航空装备单元维修保障仿真评估方法研究

丁 刚, 张 琳, 崔利杰, 张 亮, 李新春

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

0 引 言

随着作战样式的发展演变,装备作战效能的发挥越来越依赖于装备的保障性水平和装备保障体系的运行效能。装备保障效能受装备本身“六性”设计水平和装备维修保障模式的综合影响。因此,对装备保障模式的验证和保障能力的评估存在很大困难。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,由单个装备系统或同型装备系统群和保障系统构成。装备完好率是装备能够随时遂行作战或训练任务的完好装备数与实有装备数之比,主要用以衡量装备的技术现状和管理水平,以及装备对作战、训练、执勤的可能保障程度。装备完好率评估对指挥员进行战训任务决策具有重要意义。

近年来,相关研究人员运用仿真的方法对装备保障效能评估进行了较为深入的研究。罗湘勇等研究了装备保障任务建模与仿真验证方法;刘彬等对装备保障仿真概念模型构建进行探索;李晨等构建了面向任务的装备保障概念模型;米巧丽等对舰炮维修保障过程进行了仿真;尹丽丽等对装备保障体系进行了分布式建模与仿真;寇力等对装备保障体系仿真关键技术进行了研究;Mahulkar等对海军作战人员日常维修流程进行了建模与仿真分析;Yang等基于智能体对多源数据集成进行了研究;Cao等对装备保障过程建模进行了研究;Panteleev等建立了一种装备维修保障过程模型;Du等建立了基于智能体的装备保障指挥框架,对各智能体的沟通机制进行了设计;李亚飞等研究了舰载机保障作业实时调度方法的仿真实现;丁刚等研究了航空装备体系保障性分析仿真运行控制与维修保障模式仿真推演关键问题;张亚东等研究了列控运营场景危险分析及仿真验证方法;赵洪利等采用离散系统仿真的方法建立了备发仿真模型;杨英杰等对装备维修保障仿真系统的灵敏度分析与参数优化进行了研究;王双川等对战时合成部队多阶段作战任务成功概率的仿真评估方法进行了研究;Massimo等构建了电气电子设备可靠性和部件复用失效概率模型;Zhou等建立了一种基于维修过程仿真的维修性评估方法;许庆等建立了面向仿真的航天装备维修保障效能评估指标参数体系;Miranda等建立了一种基于仿真的备件供应链网络与维修系统联合支持与评估建模方法;Petrovic等建立了一种基于统计过程控制与仿真的维修过程快速评估方法;Pang等研究了新一代装备维修的仿真建模与评估方法。从以上文献可以看出,仿真方法在装备保障效能评估方面得到了广泛应用,其需要解决的核心问题是模型构建与仿真计算。因此,本文主要研究维修保障仿真建模和推演两个方面的问题。

1 维修保障仿真建模

系统建模是指将一个实际系统的结构、功能、输入输出关系用数字模型、逻辑模型等描述出来,用对模型的研究来反映对实际系统的研究。维修保障仿真模型用来定义保障对象和保障主体的要素、结构、关系和行为等,是对装备使用与保障系统的第一次抽象,生成装备保障仿真实体模型的概念蓝图。维修保障模型体系包括使用任务、装备系统(系统/子系统/设备/部件)、保障系统、保障行为等各类概念模型。装备维修保障模型构成如图1所示。

图1 装备维修保障模型构成Fig.1 Construction of equipment maintenance support model

1.1 维修保障业务模型

维修保障业务模型构建以装备任务建模为主线牵引,组织载体为任务计划执行对象,调度装备完成计划的执行。当装备在执行任务中,考虑各机构维修保障任务(换发、定检、大修、供应航材、故障维修等),同时考虑在执行维修保障任务时的各类保障资源(保障设施、保障工位、保障装备、四站装备、保障人员、备品备件等)动用。保障仿真业务模型如图2所示。

1.2 维修保障实体模型

1.2.1 组织机构建模

组织机构建模描述某旅、修理厂、航材库等组织结构模型,是装备的组织载体、任务执行、保障业务执行实体的描述,实现对各类组织静态能力的描述,具体包括以下5个部分。

(1) 组织层次建模

组织层次模型用来描述航空兵旅结构及其具体机构,如所统辖使用人员类型和数量、统辖装备类型和数量等,一个旅由多个使用分队和保障分队(修理厂、航材库)组成。

图2 保障仿真业务模型Fig.2 Support simulation business model

(2) 使用分队建模

使用分队是部队中的基本编制单元,由一定数量的装备和操作使用人员组成。使用分队模型主要描述装备的基本动用、使用组织等。

(3) 保障分队建模

保障分队是由具有一定编制的保障人员、保障设施、保障装备、保障设备等组成的成建制分队,包括维修保障分队和供应保障分队,如修理厂、航材库等。建模包含了对保障资源分派的一般规则的定义和表达。

