基于OpenBlock的飞行训练维修经费仿真系统设计

王 强， 严盛文， 刘晓东

（1.空军工程大学 装备管理与安全工程学院，陕西 西安710051； 2.空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安710038）

随着航空装备现代化水平不断提高，特别是三代机大量装备部队，飞行训练维修经费的需求越来越大，供需矛盾日显突出。飞行训练维修经费的粗放型经验管理模式缺乏定量预测方法，与装备精确保障要求存在差距［1］。飞机维修经费计划管理关心的是维修经费总额（重点是维修器材费和大修费）、总的飞行时间和装备总体的完好率，属于战略层次的问题。以往研究的微观预测模型由于缺乏对装备维修流程的全面考虑，难以为管理部门提供精确决策。基于仿真的技术能够描述飞行训练维修经费产生与消耗过程中的诸多不确定因素［2－3］，避免了严格数学形式和定量分析难以实现的问题［4］。

文中首先研究装备数据管理方法，构建飞行训练维修保障基本模型，采用过程的形式化描述［5］和统计平均值方法，对维修经费这一复杂消耗过程进行抽象描述；然后基于框图建模［6］和柔性建模环境OpenBlock［7］设计仿真模型，进行维修经费仿真系统设计［8－11］，为飞行训练维修经费计划提供量化支持，以提高维修经费使用效益，达到保障有力的目的。

1 仿真环境

1.1 面向框图的建模

面向框图的建模方法实质上是基于功能的建模方法。功能以及输入和输出的结合体经常被描述成模块的形式，特别当模块以仿真物理设备的图标再现时，此时模块的描述形式就叫做框图。要实现一个基本的功能模型，需要为模块网络中的每一个节点设置一个数据结构。这种数据结构由一套输入、一个转换装置和一套简单的输出来描述。当单个图形节点与图形中的其他节点相连接的时候，通过计算每个节点的当前输入得到输出结果值来对模型进行仿真，然后在指定的仿真时间内重复这个过程。面向框图的仿真模型执行机制如图1所示。

图1 面向框图的仿真模型执行机制

框图建模方法强调从输入到输出的转换，以及模型对象内部状态的改变。因而，基于这种方法的建模依赖于功能的提取，以确定模型框架的模块组成。建模时只需将模块类实例化，并按一定的关系将各个模块连接起来，即可以完成模型框架的构造。

1.2 OpenBlock柔性仿真环境

OpenBlock仿真建模环境是国防科学技术大学开发的一个柔性仿真建模环境，它是采用JDK1.2开发环境设计和实现的一个开放性很强的、支持框图建模的仿真环境，具有可移植性、集成性、开放性和支持层次化建模等特点。

本文借助这个平台，按照OpenBlock的框图模块规范，通过对OpenBlock二次开发，实现装备维修经费仿真系统的建模。

2 维修经费仿真系统设计

用柔性仿真环境OpenBlock建模，进行飞行训练维修经费计划管理系统设计，系统详细功能结构如图2所示，根据飞行和维修保障过程中功能划分，系统主要包括6个基本组件。

图2 飞行训练维修经费计划管理系统构成

2.1 装备数据管理组件

维修经费仿真中的数据主要包括不同部队的飞行训练任务、飞机状态数据、各类维修器材的可靠性和价格数据等，是整个系统运行基础，统称为装备数据。装备数据涉及的数据类型多、数据量大、关联关系复杂，具有层次化、非结构化等特点。为确保系统继承性和仿真结果可追溯性，采用标准化数据管理方法对装备数据及其使用信息进行分类管理，建立仿真与装备数据之间的接口，以便在仿真过程中统一调用，减少仿真复杂度。设计中 以 可 扩 展 标 记 语 言（extensible markup language，XML）为标准进行装备数据管理。将飞行训练维修经费分析所涉及的每一个对象及其主要性能参数指标数据定义为一个列表。根据数据之间的关联和嵌套引用，将列表分为基本列表和关联列表。基本列表指对象及其自身的数据是独立的，不引用其他对象的数据，其内数据关系相对比较简单；关联列表指对象及其自身的数据可能不独立，存在引用其他对象的数据，当引用对象的数据发生改变时，它自身的数据也要随之发生变化。比如，当一个基本列表中的对象删除时，则要删除所有引用此基本列表对象的关联列表中所有相应数据，以保证整个数据的统一性。如图3是包括部队、飞机类型、部队飞机和保障活动列表等的关联关系图（其中箭头尾指示被引用的列表）。

