丁 剛, 張 琳, 崔利杰, 張 亮, 李新春

(1. 空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院, 陜西 西安 710051;2. 空軍工程大學防空反導學院, 陜西 西安 710051)

0 引 言

隨著作戰(zhàn)樣式的發(fā)展演變,裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮越來越依賴于裝備的保障性水平和裝備保障體系的運行效能。裝備保障效能受裝備本身“六性”設計水平和裝備維修保障模式的綜合影響。因此,對裝備保障模式的驗證和保障能力的評估存在很大困難。裝備單元由基本裝備組成,基本裝備單元是能夠獨立執(zhí)行作戰(zhàn)任務的最小單位,由單個裝備系統(tǒng)或同型裝備系統(tǒng)群和保障系統(tǒng)構(gòu)成。裝備完好率是裝備能夠隨時遂行作戰(zhàn)或訓練任務的完好裝備數(shù)與實有裝備數(shù)之比,主要用以衡量裝備的技術(shù)現(xiàn)狀和管理水平,以及裝備對作戰(zhàn)、訓練、執(zhí)勤的可能保障程度。裝備完好率評估對指揮員進行戰(zhàn)訓任務決策具有重要意義。

近年來,相關(guān)研究人員運用仿真的方法對裝備保障效能評估進行了較為深入的研究。羅湘勇等研究了裝備保障任務建模與仿真驗證方法;劉彬等對裝備保障仿真概念模型構(gòu)建進行探索;李晨等構(gòu)建了面向任務的裝備保障概念模型;米巧麗等對艦炮維修保障過程進行了仿真;尹麗麗等對裝備保障體系進行了分布式建模與仿真;寇力等對裝備保障體系仿真關(guān)鍵技術(shù)進行了研究;Mahulkar等對海軍作戰(zhàn)人員日常維修流程進行了建模與仿真分析;Yang等基于智能體對多源數(shù)據(jù)集成進行了研究;Cao等對裝備保障過程建模進行了研究;Panteleev等建立了一種裝備維修保障過程模型;Du等建立了基于智能體的裝備保障指揮框架,對各智能體的溝通機制進行了設計;李亞飛等研究了艦載機保障作業(yè)實時調(diào)度方法的仿真實現(xiàn);丁剛等研究了航空裝備體系保障性分析仿真運行控制與維修保障模式仿真推演關(guān)鍵問題;張亞東等研究了列控運營場景危險分析及仿真驗證方法;趙洪利等采用離散系統(tǒng)仿真的方法建立了備發(fā)仿真模型;楊英杰等對裝備維修保障仿真系統(tǒng)的靈敏度分析與參數(shù)優(yōu)化進行了研究;王雙川等對戰(zhàn)時合成部隊多階段作戰(zhàn)任務成功概率的仿真評估方法進行了研究;Massimo等構(gòu)建了電氣電子設備可靠性和部件復用失效概率模型;Zhou等建立了一種基于維修過程仿真的維修性評估方法;許慶等建立了面向仿真的航天裝備維修保障效能評估指標參數(shù)體系;Miranda等建立了一種基于仿真的備件供應鏈網(wǎng)絡與維修系統(tǒng)聯(lián)合支持與評估建模方法;Petrovic等建立了一種基于統(tǒng)計過程控制與仿真的維修過程快速評估方法;Pang等研究了新一代裝備維修的仿真建模與評估方法。從以上文獻可以看出,仿真方法在裝備保障效能評估方面得到了廣泛應用,其需要解決的核心問題是模型構(gòu)建與仿真計算。因此,本文主要研究維修保障仿真建模和推演兩個方面的問題。

