雷达装备两级维修保障过程建模与仿真

卢 雷，杨江平

(空军预警学院陆基预警装备系， 武汉430019)

0 引言

随着雷达装备的建设与发展，对于像天波超视距雷达、大型相控阵雷达等此类大型雷达的装备，由于其系统结构庞大、技术复杂，一般采用基层级和基地级(厂家)两级维修保障体制。因此，分析两级维修保障过程对于雷达装备具有重要意义。

雷达装备的维修保障过程是一个复杂性高、随机性强的动态过程，不仅需要考虑可靠性、维修性、测试性等装备设计特性，同时也必须考虑雷达部署到部队后的使用与维修环境、保障资源的数量与配置、维修策略，以及上述因素之间的相互作用［1］。

由于基于数理分析的传统解析建模方法难以对这一动态过程进行分析，而计算机仿真技术在这个方面表现出较大的优势，使得基于仿真的方法越来越受到重视。国外方面:文献［2］利用面向对象的编程语言Java对运输机中可更换组件的维修供应过程进行了仿真，仿真不仅可以输出使用可用度的平均值，还可以得到使用可用度的概率分布;文献［3］仿真分析了维修周转时间对巴西和阿根廷A-4飞机编队使用可用度的影响，得出缩短维修周转时间可大幅提高使用可用度并降低备件费用;文献［4］利用水晶球仿真软件分析了可靠性、维修性对RAH-66科曼奇直升机使用可用度的影响，仿真结果表明，可靠性对使用可用度的影响比维修性大;文献［5］利用离散事件仿真软件Simkit对美海军F/A-18飞机发动机的维修保障过程进行了仿真，得到了反映飞机战备完好的使用可用度这一参数，并分析了发动机模块平均故障间隔时间等因素对使用可用度的影响;文献［6］利用离散事件仿真软件Arena对美海军陆战队一个76辆轻型战车编队的维修保障过程进行了仿真，分析了战车可更换组件故障率、库存量等因素对编队可用战车数量的影响。国内方面:文献［7］利用Monte Carlo仿真方法模拟了基于贮存失效的导弹武器系统维修保障的运行，得出了反映导弹武器系统的作战能力和保障能力的评价参数;文献［8］基于Arena软件仿真对通信装备备件保障流程进行了建模与仿真，分析了不同备件配置策略对备件利用率的影响规律;文献［9］也利用Arena软件分析了火炮维修保障过程，通过仿真可以输出排队等待时间、维修人员利用率等参数。以上研究表明运用仿真技术对装备的维修保障过程进行模拟，已经成为国内外装备维修保障领域的研究热点。基于此，本文以大型复杂雷达装备为研究对象，利用离散事件仿真软件Arena构建其两级维修保障过程模型，并分析多种因素对雷达装备使用可用度的影响。

1 两级维修保障过程分析

雷达装备两级维修保障过程，如图1所示。

图1 雷达装备两级维修保障过程图

由图中可对两级维修保障过程分析如下:当雷达装备中某一关键组件(可更换单元)发生故障后，基层级维修人员首先对故障单元进行拆卸，并将故障单元送基地级进行维修，同时查询基层级库存是否有该故障单元的备件。若有，则进行换件维修，雷达装备恢复正常工作;若没有该项备件，则装备停机，直至基层级库存中有该项单元的备件。故障单元修复后送回基层级，成为一个可用的备件进入基层级库存。

2 两级维修保障流程仿真模型

2.1 基本假设

由于影响雷达装备维修保障的因素众多、影响机理复杂，因此，在建立合理的两级维修保障流程仿真模型之前，必须明确基本假设。主要需要明确的基本假设有以下4点:

1)因雷达装备中组件(可更换单元)数量多达几百个，考虑所有可更换单元的相互作用将使所建立的仿真模型过于复杂，甚至无法实现，一个好的解决方案是将建模的范围限定在一些对雷达装备有关键性影响的组件上，特别是那些故障率高且每次故障将致使装备停机的组件。因此，本文将选取5个关键性组件进行建模。

