衛星導航接收機維修保障方案仿真評價

孔　敏, 徐宗昌, 郭　梁, 張永強

(1. 北京衛星導航中心， 北京 100094； 2. 裝甲兵工程學院技術保障工程系， 北京 100072；3. 石家莊機械化步兵學院學員一隊，河北 石家莊 050085)

衛星導航接收機維修保障方案仿真評價

孔敏1,2, 徐宗昌2, 郭梁3, 張永強2

(1. 北京衛星導航中心， 北京 100094； 2. 裝甲兵工程學院技術保障工程系， 北京 100072；3. 石家莊機械化步兵學院學員一隊，河北 石家莊 050085)

摘要：針對衛星導航接收機(簡稱“接收機”)維修保障中過度維修與維修不足并存的問題，以維修保障費用、效能和保障資源成本為約束條件，以提高效費比為目標，建立了維修保障方案仿真評價模型，研究了接收機維修保障方案評價方法。通過仿真模擬接收機的維修保障過程，對4種典型的接收機維修保障方案進行了仿真評價，研究結果可為用戶論證接收機保障性指標和決策接收機維修保障方案提供有益指導。

關鍵詞：維修保障方案； 維修保障費用； 效能； 保障資源成本

衛星導航接收機(以下簡稱“接收機”)是整個衛星導航系統基本功能的最終體現，可接收衛星導航信息，實現用戶導航定位和測速，近年來已在多個領域得到了廣泛應用。接收機的維修保障性是導航定位任務成功執行的前提條件之一。接收機一旦發生故障，會導致經濟損失、任務失敗甚至造成安全事故。目前，主要是依靠工程技術人員的保障性分析，并結合歷次任務的維修保障經驗數據來確定出維修保障方案[1-2]。由于缺乏對接收機當前狀況的動態評估，常常導致過度維修和維修性不足問題并存：一方面，在任務執行周期內，對某些部件過度維修，導致保障資源浪費；另一方面，由于保障資源短缺，導致某些部件維修不足。因此，通過建模仿真制定合理的維修保障方案，以盡可能地提高效費比、減少保障資源的消耗，是值得深入研究解決的問題。

國內裝備綜合維修保障建模主要應用于飛機、導彈和裝甲車等大型裝備，針對接收機維修保障建模仿真研究很少。隨著接收機的結構日益復雜，應用范圍和頻度日趨增大，迫切需要對其建立系統的維修保障方案。為此，筆者借鑒其他裝備領域先進的成熟經驗，在接收機保障性指標論證和維修保障方案評價方面做一些有益的探索。

1維修保障方案評價指標體系

接收機維修保障方案是從總體上對其維修保障工作的概要性說明和規劃，內容主要包括維修類型、維修原則、維修級別劃分、修理策略、主要保障資源和約束預計等[3]。用戶對接收機的使用要求主要有定位精度高、續航能力強、可靠性高、故障率低、修復時間短和維護費用低等。除定位精度和續航能力為技術性能指標外，其他指標均為維修保障指標，且可分為保障性綜合指標、有關保障性設計特性指標和保障系統與保障資源指標3大類。根據接收機的使用要求和特點，對每類指標進行篩選，構建接收機維修保障評價指標體系，如圖1所示。

圖1　接收機維修保障方案評價指標體系

1.1保障性綜合指標

保障性綜合指標用來綜合衡量保障性的優劣，主要包括戰備完好性、任務成功性和任務準備時間等。戰備完好性是指裝備在平時和戰時使用條件下能隨時執行預定任務的能力，主要采用使用可用度、能執行任務率和出動率等參數來描述，其中，使用可用度AO是各類裝備最常用的戰備完好性參數，是指裝備能工作時間與裝備預期工作總時間之比，即

(1)

式中：TO為工作時間；TS為待命時間；TPM為預防性維修總時間；TCM為修復性維修總時間；TALD為總延誤時間。

任務成功性可定量描述作戰單元任務成功性，是指裝備在任務開始時處于可用狀態的情況下，在規定任務剖面中的任一時刻，能夠完成規定功能的能力。任務成功性可直接采用任務成功率或故障總次數來描述，一般常用任務成功率S來描述，即

(2)

式中：NS為任務成功次數；N為總任務次數。

與飛機、艦船等大型裝備相比，接收機的任務準備時間非常短，對執行任務的影響相對較小，這里暫不考慮。

1.2有關保障性設計特性指標

有關保障性特性設計指標是指僅受主裝備設計影響的保障性設計特性指標，主要包括可靠性、維修性和測試性等。對于接收機，用戶最為期望的是接收機出現故障的頻度應盡量低，即使接收機發生故障，也能在較短時間內修復。因此，筆者主要考慮平均故障間隔時間(Mean Time Between Failures，MTBF)和平均修復時間(Mean Time To Repair，MTTR)2個指標。MTBF是可修復裝備基本可靠性評價指標，是指在規定的條件下和規定的期限內，裝備壽命單位總數與故障總次數之比。MTTR是評價裝備維修性的基本參數，是指在規定的條件下和規定的期限內，裝備在規定的維修級別上，修復性維修總時間與該級別上被修復裝備的故障總次數之比。