(4) 使用人员建模

使用人员模型是用来表达执行装备使用活动的人员的模型。使用人员要素是指根据航空装备的使用与维护任务要求,确定使用人员的技能水平和人员数量,用以保证航空装备在寿命期内能得到正常的使用和保障。

(5) 保障班组建模

保障班组由一定数量、各种专业和等级的使用人员组成的,是执行具体使用保障任务的小组。保障班组分为两种,一种是临时班组,根据需要临时完成的保障任务对人员的需求而临时组建;一种是固定班组,根据装备设计的保障任务确定。

1.2.2 装备任务建模

装备任务模型描述装备使用规则、方案,以及根据装备技术特点和使用规定确定的装备出动、调动规则,是与装备的动用、飞行计划相关的模型。根据任务组成将装备任务模型分为任务阶段建模、任务科目建模和飞行计划建模。具体包括以下部分。

(1) 任务阶段建模

任务阶段是指装备所执行的特定任务中的一个时间阶段。在该阶段中,装备的工作环境、工作状态等基本保持不变。任务阶段是组成任务的基本单元。

(2) 任务科目建模

任务科目是装备在完成特定任务时间内所经历的事件和环境的时序描述。任务科目由多个任务阶段按照一定时序和转换条件而组成。对于完成一种或多种任务的装备制定一种或多重任务科目。

(3) 飞行计划建模

飞行计划模型是一个使用任务的日历计划模型,定义一段时期内,计划性的装备使用任务的安排和条件,将年度任务逐月分解,形成月度飞行计划,最终分解到单日飞行安排。飞行计划模型通常可以表达日常计划性的使用任务安排。

(4) 梯次控制策略建模

梯次控制策略解决任务飞机出动时的剩余寿命控制,合理分散飞机大修时机,避免飞机集中达到阶段寿命导致大修工厂飞机堆积，避免因维修飞机过多导致可用飞机数量骤减、飞机完好率降低,影响训练任务的完成。

1.2.3 装备系统建模

装备系统模型是装备训练任务和保障任务的执行实体,装备在执行任务时需要通过故障机制模型触发装备的自然故障。装备系统建模是与装备的结构、故障、可靠性、维修性、保障性(reliability, maintainability and supportability, RMS)指标等有关的模型构建。具体包括以下部分。

(1) 装备结构建模

装备结构建模用来描述装备的硬件构成,包括装备、系统、分系统、组件、部件等,同时描述装备通用性能参数,如速度、航程等,并能够表达装备在使用中的各种状态和行为。

(2) 装备分系统RMS指标建模

对应装备每一个层级的分系统单元,可设置并管理其可靠性指标、维修性指标、保障性指标、测试性指标等通用质量特性指标。装备分系统RMS指标如表1所示。

表1 装备分系统RMS指标Table 1 Equipment sub-system RMS indicators

(3) 装备故障机制建模

装备在执行任务时会产生故障,装备故障机制描述装备工作时的故障机制,即由下级硬件产品的关键件属性结合MTBF值触发装备在飞行训练任务中自然故障。

1.2.4 保障系统建模

保障系统是在装备寿命周期内用于使用和维修装备的所有保障资源及其管理的有机组合。保障系统建模主要描述飞机开展维修保障业务时装备保障系统的构成、要素和关系。具体包括以下部分。

(1) 装备场所建模

装备场所模型用来表达装备日常使用和维修的整个场所,通常由多个装备使用和保障的设施构成,并具有一定的范围、布局、通道等。

(2) 保障设施建模

保障设施是对统辖装备及其保障资源且具有各种保障功能的设施的总称,包括停放、储存、维修保障、使用保障等,是各种保障功能和保障活动执行的物理场所。设施通常由一定数量的保障工位组成,并具有一定的保障任务容量。

(3) 四站装备建模

四站装备是用来执行装备充、填、加、挂等保障工作的独立装备。四站装备用以保证装备在任务过程中能得到正常的使用和保障,四站装备可根据实际应用建立与保障工位/设施的关系。

(4) 备品备件建模

备品备件模型用来定义和描述装备保障活动中所需的备件及消耗品。备品备件模型与装备的LRU/SRU可以有单向对应关系,即一个LRU/SRU必然对应于一个备品备件模型,但一个备品备件模型不一定对应一种LRU/SRU。

(5) 保障工位建模

保障工位是对最基本的、具有一定保障功能的物理场所的抽象。一个保障工位是一个最基本的、可以容纳一定品种和数量的保障资源的保障工作场所,可以包含多种保障装备、保障设备、备品备件等保障资源,还具有对被保障装备和保障人员的容量限制等属性。保障工位是保障设施的基本构成要素。

