雷達裝備兩級維修保障過程建模與仿真

盧 雷，楊江平

(空軍預警學院陸基預警裝備系， 武漢430019)

0 引言

隨著雷達裝備的建設與發展，對于像天波超視距雷達、大型相控陣雷達等此類大型雷達的裝備，由于其系統結構龐大、技術復雜，一般采用基層級和基地級(廠家)兩級維修保障體制。因此，分析兩級維修保障過程對于雷達裝備具有重要意義。

雷達裝備的維修保障過程是一個復雜性高、隨機性強的動態過程，不僅需要考慮可靠性、維修性、測試性等裝備設計特性，同時也必須考慮雷達部署到部隊后的使用與維修環境、保障資源的數量與配置、維修策略，以及上述因素之間的相互作用［1］。

由于基于數理分析的傳統解析建模方法難以對這一動態過程進行分析，而計算機仿真技術在這個方面表現出較大的優勢，使得基于仿真的方法越來越受到重視。國外方面:文獻［2］利用面向對象的編程語言Java對運輸機中可更換組件的維修供應過程進行了仿真，仿真不僅可以輸出使用可用度的平均值，還可以得到使用可用度的概率分布;文獻［3］仿真分析了維修周轉時間對巴西和阿根廷A-4飛機編隊使用可用度的影響，得出縮短維修周轉時間可大幅提高使用可用度并降低備件費用;文獻［4］利用水晶球仿真軟件分析了可靠性、維修性對RAH-66科曼奇直升機使用可用度的影響，仿真結果表明，可靠性對使用可用度的影響比維修性大;文獻［5］利用離散事件仿真軟件Simkit對美海軍F/A-18飛機發動機的維修保障過程進行了仿真，得到了反映飛機戰備完好的使用可用度這一參數，并分析了發動機模塊平均故障間隔時間等因素對使用可用度的影響;文獻［6］利用離散事件仿真軟件Arena對美海軍陸戰隊一個76輛輕型戰車編隊的維修保障過程進行了仿真，分析了戰車可更換組件故障率、庫存量等因素對編隊可用戰車數量的影響。國內方面:文獻［7］利用Monte Carlo仿真方法模擬了基于貯存失效的導彈武器系統維修保障的運行，得出了反映導彈武器系統的作戰能力和保障能力的評價參數;文獻［8］基于Arena軟件仿真對通信裝備備件保障流程進行了建模與仿真，分析了不同備件配置策略對備件利用率的影響規律;文獻［9］也利用Arena軟件分析了火炮維修保障過程，通過仿真可以輸出排隊等待時間、維修人員利用率等參數。以上研究表明運用仿真技術對裝備的維修保障過程進行模擬，已經成為國內外裝備維修保障領域的研究熱點。基于此，本文以大型復雜雷達裝備為研究對象，利用離散事件仿真軟件Arena構建其兩級維修保障過程模型，并分析多種因素對雷達裝備使用可用度的影響。

1 兩級維修保障過程分析

雷達裝備兩級維修保障過程，如圖1所示。

圖1 雷達裝備兩級維修保障過程圖

由圖中可對兩級維修保障過程分析如下:當雷達裝備中某一關鍵組件(可更換單元)發生故障后，基層級維修人員首先對故障單元進行拆卸，并將故障單元送基地級進行維修，同時查詢基層級庫存是否有該故障單元的備件。若有，則進行換件維修，雷達裝備恢復正常工作;若沒有該項備件，則裝備停機，直至基層級庫存中有該項單元的備件。故障單元修復后送回基層級，成為一個可用的備件進入基層級庫存。

2 兩級維修保障流程仿真模型

2.1 基本假設

由于影響雷達裝備維修保障的因素眾多、影響機理復雜，因此，在建立合理的兩級維修保障流程仿真模型之前，必須明確基本假設。主要需要明確的基本假設有以下4點:

1)因雷達裝備中組件(可更換單元)數量多達幾百個，考慮所有可更換單元的相互作用將使所建立的仿真模型過于復雜，甚至無法實現，一個好的解決方案是將建模的范圍限定在一些對雷達裝備有關鍵性影響的組件上，特別是那些故障率高且每次故障將致使裝備停機的組件。因此，本文將選取5個關鍵性組件進行建模。

2)組件之間的故障是相互獨立的，且每次故障都將會導致雷達裝備停機。

3)不考慮組件的報廢、拆檢拼修，基地級可將組件完全修復。

4)組件的維修周轉時間包括組件在基層級與基地級兩級之間的往返運輸時間、基地級維修時間、各種管理性延誤時間，且各組件的維修周轉時間服從參數相同的分布。

2.2 用Arena建立的仿真模型

實現雷達裝備兩級維修保障流程的仿真建模工具是Arena軟件，該軟件是一種面向對象的模塊化建模工具，可以實現離散系統、連續系統和混合系統的仿真。雷達裝備兩級維修保障過程仿真模型由裝備實體產生模塊、組件維修判斷模塊、組件維修處理模塊、數據統計分析模塊4個部分組成。兩級維修保障頂層仿真模型，如圖2所示。