2)组件之间的故障是相互独立的，且每次故障都将会导致雷达装备停机。

3)不考虑组件的报废、拆检拼修，基地级可将组件完全修复。

4)组件的维修周转时间包括组件在基层级与基地级两级之间的往返运输时间、基地级维修时间、各种管理性延误时间，且各组件的维修周转时间服从参数相同的分布。

2.2 用Arena建立的仿真模型

实现雷达装备两级维修保障流程的仿真建模工具是Arena软件，该软件是一种面向对象的模块化建模工具，可以实现离散系统、连续系统和混合系统的仿真。雷达装备两级维修保障过程仿真模型由装备实体产生模块、组件维修判断模块、组件维修处理模块、数据统计分析模块4个部分组成。两级维修保障顶层仿真模型，如图2所示。

图2 两级维修保障顶层仿真模型

1)装备实体产生模块。装备实体产生模块主要是进行仿真参数初始化设置和产生雷达装备实体。该模块首先设置仿真总次数和单次仿真总时间，并产生一个雷达装备实体，然后进入维修判断模块。

2)组件维修判断模块。在维修判断模块中，先随机产生雷达装备中5个关键性组件的故障时间，并对5个关键性组件的故障时间进行判断，取5个关键性组件中故障时间最早的那个时间作为装备下一次故障的时间，并确定故障时间最早的那个组件为需要维修更换的组件，同时更新装备的工作时间和5个关键性组件下一次的故障时间。

3)组件维修处理模块，如图3所示。在组件维修处理模块中，先统计关键性组件的故障次数，接着利用Arena软件中分离功能模块分离出一个故障件实体，原先的故障件实体进入组件基层级换件维修功能块，若该组件此时在基层级有备件，则占用备件维修资源，并进行换件维修，若没有备件，则进入备件排队等待队列，直至基层级库存中有该项备件;分离出的故障件实体在经过组件基地级送修延迟功能块后，在基地级被修复，变成可用单元，并送往基层级，基层级接收到该项备件后，若装备维修处于等待备件状态，则安装该备件以恢复装备工作，若不处于等待备件状态，则该项备件的库存量增加1个。

图3 维修处理模块

4)数据统计分析模块。在数据统计分析模块中，首先，对装备的停机时间进行更新，若仿真时间未达到预先设置的单次仿真总时间，则进入维修判断模块，仿真继续进行;其次，若达到单次仿真总时间，则统计输出装备的使用可用度(Operational Availability，Ao)，并开始下一次仿真，直至达到预先设定的仿真总次数。Ao统计公式如下

3 仿真实验结果与分析

雷达装备两级维修保障过程建模与仿真的目的是实现对可靠性、维修性以及保障资源配置的分析、评价和优化。下面将重点分析平均故障间隔时间、维修周转时间、备件库存数量等因素对雷达装备战备完好性的影响。

3.1 仿真输入

模型的输入如表1所示。仿真总时间设为10年(3 650 d)，仿真总次数设为100次。

表1 仿真模型的输入 d

3.2 平均故障间隔时间对Ao的影响

组件的平均故障间隔时间是度量组件可靠性的关键参数。在组件库存数量、维修周转时间两者均保持不变的情况下，将5个组件的平均故障间隔时间同时以5%的比例递增，得到平均故障间隔时间Ao的影响，如图4所示。

图4 组件平均故障间隔时间对Ao的影响

由图4可知，增加组件的平均故障时间可以提高雷达装备的Ao，但Ao的提高幅度逐渐变缓。即提高的组件可靠性在前期对Ao的影响较明显，后期影响效果则趋于平缓，且要考虑技术、经济上的可行性。

3.3 维修周转时间对Ao的影响

依据2.1节第4条假设可知，维修周转时间是衡量两级维修保障系统效能的关键性时间参数。在组件库存数量、平均故障间隔时间两者均保持不变的情况下，将5个组件的维修周转时间同时以5%的比例递减，得到维修周转时间对Ao的影响，如图5所示。