(6) 保障设备建模

保障设备模型用于表达装备使用与保障作业中所需的各种工具、设备、装置等。保障装备包括固定式和移动式,用以保证装备在维修保障过程中能得到正常的使用和保障。

1.2.5 保障行为建模

保障行为模型是针对飞机保障活动、事件、工作和任务进行建模,是对整个保障业务的规划和定义,保障行为也是保障业务运行的核心环节,是保障业务的体现。根据飞机维修保障的需求,可将保障行为分为维护维修行为和备件供应行为两个部分,维护维修行为又可分为使用保障行为、周期性维修行为和修复性维修行为。

(1) 维护维修行为

在任务过程中,装备的动用需要在外场进行使用保障来预防故障的产生、在内场需要定期检查装备的使用情况预防并降低装备的故障发生。除此以外,还需针对装备发生的故障进行修复性维修,分别体现为使用保障行为、周期性维修行为和修复性维修行为。通过对实际维护维修时间的统计可以确定工作单元每项任务的作业活动的平均时间。因此,对于具体的维护维修任务,通过维修活动流程。可以得出完成维修任务花费的时间。本文考虑的使用保障任务包括外场直接机务准备、再次出动准备、预先机务准备和放飞。使用保障行为模型如图3所示。

图3 使用保障行为模型Fig.3 Use support behavior model

修复性维修任务主要是外场故障维修。修复性维修行为模型如图4所示。周期性维修任务包括内厂各种条件下的定检、大修、换发。周期性维修过程模型如图5所示。

图4 修复性维修行为模型Fig.4 Repair maintenance behavior model

图5 周期性维修行为模型Fig.5 Periodic maintenance behavior model

(2) 备件供应行为

装备的换件修理活动将产生备件需求,航材库接到备件请求后,需要进行备件请领判断,若库存量能满足需求,则备件从航材库发出,航材库的航材库存量减少;若不能满足需求,则会产生备件短缺记录,同时航材库需要向上级航材中心发出备件申请,由上级航材中心接收备件申请后下发备件补充下级航材库库存。针对备件的补充,备件供应行为模型如图5所示。

图6 备件供应行为模型Fig.6 Spare parts supply behavior model

保障行为要素建模具体包括4个部分。

(1) 保障活动建模

一项保障活动是一项内容单一、有一定的保障资源占用或消耗、需要消耗一定时间的保障行为。保障活动建模用于表达最基本的保障行为。装备常用的使用保障活动包括直接机务准备、再次出动准备、预先机务准备和放飞等;装备常用的修复性维修活动包括故障维修和战场抢修;装备常用的周期性维修活动有换发、定检、大修等。

(2) 保障事件建模

保障事件用于表达一定时间点发生的会引发保障工作的各种事件。如装备故障、装备达到定检条件、到达大修时间等。保障事件的发生有多种类型,包括定时发生、条件发生、随机发生等。保障事件模型能够灵活设置事件发生的条件和类型。保障事件发生类型如表2所示。

表2 保障事件发生类型Table 2 Support event occurrence types

(3) 保障工作建模

保障工作覆盖专项保障工作、周期性保障工作和修复性维修工作,是由一系列保障活动和事件组成的一个完整的保障过程。保障工作模型如图6所示。

图7 保障工作模型Fig.7 Support work model

(4) 保障任务建模

保障任务是由多种装备保障工作组成的集合。保障任务主要用于表达特定的保障分队所能承担的保障工作的组合,是保障分队保障能力的一种表达方式。保障任务模型如图8所示。维修保障仿真推演是针对仿真实验在仿真支撑平台中启动运行控制、推演演示和计算等功能。仿真计算过程能够实现多节点、多角度监控,同时能够控制仿真节奏,实现对装备维修保障过程的计算推演,包括仿真实验的运行控制和仿真计算推演。仿真计算业务模型如图9所示。

图8 保障任务模型Fig.8 Support task model

图9 仿真计算业务模型Fig.9 Simulation computing business model

2 维修保障仿真推演

2.1 仿真运行控制

仿真运行控制是针对仿真实验的运行模式和仿真进程进行设置,设置内容包括进程控制、仿真参数等,通过仿真运行控制可实现对实验运行过程的自主控制。

2.2 仿真计算推演

仿真平台运行的主线程是时间周期,时间是推动仿真运行的最关键要素。根据任务时间特点来设置基本的时间片,随着时间主线的推进,在每个时间片调用装备系统模型、装备任务模型、保障行为模型、保障资源模型和组织模型,使各个业务单元模型在相应的时间片内完成相应的动作,重点是进行装备任务的持续执行、装备耗损计算并确定是否应该激活周期性的维修、装备维护维修过程的计算、保障资源器材配送过程计算以及其他需要在相应时间片内完成的工作。随着连续时间片的推进,完成整个装备保障工作过程仿真。

