航空四站裝備保障效能仿真評估模型框架研究

李康 黃之杰 朱倩 吳瀟潔

（空軍勤務學院航空四站系徐州221000）

航空四站裝備保障效能仿真評估模型框架研究

李康 黃之杰 朱倩 吳瀟潔

（空軍勤務學院航空四站系徐州221000）

在對國外先進效能仿真平臺研究的基礎上，借鑒SIMLOX系統能力評估和保障仿真平臺的建模思想，結合航空四站裝備的使用保障特點，以使用可用度和任務成功度為頂層評估指標，建立了包含想定模型、任務模型、實體模型和子模型在內的仿真評估模型框架，設計了仿真程序并對仿真流程進行了初步說明，為開發航空四站裝備保障效能仿真評估系統提供了參考。

航空四站裝備；保障效能；評估；模型框架

Class NumberTP391.9

1 引言

現階段，效能評估、費效分析與風險分析已成為武器裝備壽命周期管理不可缺少的環節，作為提高裝備使用可用度和降低使用維修費用的重要手段，裝備效能評估一直是以美軍為首的外軍所研究的重點［1］。鑒于傳統解析計算方法的局限性，仿真建模逐漸成為裝備效能評估的主流方式。作為飛機地面保障裝備的重要組成部分，航空四站裝備是飛機在執行訓練作戰任務之前完成電、氣、環控及肼燃料等各項保障工作的物質基礎，其效能水平直接影響飛機的使用可用性水平。為對航空四站裝備保障效能進行科學評估，有針對性地采取措施解決影響保障效能的主要因素，根據航空四站裝備的使用保障特點，借鑒SIMLOX仿真平臺的建模思想構建了仿真評估模型框架，重點介紹了框架的基本組成及仿真流程設計。

2 國外主要效能仿真評估平臺與特點介紹

2.1 國外主要效能仿真評估平臺介紹

國外對效能評估的研究起步較早，各國根據裝備發展需要相繼建立了多種仿真評估模型，其中比較有影響主要有SIMLOX模型、OPUS10模型、SCOPE模型、LCOM模型和LOGAM模型等，而在裝備效能評估方面又以SIMLOX和OPUS10最具代表性。

OPUS10是SYSTECON開發的用于備件分配和保障方案優化的仿真模型［2］，能夠根據裝備系統的詳細分解結構建立維修和保障活動模型，將優化配置的備件分配到保障組織中，以抵消保障活動時間的影響，保證不同的可用度指標需求。其主要特點有：

1）具有強大的可擴展性，建模之初不要求輸入大量數據，復雜的系統和保障組織可隨著輸入的增加而不斷完善；

2）算法快速準確，可以處理數量巨大的備件優化問題，通過該模型可以節省20%～30%的備件費用；

3）具備LORA XT分析功能，可對維修級別和地點進行優化，包括多級站點中的備件分配、確定最佳維修站點等［3］；

4）能夠靈活地進行橫向補給并具有缺貨通知優先級模型。

SIMLOX是在OPUS10的實踐經驗和其他先進的仿真模型的基礎上發展而來的，具有強大的建模能力和系統評估能力，其主要特點為

1）模型采用基于動態Monte Carlo的事件仿真技術；

2）在給定任務剖面、保障結構和保障資源下，可以精確仿真系統可用性隨事件變化情況［2］；

3）具有通用的建模參數特性和開放的數據庫結構，可對多類型系統配合使用、多種比率和多個地點進行評估；

4）可以模擬復雜系統運行過程中的各種流程，并以圖形化的形式顯示仿真結果、置信限和保障組織。

2.2 國外裝備效能仿真評估平臺的特點

1）輸出指標多樣化

整體來看，國外先進的裝備效能仿真評估模型輸出結果不局限于某一單一指標，而是可以根據用戶的需求有選擇地進行輸出［4］，例如使用可用性、任務成功率、資源利用率等，且多以系統總體指標作為評估參數。

2）保障系統的作用更加突出

目前，國外先進的仿真模型在裝備效能評估過程中不僅考慮裝備自身的性能參數，而且還將維修體制、維修結構、維修站點級別、多級維修、橫向保障等保障問題綜合起來考慮［5～8］，更加貼近裝備的實際保障過程。

3）靈活的數據輸入與交換能力

為方便用戶使用，國外先進的仿真模型充分考慮了標準化問題，具有靈活高效的數據輸入與數據交換功能，可以方便地從其他應用程序導入數據，實現模型間的互聯互通和可互操作性。

