的缺陷；三是規范仿真建模工作流程、機制，通過迭代優化試用，總結推廣有關應用研究成果，推動綜合保障建模與仿真技術在無人機裝備發展中的應用。