2.2.1 仿真架构

仿真进程基于高层体系架构(high level architecture, HLA)架构实现分布式计算推演,以时间+事件的方式实现仿真实验的联邦对象模型(federation object model, FOM)服务。针对仿真过程中各联邦成员的状态记录仿真对象模型(simulation object model, SOM)的状态实现数据记录，基于调速网络数据发布结构运行支撑结构(run time infrastructure, RTI)实现仿真单元之间的高效同步和通讯。仿真计算推演业务服务架构如图10所示。

图10 仿真计算推演业务服务架构Fig.10 Simulation computation deduce business service architecture

2.2.2 联邦成员

基于HLA思想建立通用仿真框架,按照面向对象的思想和方法构建仿真系统,将作战单元系统抽象为各种相互作用的对象,在面向对象分析与设计的基础上设计仿真成员,进而构造仿真联邦。图1为基于HLA的分布交互仿真系统体系结构,主要由联邦成员与运行支撑环境(RTI)构成,整个系统可以灵活扩充,联邦成员可动态地加入或退出联邦,且联邦成员之间可以通过RTI实现互操作。

2.2.3 联邦成员消息交互

HLA的对象交互协议规定在各种条件下仿真间传输何种相应信息,只同具体的仿真应用有关;数据通信协议用来传输对象交互协议中规定的信息,同具体的网络结构和拓扑有关。

图11 基于HLA的分布交互仿真系统体系结构Fig.11 Distributed interactive simulation system architecture based on HLA

通过对象模型模板,仿真成员确定各自将会产生什么信息、希望接收什么信息等,具体信息内容的传送由底层通信服务实现,具备较大的灵活性。联邦成员之间只传输需要的和变化的信息,减少了网络通信量。针对仿真过程中各联邦成员的状态,记录SOM的状态实现数据记录,SOM状态表所示。

表3 SOM状态表Table 3 SOM state table

3 维修保障分析评估

维修保障分析评估以装备状态转换为驱动,基于仿真过程记录的数据,计算并评估完好率指标。仿真过程数据记录使用组织、维修组织和仓库组织等的过程数据。使用组织数据记录包括装备类型、装备数量、装备状态、装备状态转换频次、装备任务出动频次、装备故障频次和装备使用保障频次等;维修组织数据记录包括保障任务频次和保障资源使用情况;仓储组织记录供应任务频次和备件资源使用情况。飞行训练任务描述主要考虑训练使用、保障任务和供应任务,以基本装备单元为对象记录其状态转化,计算最终评估指标。维修保障分析评估流程如图12所示。

图12 仿真分析评估流程Fig.12 Simulation analysis and evaluation process

4 案例验证

以某型飞机装备单元为研究对象,建立日常作训任务计划,任务周期为24个月。以某月训练出动为例,飞机出动14天,执行科目1和科目2,科目持续时间90 min,其他月份根据任务出动的天数和本月飞行时间确定执行的科目和科目的批次。仿真考虑外场开展的保障行为有:预先机务准备、直接机务准备、再次出动机务准备、放飞工作、飞机25±5飞行小时和故障维修等。

仿真开始后,随着时间的推进,飞行计划事件启动,将飞行任务分解到组织和具体执行任务的飞机,采用梯次控制策略调度飞机,飞机在执行任务时,会检查其特殊事件的触发条件,如故障、定检、换发、大修、备件供应等条件,如果不触发以上事件,执行完飞行计划后返回中队;如触发相应事件,则根据构建好的数据关联到规定的大修厂维修,消耗资源、占用维修时间;如需要航材供应,则规定的航材中心进行备件供应。根据仿真计算推演的过程数据记录和分析,选取2020年1月到2021年12月的计算结果,分析装备完好率和装备不完好率指标,如图13所示。

图13 装备完好率分布情况Fig.13 Distribution of equipment integrity rate

可以看出,初始飞机装备完好率较高,随着飞行任务的执行,不断触发故障、定检、换发、大修、备件供应等条件,装备完好率开始下降;从2020年1月到7月,下降的幅度较小,原因是不完好的飞机能较快的修复;2021年1月到2021年12月,下降幅度较大,且在2021年4月到2021年12月维持在60%左右,主要原因是航材供应不足导致部分飞机未能及时修复。

5 结 论

本文以某装备单元完成典型训练任务为主线,构建了装备相关的维修保障业务模型和实体模型;进一步,设计了维修保障仿真推演的运行控制和计算推演框架;最后,对维修保障分析评估流程进行了分析,并通过典型案例进行了计算验证。通过研究,能够为深入推进装备单元保障性仿真评估奠定基础,为高效、准确地实施现代装备体系维修保障能力评价、控制、统筹和优化提供支撑。