图3 列表及其关联关系图

2.2 模型生成组件

通过分析飞机维修保障过程，可以确定该系统的基本构成要素和要素间的关系，抽象出基本的功能模块，利用模块的组合、设置来建立飞机维修保障过程仿真模型。根据飞机飞行保障和维修保障过程分析，系统的基本要素包括飞机实体、决策活动、各种保障活动和统计等。

模块间的关系主要包括实体流动关系和状态传递关系。实体是各个模块的处理对象，模块在接收到实体后会引发该模块队实体的处理过程。系统中流动的实体是飞机，引发的活动是飞机维修保障过程的一些基本活动。仿真过程中，模块间会互相需要一些状态信息，用来实现决策、处理或显示数据等功能，因而需要进行状态信息的传递。

飞机实体是维修保障过程仿真的基本构成要素，每个飞机实体产生于实体生成模块，随着仿真时钟的推进在不同的活动节点流动，直到仿真结束。

状态对象包括各个活动处理模块的状态信息，如处理时间、费用值、故障数量和类型等用于分析的统计参数。仿真结束后，利用计算模块统计仿真实验数据得到指标值。

2.3 过程仿真组件

过程仿真主要通过模型调度算法调用建立的过程模型，如利用基于事件或基于时间片的时间调度方法进行过程仿真。它需要通过相应的实验设置（时间、步长、数据存储和表现等）驱动这些模型进行仿真试验，并为统计分析准备仿真数据。

2.4 仿真数据管理及实时显示组件

在过程仿真中，需要统一的数据管理方法对仿真产生的大量数据进行管理。仿真数据管理主要管理过程仿真中产生的状态数据和仿真结果数据。此外，仿真数据管理还应可以通过图标和曲线的方式显示和分析相应的仿真数据。

2.5 过程追溯组件

过程追溯可以复现仿真过程，即记载整个仿真过程中的飞行活动和各类维修保障活动的运行状态，供追溯组件调用，以重现整个仿真过程。通过过程追溯，可对整个仿真过程进行全面分析，更加直观地分析和研究各项费用产生情况和影响完好率的因素等。

过程追溯需分2步完成：①仿真运行中数据的保存和实时显示；②数据的事后回放。

2.6 结果分析组件

在飞行保障过程仿真结束后，要获取关于飞行保障过程的各种统计数据，并对费用消耗情况进行分析。采用集成化的仿真结果评估组件自动完成数据的收集、统计和分析功能。通过结果分析，分析人员可以了解各项费用产生的详细原因。仿真结果分析组件主要包括：单架飞机仿真结果分析、多架（部队机群）仿真结果分析。

3 维修经费仿真基本模型构建

飞行训练维修经费的产生与飞机的飞行训练和维修保障过程紧密相关。飞行训练任务是维修经费仿真的关键要素，依赖于对部队所有飞机的协调安排，按照飞行训练任务，可以建立飞机飞行训练维修保障的基本模型，如图4所示。

图4 飞机飞行训练维修保障过程的基本模型

仿真开始后，首先由实体生成模块生成飞机实体对象，并流入决策模块，由决策模块决定各项处理过程。决策模块根据实体对象的当前状态、年度飞行计划等决策信息，确定飞机实体对象应流向哪项处理过程（如飞行日、维修日、专检、周检和大修等活动）。在每一项具体活动中，应检查是否有故障发生，有则统计费用和时间等信息。某项活动完成后，飞机实体再流回决策模块，重新判断飞机实体应该进行哪项处理过程，直到飞行任务完成或者仿真时间结束为止。仿真结束后，数据统计模块统计仿真实验数据得到指标值。

下面分别对飞行计划生成、决策、大修、飞行前检查和定检（包括特检、定检、维护日和周检）模块进行建模。

3.1 基于动态梯次控制的飞行计划生成

仿真一开始，根据总飞行时间和仿真长度生成年度飞行计划，年度飞行计划确定出仿真区间内的飞行日。仿真过程中，如果是飞行日，仿真算法根据飞机的使用状态，按照梯度控制思想有选择性地挑选飞机进行飞行，被选择的飞机动态调整自身的相关信息。同时，在仿真过程中，飞行日可以进行动态调整，以保证部队的完好率要求。

3.2 决策模型

决策模块主要任务是：按照部队实际情况，协调并安排飞机的各种保障活动，以完成仿真跨度内的飞行总任务［11］。其决策流程和算法如图5所示，其中每一个方框代表一种保障活动。