1 維修保障仿真建模

系統(tǒng)建模是指將一個實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、輸入輸出關(guān)系用數(shù)字模型、邏輯模型等描述出來,用對模型的研究來反映對實際系統(tǒng)的研究。維修保障仿真模型用來定義保障對象和保障主體的要素、結(jié)構(gòu)、關(guān)系和行為等,是對裝備使用與保障系統(tǒng)的第一次抽象,生成裝備保障仿真實體模型的概念藍圖。維修保障模型體系包括使用任務、裝備系統(tǒng)(系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設備/部件)、保障系統(tǒng)、保障行為等各類概念模型。裝備維修保障模型構(gòu)成如圖1所示。

圖1 裝備維修保障模型構(gòu)成Fig.1 Construction of equipment maintenance support model

1.1 維修保障業(yè)務模型

維修保障業(yè)務模型構(gòu)建以裝備任務建模為主線牽引,組織載體為任務計劃執(zhí)行對象,調(diào)度裝備完成計劃的執(zhí)行。當裝備在執(zhí)行任務中,考慮各機構(gòu)維修保障任務(換發(fā)、定檢、大修、供應航材、故障維修等),同時考慮在執(zhí)行維修保障任務時的各類保障資源(保障設施、保障工位、保障裝備、四站裝備、保障人員、備品備件等)動用。保障仿真業(yè)務模型如圖2所示。

1.2 維修保障實體模型

1.2.1 組織機構(gòu)建模

組織機構(gòu)建模描述某旅、修理廠、航材庫等組織結(jié)構(gòu)模型,是裝備的組織載體、任務執(zhí)行、保障業(yè)務執(zhí)行實體的描述,實現(xiàn)對各類組織靜態(tài)能力的描述,具體包括以下5個部分。

(1) 組織層次建模

組織層次模型用來描述航空兵旅結(jié)構(gòu)及其具體機構(gòu),如所統(tǒng)轄使用人員類型和數(shù)量、統(tǒng)轄裝備類型和數(shù)量等,一個旅由多個使用分隊和保障分隊(修理廠、航材庫)組成。

圖2 保障仿真業(yè)務模型Fig.2 Support simulation business model

(2) 使用分隊建模

使用分隊是部隊中的基本編制單元,由一定數(shù)量的裝備和操作使用人員組成。使用分隊模型主要描述裝備的基本動用、使用組織等。

(3) 保障分隊建模

保障分隊是由具有一定編制的保障人員、保障設施、保障裝備、保障設備等組成的成建制分隊,包括維修保障分隊和供應保障分隊,如修理廠、航材庫等。建模包含了對保障資源分派的一般規(guī)則的定義和表達。

(4) 使用人員建模

使用人員模型是用來表達執(zhí)行裝備使用活動的人員的模型。使用人員要素是指根據(jù)航空裝備的使用與維護任務要求,確定使用人員的技能水平和人員數(shù)量,用以保證航空裝備在壽命期內(nèi)能得到正常的使用和保障。

(5) 保障班組建模

保障班組由一定數(shù)量、各種專業(yè)和等級的使用人員組成的,是執(zhí)行具體使用保障任務的小組。保障班組分為兩種,一種是臨時班組,根據(jù)需要臨時完成的保障任務對人員的需求而臨時組建;一種是固定班組,根據(jù)裝備設計的保障任務確定。

1.2.2 裝備任務建模

裝備任務模型描述裝備使用規(guī)則、方案,以及根據(jù)裝備技術(shù)特點和使用規(guī)定確定的裝備出動、調(diào)動規(guī)則,是與裝備的動用、飛行計劃相關(guān)的模型。根據(jù)任務組成將裝備任務模型分為任務階段建模、任務科目建模和飛行計劃建模。具體包括以下部分。

(1) 任務階段建模

任務階段是指裝備所執(zhí)行的特定任務中的一個時間階段。在該階段中,裝備的工作環(huán)境、工作狀態(tài)等基本保持不變。任務階段是組成任務的基本單元。

(2) 任務科目建模

任務科目是裝備在完成特定任務時間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序描述。任務科目由多個任務階段按照一定時序和轉(zhuǎn)換條件而組成。對于完成一種或多種任務的裝備制定一種或多重任務科目。

