航空四站裝備保障效能的評估研究

陶健林，吳瀟潔

（1.安慶職業技術學院，安徽安慶246003；2.空軍勤務學院，江蘇徐州221000）

0 引言

航空四站裝備是生產、供應軍用飛機所需氣體、電源和液壓源、肼燃料等地面保障裝備的總稱，是航空兵飛行保障的重要裝備。由于我軍機種（型）多、數量大，加上飛行所需四站保障項目較多等原因，使得四站裝備體系繁雜，數量眾多，航空四站裝備能否正常擔負保障任務直接影響飛機的快速反應能力。因此，通過有效控制并提升航空四站裝備的保障效能能夠提高飛機的戰備完好性水平。

1 評估指標的確立

裝備保障效能（Weapon Support effectiveness）是指裝備保障系統在運用已有的保障能力完成裝備保障任務的過程中發揮出來的實際效果。影響裝備保障效能的主要因素有裝備的固有特性和保障系統的保障能力[1]。由于裝備保障任務、維修資源、系統結構等條件不同，其評估指標也有所不同。評估指標的選取應重點從三個方面考慮：可靠性、維修性和保障性。結合四站裝備的自身特性，本文選取可用性和任務成功性作為評估指標?？捎眯砸话惴譃楣逃锌捎眯?、可達可用性和使用可用性，其對應指標分別為固有可用度、可達可用度和使用可用度。任務成功性是與任務密切相關的一項裝備性能，反映了不同任務剖面對時間、場景、任務目標等不同要求下，裝備遂行任務的能力取決于任務可靠性和任務維修性[2]。具體指標體系劃分如表1。

表1 航空四站裝備保障效能評估指標體系

航空四站裝備的效能評估主要通過解析計算和仿真計算兩種方式產生。其中，使用可用性和任務成功性水平由于考慮了四站裝備在維修過程中的保障延誤以及備件短缺等因素的影響，為了使效能評估的結果更客觀、準確，需要通過建立效能仿真模型的方法進行評估。

2 航空四站裝備仿真模型

根據航空四站裝備的特點，裝備仿真模型應能夠在給定的想定和任務背景下，對不同型號裝備的使用和保障過程進行描述，并能夠反映維修過程和備件等保障資源的需求。

2.1 任務模型

在建模分析的過程中，仿真模型以任務按計劃執行為主線進行驅動。通過分解四站裝備的基本任務，可根據任務剖面、任務指派和任務關聯關系建立任務模型。任務模型的結構如圖1所示。

圖1 任務模型結構組成

其中，任務執行剖面指定了不同任務單元中一系列任務的執行序列。以航空制氧制氮車為例，其保障任務主要包括提供氧氣、氮氣和液氧產品。根據制氧制氮車的任務執行過程，其任務執行剖面如圖2所示。

2.2 裝備構型模型

從通用構型來說，航空四站裝備可以分成許多功能單元，每個功能單元又可以劃分成各子單元。從維修性角度出發，可將單元劃分為：LRU（現場可更換單元）、PRU（現場部分可修單元）、DU（現場報廢單元）、SRU（車間可更換單元）、SPRU（車間部分可修單元）、DP（車間報廢單元）、ASSY（組件）。

以航空制氧制氮車為例，圖3給出了航空四站裝備系統模型簡單描述的示例。模型的輸入為各單元的可靠性參數、維修性參數等。

圖2 任務執行剖面圖

圖3 制氧制氮車零部件單元類型

2.3 保障資源模型

影響航空四站裝備保障效能的因素有很多，其中保障資源對其影響較為突出。航空四站裝備的保障資源可以分為維修資源和保障組織兩類[3]。

2.3.1 保障組織模型

保障組織主要可分為：WS（維修車間），具有備件維修能力但不具有備件儲存能力；DEPOT（維修場站），既具有備件維修能力，又具有備件儲存能力；STORE（倉庫），具有備件儲存能力，但不具有備件維修能力；OP（外場），既不具有備件維修能力，又不具有備件儲存能力。其中裝備修理廠作為頂級支撐站點，可完成一切可修復的修復任務（圖4）。

2.3.2 維修活動模型

維修模型主要分為修復性維修模型和預防性維修模型。預防性維修是系統正常運轉的情況下進行的維修活動，修復性維修則是由于系統故障而產生的維修活動[4]。

1）預防性維修。預防性維修主要根據任務數量、持續時間和維修日期來設定。當以上參數達到預定值時，預防性維修啟動，同時記錄到下次預防性維修的任務數量、任務時間和日歷時間。