1.3保障系統與保障資源指標

保障系統與保障資源指標國外稱之為后勤保障指標，二者都是從保障資源的角度來影響保障性水平，其主要差別是：前者是保障系統或多項保障資源的綜合影響；后者則是單個保障資源要素的影響。對于接收機這一類小型裝備，通常只考慮保障資源指標，主要包括隨裝工具數量、器材庫存量、保障設備利用率、備件滿足率、使用和維修人員數量與技能等級、技術資料種類與數量等[4]。這里主要考慮保障資源指標中的備品備件、保障設施使用情況和各級維修技術人員配置等。

2維修保障方案評價建模

2.1評價準則

通過對比維修保障費用來綜合評價維修保障方案。接收機維修保障費用主要包括所需備件費用、保障設施費用、人力人員費用和預防性維修過程中產生的費用[5-6]。

2.2功能模型

功能模型用來描述接收機組成單元的層次結構和相關屬性信息，是對接收機進行故障模擬的基礎。接收機層次結構如圖2所示，接收機功能模型的數據結構如表1所示。

圖2　接收機層次結構

表1　接收機功能模型數據結構

2.3維修性模型

維修性模型用來描述接收機維修保障方案評價信息，包括預防性維修模型和修復性維修模型，其數據結構分別如表2、3所示。

表2　預防性維修模型數據結構

表3　修復性維修模型數據結構

2.4保障資源模型

保障資源模型主要用來描述保障資源的復雜程度，主要考慮單個保障資源要素的影響。保障資源模型數據結構如表4表示。

表4　保障資源模型數據結構

3接收機維修保障方案評價仿真系統設計與實現

3.1仿真鐘推進機制和仿真策略

接收機部件故障是典型的離散事件，離散事件系統仿真過程的核心是安排和處理離散事件和仿真鐘的推進。因此，接收機維修保障仿真系統采用事件安排和時間推進的基本仿真機制，即面向事件和面向時間間隔的、并行的仿真鐘推進機制[7]。

仿真策略采用事件調度法，即將事件例程作為仿真程序的基本模型單元，按照事件發生的先后順序不斷執行相應的事件例程。對于每個可預知其發生時間的確定事件，都帶有1個事件例程，用以處理事件發生后對實體狀態所產生的影響，并安排后續事件。

3.2故障發生時間算法

接收機屬于電子設備，其各組成單元的壽命服從指數分布，對仿真過程中運行的所有單元壽命同時進行抽樣，以取得每個單元故障時間的樣本，則第i個單元故障時間的抽樣值為

(3)

式中:xi為服從指數分布的隨機數；λi為單元故障率。

系統故障發生時間tF為

tF=min(tFi)。

(4)

3.3仿真系統流程

接收機維修保障方案評價仿真系統是在建立接收機功能模型、維修性模型和保障資源模型的基礎上，以維修保障總費用、MTBF、MTTR和AO為主要

評價指標，通過模擬接收機的實際維修保障過程，對設定的4個典型維修保障方案進行評價。其中：預防性維修過程仿真主要根據預防性維修方案，判斷出需對哪些單元進行哪些預防性維修工作，其間隔期是多少，并對這些工作的費用、時間和工時等數據進行累加計算；修復性維修過程仿真主要是計算出單元故障所產生的隨機故障時間，當這些單元故障發生時間到達時，按照設定的修復性維修保障方案進行修復，并統計出故障總次數、所需維修費用、維修時間、所用備件品種數量及價格、所需技術人員的等級及使用費用等；最后合并計算出維修保障總費用、MTTR和AO，將其顯示給用戶。仿真系統流程如圖3所示[8]。

圖3　接收機維修保障方案評價仿真系統流程

3.4仿真系統實現

系統總體功能是對該仿真系統能夠完成任務的描述，軟件實現上分為基本參數數據輸入和仿真控制與顯示2大部分。其中：基本參數數據主要對應前面所建立的各種模型；而仿真控制與顯示主要對應仿真系統的整體流程。仿真系統總體功能如圖4所示。

圖4　仿真系統總體功能

4仿真試驗與結果

4.1仿真試驗的對象與過程

4種典型的接收機維修保障方案如表5所示。

表5　4種接收機維修保障方案

仿真試驗過程如下：

1) 依據方案1設置接收機部件的單元屬性、預防性維修間隔期、修復性維修時間和保障資源費用等參數；

2) 輸入仿真次數和周期，為滿足大樣本量的要求，仿真次數不少于30次；

3) 開始仿真，運行結束后保存數據；

4) 對于方案2、3、4，依次執行步驟1)-3)；

5) 分析4種維修保障方案的仿真結果。

4.2仿真試驗基礎數據

接收機功能模型所需的數據主要包括接收機各單元的名稱、故障率λ、維修更換時長以及相應的單個相關備件費用、單次預防性維修費用與單次修復性維修費用，具體如表6所示。

表6　功能模型基礎數據

4.3仿真結果

仿真周期為5年，仿真結果取仿真100次后的算術平均值。根據仿真試驗及結果得出4種接收機維修保障方案的相關數據，維修保障方案的費用、效能部分仿真結果如表7所示，保障資源部分仿真結果如表8所示。

