基于状态变迁图的舰载机出动能力分析

谢君，傅冰，鲍敬源

1海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033 2海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北武汉430064

基于状态变迁图的舰载机出动能力分析

谢君1，傅冰1，鲍敬源2

1海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033 2海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北武汉430064

为了研究“尼米兹”级航空母舰的舰载机出动能力目标与航空保障能力需求之间的复杂关系，首先根据舰载机的航空保障作业流程抽象出6个状态，并采用状态变迁图描述其任务剖面；其次，由舰载机出动指标推演出航空兵力的任务剖面，根据任务剖面绘制相应的状态变迁图；最后，基于状态变迁图分析甲板作业、调运作业等航空保障能力需求。实例表明，状态变迁图是一种系统分析的有效工具。

舰载机；任务剖面；状态变迁图；出动能力；“尼米兹”级；航空母舰

0 引 言

舰载机是形成航空母舰（以下简称“航母”）作战能力的核心力量，但舰载机与航母之间有极其复杂的相互依赖和相互促进关系［1］。为了实现航母的航空作战效能最大化，航母的航空保障能力应与航母的出动回收目标相适应。国外现役的和在研的航母给了我们关于“舰载机出动能力目标是什么”的初步认识，刘相春等［2］归纳分析了国外航母舰载机出动回收能力的指标体系和内涵，Jewell等［3-4］采用实证法分析了1997年演习时“尼米兹”航母舰载机的出动能力。航空保障能力是除平台能力以外舰载机出动能力的最重要约束，本文尝试从航空保障能力与舰载机出动能力的适应性角度探索“‘尼米兹’级航母的出动能力目标为什么是这样”的命题，提出的研究思路如图1所示。在每个任务想定中，由舰载机出动能力目标演绎的航空保障能力需求应和现实能力相匹配；若现实能力不能满足需求，则要做出调整。

图1 舰载机出动能力的研究思路Fig.1 Method for analyzing sortie generation capacity

舰载机出动能力目标的分析是一个反复迭代的过程。在研究过程中，确定任务剖面是一项重要的基础工作，任务剖面可以将系统的性能与系统的目标对应起来，将系统的工作方式与环境条件联系起来。但是采用表格、方框图描述任务剖面［5］还不足以形象地表示航空兵力作战使用中舰载机在空间上的分布和时间上的并行。本文将利用状态变迁图，描述舰载机作战使用的任务剖面，即在时间轴上绘出舰载机兵力状态变迁的历程。基于状态变迁图,建立分析舰载机出动能力目标与航空保障能力关系的框架，该框架既能满足初步分析甲板作业效率等航空保障能力指标的需要，也可以进一步扩展为流程仿真的脚本。

1 国外航母舰载机的出动能力目标

描述国外舰载机出动能力的核心指标有紧急架次率、高峰出动架次率和持续出动架次率等［2］。美国海军现役的“尼米兹”级航母约搭载有80架固定翼飞机，其建造中的“福特”级航母搭载的飞机数量与“尼米兹”级航母类似。英国海军建造中的CVF级航母搭载40架舰载机。法国海军建造中的PA2级航母搭载40架舰载机。这些航母舰载机出动能力的设计数据［2］如表1所示。

表1 国外航母舰载机出动能力设计指标Tab.1 Indexes to sortie generation of embarked aircrafts

1997年7月20日，“尼米兹”航母搭载68架飞机进行了4个飞行日（每个飞行日24 h）的高强度演习，共出动975架次［3-4］。演习中，日平均出动超过243架次，高于高峰出动架次率的设计指标。

综上所述，在目前的技术条件下，从高峰出动架次的角度，一架舰载机在一个飞行日（12 h）出动2架次是一个较高的出动能力目标。为叙述方便，下文仅以“高峰出动架次率”指标作为“尼米兹”级航母舰载机的出动能力目标进行研究。

2 舰载机的任务剖面与状态变迁

舰载机的航空保障作业流程如图2所示［6］。根据该作业流程，将舰载机经历的作业环节抽象为6类，即机库驻留、升降调运（由机库提升至飞行甲板、由飞行甲板下降至机库）、甲板作业（飞行前准备）、弹射起飞、拦阻着舰和空中作战。