在决策模块判断飞机下一个保障活动时，不同的保障活动有不同的优先级。大修和特检优先级最高，因为当飞机总的飞行时间达到阀值时，必须大修或特检；其次是飞行活动，如果仿真当前时刻是飞行日则不安排周检或维修日活动等保障活动。

图5 决策模块功能流程图

图5中List为飞机队列，仿真中根据想定设置的维修日、专检、周检、定检、大修等活动的持续时间（或分布规律）按照设定规则进行决策。如飞机到寿规则如下：

计算飞机剩余寿命，List［i］.TotaFlyHour≥Ts时，则飞机到寿进行报废，并需从队列中移除，其中Ts为到寿阈值，TotalFlyHour为总飞行时间。

决策模型在仿真过程中动态调整飞行计划，负责将飞机实体按照决策规则发送到各保障活动节点，并接收从各保障节点返回的飞机实体。

3.3 大修模型

大修包括飞机大修和发动机大修，决策模块扫描飞机列表PlaneList和发动机列表Engine－List，判断大修类型。令TDp为飞机大修规定时间，当飞机i满足PlaneList［i］.Date≥TDp时进行飞机大修；令TDe为发动机大修规定时间，当发动机j满足EngineList［j］.Date≥TDe时进行发动机大修。飞机大修时需停留较长时间，而发动机大修时，可在可用发动机列表中寻找合适发动机对飞机进行换发，更换后飞机继续完成任务。大修时根据大修类型更新相应的飞机或发动机列表，同时根据想定设置记录产生的相应费用和时间等。飞机完成大修后，修改飞机相应状态，并返回飞机列表继续进行仿真，发动机大修后存到发动机列表中等待使用。

3.4 飞行前检查模型

飞行前检查是指在飞机执行任务前，检查飞机是否完好，其模型算法如下：

FInputList表示某个飞行日需要执行任务的飞机，FData.m＿i MaxTime表示飞机不完好修复最大允许时间。

1）对每个飞机FInputList［i］判断其是否完好；

2）当FInputList［i］不完好，判断故障发生和排除时间FInputList［i］.usedTimes，如果FInputList［i］.usedTimes≥FData.m＿i MaxTime则用备用飞机替换该飞机完成飞行任务，并对故障飞机进行修复，修复后返回可用飞机列表中；

3）如果FInputList［i］usedTimes＜FData.m＿i MaxTime则排除故障，并执行飞行任务；

4）将完成任务后的飞机FInputList［i］和排除了故障的飞机返回到决策模块。

3.5 定检模型

系统中的保障活动，如特检、定检、维护日、周检等对应的保障模块都可视为一个“工作台”，接收到飞机实体后进行相应的维修保障活动，然后把飞机送回到决策模块。

仿真中记录单架飞机上次定检时间，当决策模块检测到某架飞机到达定检时间时，就将该飞机送入定检模块。定检模块根据零部件寿命分布函数为每架飞机的N个零部件随机生成零部件故障发生时刻Ti（i＝1，2，…，N）。当零部件i的工作时间TWi满足TWi＞Ti时，则零部件发生故障，对其进行维修，直到飞机所有零部件检查并维修完成则将飞机返回决策模块。

其中电子类零部件通常服从指数分布，λ表示故障率，则其可靠度分布密度为

机械类零部件通常服从威布尔分布，n为形状参数，t0为尺寸参数，则其可靠度分布密度为

则对累积工作了时间TWi的零部件可以随机抽样生成。

4 维修经费仿真案例分析

以某团为对象，进行年度飞行任务计划与维修经费仿真，首先按照部队实力对飞机属性、维修保障活动、故障分布函数和有寿机件等基本参数进行设置。保密起见文中不给出详细数据。

图6为随仿真时间推进，飞机总飞行时间和完好率随时间的变化情况。图7为3次仿真各飞机飞行的时间情况。

图6 总飞行时间和完好率随时间变化曲线

图7 3次仿真飞行时间

表1为设置总经费置信度为0.975时的仿真结果。

表1 某团维修经费仿真结果 万元

通过对往年经费情况对比分析和专家评定，认为仿真结果符合该团飞行训练维修经费实际情况。

5 结 论

本文从飞行训练维修经费管理实际现状和存在问题出发，提出利用仿真技术描述飞行训练维修经费消耗过程的方法，研究了面向仿真的装备数据管理问题，建立了维修保障基本模型，基于OpenBlock柔性建模环境设计仿真系统，实现了维修经费定量评价和分析。通过对某团年度维修经费仿真，验证了文中方法的有效性和实用性，解决了维修经费难以精确预测的难题，提高了空军飞行训练维修经费计划管理的前瞻性和决策的准确性。

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