基于ExtendSim的直升機(jī)外場可更換部件需求仿真系統(tǒng)設(shè)計

呂少杰,柳 楊,魏靖彪,張 頌,馬萬鵬,韓振飛

(陸軍航空兵研究所,北京 101121)

航空裝備的備件需求預(yù)測是制定保障計劃的核心問題和關(guān)鍵所在。它的需求預(yù)測準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)的備件籌措、分配、儲存、調(diào)撥等各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行,從而影響裝備保障質(zhì)量與效率,制約軍隊?wèi)?zhàn)斗力的保持和恢復(fù),尤其對于系統(tǒng)復(fù)雜、使用時間短的新型直升機(jī)裝備,其維修備件需求預(yù)測問題,成為制約裝備保障水平提升的瓶頸之一。

現(xiàn)有備件預(yù)測方法可分為兩類:解析方法[1-2]和仿真方法[3-5]。在已知部件壽命分布類型和特征參數(shù)的情況下可以直接運(yùn)用公式計算備件消耗,這種方法的局限是需要假設(shè)壽命分布滿足某種函數(shù)分布。仿真方法是建立部件使用過程的仿真模型,從而能夠在貼近實(shí)際的情況下得出備件消耗預(yù)測值。本文重點(diǎn)研究影響安全、單價高、故障更換頻率高的直升機(jī)外場可更換部件,采用基于離散系統(tǒng)仿真技術(shù)的備件消耗預(yù)測方法,使用ExtendSim仿真軟件開發(fā)某型直升機(jī)外場可更換部件(LRU)需求仿真系統(tǒng)。通過LRU的使用及消耗過程仿真,實(shí)現(xiàn)對該直升機(jī)外場可更換部件消耗的科學(xué)預(yù)測。該系統(tǒng)可服務(wù)于陸航維修與航材管理部門,能夠?yàn)橹鄙龣C(jī)備件籌措、分配、儲存、調(diào)撥等維修保障決策提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性,可用于直升機(jī)維修保障的進(jìn)一步研究,具有顯著的軍事及經(jīng)濟(jì)效益。

1 直升機(jī)外場可更換部件需求預(yù)測的關(guān)鍵問題分析

1.1 直升機(jī)的使用及維修保障活動分析

直升機(jī)的使用及維修保障活動分析是建立仿真模型的基礎(chǔ)。如圖1所示,直升機(jī)依據(jù)使用計劃在飛行日執(zhí)行飛行任務(wù),在起飛前的直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備中進(jìn)行飛行前檢查,然后執(zhí)行飛行任務(wù),完成飛行任務(wù)后的預(yù)先機(jī)務(wù)準(zhǔn)備中進(jìn)行飛行后檢查。如果在飛行前檢查或飛行后檢查階段檢測到故障,那么就要更換相關(guān)部件。此外,如果在預(yù)防性維修時,發(fā)現(xiàn)部件達(dá)到更換條件,也要進(jìn)行更換。部件更換時需要相應(yīng)的備件供應(yīng)保障。

圖1 直升機(jī)維修保障流程圖

在維修活動中, LRU更換的條件包括以下幾種:1)LRU發(fā)生故障且被發(fā)現(xiàn);2)LRU工作時間達(dá)到閥值;3)LRU工作次數(shù)達(dá)到閥值;4)LRU日歷時間達(dá)到閥值。

其中，第一種情形屬于修復(fù)性維修,后三種屬于預(yù)防性維修。

1.2 外場可更換部件的確定

本文以LRU為本仿真系統(tǒng)的最小實(shí)體對象,是單層次部件,部件之間不存在裝配關(guān)系。仿真系統(tǒng)中每一個LRU擁有者自己獨(dú)立的屬性(使用參數(shù)、可靠性參數(shù))。直升機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜,零部件數(shù)量龐大,考慮到仿真系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性與實(shí)用性,本系統(tǒng)僅對直升機(jī)LRU中的主要部件(不包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng))進(jìn)行仿真分析,主要部件的確定通過以下原則:1)其故障將引起飛行任務(wù)的延遲、取消或者終止;2)該LRU的價格昂貴;3)通過對已有故障歷史數(shù)據(jù)分析,故障更換頻率較高的LRU。

1.3 數(shù)據(jù)采集

要建立高度擬實(shí)性的模型,必須采集相關(guān)裝備數(shù)據(jù),使用及維修保障過程數(shù)據(jù)。裝備數(shù)據(jù)包括直升機(jī)名稱、數(shù)量,LRU名稱、數(shù)量,LRU可靠性參數(shù),LRU歷史故障等。直升機(jī)的使用及維修保障過程是一個復(fù)雜與動態(tài)的相互作用過程,需要采集直升機(jī)在平時(訓(xùn)練時期)的使用(飛行活動)情況,確定飛行時間、飛行科目、地面運(yùn)行時間等信息從而得到LRU故障預(yù)測所需要的累積使用時間、循環(huán)次數(shù)等重要參數(shù)。此外,該模型也要準(zhǔn)確地反映出維修保障活動,確定故障發(fā)現(xiàn)時機(jī)、地面加電、運(yùn)行時間、定期更換時機(jī)等,需要采集的數(shù)據(jù)包括歷史故障記錄數(shù)據(jù)、故障發(fā)現(xiàn)時機(jī)、使用計劃及訓(xùn)練科目等。