(3) 飛行計劃建模

飛行計劃模型是一個使用任務的日歷計劃模型,定義一段時期內(nèi),計劃性的裝備使用任務的安排和條件,將年度任務逐月分解,形成月度飛行計劃,最終分解到單日飛行安排。飛行計劃模型通?？梢员磉_日常計劃性的使用任務安排。

(4) 梯次控制策略建模

梯次控制策略解決任務飛機出動時的剩余壽命控制,合理分散飛機大修時機,避免飛機集中達到階段壽命導致大修工廠飛機堆積，避免因維修飛機過多導致可用飛機數(shù)量驟減、飛機完好率降低,影響訓練任務的完成。

1.2.3 裝備系統(tǒng)建模

裝備系統(tǒng)模型是裝備訓練任務和保障任務的執(zhí)行實體,裝備在執(zhí)行任務時需要通過故障機制模型觸發(fā)裝備的自然故障。裝備系統(tǒng)建模是與裝備的結(jié)構(gòu)、故障、可靠性、維修性、保障性(reliability, maintainability and supportability, RMS)指標等有關(guān)的模型構(gòu)建。具體包括以下部分。

(1) 裝備結(jié)構(gòu)建模

裝備結(jié)構(gòu)建模用來描述裝備的硬件構(gòu)成,包括裝備、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、組件、部件等,同時描述裝備通用性能參數(shù),如速度、航程等,并能夠表達裝備在使用中的各種狀態(tài)和行為。

(2) 裝備分系統(tǒng)RMS指標建模

對應裝備每一個層級的分系統(tǒng)單元,可設置并管理其可靠性指標、維修性指標、保障性指標、測試性指標等通用質(zhì)量特性指標。裝備分系統(tǒng)RMS指標如表1所示。

表1 裝備分系統(tǒng)RMS指標Table 1 Equipment sub-system RMS indicators

(3) 裝備故障機制建模

裝備在執(zhí)行任務時會產(chǎn)生故障,裝備故障機制描述裝備工作時的故障機制,即由下級硬件產(chǎn)品的關(guān)鍵件屬性結(jié)合MTBF值觸發(fā)裝備在飛行訓練任務中自然故障。

1.2.4 保障系統(tǒng)建模

保障系統(tǒng)是在裝備壽命周期內(nèi)用于使用和維修裝備的所有保障資源及其管理的有機組合。保障系統(tǒng)建模主要描述飛機開展維修保障業(yè)務時裝備保障系統(tǒng)的構(gòu)成、要素和關(guān)系。具體包括以下部分。

(1) 裝備場所建模

裝備場所模型用來表達裝備日常使用和維修的整個場所,通常由多個裝備使用和保障的設施構(gòu)成,并具有一定的范圍、布局、通道等。

(2) 保障設施建模

保障設施是對統(tǒng)轄裝備及其保障資源且具有各種保障功能的設施的總稱,包括停放、儲存、維修保障、使用保障等,是各種保障功能和保障活動執(zhí)行的物理場所。設施通常由一定數(shù)量的保障工位組成,并具有一定的保障任務容量。

(3) 四站裝備建模

四站裝備是用來執(zhí)行裝備充、填、加、掛等保障工作的獨立裝備。四站裝備用以保證裝備在任務過程中能得到正常的使用和保障,四站裝備可根據(jù)實際應用建立與保障工位/設施的關(guān)系。

(4) 備品備件建模

備品備件模型用來定義和描述裝備保障活動中所需的備件及消耗品。備品備件模型與裝備的LRU/SRU可以有單向?qū)P(guān)系,即一個LRU/SRU必然對應于一個備品備件模型,但一個備品備件模型不一定對應一種LRU/SRU。

(5) 保障工位建模

保障工位是對最基本的、具有一定保障功能的物理場所的抽象。一個保障工位是一個最基本的、可以容納一定品種和數(shù)量的保障資源的保障工作場所,可以包含多種保障裝備、保障設備、備品備件等保障資源,還具有對被保障裝備和保障人員的容量限制等屬性。保障工位是保障設施的基本構(gòu)成要素。

