航空装备保障体系仿真评估模型∗

丁 刚 张 琳 崔利杰 魏东涛

（1.空军工程大学防空反导学院 西安 710051）（2.空军工程大学装备管理与无人机工程学院 西安 710051）

1 引言

随着部队实战化训练的深入推进，各类战机使用强度不断增加，以有限的资源尽快形成保障能力，提高保障工作效率是装备维修保障工作面临的新机遇和新挑战。通过对保障体系进行仿真评估可以达到以下五个目的：一是分析装备的使用方案，确定应当提供的保障活动；二是评估诸多维修保障方案，并确定最优方案；三是优化资源供应、调配和使用策略；四是评估维修机构保障效率，优化维修过程；五是分析影响战训任务完成的维修保障瓶颈，及时调整以保证任务完成。因此，航空装备保障体系仿真评估具有重要的实际意义。

2 航空装备保障体系仿真评估

2.1 体系特点

近年来，体系相关问题研究得到了深入发展［1～2］。构成装备保障体系的基本要素包括保障资源、维修机构及维修规程。保障体系的功能是完成维修任务，将待维修装备转变为技术状况符合规定要求的装备。在此过程中，需要输入各种相关的战训任务要求、信息、物资等。保障体系的能力既取决于它的组成要素及相互关系，又同外部环境因素有关。因此，保障体系状态的变化是在某些离散时间点或量化区间上发生的，建模的重点在于刻画引起体系状态发生改变的事件以及确定与每类事件相关的逻辑关系，仿真的主线在于按照一定时间序列中各种事件的逻辑关系，触发体系状态的变化，从而对体系状态进行动态写照，探索其演化与涌现规律。

2.2 问题描述

在仿真优化中，优化模型本身的描述与仿真的关联主要体现在设计参数的选择和优化目标的评估上，即仿真模型的输入与输出。航空装备保障体系仿真优化的输入分为两类，一类是装备单元本身的保障性能力参数，如平均故障间隔时间MTBF、平均严重故障间隔时间MTBCF、平均维修时间MT⁃TR、保障资源延误时间LDT、管理延误时间ADT等；另一类是面向任务的任务与环境参数，如多阶段任务PMS、环境扰动Evn、保障指挥与控制C2等；仿真优化的输出是装备体系保障性参数和体系任务成功率参数，如体系装备完好率Rrrsos、体系使用可用度Aosos、体系任务持续概率Rmcsos、PMS任务成功率MC等。保障性分析主要集中于参数相关性和灵敏度分析，通过指挥控制优化保障系统达成使命任务的成功率要求。仿真评估问题抽象描述如图1所示。

图1 航空装备保障体系仿真评估问题描述

3 航空装备保障体系仿真评估模型构建

3.1 实体模型

实体模型开发的第一步是对装备及其保障体系物理系统进行抽象，形成保障体系的概念模型，包括任务的来源、时间、边界、对象、资源和流程等。为了实现在计算机系统中对维修保障过程的评估优化，需从概念模型描述的保障体系各组成要素中进一步抽象出仿真系统能够交互访问的各类功能模型。通过第二次抽象和细化，形成保障体系的实体模型，包括装备系统模型、保障系统模型、基础模型、场景实例模型和Agent模型。其中Agent模型主要表示能持续、自主发挥作用，具备主动性、反应性、自治性等特征的计算实体。

3.2 任务模型

3.2.1 任务描述

任务装备体系由不同的装备单元组成以完成特定使命任务。装备单元由基本装备组成，基本装备单元是能够独立执行作战任务的最小单位，是由单个装备系统或同型装备系统群和保障系统构成［3］。基本作战单元配置伴随保障修理组，作战单元配置战场抢修分队，共同构成装备保障体系。任务装备体系组成如图2所示。

图2 任务装备体系组成

3.2.2 装备体系任务模型

装备体系任务由多个阶段任务及其逻辑转换关系进行定义，逐层映射到装备单元和基本装备单元。装备体系任务涵盖各个装备单元的任务，装备单元在装备体系中提供不同的作战能力，且互相影响和制约，并且具备动态特性，随时间的推进和任务执行情况的变化而变化。装备单元任务涵盖各基本装备单元的任务，但又不等同于各基本装备单元任务的迭加，基本装备单元通常构成k/n冗余配置。任务下达之后，各阶段装备体系的最小构型确定，为了确保任务持续完成，体系构型应该优于任务要求的门限值，即任务强度不小于要求的强度S，阶段任务强度可以用要求的一定构型的装备工作时间来表征。当构成体系的装备以一定的概率发生故障时，维修保障体系运行不能维持体系构型的门限值时，则表示体系无法持续执行任务。装备体系任务持续模型如图3所示。

图3 装备体系任务持续模型

3.2.3 装备单元任务模型

装备单元任务由基本装备单元在多个阶段中的任务及其逻辑转换关系进行定义。基本装备单元在执行任务过程中形成一定的任务剖面，在某一时间段内可能满足装备单元的任务强度要求，也可能无法满足。保障体系仿真优化的目的正是在于对比分析不同的保障方案并提出实施建议，使得基本装备单元出现故障时能够以最小的资源消耗最快的重新满足装备单元的强度要求。如图4所示，假设在任务的f阶段和h阶段，要求装备单元Ⅵ的任务强度是2/4，装备单元Ⅰ的任务强度是1/3，则在f阶段装备单元任务剖面可以满足任务需求，而在h阶段，虽然装备单元Ⅰ的任务强度满足任务需求，但是装备单元Ⅵ的任务强度达不到任务要求，这样h阶段任务失败，因此装备体系任务也失败。