3 仿真評估模型的構建

3.1 評估參數體系

裝備保障效能的發揮不僅受裝備固有特性的影響，很大程度上還取決于備件、維修等外圍保障系統的保障能力［10］。通常情況下，其效能可通過頂層參數使用可用度和任務成功度進行表征，決定上述兩個頂層指標參數的基礎參數基本相同，結合航空四站裝備的保障特點，可從裝備固有特性參數、保障系統參數兩方面進行分析確定，詳細的參數列表如表1所示。

表1 裝備保障效能評估參數體系

3.2 模型框架組成

為將航空四站裝備使用階段的RMS基礎參數與其頂層參數相關聯，在建模過程中綜合考慮了任務剖面、維修保障體制以及自身通用特性等因素對頂層參數的影響。結合航空四站裝備的使用保障特點，模型所涉及的基本仿真元素主要包括：使用任務、裝備系統或子系統、裝備的故障模式、維修工作及其類型、備品備件、保障設備、人力人員及其他保障資源，整個仿真模型框架由想定模型、任務模型、實體模型及子模型構成。模型的基本組成如圖1所示。

3.2.1 想定模型

想定模型主要建立與真實或假想的保障系統相對應的仿真組成方案，用來描述仿真建模中使用的所有實體模型類型及其關聯關系，想定模型結構如圖2所示。

3.2.2 實體模型

實體模型主要描述保障系統中的仿真實體，航空四站裝備保障效能仿真評估建模中，主要涉及兩類實體：裝備和設施。單體裝備的效能仿真只包含一種裝備實體，而多裝備的綜合保障仿真則包含多種裝備實體。設施實體根據其功能主要分為：任務單位實體、維修單位實體和供應單位實體。這些實體模型都是由多個子模型按照一定的層次關系組合而成。

3.2.3 任務模型

任務模型是根據任務元素的屬性信息（任務元素及其屬性是任務分析的結果）建立的，任務模型結構組成如圖3所示。

3.2.4 子模型

建模過程中，將多個元素模型根據層次關系和邏輯聯系組織在一起的關系模型定義為子模型，主要包括航空四站裝備的結構模型、可靠性模型和維修網絡模型等，子模型組成及模型之間的關聯如圖4所示。

1）裝備結構模型

裝備結構模型主要對裝備各個功能單元的層次關系進行描述，包括裝備組成單元間的從屬關系和各個單元的數量。裝結構模型以產品樹的形式進行描述，從保障性的觀點來看，每個裝備都是由許多可修或可更換產品組成，每個產品又可以分解為更小的可更換單元，由此逐層分解便可對裝備定義出一個完整的系統層次結構［3］，如圖5所示。根據航空四站裝備的組成特點，其組成產品可分為外場可更換單元（LRU）、車間可更換單元（SRU）、部分可修單元（PRU）、子單元部分可修單元（SPRU）、可廢棄單元（DU）和可廢棄部件（DP）六類。裝備結構樹每個節點具有0或多個故障節點，每個故障可以包含多個維修工序節點，子系統節點、故障節點和維修工序節點成為裝備結構模型與其他子模型聯系的紐帶。

2）可靠性模型

裝備的可靠性模型反映了裝備的各個功能單元對整個裝備可靠性的影響。從可靠性模型與裝備結構模型的關系可以看出：每個子系統節點根據其可靠性分類組成一個完整的裝備系統可靠性模型。由于子系統節點具有層次性，因此可靠性模型也具有層次性。

3）維修網絡模型

維修網絡建模是針對某一故障模式所進行的維修工作的詳細步驟，以及各工序所需的保障資源的描述。通過維修任務分析工作能夠獲取故障維修所需的各類資源，包括人員類別及數目、維修設備的類別及數目、維修所需的時間等。

維修網絡的模型元素主要包括故障名稱、標識、保障資源和維修工序。保障資源是進行裝備使用和維修等保障工作的物質基礎，包括物質資源（如保障設備、保障設施、備品備件等）、人力資源（如人員數量、專業技術等級）和信息資源（如技術資料、計算機資源保障等）。維修工序包括工序名稱、標識、緊前工序、時間等元素，模型組成如圖6所示。

4 仿真程序設計

仿真程序主要包括評估模型、控制程序、時間和事件序列表、隨機數發生器、仿真數據統計、排隊論分析等，程序具體構成如圖7所示。

4.1 仿真控制程序

仿真控制程序完成對整個仿真進程的控制。根據仿真流程，仿真控制程序為其它程序模塊分配任務并交換數據，在時間和事件序列表中讀取和記錄數據，并將最終結果輸出。

4.2 時間和事件序列表

時間和事件序列表是仿真程序中的一張數據表。仿真控制程序根據任務模型在時間和事件序列表中建立仿真過程的時間坐標。仿真過程中，若裝備系統、維修系統、保障系統中的任何一個系統的狀態發生改變，即產生事件，則仿真控制程序在時間和事件序列表中記錄該事件以及系統狀態的改變情況，并由該事件驅動下一事件發生。