圖2 兩級維修保障頂層仿真模型

1)裝備實體產生模塊。裝備實體產生模塊主要是進行仿真參數初始化設置和產生雷達裝備實體。該模塊首先設置仿真總次數和單次仿真總時間，并產生一個雷達裝備實體，然后進入維修判斷模塊。

2)組件維修判斷模塊。在維修判斷模塊中，先隨機產生雷達裝備中5個關鍵性組件的故障時間，并對5個關鍵性組件的故障時間進行判斷，取5個關鍵性組件中故障時間最早的那個時間作為裝備下一次故障的時間，并確定故障時間最早的那個組件為需要維修更換的組件，同時更新裝備的工作時間和5個關鍵性組件下一次的故障時間。

3)組件維修處理模塊，如圖3所示。在組件維修處理模塊中，先統計關鍵性組件的故障次數，接著利用Arena軟件中分離功能模塊分離出一個故障件實體，原先的故障件實體進入組件基層級換件維修功能塊，若該組件此時在基層級有備件，則占用備件維修資源，并進行換件維修，若沒有備件，則進入備件排隊等待隊列，直至基層級庫存中有該項備件;分離出的故障件實體在經過組件基地級送修延遲功能塊后，在基地級被修復，變成可用單元，并送往基層級，基層級接收到該項備件后，若裝備維修處于等待備件狀態，則安裝該備件以恢復裝備工作，若不處于等待備件狀態，則該項備件的庫存量增加1個。

圖3 維修處理模塊

4)數據統計分析模塊。在數據統計分析模塊中，首先，對裝備的停機時間進行更新，若仿真時間未達到預先設置的單次仿真總時間，則進入維修判斷模塊，仿真繼續進行;其次，若達到單次仿真總時間，則統計輸出裝備的使用可用度(Operational Availability，Ao)，并開始下一次仿真，直至達到預先設定的仿真總次數。Ao統計公式如下

3 仿真實驗結果與分析

雷達裝備兩級維修保障過程建模與仿真的目的是實現對可靠性、維修性以及保障資源配置的分析、評價和優化。下面將重點分析平均故障間隔時間、維修周轉時間、備件庫存數量等因素對雷達裝備戰備完好性的影響。

3.1 仿真輸入

模型的輸入如表1所示。仿真總時間設為10年(3 650 d)，仿真總次數設為100次。

表1 仿真模型的輸入 d

3.2 平均故障間隔時間對Ao的影響

組件的平均故障間隔時間是度量組件可靠性的關鍵參數。在組件庫存數量、維修周轉時間兩者均保持不變的情況下，將5個組件的平均故障間隔時間同時以5%的比例遞增，得到平均故障間隔時間Ao的影響，如圖4所示。

圖4 組件平均故障間隔時間對Ao的影響

由圖4可知，增加組件的平均故障時間可以提高雷達裝備的Ao，但Ao的提高幅度逐漸變緩。即提高的組件可靠性在前期對Ao的影響較明顯，后期影響效果則趨于平緩，且要考慮技術、經濟上的可行性。

3.3 維修周轉時間對Ao的影響

依據2.1節第4條假設可知，維修周轉時間是衡量兩級維修保障系統效能的關鍵性時間參數。在組件庫存數量、平均故障間隔時間兩者均保持不變的情況下，將5個組件的維修周轉時間同時以5%的比例遞減，得到維修周轉時間對Ao的影響，如圖5所示。

圖5 維修周轉時間對Ao的影響

由圖5可知，在相同的變化比例情況下，縮短組件在兩級保障系統中的維修周轉時間比增加組件的平均故障時間更能有效提高雷達裝備的Ao。因此，在資源一定的情況下，資源應優先利用在縮短維修周轉時間上，進而提高裝備Ao。

3.4 備件庫存數對Ao的影響

與其他保障資源相比，備件是對保障資源延誤時間影響最大、最難于控制的因素［9-10］。在平均故障間隔時間、維修周轉時間兩者均保持不變的情況下，每次使單個組件的數量在1～6個之間變化，在該組件變化時，其他組件的庫存數量與初始仿真輸入保持不變，得到備件庫存數量對Ao的影響，如圖6所示。

由圖6可知，5個組件中，組件4庫存數量的變化對雷達裝備整機的Ao影響較為明顯;同時，增加單個組件的庫存數量在前期可提高雷達裝備的Ao，但當庫存數量達到一定時，Ao不再提高，保持在一個固定值，即單個組件的庫存數量變化對雷達裝備整機Ao的影響是有限。

圖6 組件庫存數量對Ao的影響

4 結束語

通過上述分析與討論，可以發現增加組件平均故障間隔時間、縮短組件維修周轉時間、增加組件庫存數量均可提高雷達裝備的Ao，且維修周轉時間對Ao的影響尤為顯著。通過本文建立的仿真模型，根據不同的應用需求，可以實現對雷達裝備戰備完好性、可靠性、維修性以及保障資源配置的分析、評價和優化。

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