基于ExtendSim的直升机外场可更换部件需求仿真系统设计

吕少杰,柳 杨,魏靖彪,张 颂,马万鹏,韩振飞

(陆军航空兵研究所,北京 101121)

航空装备的备件需求预测是制定保障计划的核心问题和关键所在。它的需求预测准确性直接影响后续的备件筹措、分配、储存、调拨等各项工作的顺利进行,从而影响装备保障质量与效率,制约军队战斗力的保持和恢复,尤其对于系统复杂、使用时间短的新型直升机装备,其维修备件需求预测问题,成为制约装备保障水平提升的瓶颈之一。

现有备件预测方法可分为两类:解析方法[1-2]和仿真方法[3-5]。在已知部件寿命分布类型和特征参数的情况下可以直接运用公式计算备件消耗,这种方法的局限是需要假设寿命分布满足某种函数分布。仿真方法是建立部件使用过程的仿真模型,从而能够在贴近实际的情况下得出备件消耗预测值。本文重点研究影响安全、单价高、故障更换频率高的直升机外场可更换部件,采用基于离散系统仿真技术的备件消耗预测方法,使用ExtendSim仿真软件开发某型直升机外场可更换部件(LRU)需求仿真系统。通过LRU的使用及消耗过程仿真,实现对该直升机外场可更换部件消耗的科学预测。该系统可服务于陆航维修与航材管理部门,能够为直升机备件筹措、分配、储存、调拨等维修保障决策提供科学依据。系统具有较好的可扩展性,可用于直升机维修保障的进一步研究,具有显著的军事及经济效益。

1 直升机外场可更换部件需求预测的关键问题分析

1.1 直升机的使用及维修保障活动分析

直升机的使用及维修保障活动分析是建立仿真模型的基础。如图1所示,直升机依据使用计划在飞行日执行飞行任务,在起飞前的直接机务准备中进行飞行前检查,然后执行飞行任务,完成飞行任务后的预先机务准备中进行飞行后检查。如果在飞行前检查或飞行后检查阶段检测到故障,那么就要更换相关部件。此外,如果在预防性维修时,发现部件达到更换条件,也要进行更换。部件更换时需要相应的备件供应保障。

图1 直升机维修保障流程图

在维修活动中, LRU更换的条件包括以下几种:1)LRU发生故障且被发现;2)LRU工作时间达到阀值;3)LRU工作次数达到阀值;4)LRU日历时间达到阀值。

其中，第一种情形属于修复性维修,后三种属于预防性维修。

1.2 外场可更换部件的确定

本文以LRU为本仿真系统的最小实体对象,是单层次部件,部件之间不存在装配关系。仿真系统中每一个LRU拥有者自己独立的属性(使用参数、可靠性参数)。直升机系统复杂,零部件数量庞大,考虑到仿真系统的可实现性与实用性,本系统仅对直升机LRU中的主要部件(不包括发动机系统)进行仿真分析,主要部件的确定通过以下原则:1)其故障将引起飞行任务的延迟、取消或者终止;2)该LRU的价格昂贵;3)通过对已有故障历史数据分析,故障更换频率较高的LRU。

1.3 数据采集

要建立高度拟实性的模型,必须采集相关装备数据,使用及维修保障过程数据。装备数据包括直升机名称、数量,LRU名称、数量,LRU可靠性参数,LRU历史故障等。直升机的使用及维修保障过程是一个复杂与动态的相互作用过程,需要采集直升机在平时(训练时期)的使用(飞行活动)情况,确定飞行时间、飞行科目、地面运行时间等信息从而得到LRU故障预测所需要的累积使用时间、循环次数等重要参数。此外,该模型也要准确地反映出维修保障活动,确定故障发现时机、地面加电、运行时间、定期更换时机等,需要采集的数据包括历史故障记录数据、故障发现时机、使用计划及训练科目等。

1.4 故障率分布模型的确定

科学合理地确定不同LRU的故障率随时间(使用时间、日历时间、循环次数)的分布模型是本仿真系统准确性的基本保证。本文采用基于历史数据的典型故障率分布拟合法来确定故障分布模型。LRU属于航空设备,而Weibull模型是研究航空设备可靠性较为适合的分布模型,该分布可以通过形状参数、尺度参数和位置参数的变化可以很好地描述上述各种故障状态。将采集的LRU历史故障数据通过Weibull分布拟合过程以分布函数的形式传递给ExtendSim数据库供仿真模型调用。

2 基于Extendsim的仿真建模与分析

Extendsim仿真软件采用模块组合的方式快速搭建模型,具有较高的灵活性和可扩展性。采取最短时间的事件步长法,支持分层结构和命名连接,模块之间采用基于消息的传递机制,提供多种复杂数据传递方式[6]。

事件仿真模块是整个仿真系统的核心,通过ExtendSim所提供的基本建模元素构建出能够映射出真实的直升机装备实体属性、装备使用过程、检查及维修保障流程。同时,在此模块将通过蒙特卡洛仿真方法对随机过程和随机事件进行构造或表述概率过程并实现概率分布抽样,为统计分析模块提供数据输出。

