基于使用試飛的飛機作戰值班能力評估方法

蘇明，王守敏

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

軍用飛機戰備值班能力是衡量裝備實際戰斗力的重要標志，是在編裝備戰斗力的體現，其高低在一定程度上決定了裝備執行任務的能力[1]。國外軍方十分重視作戰值班能力，建立了專門的作戰能力信息系統，用于收集裝備使用中的作戰值班能力信息，為發現和改進作戰值班能力的缺陷提供幫助，實現提升作戰值班能力的目標[2～5]。在F-35項目中，美軍成立的JSF型號辦公室制定的聯合使用要求文件（JORD）中規定了6個決定項目成敗的關鍵參數，其中一個即為作戰值班能力[6]。長期以來，國內對軍用飛機作戰能力研究方面的工作還沒有完全開展起來，仍主要集中于軍用飛機的技術性能、空戰與對地攻擊的各種戰術，而忽略了作戰值班能力這一關鍵因素對作戰能力的影響。因此，如何構建合適的評估方法對軍用飛機作戰值班能力進行評估，從而發現制約軍用飛機作戰值班能力的關鍵因素，提高軍用飛機的實際戰斗力，成為亟待解決的問題。

本文通過分析軍用飛機作戰值班能力的影響因素，建立了作戰值班能力的評估模型，并進行了仿真評估，驗證了所提出的分析方法的可行性，為后續軍用飛機型號開展作戰值班能力評估提供參考和借鑒。

1 影響因素分析

《北約可靠性與維修性要求文件編寫指南》（ARMP-4）及AGARD對作戰值班能力的定義是：在任一隨機時刻需要和開始執行作戰任務時，軍用飛機處于可用狀態的程度，即作戰值班能力是指軍用飛機在接到作戰或訓練命令，在規定時間內時響應作戰或訓練任務的能力。軍用飛機的作戰值班能力受多個因素的影響，主要包括三大類：

（1）軍用飛機系統的構成及其可靠性、維修性參數，包括裝備系統的構成方式、組成裝備系統的各單元的可靠性參數、裝備各組成部分的維修性等。若設計的可靠性水平不高，則在實際使用中裝備就會故障頻出，影響裝備的使用和干擾任務的執行，使得作戰值班能力低下。

（2）軍用飛機保障系統的屬性。裝備投入使用就需維修保障，產生修理時間、保障延誤時間等。修理時間是指實施修復性維修所用的時間，反映了可靠性、維修性設計對作戰值班能力的影響；延誤時間反映了保障系統的屬性（如保障體制等）對作戰值班能力的影響，多由備件延誤引起。

（3）軍用飛機系統所執行的任務信息，包括任務的持續時間、裝備系統的任務強度和單次任務的執行時間等。

由此可見，軍用飛機的作戰值班能力與其可靠性、維修性、保障性及具體的作戰訓練任務具有緊密的聯系，可以利用軍用飛機在過去一段時間內的試飛統計數據對其作戰值班能力的特征參數進行估計，進而評估軍用飛機的作戰值班能力。

2 建模

飛行任務周期如圖1所示，整個飛行周期分為地面維護階段、地面等待階段、接到命令后的緊急準備階段、空中階段。地面維護階段受軍用飛機上一飛行任務階段的狀態影響，以及其地面維護階段是否會增加新故障的影響，等待及接到命令后的緊急準備階段的狀態取決于地面維修及排故保障的效果。據此，可建立穩定狀態下軍用飛機作戰值班能力計算模型。

圖1 飛行任務周期Fig. 1 Flight mission cycle

由圖2的決策樹可知，經過維修流程后，軍用飛機處于不能作戰值班狀態主要有三種情況。結合每種情況的發生概率，可以得到軍用飛機不能作戰值班能力的評估模型為：

式中：Pnk為軍用飛機處于不能作戰值班狀態的概率；Pk為軍用飛機空中發生故障的概率；Pd為軍用飛機地面發生故障的概率；tmk為因故障而發生的維修時間；tmd為因修理而發生的延誤時間；td為規定的候機等待時間。