例如：在t0時刻（仿真開始），事件——裝備（由子系統A1、A2、A3組成）開始工作；驅動事件——t1時刻裝備故障（按照A1、A2、A3的各LRU元件的故障率產生一組隨機數，其中最小的一個，就是t1-t0），如：A1的LRU——a1故障；驅動下一個事件A1修復。

4.3 隨機數發生器

隨機數發生器按照仿真控制程序指令，產生滿足指定分布的隨機數。這種需求發生在需要對故障時間、修復時間等隨機變量進行模擬的情況下。

4.4 仿真數據統計

每一次遍歷任務過程的仿真，仿真程序可以得到并記錄下裝備系統、維修系統、保障系統在任務過程中的狀態。如圖8所示，對每個系統，將多次遍歷任務過程仿真的系統狀態數據進行統計計算，以得到系統參數的估計。

以裝備系統的可用度參數為例，每一次遍歷任務的仿真可得到如圖8所示的分段函數。將多次仿真所得分段函數疊加并除以裝備數量，即得到裝備可用度函數的估計曲線。

4.5 排隊論分析

對于維修系統在任務過程中的狀態，可以用排隊論模型進行描述。每次遍歷任務過程的仿真，產生排隊過程的一組樣本。利用多次仿真所產生的多組樣本，估計排隊過程的過程參數，以確定維修系統在任務過程中的排隊過程。對于上述確定的排隊過程，可以輸出“隊長”、“等待時間”和“忙期”，分別對應維修系統中的“等待維修的LRU數”、“待修LRU的等候時間”和“維修系統的利用率”。

5 仿真流程說明

仿真流程如圖9所示。在建立好裝備的任務、系統模型以及維修保障等模型并完成仿真初始化后，系統將按照想定建立未來時間表及事件排序，并且根據產生的隨機種子數隨機觸發產品故障以及確定故障發生后所應執行的維修任務安排，同時根據設定的數據收集時間間隔，定期統計仿真過程數據，以輸出所需的仿真結果。

6 結語

針對航空四站裝備保障效能的評估問題，借鑒國外先進的仿真平臺的建模思想，根據航空四站裝備的使用保障特點，建立了仿真評估模型框架，重點討論了框架組成及模型關聯、仿真程序和仿真流程，目前已初步實現了基于該仿真框架的原型系統的開發工作，下一步需要對具體的方案設計、仿真數據的輸入與處理等進行深入研究，以滿足航空四站裝備保障效能評估的需要。

［1］王赟，蔡帆.國外武器裝備體系仿真技術綜述［J］.兵工自動化，2015，34（7）：15-20.

［2］運通恒達科技有限公司.產品綜合保障仿真分析和優化平臺［Z］.北京：北京運通恒達科技有限公司，2013.

［3］夏旻，閻晉屯，劉磊.裝備保障仿真模型框架及仿真平臺研究［J］.系統仿真學報，2006，18（02）：210-213.

［4］雷永林，李群，楊峰，等.武器裝備效能仿真的可組合建模框架研究［J］.系統工程理論與實踐，2013，33（11）：2954-2965.

［5］彭春光，鄧建輝，張博.基于多視圖的武器裝備仿真模型體系研究［J］.系統仿真學報，2015，27（08）：1861-1868.

［6］于永利，康銳.裝備綜合保障基礎理論及技術的若干問題［J］.裝甲兵工程學院學報，2013，24（03）：1-8.

［7］陳強華.特種裝備效能仿真與評估軟件系統研究［D］.南京：南京理工大學，2012.

［8］姚偉召，趙軍，孫遜，等.基于仿真的防化裝備作戰效能評估研究［J］.國防科技，2012，33（03）：16-20.

Simulation Evaluation Model Framework for Aerospace Ground Equipments on Support Efficacy

LI KangHUANG ZHijieZHU QianWU Xiaojie
（Department of Aviation Four Station，Air Force Logistics College，Xuzhou221000）

Based on the research of the advanced simulation platform abroad，this paper draws lessons from the modeling idea of SIMLOX system capacity and supports simulation platform，combines the characteristics of aerospace ground equipments in usage phase and uses availability and mission success rate as the top evaluation indexes，establishes simulation model framework，which includes plan model，mission model，entity model and subordinate model.The simulation program and flow path are also given，which can provide reference for developing simulation system.

aerospace ground equipments，support efficacy，evaluation，model framework

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.024

2016年12月8日，

2017年1月25日

李康，男，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術與信息化。