如图2所示,外场可更换部件需求的仿真系统由多个事件仿真模块构成。LRU实体生成模块利用数据库存储的LRU基本属性信息和装机状态信息并对故障的随机分布进行一次采样获取故障时间信息,从而生成LRU实体。生成的LRU实体进入直升机队列模块,在该模块不同的LRU将对应组成直升机实体,等待飞行任务。任务生成模块依据总使用计划、直升机使用方式以及飞行日飞行时长分布模拟生成使用计划。当使用计划到达直升机队列后将根据计划和直升机状态进行任务分配。接受飞行任务的直升机实体将进入检查与预防性维修模块。检查与预防性维修模块包括飞行前检查、飞行后检查和预防性维修。如果无LRU出现故障则进入飞行模块并依据使用计划中的飞行时间完成飞行任务,在完成任务后返回直升机队列待命。如果存在LRU故障和到寿,则进入维修更换模块并依据更换时长(依据仿真简化假设,本系统设定为0,立即更换)进行更换,即对LRU的属性数据进行更新并重新采样故障时间,更换后的LRU返回直升机队列待命。

2.1 简化假设

仿真建模过程中,需要进行必要的简化假设:

1) 一个部件的实际使用寿命以它装配到装备上的时刻为开始, 它发生故障、不能实现预定功能的时刻为止;

2) 部件发生故障后,直接用备件替换;

3) 不同的LRU 之间的故障相互独立;

4) 假设维修资源及人力资源充足;

5) 不确定因素导致的备件故障为零。

2.2 LRU实体生成模块

如图3所示,LRU实体生成模块在仿真开始时构造出参与仿真的所有LRU实体,通过数据库存储的LRU基本属性信息和装机状态信息并对故障的随机分布进行采样获取故障时间信息为每个实体进行属性赋值。

图3 LRU实体生成模块

2.3 使用计划生成模块

使用计划生成模块依据年度总飞行时长、直升机使用方式以及飞行日飞行时长分布模拟生成使用计划。当未选择自定义使用方式时,将采用均匀使用方式生成使用计划;当选择自定义使用方式时,将依据每架机的年度飞行时长生成使用计划。后一种方式适用于对机群进行梯次使用控制。

2.4 直升机队列模块

直升机队列模块的主要功能是将初始生成的LRU实体、完成飞行任务的非故障到寿LRU实体、因同机LRU故障到寿未完成飞行任务的非故障到寿LRU实体和因故障到寿而换新的LRU实体集中管理,依据机号进行分组,等待使用计划,当使用计划到达则将对应该使用计划机号的一组LRU实体输出,如图4所示。

图4 直升机队列模块

2.5 检查与计划性维修模块

考虑到本仿真系统的仿真目标及对仿真时间的跨度要求,检查与预防性维修模型采用了一个简化概念模型,该模型包括飞行前检查、飞行后检查和预防性维修检查。如果无LRU出现故障则进入飞行模型并依据使用计划中的飞行时间完成飞行任务。如果存在LRU故障和到寿,则进入维修更换模型进行更换(见图5)。

图5 检查与计划性维修模块

2.6 飞行模块

参加飞行的直升机实体计入飞行模块中通过activity模块的延时机制进行模拟,完成飞行任务的直升机实体分解成LRU实体后输出到直升机模块。

2.7 换件维修模块

换件维修模块如图6所示,同样采用activity延时模拟更换维修过程,同时,将对故障到寿LRU的故障时间再次抽样获取的下次故障的发生时间,更新日历到寿期、装机状态信息等完成更新。

图6 换件维修程序设计流程图

3 仿真系统总体框架

系统总体框架如图7所示,仿真系统以装备数据、使用及维修保障活动数据及仿真控制参数为输入,通过合理构建仿真模型并在ExtendSim仿真环境实现仿真运行,最终输出给定时长内LRU需求预测。其中:装备数据包括仿真的直升机数量、LRU的种类及数量、LRU可靠性参数及LRU历史故障、更换记录数据。使用及维修保障活动数据包括飞行计划及训练科目、维修保障流程、故障发现时机、故障发现概率等数据。仿真控制参数包括仿真时长、仿真规模和运行控制参数和输出控制参数。

图7 基于ExtendSim的直升机外场可更换部件需求仿真软件总体框架

当系统启动并在模型加载完成后将出现如图8所示,用户操作界面(窗口)包括三个区域:仿真配置区、仿真结果输出区和仿真控制区。

图8 用户操作界面

仿真配置区包括:1)仿真时长设定,确定仿真的开始及结束时间。2)仿真规模设定,选定参加仿真的旅团、旅团中的参加仿真的直升机及参加仿真的部件。

3)直升机信息设置(录入),查看或编辑直升机参数信息。4)LRU设置,设置LRU的寿命信息、故障间隔分布及更换时长分布。5)LRU装机状态设置,查看或编辑LRU装机状态信息。6)飞行时长设置。7)导入导出仿真配置文件。

仿真控制区包括:1)开始仿真与暂停仿真。2)显示总仿真次数与当前仿真次数。

仿真结果输出区主要实现:当仿真结束时,按部别及换件类型输出显示仿真结果及详细信息,并导出excel格式的仿真结果。仿真系统的运行结果表明,其能够实现对直升机机外场可更换部件需求的预测。

4 结束语

本文以仿真软件ExtendSim作为平台,并采用离散事件仿真建模方法,对直升机的使用及检查维修过程进行了详细模拟,实现对直升机机外场可更换部件需求的科学预测。构建的仿真系统能够为直升机备件采购筹措、分配、储存、调拨等维修保障决策提供了科学依据,为装备保障航材管理从经验性向科学型、从粗放式向精确化的转变提供了有力支撑。