圖2 地面決策樹Fig. 2 Ground decision tree

定義非工作狀態為：飛機因發生故障不能恢復到正常狀態的階段。據此，式（1）可以合并寫為：

軍用飛機的狀態僅有作戰值班狀態與不可作戰值班狀態兩類情況。依據概率論中集合的相關定義，軍用飛機的作戰值班能力是不可作戰值班能力的補集。因此，軍用飛機處于作戰值班狀態的概率為Pok，即：

3 某型機作戰值班能力仿真評估

3.1 仿真思路

以某型軍用飛機的實際工作過程為依據，即裝備的首次故障應為仿真中首次發生故障時間tRmin最小的系統。對于未發生故障的系統，應在其預計的應發生故障時間內扣除tRmin后，作為該系統的首次發生故障時間，依次類推，直至各次發生故障前工作時間（工作時間）與超過規定時間的修復時間的總和達到要求的仿真時間。

3.2 某型機組成

某型機是典型的三代機，該型機主要系統主要有動力裝置、液壓系統、環控系統、通信系統、武器系統和導航系統等構成，主要系統的可靠性框圖如圖3所示。

3.3 仿真假設

仿真假設及要求如下：系統的修復是完全修復，即修復如新，即系統的故障僅與故障率有關且故障率不隨修復次數的變化而變化；各子系統的失效相互獨立，即一個子系統的故障不引起另一個子系統的故障；誤操作引起的軍用飛機故障不予以統計，即僅考慮系統本身的責任故障，不考慮外界引入的非責任故障；試驗設施及測試儀表故障引起的受測試產品故障不予以統計。

圖3 某型機可靠性框圖Fig. 3 Reliability block diagram of a certain type of aircraft

3.4 模型的輸入

仿真模型的輸入由作戰值班能力的影響因素決定。依據前文的作戰值班能力影響因素分析，仿真模型的基本輸入如下：

（1）該型機的試飛可靠性因素。統計前期該型機的試飛數據并進行處理，得到該型機的7個系統的可靠性數據及維修分布類型，見表1。由于機體、起落架、剎車三系統的可靠性較高，試飛階段沒有該型號三者的數據。因此，本文對這三者系統不予考慮。

表1 各系統的分布及其故障率情況Table 1 Distribution of each system and its failure rate

（2）該型機的使用因素。假設該型機計劃執行作戰值班持續時間為90天（每天8h），在持續時間內一直處于執行作戰值班的狀態，當且僅當因飛機發生故障需要進行維修工作時才停止任務進入維修狀態。一旦飛機完成維修立即進入執行作戰值班狀態。每次任務時間1h，自收到命令到執行任務時間為0.5h。

（3）執行任務因素。軍用飛機在執行不同任務時，選擇不同的設備工作，為考慮最嚴酷的情況，本文選擇戰斗狀態，即所有設備均全部開機工作。

3.5 仿真程序構成及仿真流程

仿真程序一共有4個模塊構成，分別完成如下功能：（1）參數輸入模塊。完成從數據文件中讀入仿真參數，并將數據存入內存。（2）過程數據存儲模塊。完成仿真時中間數據的存放，便于后續計算。需要存儲的數據有：裝備的狀態（包括：正常、停機維修中）、裝備中現場可更換單元（LRU）的狀態（包括工作、非工作）和當前仿真停機總時長等。（3）數據處理模塊。完成對仿真中產生的大量中間數據進行處理，并計算得出每個仿真采樣點的作戰值班能力。（4）結果輸出模塊。完成仿真結果的輸出。

仿真流程如圖4所示，具體流程為：（1）讀入仿真參數。包括表1中的數據及給定的任務數據；確定仿真采樣周期。每一次仿真任務持續90天，每天8h，采樣間隔時間為1h，共進行720次采樣和10次仿真。（2）確定軍用飛機狀態。（3）若軍用飛機此時處于維修狀態，則此次采樣軍用飛機的作戰值班能力為0，同時剩余維修時間Trm=Trm-1，非工作狀態時間Td=Td+1；反之，進行下一步。（4）確定各系統狀態。對軍用飛機各系統進行檢查，確定各系統是否處于工作狀態。（5）發生故障時，通過故障檢測率判定故障是否被檢測出。未被檢出時，則產生維修時間Tm的同時產生保障延誤時間Tld。（6）若故障被檢測出，則進一步判定故障是否被隔離。若沒被隔離，則產生維修時間Tm的同時產生保障延誤時間Tld；反之，若被隔離，則僅產生維修時間Tm。（7）計算Td=Td+Tm+Tld。（8）進行下一次采樣。（9）判定仿真是否結束。（10）仿真結束后，依據仿真數據，計算該型機的作戰值班能力。（11）改變仿真參數重新進行仿真，依據仿真結果，進行參數的敏感性分析。