1.4 故障率分布模型的確定

科學(xué)合理地確定不同LRU的故障率隨時間(使用時間、日歷時間、循環(huán)次數(shù))的分布模型是本仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確性的基本保證。本文采用基于歷史數(shù)據(jù)的典型故障率分布擬合法來確定故障分布模型。LRU屬于航空設(shè)備,而Weibull模型是研究航空設(shè)備可靠性較為適合的分布模型,該分布可以通過形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)的變化可以很好地描述上述各種故障狀態(tài)。將采集的LRU歷史故障數(shù)據(jù)通過Weibull分布擬合過程以分布函數(shù)的形式傳遞給ExtendSim數(shù)據(jù)庫供仿真模型調(diào)用。

2 基于Extendsim的仿真建模與分析

Extendsim仿真軟件采用模塊組合的方式快速搭建模型,具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性。采取最短時間的事件步長法,支持分層結(jié)構(gòu)和命名連接,模塊之間采用基于消息的傳遞機(jī)制,提供多種復(fù)雜數(shù)據(jù)傳遞方式[6]。

事件仿真模塊是整個仿真系統(tǒng)的核心,通過ExtendSim所提供的基本建模元素構(gòu)建出能夠映射出真實(shí)的直升機(jī)裝備實(shí)體屬性、裝備使用過程、檢查及維修保障流程。同時,在此模塊將通過蒙特卡洛仿真方法對隨機(jī)過程和隨機(jī)事件進(jìn)行構(gòu)造或表述概率過程并實(shí)現(xiàn)概率分布抽樣,為統(tǒng)計分析模塊提供數(shù)據(jù)輸出。

如圖2所示,外場可更換部件需求的仿真系統(tǒng)由多個事件仿真模塊構(gòu)成。LRU實(shí)體生成模塊利用數(shù)據(jù)庫存儲的LRU基本屬性信息和裝機(jī)狀態(tài)信息并對故障的隨機(jī)分布進(jìn)行一次采樣獲取故障時間信息,從而生成LRU實(shí)體。生成的LRU實(shí)體進(jìn)入直升機(jī)隊列模塊,在該模塊不同的LRU將對應(yīng)組成直升機(jī)實(shí)體,等待飛行任務(wù)。任務(wù)生成模塊依據(jù)總使用計劃、直升機(jī)使用方式以及飛行日飛行時長分布模擬生成使用計劃。當(dāng)使用計劃到達(dá)直升機(jī)隊列后將根據(jù)計劃和直升機(jī)狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配。接受飛行任務(wù)的直升機(jī)實(shí)體將進(jìn)入檢查與預(yù)防性維修模塊。檢查與預(yù)防性維修模塊包括飛行前檢查、飛行后檢查和預(yù)防性維修。如果無LRU出現(xiàn)故障則進(jìn)入飛行模塊并依據(jù)使用計劃中的飛行時間完成飛行任務(wù),在完成任務(wù)后返回直升機(jī)隊列待命。如果存在LRU故障和到壽,則進(jìn)入維修更換模塊并依據(jù)更換時長(依據(jù)仿真簡化假設(shè),本系統(tǒng)設(shè)定為0,立即更換)進(jìn)行更換,即對LRU的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行更新并重新采樣故障時間,更換后的LRU返回直升機(jī)隊列待命。

2.1 簡化假設(shè)

仿真建模過程中,需要進(jìn)行必要的簡化假設(shè):

1) 一個部件的實(shí)際使用壽命以它裝配到裝備上的時刻為開始, 它發(fā)生故障、不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的時刻為止;

2) 部件發(fā)生故障后,直接用備件替換;

3) 不同的LRU 之間的故障相互獨(dú)立;

4) 假設(shè)維修資源及人力資源充足;

5) 不確定因素導(dǎo)致的備件故障為零。

2.2 LRU實(shí)體生成模塊

如圖3所示,LRU實(shí)體生成模塊在仿真開始時構(gòu)造出參與仿真的所有LRU實(shí)體,通過數(shù)據(jù)庫存儲的LRU基本屬性信息和裝機(jī)狀態(tài)信息并對故障的隨機(jī)分布進(jìn)行采樣獲取故障時間信息為每個實(shí)體進(jìn)行屬性賦值。

圖3 LRU實(shí)體生成模塊

2.3 使用計劃生成模塊

使用計劃生成模塊依據(jù)年度總飛行時長、直升機(jī)使用方式以及飛行日飛行時長分布模擬生成使用計劃。當(dāng)未選擇自定義使用方式時,將采用均勻使用方式生成使用計劃;當(dāng)選擇自定義使用方式時,將依據(jù)每架機(jī)的年度飛行時長生成使用計劃。后一種方式適用于對機(jī)群進(jìn)行梯次使用控制。