图4 装备单元任务持续模型

3.2.4 基本装备单元任务模型

基本航空装备单元一般映射到某型战机，战机在执行任务过程中，组成战机的二级系统及其部件以一定的模型产生故障或战损，战机必须返场维修或失效报废，从而影响任务的持续推进。对基本装备单元任务进行建模，主要是定义其飞行前准备时间、任务飞行时间、故障维修时间、故障等待备件时间、再次出动准备时间、飞行后检查时间和任务成功判断点等。基本装备单元任务持续模型如图5所示。

图5 基本装备单元任务持续模型

基本装备单元在执行多阶段任务中，飞行前准备时间T1=t1-t0；t1时刻开始机动，t2时刻到达任务空域执行作战任务，机动时间T2=t2-t1=T4=t4-t3；对装备单元执行任务的有效支撑时间T3=t3-t2；故障维修时间T5=t5-t4；维修等待备件时间T6=t6-t5；再次出动准备时间T7=t7-t6；阶段任务成功判断点为装备单元持续满足强度要求达到阶段转化的时刻。装备体系执行任务期间，体系并不过分关注某一基本装备单元的完好状态，只需要关注装备单元的任务强度是否满足，从而将综合保障资源与调度的服务对象由传统的面向单一装备的粗放型保障转移到面向装备体系的精细化保障上，这也是后续仿真优化的基本出发点和落脚点。

3.3 保障模型

装备保障体系及业务过程建模涉及综合保障系统的各个方面，一般包括保障指挥模型、保障监控模型、装备维修模型、器材供应模型、弹药供应模型和基础模型等。以装备Agent和装备维修Agent为例，装备Agent向装备维修Agent输入维修消息，包括预防性维修、自然故障和抢救抢修，装备维修Agent在接收消息后，完成维修任务，内部构成如图6所示，Agent功能包括创建维修工作树以管理维修和使用活动，记录维修工作属性和关联维修工作模型。维修功能以保障事件发生和保障活动推进为载体，其中保障事件模型包括保障工作树的自动同步和保障事件属性配置，保障活动模型包括保障工作树自动同步和保障活动定义。装备维修任务派发之后，维修Agent触发保障事件、推进保障活动以调动相应的维修保障资源。

图6 装备维修Agent模型

保障活动阶段流程绘制是组织实施保障活动的底层抽象，是对维修过程的详细描述，以飞机修复性维修过程为例，包括原位直接维修、更换维修过程和额外拆卸维修过程。装备故障可以通过更换一个或多个组件进行修复，也可以通过对装备的不可更换部分进行直接维修修复，组件通过直接维修或更换下一级故障组件进行修复。站点内修复性维修过程如图7所示。

图7 站点内修复性维修过程

直接维修过程、更换维修过程和额外拆卸过程模型的具体时间消耗可参考文献［4］的公式进行计算。

3.4 业务模型

保障业务流程以使命任务装备体系为分析对象，以多阶段作战任务推进为逻辑主线，将作战任务逐层分解映射到基本装备单元。随着任务时间的推进，根据任务要求转换装备体系执行任务。任务过程中，由装备可更换单元的可靠性模型作为故障机制触发自然故障，并产生相应的修复性维修任务；由装备保障事件模型作为触发机制产生相应的预防性维修任务，并将装备运送到达维修站点执行维修保障活动；因不同维修机构能力不同，装备维修通常先由伴随保障修理组进行，若维修能力不足，则需调度战场抢修分队在现场完成；如果装备仍然无法修复，则后送维修工厂或大修厂完成装备维修；在装备维修过程中，不断调用所需保障资源，航材供应等。在装备修复之后返回装备单元继续执行作战任务，直至装备体系任务完成。

3.5 评估模型

本文采用基于HLA的分布式仿真评估模型［5～8］。完成仿真实验业务推演定义后，通过FOM（Federat⁃ed object model）提供仿真联邦服务。针对仿真各类实体及聚焦的核心agent，通过对应的SOM实现分布式的部署、通信、计算和分析。根据仿真业务的需求，分为任务分解类SOM，指挥管理类SOM、装备维修类SOM、航材供应类SOM和业务监控类SOM，并将各类SOM映射到对应实体上。

随着时间主线的推进，调用各类飞机系统模型、飞机任务模型、保障任务模型和保障资源模型等，完成保障任务。在仿真计算过程中，记录各实体SOM的活动、事件和时间数据，采用Redis高速数据缓存处理计算过程数据，并存放到仿真计算过程数据集进行统一管理［9～11］。仿真分析评估分为数据存储、数据分析和评估优化三部分，其中数据存储针对过程数据流表和数据实体表进行统一存储和管理；数据分析针对不同的保障行动特点和规律构建科学的指标体系，选择合理的算法产生评估数据，为保障方案修改、保障力量优化、保障体制编制、任务计划的合理性等提供参考和依据，提供评估所需的各类指标数据。

保障效能评估采用四级指标体系［12］，即任务完成能力指标、任务支撑能力指标、综合保障能力指标和装备单元能力指标。对应于不同的保障性能力需求，指挥与评估机构通过保障活动的科学有效组织使诸多指标维持在一个可接受的范围。仿真评估主要实现维修保障作业条件下保障能力的对比分析，并提供评估所需的各类指标数据。

4 结语

本文首先明确了航空装备保障体系的特点及保障体系仿真评估解决的主要问题。探索构建了仿真实体模型，任务分解映射模型、保障模型、业务模型和仿真评估模型；通过研究，能够为深入推进航空装备体系保障性建模与分析奠定基础，为高效、准确地实施现代航空装备体系维修保障能力评估提供支撑。