4 仿真結果及分析

4.1 仿真結果分析

每次仿真720h，每1h進行1次采樣，共720個樣本點，仿真共進行10次。將每次仿真的數據分為10評估段，取每評估段的平均值，作為仿真的結果，見表2。以仿真結果為縱軸、仿真組數為橫軸，仿真結果如圖5所示。

圖4 仿真流程圖Fig. 4 Simulation fl ow chart

表2 仿真評估結果表Table 2 Simulation evaluation results table

圖5 仿真結果圖Fig. 5 Simulation result diagram

由圖5可以看出，初始階段，作戰值班能力的評估值較低且波動較大，表明作戰值班能力的統計隨機性較強，隨著時間的推移，樣本取樣增多，作戰值班能力逐漸穩定，最終達到0.65左右，可見，該型機的成熟階段作戰值班能力為0.65。得到該型機單機的戰備值班能力后，即可在保證作戰值班能力的情況下進行部署決策（如保證出動能力不變，應部署飛機的數目）。

4.2 仿真結果的敏感性分析

4.2.1 單因素分析

在仿真過程中，在給定的參數基線下通過改變單個因素的取值得到單一因素對裝備可用度的影響變化曲線，得到軍用飛機使用可用度對每個獨立因素變化的敏感程度，從而可以確定影響航空裝備可用度的主要因素。每個輸入數值仿真10次，取平均值，其余未改變的參數去輸入中值，仿真結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，每一個變量對給定任務情況下，提升或減小對軍用飛機作戰值班能力的影響。其中，平均故障間隔時間（MTBF）、故障檢測率（FDR）和故障隔離率（FIR）對作戰值班能力均具有提升作用，且MTBF的提升效果最為明顯，初期提升MTBF能夠迅速提升作戰值班能力，雖然后期增長比較平緩，但作戰值班能力仍有可能趨近于1，所以軍用飛機的可靠性是影響作戰值班能力的主要因素之一。

同時，從圖6中可以看出，軍用飛機的故障維修時間Tm、延遲時間Tld對作戰值班能力有很強的弱化作用。因此，提升軍機系統的檢測/隔離能力，對維修人員進行積極培訓，提升維護人員的維修能力以減少維修時間，同時合理優化軍用飛機的備件種類和數量，以減少保障延誤時間的方式提升軍用飛機作戰值班能力也是可行的。

圖6 單因素仿真結果圖Fig. 6 Single factor simulation result diagram

4.2.2 耦合因素分析

通過單變量仿真分析，確定了MTBF為影響軍用飛機作戰值班能力的主要因素。通過耦合影響分析，兩兩對比上面提出的主要因素，可以確定影響因素之間的關系，進一步確定各主要影響因素的敏感度程度的大小。MTBF與FDR、FIR耦合仿真結果如圖7所示。由圖7可知，軍用飛機可靠性較低時，提高軍用飛機系統測試性的準確度可以將作戰值班能力提高到可接受的水平。而提升可靠性水平可以快速提升給定任務條件下軍用飛機的作戰值班能力，并且這一增益過程將在MTBF增長為600h時呈現邊際效應。

圖7 MTBF-FDR-FIR耦合因素影響圖Fig. 7 MTBF-FDR-FIR coupling factor inf l uence diagram

5 結論

本文根據作戰值班能力與可靠性、維修性、保障性及具體的作戰訓練任務所具有緊密聯系，提出了作戰值班能力的評估方法，并利用某型機在過去一段時間內的統計數據和仿真的方式評估了該型機的作戰值班能力。分析表明，該模型具有良好的評估和分析能力，并可應用于其他軍用飛機作戰值班能力評估。

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