图2 舰载机航空保障作业流程Fig.2 Workflow of aviation support

任务剖面是装备完成作战任务的过程中所经历事件和环境的时序描述［5］。例如，某舰载机的任务想定是一个飞行日（12 h）出动2架次。一个合理的任务剖面是：初始时刻驻留在机库的某舰载机，经升降机调运至飞行甲板，在飞行甲板进行飞行前准备，3：00弹射起飞，经过2 h空中作战，在5：00实施拦阻着舰，降落至母舰；然后经过再次出动准备，7：30再次弹射起飞，经过空中作战2 h，9：30拦阻着舰，降落至母舰的飞行甲板，后经升降机调运回机库。令舰载机的状态对应于其作业环节，状态在时序下的排列构成状态变迁，则状态变迁具有刻画任务剖面的能力。利用状态变迁图表示的舰载机任务剖面如图3所示，其中横轴表示时间，舰载机经历的各种作业环节（状态）用不同的填充方式表示［7］，填充块的长度与时间长度一致。

图3 舰载机的状态变迁图Fig.3 State transition diagram of an aircraft

舰载机的状态变迁不能脱离其作业流程的约束，作业流程的约束有：

1）时序约束。状态变迁要符合图2所示作业流程中各环节的时序关系，例如，处于“机库驻留”舰载机的后续状态是“升降调运”，“空中作战”舰载机的前序状态是“弹射起飞”等。

2）空间约束。状态变迁要符合图2所示的流程，满足舰载机空间位置变化的关系。舰载机的空间位置有4类：机库、升降机、飞行甲板和空中。“升降调运”使舰载机由机库到飞行甲板或者飞行甲板到机库，“弹射起飞”使舰载机由飞行甲板到空中，“拦阻着舰”使舰载机由空中到飞行甲板。

3）时间约束。状态持续的时间要符合舰载机、航空保障装备设施等的性能指标，例如，舰载机的滞空时间决定了“空中作战”状态的上限。

3 航空兵力的任务剖面与状态变迁

航母航空兵力的任务剖面不是单机任务剖面的简单组合，而应依据航空兵力规划。制订航空兵力规划的原则是均衡地使用航空兵力，这样，航空保障的负载也较为均衡。下文将以文献［3］所述的1997年的演习为基础构造一个实例来说明航空兵力的任务剖面和状态变迁图。

3.1 任务想定

一艘“尼米兹”级航母搭载68架固定翼飞机，一个飞行日（昼间6～18时）出动136架次，甲板作业周期是1 h 30 min（1+30节拍）。初始时刻飞行甲板有51架舰载机，机库有17架舰载机，整个演习过程中，平均有17架舰载机在空中。

3.2 航空兵力规划

将68架舰载机编为A，B，C，D，E，F，G和H共8组，每组分别有9，8，9，8，9，8，9，8架飞机。按照1+30节拍，一个飞行日有8个波次，第1波次安排A和B组出动，第2波次安排C和D组出动，第3波次安排A和E组出动，…，兵力规划如表2所示。该航空兵力规划一个飞行日共出动136架次，符合任务想定（航空兵力规划不唯一，相关模型参见文献［8］）。

表2 波次攻击的兵力规划Tab.2 Plan of round attacks

3.3 航空兵力的任务剖面

航空兵力的任务剖面与单架舰载机的相比，还存在多机在时间、空间和资源上的协调问题。多机间协调主要表现在：

1）飞行甲板的空间协调。飞行甲板上的可用停机位共51个，若飞行甲板的舰载机数量超过了可用停机位数量，则须将部分舰载机调运至机库驻留。着舰时，飞行甲板必须给舰载机留出足够的周转机位，用于暂时停放，否则影响舰载机的回收效率。

2）多机作业的并行协调。多机按照兵力规划分波次进行起飞和着舰作业。出于飞行甲板空间的限制和作业安全的考虑，弹射起飞和阻拦着舰不能同时进行；弹射起飞与甲板作业、升降机的调运作业原则上可以互不影响；阻拦着舰与甲板作业、升降机的调运作业原则上也可以互不影响。