表7　4種接收機維修保障方案的費用、效能部分仿真結果

比較4種維修保障方案的仿真結果，可得出如下結論：

1)方案1的AO最高，維修保障總費用接近4種方案費用的平均值，但MTTR最短，表明方案1在故障應變速度方面明顯優于其他3個方案；從保障資源的使用情況來看，對備品備件和技術人員的配置要求最低，保障資源的復雜度也最低。

2)方案2的AO略低于方案1，但維修保障的總費用低于方案1，其MTTR大大高于方案1，表明方案2對故障的應變速度明顯較方案1弱；從保障資源的使用情況來看，方案2不需要在中繼級配置技術人員，但在基層級的備件配置復雜度略高于方案1。

3) 方案3的AO最低，維修保障總費用最高，MTTR較短；從保障資源的使用情況來看，方案3對備件配置的要求不高，但由于故障次數最多，技術人員的使用頻次明顯高于其他3種方案。

表8　4種接收機維修保障方案保障資源部分仿真結果

4) 方案4的維修保障總費用最低，AO較低，MTTR最長，其對故障的反應能力較差；從保障資源的使用情況來看，對備件的要求最復雜，但對技術人員的配置要求一般。

5) 進行預防性維修工作，雖然會產生相應的費用，但由于通過預防性維修減少了故障總次數，延長了MTBF，使維修保障總費用大大降低，且AO較高，表明預防性維修工作會明顯改善維修保障方案的費用-效能關系。

6) 2級維修體制比3級維修體制的平均故障修復時間要長，幾乎達到2倍，表明2級維修體制在故障反應速度方面要明顯劣于3級維修體制，且在基層級，其備件品種更復雜。然而2級維修體制費用最少，且不用在中繼級配置技術人員。

5結論

筆者借鑒其他裝備維修保障領域先進經驗，以費用-效能、保障資源為約束，研究了接收機維修保障方案評價方法，建立了4種典型的接收機維修保障方案，并通過仿真系統實現了維修保障方案評價，分析了每種方案的優缺點及其適用情況，為研制階段維修保障性指標的論證和使用階段選擇接收機維修保障方案提供了有益指導。

參考文獻：

[1]阮旻智, 李慶民, 張光宇. 多約束下艦船裝備攜行備件保障方案優化方法[J]. 兵工學報, 2013, 34(9): 1144-1149.

[2]王乃超, 康銳. 多約束條件下備件庫存優化模型及分解方法[J]. 兵工學報， 2009， 30(2)： 247 -251.

[3]王赫巍， 許誠， 王騰飛. 裝備維修保障方案現狀及發展分析[J]. 中國科技信息, 2014, (10): 194-196.

[4]徐宗昌. 保障性工程[M]. 北京: 兵器工業出版社, 2002：244-246.

[5]Robert C K, Tovey C. Estimating Spare Parts Requirements with Commonality and Redundancy[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2007, 44(4): 977-984.

[6]單志偉. 裝備綜合保障工程[M]. 北京: 國防工業出版社, 2008: 138-144.

[7]郭勇陳, 沈洋. 基于離散事件仿真原理的多主體仿真控制方法[J]. 計算機仿真, 2015, 32(6): 349 -355.

[8]曹軍海, 李建明. 復雜系統的RMS仿真建模方法研究[C]∥裝備保障科學與技術論文集. 北京: 軍事科學出版社, 2004: 10-16.

(責任編輯: 王生鳳)

Simulation Evaluation of Maintainance Support Scheme of Satellite Navigation Receiver

KONG Min1, 2, XU Zong-chang2,GUO Liang3, ZHANG Yong-qiang2

(1. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China;2.Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;3.First Cadet Company, Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050085, China)

Abstract：Aiming at the concurrent phenomenon of excessive and insufficient maintenance existed in maintainance support of satellite navigation receiver (receiver for short), taking maintainance support cost, efficiency and support resource cost as constraints, improving efficiency-cost ratio as aims, the method to evaluate maintainance support scheme of receiver is studied and the simulation evaluation model of maintainance support scheme is constructed. By simulating the maintainance support process of receiver, it realizes the evaluation of four maintainance and support plans of receiver. The research production can supply helpful guidance for demonstrating support index and making decision of maintain and support plan of receiver.

Key words:maintainance support scheme; maintainance support cost; efficiency; support resource cost

文章編號：1672-1497(2016)02-0026-06

收稿日期：2015-12-05

作者簡介：孔敏(1975-)，女，工程師，博士。

中圖分類號：E92；TN965.5

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.006