装备维修保障仿真实验的理论问题与技术框架*

杨英杰，杨万成，李慧梅，封会娟，杨纯艳

（陆军军事交通学院投送装备保障系，天津 300171）

0 引言

装备维修保障仿真实验作为面向任务的装备维修保障仿真评价的一个重要环节，如下页图1 所示。从系统论的角度可将装备维修保障仿真评价问题抽象为3 个研究阶段：首先是研究装备使用任务系统、保障对象系统和维修保障系统及其相互关系的建模，主要解决装备使用、装备质量和装备维修保障之间的相互作用机理问题［6］；其次，是要研究装备维修保障仿真建模，重点研究装备维修保障仿真单元体建模、聚合体建模，以及基于HLA 的装备维修保障仿真成员建模问题，进而实现支持多分辨率的装备维修保障仿真模拟［7］；最后，则是研究装备维修保障仿真实验问题。装备维修保障仿真系统作为大型复杂离散事件仿真系统，涉及大量影响输出的输入参数。例如，在评价某合同战斗机步旅装备维修保障仿真系统的运行效果时，发现仅考虑维修单元数量、平均机动时间和备件数量等3 类影响因素时，就有多达87 个影响参数［8］。由于缺乏科学的技术手段支持，导致仿真系统输入输出因果关系难以把握，很难了解重要的仿真影响参数对仿真运行规律的影响，由于无法把握运行规律，装备维修保障系统的优化与改进也就没有方向。

图1 装备维修保障仿真评价研究环节

当前，针对一般仿真系统开展仿真实验的研究已有不少，并研究出一些实验设计与分析方法［1-3］。在作战仿真实验领域，美军开展了大量研究工作［4-5］，然而在保障仿真实验领域，特别是针对装备维修保障仿真实验的研究工作还较为少见。要从根本上解决基于仿真的装备维修保障系统调整优化难题，必须根据特定的装备维修保障仿真系统，开展有针对性的仿真实验理论和技术方法研究，才能有效迭代“仿真实验设计→仿真运行→数据分析”这个闭环过程，为装备维修保障系统评价与优化提供技术支撑。

本文以系统论为指导，以仿真模型影响参数变化的装备维修保障仿真实验为研究对象，着力解决单个装备维修保障方案的评价与优化问题，研究确定了一般的装备维修保障仿真实验技术框架，不仅能为装备维修保障仿真实验研究提供完整解决方案，还能用于指导开发集仿真系统与仿真实验系统为一体的装备维修保障仿真平台，实现装备维修保障仿真系统的研发与仿真实验研究的有机融合，将显著提高装备维修保障仿真实验的科学性与合理性。

1 装备维修保障仿真实验问题分析

1.1 实验的原理

装备维修保障仿真实验的原理是在明确仿真实验的目的后，设计仿真实验方案，利用仿真运行所产生的大量数据，给出仿真实验结果，得出关于装备维修保障仿真系统的相关结论。仿真实验与仿真系统的关系如图2 所示。

图2 仿真实验与仿真系统关系

从仿真系统对仿真实验的影响来看，主要是通过仿真模型的变化来实现的，包括装备维修保障仿真层次（分辨率）的变化；仿真模型组成、结构的变化；仿真模型影响参数的变化。

仿真层次的变化是指仿真实验同时涉及不同分辨率层次的仿真模型，主要是由于装备维修保障仿真系统是一个多分辨率仿真系统，现实中保障指挥人员可能同时关心多个层级的维修保障效果，这就将带来仿真层次的变化。仿真模型组成、结构的变化主要是指装备维修保障系统运行逻辑、保障关系等变化引起的仿真模型构型的变化，可理解为装备维修保障系统的组织结构和运作关系发生变化。仿真模型影响参数的变化主要是指资源配置等变化引起的仿真模型影响参数的变化。

由此，可将装备维修保障仿真实验模式分为3类：一是仿真层次变化的仿真实验；二是仿真模型构型变化的仿真实验；三是仿真模型影响参数变化的仿真实验。本研究针对的是仿真模型影响参数变化的仿真实验。

1.2 实验的特点

考虑装备维系保障仿真系统的特点，装备维修保障仿真实验主要有以下特点：

1）实验可重复。基于装备维修保障仿真系统进行仿真实验，可方便地设定保障系统的配置，通过仿真系统的迭代运行实验，最终到达优化装备维修保障方案的目的。相较演习等实兵实验，如需通过反复实验的方式寻找满意的装备维修保障系统配置，仿真实验是唯一可行的技术手段。

2）实验层次多。装备维修保障仿真系统属于多分辨率仿真系统，涉及多个仿真层次，仿真实验可针对不同分辨率层次的仿真模型展开。这就要求研究不同仿真层次的实验参数确定问题。