(6) 保障設備建模

保障設備模型用于表達裝備使用與保障作業(yè)中所需的各種工具、設備、裝置等。保障裝備包括固定式和移動式,用以保證裝備在維修保障過程中能得到正常的使用和保障。

1.2.5 保障行為建模

保障行為模型是針對飛機保障活動、事件、工作和任務進行建模,是對整個保障業(yè)務的規(guī)劃和定義,保障行為也是保障業(yè)務運行的核心環(huán)節(jié),是保障業(yè)務的體現(xiàn)。根據(jù)飛機維修保障的需求,可將保障行為分為維護維修行為和備件供應行為兩個部分,維護維修行為又可分為使用保障行為、周期性維修行為和修復性維修行為。

(1) 維護維修行為

在任務過程中,裝備的動用需要在外場進行使用保障來預防故障的產(chǎn)生、在內(nèi)場需要定期檢查裝備的使用情況預防并降低裝備的故障發(fā)生。除此以外,還需針對裝備發(fā)生的故障進行修復性維修,分別體現(xiàn)為使用保障行為、周期性維修行為和修復性維修行為。通過對實際維護維修時間的統(tǒng)計可以確定工作單元每項任務的作業(yè)活動的平均時間。因此,對于具體的維護維修任務,通過維修活動流程?？梢缘贸鐾瓿删S修任務花費的時間。本文考慮的使用保障任務包括外場直接機務準備、再次出動準備、預先機務準備和放飛。使用保障行為模型如圖3所示。

圖3 使用保障行為模型Fig.3 Use support behavior model

修復性維修任務主要是外場故障維修。修復性維修行為模型如圖4所示。周期性維修任務包括內(nèi)廠各種條件下的定檢、大修、換發(fā)。周期性維修過程模型如圖5所示。

圖4 修復性維修行為模型Fig.4 Repair maintenance behavior model

圖5 周期性維修行為模型Fig.5 Periodic maintenance behavior model

(2) 備件供應行為

裝備的換件修理活動將產(chǎn)生備件需求,航材庫接到備件請求后,需要進行備件請領(lǐng)判斷,若庫存量能滿足需求,則備件從航材庫發(fā)出,航材庫的航材庫存量減少;若不能滿足需求,則會產(chǎn)生備件短缺記錄,同時航材庫需要向上級航材中心發(fā)出備件申請,由上級航材中心接收備件申請后下發(fā)備件補充下級航材庫庫存。針對備件的補充,備件供應行為模型如圖5所示。

圖6 備件供應行為模型Fig.6 Spare parts supply behavior model

保障行為要素建模具體包括4個部分。

(1) 保障活動建模

一項保障活動是一項內(nèi)容單一、有一定的保障資源占用或消耗、需要消耗一定時間的保障行為。保障活動建模用于表達最基本的保障行為。裝備常用的使用保障活動包括直接機務準備、再次出動準備、預先機務準備和放飛等;裝備常用的修復性維修活動包括故障維修和戰(zhàn)場搶修;裝備常用的周期性維修活動有換發(fā)、定檢、大修等。

(2) 保障事件建模

保障事件用于表達一定時間點發(fā)生的會引發(fā)保障工作的各種事件。如裝備故障、裝備達到定檢條件、到達大修時間等。保障事件的發(fā)生有多種類型,包括定時發(fā)生、條件發(fā)生、隨機發(fā)生等。保障事件模型能夠靈活設置事件發(fā)生的條件和類型。保障事件發(fā)生類型如表2所示。