图5 维修周转时间对Ao的影响

由图5可知，在相同的变化比例情况下，缩短组件在两级保障系统中的维修周转时间比增加组件的平均故障时间更能有效提高雷达装备的Ao。因此，在资源一定的情况下，资源应优先利用在缩短维修周转时间上，进而提高装备Ao。

3.4 备件库存数对Ao的影响

与其他保障资源相比，备件是对保障资源延误时间影响最大、最难于控制的因素［9-10］。在平均故障间隔时间、维修周转时间两者均保持不变的情况下，每次使单个组件的数量在1～6个之间变化，在该组件变化时，其他组件的库存数量与初始仿真输入保持不变，得到备件库存数量对Ao的影响，如图6所示。

由图6可知，5个组件中，组件4库存数量的变化对雷达装备整机的Ao影响较为明显;同时，增加单个组件的库存数量在前期可提高雷达装备的Ao，但当库存数量达到一定时，Ao不再提高，保持在一个固定值，即单个组件的库存数量变化对雷达装备整机Ao的影响是有限。

图6 组件库存数量对Ao的影响

4 结束语

通过上述分析与讨论，可以发现增加组件平均故障间隔时间、缩短组件维修周转时间、增加组件库存数量均可提高雷达装备的Ao，且维修周转时间对Ao的影响尤为显著。通过本文建立的仿真模型，根据不同的应用需求，可以实现对雷达装备战备完好性、可靠性、维修性以及保障资源配置的分析、评价和优化。

［1］甘传付，林 干，牛中兴，等.大型装备可靠性维修性FMECA开展方法研究［J］.现代雷达，2008，30(7):33-35.Gan Chuanfu，Lin Gan，Niu Zhongxing，et al.Study on method to developing reliability，maintainability and FMECA in large equipment［J］.Modern Radar，2008，30(7):33-35.

［2］Michael P P.Forecasting carrier air-wing operational availability with event step simulation［D］.California:Naval Postgraduate School，1999.

［3］Marcelo B R.An analysis of operational availability of brazilian navy and argentine air force A-4 fleets using simulation modeling［D］. California:Naval Postgraduate School，1999.

［4］Gregg M D.An analysis of the impact of reliability and maintainability on the operating and support costs and operational availability of the RAH-66 comanche helicopter［D］.California:Naval Postgraduate School，2001.

［5］Schoch E J.A simulation of the I3 to D repair process and sparing of the F414-GE-400 jet aircraft engine［D］.California:Naval Postgraduate School，2003.

［6］Andreas B.Impact of logistics on readiness and life cycle cost:a life cycle management approach［D］.California:Naval Postgraduate School，2010.

［7］郭霖瀚，章文晋，康 锐.导弹武器系统维修保障建模与仿真［J］.兵工学报，2006，27(5):851-856.Guo Linhan，Zhang Wenjin，Kang Rui.Maintenance support modeling and simulating technology for missile weapon system［J］.Acta Armamentarll，2006，27(5):851-856.

［8］艾宝利，武 昌.基于Arena的通信装备备件保障流程建模与仿真［J］.空军工程大学学报:自然科学版，2010，11(5):81-85.Ai Baoli，Wu Chang.Modeling and simulation of communication equipments spare parts support system based on arena［J］.Journal of Air Force Engineering University:Natural Science Edition，2010，11(5):81-85.

［9］王亚彬.基于ARENA的某火炮维修保障过程建模与仿真［J］.计算机应用与软件，2012，29(3):222-225.Wang Yabin.Modeling and simulation of a type of gun's maintenance support process based on arena［J］.Computer Applications and Software，2012，29(3):222-225.

［10］聂 涛，盛 文，马明权.雷达可修复备件优化配置研究［J］.现代雷达，2009，31(11):25-28.Nie Tao，Sheng Wen，Ma Mingquan.A study on optimization of radar repairable spares［J］.Modern Radar，2009，31(11):25-28.