3）实验参数多。装备维修保障仿真系统是一个大型复杂仿真系统，系统本身的影响参数很多，例如仅是考虑备件种类这一影响参数，就有多达几十上百种，直接对这么多实验参数进行仿真实验，将变得无从下手，因而必须研究装备维修保障仿真实验参数的筛选方法，裁剪仿真实验参数数量。

实际上，装备维修保障仿真模型的有效性也是影响实验有效的重要因素，为此，在开展仿真实验前还需对所使用的装备维修保障仿真系统进行VV&A［9］。

1.3 实验的基本过程

装备维修保障仿真实验的基本过程可划分为如下3 个阶段，即：仿真实验准备、仿真实验实施和仿真实验分析。基本过程如图3 所示。

图3 装备维修保障仿真实验的基本过程

1.3.1 装备维修保障仿真实验准备

仿真实验需求分析明确仿真实验的目的及约束，进而才能围绕实验目的，设计出满足需求的仿真实验方案。实验参数与评价指标确定依据仿真系统的层级、模型参数等影响因素，合理确定仿真实验参数和水平，另外还应根据仿真实验目的，明确评价指标。仿真实验设计用于制定仿真开销可控的实验方案，着力回答仿真实验应该怎么做、做到何种程度这两个问题。

1.3.2 装备维修保障仿真实验实施

仿真实验运行在于做好仿真系统硬件和软件相关准备，并按照一定的时序执行仿真实验方案。仿真实验控制是对仿真实验全程进行有效管控，重点是控制仿真联邦的开始运行、暂停运行、结束运行，确定仿真结束条件，以及解决仿真联邦的管理，仿真时间推进等运行机制问题。仿真实验数据收集考虑自动地将仿真数据进行记录，实现仿真数据采集的无人值守，提高仿真效率。

1.3.3 装备维修保障仿真实验分析

实验数据分析在于揭示实验参数（输入）、评价指标（输出）与装备维修保障仿真系统之间的复杂作用关系，辨析出其中的显著实验参数，即主因素，在一定精度范围内，确定主因素的最优水平组合或达到评价指标要求的满意水平组合。最后还要形成仿真实验报告，对仿真实验分析结论进行归纳和总结，便于专家对问题的分析和回溯。

需要强调的是，上述3 个阶段并不是串行关系，而是逐次迭代、不断逼近，如图4 所示。

图4 装备维修保障仿真实验的迭代

2 装备维修保障仿真实验研究的关键科学问题

通过分析装备维修保障仿真实验问题，结合具体的工程实践，归纳出在实际装备维修保障仿真实验中经常会遇到的几类问题：1）根据装备维修保障仿真实验目的，如何确定仿真实验参数和评价指标；2）如何从大量仿真实验参数中筛选出小部分进行仿真实验方案的设计；3）仿真实验参数水平数如何确定；4）具有代表性的仿真实验点如何选取；5）每个仿真实验点的仿真运行次数如何确定；6）如何对仿真实验数据进行科学分析；7）如何有效管控仿真实验的进行，获取仿真实验数据。

其中，1）属于仿真实验参数与评价指标确定问题；2）～5）属于仿真实验设计问题；6）属于仿真实验分析问题；7）属于仿真实验的工具手段问题。

2.1 仿真实验参数与评价指标确定

从仿真实验参数全集和评价指标全集中，明确用于仿真实验的参数与评价指标。然而装备维修保障仿真实验参数与评价指标众多，因此，必须研究参数与指标的确定方法，为后续进行仿真实验设计做准备。

2.2 仿真实验设计

仿真实验设计用于制定仿真实验方案，应在明确实验方案制定流程的基础上，研究如何建立仿真实验方案的评价指标，提炼仿真实验方案设计所需解决的问题，指导实验方案的设计与优化。

2.3 仿真实验分析

仿真实验分析旨在对仿真系统运行得到的大量数据进行有效处理。应根据装备维修保障仿真实验数据分析需求，开展相应的实验分析方法研究，找出影响装备维修保障系统有效运转的显著影响参数，确定出优化的实验参数水平组合。

2.4 仿真实验工具

在解决了仿真实验的关键技术问题后，需进一步解决仿真实验的手段支持问题，即设计并开发装备维修保障仿真实验原型系统，该原型系统应直接面向装备维修保障仿真系统，并具备较强的适用性和可操作性。

上述4 个问题贯穿于装备维修保障仿真实验的整个过程。

3 装备维修保障仿真实验技术框架

围绕装备维修保障仿真实验的关键问题，提出了装备维修保障仿真实验技术框架，如图5 所示。装备维修保障仿真实验研究框架包括4 个方面的研究内容，分别是仿真实验参数与评价指标抽取、仿真实验设计、仿真实验分析和仿真实验原型系统设计与开发，下面逐一对其进行分析。