表2 保障事件發(fā)生類型Table 2 Support event occurrence types

(3) 保障工作建模

保障工作覆蓋專項保障工作、周期性保障工作和修復性維修工作,是由一系列保障活動和事件組成的一個完整的保障過程。保障工作模型如圖6所示。

圖7 保障工作模型Fig.7 Support work model

(4) 保障任務建模

保障任務是由多種裝備保障工作組成的集合。保障任務主要用于表達特定的保障分隊所能承擔的保障工作的組合,是保障分隊保障能力的一種表達方式。保障任務模型如圖8所示。維修保障仿真推演是針對仿真實驗在仿真支撐平臺中啟動運行控制、推演演示和計算等功能。仿真計算過程能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點、多角度監(jiān)控,同時能夠控制仿真節(jié)奏,實現(xiàn)對裝備維修保障過程的計算推演,包括仿真實驗的運行控制和仿真計算推演。仿真計算業(yè)務模型如圖9所示。

圖8 保障任務模型Fig.8 Support task model

圖9 仿真計算業(yè)務模型Fig.9 Simulation computing business model

2 維修保障仿真推演

2.1 仿真運行控制

仿真運行控制是針對仿真實驗的運行模式和仿真進程進行設置,設置內(nèi)容包括進程控制、仿真參數(shù)等,通過仿真運行控制可實現(xiàn)對實驗運行過程的自主控制。

2.2 仿真計算推演

仿真平臺運行的主線程是時間周期,時間是推動仿真運行的最關(guān)鍵要素。根據(jù)任務時間特點來設置基本的時間片,隨著時間主線的推進,在每個時間片調(diào)用裝備系統(tǒng)模型、裝備任務模型、保障行為模型、保障資源模型和組織模型,使各個業(yè)務單元模型在相應的時間片內(nèi)完成相應的動作,重點是進行裝備任務的持續(xù)執(zhí)行、裝備耗損計算并確定是否應該激活周期性的維修、裝備維護維修過程的計算、保障資源器材配送過程計算以及其他需要在相應時間片內(nèi)完成的工作。隨著連續(xù)時間片的推進,完成整個裝備保障工作過程仿真。

2.2.1 仿真架構(gòu)

仿真進程基于高層體系架構(gòu)(high level architecture, HLA)架構(gòu)實現(xiàn)分布式計算推演,以時間+事件的方式實現(xiàn)仿真實驗的聯(lián)邦對象模型(federation object model, FOM)服務。針對仿真過程中各聯(lián)邦成員的狀態(tài)記錄仿真對象模型(simulation object model, SOM)的狀態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，基于調(diào)速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)布結(jié)構(gòu)運行支撐結(jié)構(gòu)(run time infrastructure, RTI)實現(xiàn)仿真單元之間的高效同步和通訊。仿真計算推演業(yè)務服務架構(gòu)如圖10所示。

圖10 仿真計算推演業(yè)務服務架構(gòu)Fig.10 Simulation computation deduce business service architecture

2.2.2 聯(lián)邦成員

基于HLA思想建立通用仿真框架,按照面向?qū)ο蟮乃枷牒头椒?gòu)建仿真系統(tǒng),將作戰(zhàn)單元系統(tǒng)抽象為各種相互作用的對象,在面向?qū)ο蠓治雠c設計的基礎(chǔ)上設計仿真成員,進而構(gòu)造仿真聯(lián)邦。圖1為基于HLA的分布交互仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),主要由聯(lián)邦成員與運行支撐環(huán)境(RTI)構(gòu)成,整個系統(tǒng)可以靈活擴充,聯(lián)邦成員可動態(tài)地加入或退出聯(lián)邦,且聯(lián)邦成員之間可以通過RTI實現(xiàn)互操作。

2.2.3 聯(lián)邦成員消息交互

HLA的對象交互協(xié)議規(guī)定在各種條件下仿真間傳輸何種相應信息,只同具體的仿真應用有關(guān);數(shù)據(jù)通信協(xié)議用來傳輸對象交互協(xié)議中規(guī)定的信息,同具體的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和拓撲有關(guān)。

圖11 基于HLA的分布交互仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.11 Distributed interactive simulation system architecture based on HLA