在任务剖面中，需明确每个状态持续的时间才能绘制状态变迁图，而部分状态持续时间由装备的性能决定。对于升降机、弹射器、阻拦装置的工作效率，做出如下假定［2-3］：

1）升降机平均每分钟调运1架飞机（4部升降机）。

2）弹射效率为平均每分钟弹射1架飞机（4部弹射器）。

3）阻拦装置平均回收间隔时间为每分钟1架飞机。

根据表2所示的航空兵力规划编制任务剖面，需要满足单机作业流程的约束，多机作业的协调关系以及升降机、弹射器、阻拦装置的工作能力。即使是同一个航空兵力规划方案，由于在不同的单机流程约束、多机协调关系或者装备能力等条件下形成的状态的时序关系和状态的持续时间不同，也会导致不同的任务剖面。初始时刻：A，B，C，D，E，F组位于飞行甲板，其中A，B组已经完成甲板作业，G，H组位于机库。第1波次开始，A组和B组弹射起飞后进行空中作战，此时C组和D组进行甲板作业；第2波次开始，C组和D组弹射起飞，然后A组和B组阻拦着舰，…。由任务剖面绘制相应的航空兵力状态变迁图，如图4所示。为了分析波次攻击，图4是以单组为对象进行的绘制，其中横轴表示时间，纵轴表示每组舰载机，即每组舰载机的状态随时间演变的过程。同理，针对单架舰载机任务剖面的状态变迁图也是可以实现的。

图4 航空兵力的状态变迁图Fig.4 State transition diagram of embarked aircrafts

4 航空保障能力需求分析

4.1 甲板作业能力需求

由图4可以看出，第2波次安排C组和D组出动，需要在6：00至7：30这个时段的90 min内完成17架舰载机的出动准备。A组在第1波次回收后，需要在64 min内完成该组舰载机的再次出动准备，在第3波次出动；同样，C组在第2波次回收后，也需要在64 min内完成该组舰载机的再次出动准备，第4波次出动；与此同时，至少还有一组舰载机也同时与A组或C组分享着航空保障资源。经过综合，甲板作业的能力需求是：90 min完成17架舰载机的飞行前准备，64 min完成9架舰载机的再次出动准备。显然，若“尼米兹”级航母不具备这样的甲板作业能力，则会影响其舰载机出动能力目标的达成。

4.2 设备能力需求

同样，升降机、弹射器和阻拦装置的能力也可以成为分析的对象。当升降机、弹射器和阻拦装置等装备的工作效率变化时，会引起舰载机处于升降调运、弹射起飞、拦阻着舰、甲板作业和空中作战等状态的时间变化。例如，当弹射效率由假定的每分钟1架变为1.5 min 1架时，第2波次的弹射会多花费8.5 min，则第1波次A组的回收时间将推迟8.5 min，导致其再次出动准备时间由原来的64 min被压缩为55.5 min。

反之，根据任务剖面对于状态时间的约束，也可推断出升降机、弹射器和阻拦装置的能力需求。

4.3 调运需求

任务想定中，“尼米兹”航母搭载68架舰载机，飞行甲板允许停放51架飞机。由图4可以判读任何时刻位于飞行甲板的舰载机数量，验证是否超出了飞行甲板的允许停机数，从而做出调运到机库的决定。由图4可以看出，在一个飞行日中，A组和C组共17架舰载机由飞行甲板调入机库，G组和H组共17架舰载机由机库调至飞行甲板。

5 结 语

本文针对“尼米兹”级航母舰载机出动能力目标的论证问题，从航空保障能力是否可行的角度提出了研究思路。采用状态变迁图描述航空兵力的任务剖面，能够清晰、直观地刻画舰载机状态随时间变化的历程，从而快速推算出甲板作业环节、关键设备、调运等的能力需求。

目前，舰载机的作业流程比较简单，若对甲板作业等环节进行细化，还可进一步分析加油或者挂弹等的能力需求。当然，虽然任务剖面的分辨率比较低，基于状态变迁图的能力需求分析也不可能很精细，但是可以经济地满足舰载机出动能力目标概要分析的需要。如需精确地分析，还要开发分辨率较高的模型并借助仿真等手段，而状态变迁图也可以进一步扩展为仿真的脚本。

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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

期刊网址：www.ship-research.com

2013－09－05 网络出版时间：2014-3-31 16:33

国家部委基金资助项目

谢君（1973－），女，博士，副教授。研究方向：系统分析。E-mail：hwanze21cn＠sina.com

谢君

［责任编辑：喻 菁］