3.1 实验参数与评价指标抽取

首先分析装备维修保障仿真实验参数来源，明确仿真实验参数实质就是仿真实体属性，进而提出基于仿真实体属性确定装备维修保障仿真实验参数全集的思路［10］。对装备维修保障仿真实体类型进行分析，按仿真分辨率层次将仿真实体分为仿真单元体和仿真聚合体两大类。在明确仿真实体类型后，重点分析仿真单元体的属性描述问题，尔后研究仿真聚合体属性的聚合方法，包括属性类别聚合和属性值聚合。在完成上述研究工作后，就可以得到装备维修保障仿真实验参数全集。分别面向装备维修保障系统和装备保障对象，研究确定装备维修保障实验评价指标全集［10］。由于仿真实验参数和评价指标全集数量十分庞大，首先根据专家经验对仿真实验参数进行初选，再以实验目的为牵引，研究确定仿真实验参数与评价指标。

3.2 仿真实验设计

分析传统实验方案制定流程，针对仿真实验参数较多的问题，提出装备维修保障仿真实验方案制定流程。研究建立用于评价仿真实验方案优劣的指标，进而确定仿真实验方案的设计要素，围绕设计要素，开展实验方案的优化设计。重点解决实验设计方法的确定、单个仿真实验点的仿真运行次数、实验参数主因素的选取思路及定量筛选、实验参数水平数的确定等问题。上述研究将完整解决装备维修保障仿真实验方案的优化设计问题。

3.3 仿真实验分析

装备维修保障仿真实验分析可形式化描述为：

式中，X 为装备维修保障仿真实验参数集，假设仿真实验参数集X 由n 个构成，则实验参数空间的笛卡尔积形式可表示为：

y 为装备维修保障仿真实验的评价指标，ε 是一个随机变量，满足，表示仿真实验参数与评价指标之间具有随机影响关系，f 表示仿真实验参数与评价指标间的相互作用关系，利用装备维修保障仿真系统来实现此映射关系。

仿真实验分析就是要研究实验参数与评价指标之间的作用关系，在一定精度范围内，寻求最优或满意的实验参数水平组合，指导维修保障资源的优化配置。为此提出下面的数据分析需求：

图5 装备维修保障仿真实验理论与技术框架

1）灵敏度分析。显然，当X 发生变化时，y 也相应地会发生变化。那么y 随X 的变化趋势，包括变化的方向和变化的程度如何，这就是灵敏度分析的核心内容。这里需解决的关键问题是：X 中仿真实验参数的变化如何引起评价指标的变化，如何确定实验参数的最优水平组合。

2）仿真实验空间寻需。实际上，装备保障指挥决策者常常希望得到一组满意的装备维修保障方案以辅助决策，因此，只需寻找使得系统运行满意的实验参数水平组合。仿真实验空间寻需的目的并不是要在仿真实验空间S 中，找出某个仿真实验点s∈S，使得评价指标y→max。而是关心评价指标是否达到预定的维修保障要求，希望获取满足评价指标要求的仿真实验子空间。对于这些评价指标的限定，通常是事先给出的，如维修任务完成率大于某一值等。如果定义一个分段函数U，将评价指标的维修保障要求描述为：y＞k，其中k 为给定的评价指标要求阈值，则当y≥k 时，U（y）=1 表示评价指标y 达到了预定的维修保障要求，当y＜k 时，U（y）=0 表示评价指标y 没有达到预定的维修保障要求。即：

3.4 装备维修保障仿真实验原型系统设计与开发

明确装备维修保障仿真实验原型系统的设计目标，将装备维修保障仿真实验原型系统分为仿真实验设计子系统、仿真实验管理控制子系统和仿真实验分析子系统，并分别对各子系统功能需求进行分析。在此基础上，对装备维修保障仿真实验原型系统进行总体设计和功能设计，最终实现装备维修保障仿真实验原型系统的开发。通过上述仿真实验原型系统，就可以针对装备维修保障仿真系统进行仿真实验，有效提高装备维修保障仿真实验的效率、降低实验开销，自动控制仿真实验的进行。3 个子系统的功能运作关系如图6 所示。

图6 仿真实验系统功能运作关系

4 结论

对装备维修保障仿真实验研究所处的环节和开展实验所面临的困难进行了阐述，对装备维修保障仿真实验问题进行了深入分析，进而总结归纳出装备维修保障仿真实验研究所需解决的关键科学问题。在此基础上，提出了装备维修保障仿真实验的技术框架，围绕如何确定仿真实验影响参数与评价指标，如何优化设计仿真实验方案，如何依据实验方案进行仿真实验分析，以及如何设计仿真实验系统进行了研究。上述理论研究成果不仅为完整解决装备维修保障仿真实验问题提供了科学依据，同时也为解决类似大型复杂仿真系统的实验问题提供了借鉴。