通過對象模型模板,仿真成員確定各自將會產(chǎn)生什么信息、希望接收什么信息等,具體信息內(nèi)容的傳送由底層通信服務實現(xiàn),具備較大的靈活性。聯(lián)邦成員之間只傳輸需要的和變化的信息,減少了網(wǎng)絡通信量。針對仿真過程中各聯(lián)邦成員的狀態(tài),記錄SOM的狀態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄,SOM狀態(tài)表所示。

表3 SOM狀態(tài)表Table 3 SOM state table

3 維修保障分析評估

維修保障分析評估以裝備狀態(tài)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動,基于仿真過程記錄的數(shù)據(jù),計算并評估完好率指標。仿真過程數(shù)據(jù)記錄使用組織、維修組織和倉庫組織等的過程數(shù)據(jù)。使用組織數(shù)據(jù)記錄包括裝備類型、裝備數(shù)量、裝備狀態(tài)、裝備狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻次、裝備任務出動頻次、裝備故障頻次和裝備使用保障頻次等;維修組織數(shù)據(jù)記錄包括保障任務頻次和保障資源使用情況;倉儲組織記錄供應任務頻次和備件資源使用情況。飛行訓練任務描述主要考慮訓練使用、保障任務和供應任務,以基本裝備單元為對象記錄其狀態(tài)轉(zhuǎn)化,計算最終評估指標。維修保障分析評估流程如圖12所示。

圖12 仿真分析評估流程Fig.12 Simulation analysis and evaluation process

4 案例驗證

以某型飛機裝備單元為研究對象,建立日常作訓任務計劃,任務周期為24個月。以某月訓練出動為例,飛機出動14天,執(zhí)行科目1和科目2,科目持續(xù)時間90 min,其他月份根據(jù)任務出動的天數(shù)和本月飛行時間確定執(zhí)行的科目和科目的批次。仿真考慮外場開展的保障行為有:預先機務準備、直接機務準備、再次出動機務準備、放飛工作、飛機25±5飛行小時和故障維修等。

仿真開始后,隨著時間的推進,飛行計劃事件啟動,將飛行任務分解到組織和具體執(zhí)行任務的飛機,采用梯次控制策略調(diào)度飛機,飛機在執(zhí)行任務時,會檢查其特殊事件的觸發(fā)條件,如故障、定檢、換發(fā)、大修、備件供應等條件,如果不觸發(fā)以上事件,執(zhí)行完飛行計劃后返回中隊;如觸發(fā)相應事件,則根據(jù)構(gòu)建好的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到規(guī)定的大修廠維修,消耗資源、占用維修時間;如需要航材供應,則規(guī)定的航材中心進行備件供應。根據(jù)仿真計算推演的過程數(shù)據(jù)記錄和分析,選取2020年1月到2021年12月的計算結(jié)果,分析裝備完好率和裝備不完好率指標,如圖13所示。

圖13 裝備完好率分布情況Fig.13 Distribution of equipment integrity rate

可以看出,初始飛機裝備完好率較高,隨著飛行任務的執(zhí)行,不斷觸發(fā)故障、定檢、換發(fā)、大修、備件供應等條件,裝備完好率開始下降;從2020年1月到7月,下降的幅度較小,原因是不完好的飛機能較快的修復;2021年1月到2021年12月,下降幅度較大,且在2021年4月到2021年12月維持在60%左右,主要原因是航材供應不足導致部分飛機未能及時修復。

5 結(jié) 論

本文以某裝備單元完成典型訓練任務為主線,構(gòu)建了裝備相關(guān)的維修保障業(yè)務模型和實體模型;進一步,設計了維修保障仿真推演的運行控制和計算推演框架;最后,對維修保障分析評估流程進行了分析,并通過典型案例進行了計算驗證。通過研究,能夠為深入推進裝備單元保障性仿真評估奠定基礎(chǔ),為高效、準確地實施現(xiàn)代裝備體系維修保障能力評價、控制、統(tǒng)籌和優(yōu)化提供支撐。