2.4 直升機(jī)隊列模塊

直升機(jī)隊列模塊的主要功能是將初始生成的LRU實(shí)體、完成飛行任務(wù)的非故障到壽LRU實(shí)體、因同機(jī)LRU故障到壽未完成飛行任務(wù)的非故障到壽LRU實(shí)體和因故障到壽而換新的LRU實(shí)體集中管理,依據(jù)機(jī)號進(jìn)行分組,等待使用計劃,當(dāng)使用計劃到達(dá)則將對應(yīng)該使用計劃機(jī)號的一組LRU實(shí)體輸出,如圖4所示。

圖4 直升機(jī)隊列模塊

2.5 檢查與計劃性維修模塊

考慮到本仿真系統(tǒng)的仿真目標(biāo)及對仿真時間的跨度要求,檢查與預(yù)防性維修模型采用了一個簡化概念模型,該模型包括飛行前檢查、飛行后檢查和預(yù)防性維修檢查。如果無LRU出現(xiàn)故障則進(jìn)入飛行模型并依據(jù)使用計劃中的飛行時間完成飛行任務(wù)。如果存在LRU故障和到壽,則進(jìn)入維修更換模型進(jìn)行更換(見圖5)。

圖5 檢查與計劃性維修模塊

2.6 飛行模塊

參加飛行的直升機(jī)實(shí)體計入飛行模塊中通過activity模塊的延時機(jī)制進(jìn)行模擬,完成飛行任務(wù)的直升機(jī)實(shí)體分解成LRU實(shí)體后輸出到直升機(jī)模塊。

2.7 換件維修模塊

換件維修模塊如圖6所示,同樣采用activity延時模擬更換維修過程,同時,將對故障到壽LRU的故障時間再次抽樣獲取的下次故障的發(fā)生時間,更新日歷到壽期、裝機(jī)狀態(tài)信息等完成更新。

圖6 換件維修程序設(shè)計流程圖

3 仿真系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖7所示,仿真系統(tǒng)以裝備數(shù)據(jù)、使用及維修保障活動數(shù)據(jù)及仿真控制參數(shù)為輸入,通過合理構(gòu)建仿真模型并在ExtendSim仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行,最終輸出給定時長內(nèi)LRU需求預(yù)測。其中:裝備數(shù)據(jù)包括仿真的直升機(jī)數(shù)量、LRU的種類及數(shù)量、LRU可靠性參數(shù)及LRU歷史故障、更換記錄數(shù)據(jù)。使用及維修保障活動數(shù)據(jù)包括飛行計劃及訓(xùn)練科目、維修保障流程、故障發(fā)現(xiàn)時機(jī)、故障發(fā)現(xiàn)概率等數(shù)據(jù)。仿真控制參數(shù)包括仿真時長、仿真規(guī)模和運(yùn)行控制參數(shù)和輸出控制參數(shù)。

圖7 基于ExtendSim的直升機(jī)外場可更換部件需求仿真軟件總體框架

當(dāng)系統(tǒng)啟動并在模型加載完成后將出現(xiàn)如圖8所示,用戶操作界面(窗口)包括三個區(qū)域:仿真配置區(qū)、仿真結(jié)果輸出區(qū)和仿真控制區(qū)。

圖8 用戶操作界面

仿真配置區(qū)包括:1)仿真時長設(shè)定,確定仿真的開始及結(jié)束時間。2)仿真規(guī)模設(shè)定,選定參加仿真的旅團(tuán)、旅團(tuán)中的參加仿真的直升機(jī)及參加仿真的部件。

3)直升機(jī)信息設(shè)置(錄入),查看或編輯直升機(jī)參數(shù)信息。4)LRU設(shè)置,設(shè)置LRU的壽命信息、故障間隔分布及更換時長分布。5)LRU裝機(jī)狀態(tài)設(shè)置,查看或編輯LRU裝機(jī)狀態(tài)信息。6)飛行時長設(shè)置。7)導(dǎo)入導(dǎo)出仿真配置文件。

仿真控制區(qū)包括:1)開始仿真與暫停仿真。2)顯示總仿真次數(shù)與當(dāng)前仿真次數(shù)。

仿真結(jié)果輸出區(qū)主要實(shí)現(xiàn):當(dāng)仿真結(jié)束時,按部別及換件類型輸出顯示仿真結(jié)果及詳細(xì)信息,并導(dǎo)出excel格式的仿真結(jié)果。仿真系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果表明,其能夠?qū)崿F(xiàn)對直升機(jī)機(jī)外場可更換部件需求的預(yù)測。

4 結(jié)束語

本文以仿真軟件ExtendSim作為平臺,并采用離散事件仿真建模方法,對直升機(jī)的使用及檢查維修過程進(jìn)行了詳細(xì)模擬,實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)機(jī)外場可更換部件需求的科學(xué)預(yù)測。構(gòu)建的仿真系統(tǒng)能夠?yàn)橹鄙龣C(jī)備件采購籌措、分配、儲存、調(diào)撥等維修保障決策提供了科學(xué)依據(jù),為裝備保障航材管理從經(jīng)驗(yàn)性向科學(xué)型、從粗放式向精確化的轉(zhuǎn)變提供了有力支撐。