圖4 航空四站裝備保障組織

2）修復性維修。在系統執行過程中，隨機故障發生則引起預防性維修。故障率來源于裝備構型分解后的子模塊故障率，由各葉節點故障率生成上一級節點故障率，通過重要度因子等參數的影響，最后產生總體故障率。

2.4 模型的解析計算

航空四站裝備效能評估指標中的固有可用度及可達可用度是通過解析計算產生的。下面將基于各項參數的定義以及影響因素來建立相應的效能評估方法[5]。

1）固有可用度（Ai）

其中：

MTBF—裝備的平均故障間隔時間；

MTTR—裝備的平均修復性維修時間。

其中：

λf—裝備故障率；

n—裝備包含的下一層級的單元數量；

λt—單元故障率。

λt—外場可更換單元故障率。

n—裝備包含的外場可更換單元數量；

MTTRt—外場可更換單元的維修時間。

2）可達可用度（Aa）

MTBM—平均維修間隔時間；

MTTM—平均維修時間。

λe—平均修復性維修頻率；

λp—平均預防性維修頻率；

λf—裝備故障率。

λpt—外場第i項預防性維修活動的頻率；

n—裝備的外場預防性維修活動數量；

MTTP—平均預防性維修時間。

MTTPt—裝備外場各項預防性維修活動執行所需時間。

3 效能評估分析

3.1 仿真系統設計

仿真系統主要包括仿真模型、仿真引擎、管理軟件和配套的數據庫等。軟件系統架構圖如圖5所示。仿真系統軟件實現模塊設計如圖6所示。

圖5 軟件系統架構圖

圖6 軟件功能模塊圖

3.2 輸入仿真模型

輸入收集整理的航空制氧制氮車使用、維修及保障數據，建立航空制氧制氮車的構型模型、保障組織模型及任務剖面模型，以便開展效能仿真，如圖7所示。

圖7 航空制氧制氮車構型模型

圖8 航空制氧制氮車保障組織模型

圖9 航空制氧制氮車任務剖面模型

3.3 仿真結果輸出

航空制氧制氮車保障效能評估結果主要包括任務完成狀態、任務成功度、裝備所處狀態、裝備使用可用度及備件短缺情況5個方面。其中任務完成狀態、任務成功度、裝備所處狀態及裝備使用可用度的輸出結果，既包括隨時間變化的情況，也包括整個仿真周期內的平均值[6]。具體的仿真結果輸出如圖10-14所示。從圖中可以看出航空制氧制氮車的使用可用度為97.03%，任務成功度為91.28%。

圖10 累積任務時間完成情況

圖11 裝備可用度隨時間變化情況

圖12 裝備可用度均值

圖13 裝備狀態均值

圖14 備件短缺情況

3.4 評估分析與優化

從圖10中可以看出，在整個仿真周期內有6.46%的任務由于在任務周期內裝備發生影響任務的故障而終止，有2.26%的任務由于無可用裝備而無法開始執行。從圖10中可以看出，在整個仿真周期內有2.43%的裝備處于預防性維修狀態而無法執行預定的任務。其中影響裝備能否順利完成任務的關鍵因素是裝備的可靠性水平，而影響裝備處于預防性維修狀態而不可用的關鍵因素是預防性維修周期，因此對裝備的可靠性水平及預防性維修周期進行調整以進行對比分析[7]。

以現有的航空制氧制氮車輸入數據為基礎，將其各組成單元的故障率調整為現有水平的75%，大修的預防性維修周轉時間調整為現有水平的50%，其他各項輸入數據不變，任務成功度及使用可用度的仿真分析對比結果如下圖所示。

圖15 任務成功度對比結果

圖16 使用可用度對比結果

從上述對比分析結果可知，在降低裝備故障率水平及大修周轉時間的條件下，裝備的任務成功度提升了近3%，使用可用度提升了1.17%。說明裝備的可靠性及維修性水平的提升對裝備的任務成功度及使用可用度有比較明顯的影響。

4 結論

本文著眼航空四站裝備保障能力和水平的提升，分析研究影響航空四站裝備保障力生成與提高的各種因素，構建航空四站裝備的效能評估體系，利用多種效能評估方法和評估模型對航空四站裝備進行效能評估。評估過程中提出的優化方案和決策建議，可為航空四站裝備的發展建設工作提供客觀、定量的決策依據，提高我軍航空四站裝備的保障力和建設管理效益。