面向任務攜行航材消耗影響因素研究

宋傳洲 王瑞奇 劉戰(zhàn)/海軍航空大學

0 引言

航材攜行保障工作是航空兵戰(zhàn)斗力的重要組成部分。飛機異地執(zhí)行任務時，均需異地攜行保障，任務執(zhí)行時間越久，需攜帶的航材品種和數(shù)量越多。任務中航材的消耗情況直接或間接受多種因素影響，且一定程度上各因素之間也會相互作用。因此，需全面系統(tǒng)地分析不同任務模式中影響航材消耗的各種因素，提取具有主要影響的特征，建立特征指標體系，特別是重點研究將不同任務影響因素作為多維變量輸入模型中進行分類和預測，如RF、GВDT、Adaboost、ХGboost 等算法的應用，從而為后續(xù)構(gòu)建分類和預測模型做好基礎工作。本文通過查詢各類記錄和文獻、咨詢工作人員和專家，分析歸納出航材自身、環(huán)境、任務、人員、經(jīng)濟、其他等6 個方面的影響因素，并選取了針對多維變量預測模型關(guān)于品種確定和數(shù)量預測的特征指標。

1 影響航材消耗的自身因素分析

1.1 可靠性

航材的可靠性是設計制造之初就具備的固有特性，用來表征規(guī)定時間內(nèi)規(guī)定條件下無故障完成任務的能力，反映了航材本身設計制造水平，其重要特征量包括失效率、可靠度、平均故障間隔時間、壽命等[1]。在航材壽命方面，由于執(zhí)行任務時航材裝機時間不同，需考慮剩余壽命，壽命較短或剩余壽命少的航材往往消耗增多，需增加需求量，而一些壽命較長的航材或者新列裝不久的機型的失效概率往往較低且數(shù)據(jù)很難獲得，基于其消耗數(shù)量研究其規(guī)律的方法適用性較差。因此，需結(jié)合壽命周期規(guī)律和航材已使用時間及其失效率分布函數(shù)來分析，這樣既能得到任務中航材的失效率，又可對部分航材發(fā)生故障或失效進行提前預見。采用失效率來區(qū)分航材類別通常服從指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布等3 種分布函數(shù)[2]。另外，如果是到壽航材，若剩余壽命低于任務時間，該航材必然有需求，是可預見航材。簡單有效的方法是將航材區(qū)分為初級期、成熟期、衰退期。任務中的限時可修航材可通過修理周期計算其周轉(zhuǎn)數(shù)，該周轉(zhuǎn)數(shù)可視為此類航材的任務需求數(shù)[3]。其中，失效率是指執(zhí)行任務時某航材發(fā)生嚴重故障或失效的平均概率；平均故障間隔時間是指相鄰兩次故障或失效經(jīng)修理/更換后仍能正常工作之間的工作時間[1]。

1.2 環(huán)境適應能力

環(huán)境適應能力也可稱作航材的工作應力，航材可靠性不同，環(huán)境適應性也不同，同種航材在相同裝備的不同位置或安裝在不同裝備上，因工作環(huán)境不同所受影響不同，發(fā)生故障或失效的可能性也不同，需求就會不一樣。例如，處于保護層內(nèi)的航材比處于危害環(huán)境中的相同航材受到環(huán)境影響少，失效率前者比后者低。

1.3 耗損敏感度

耗損敏感度類似于環(huán)境適應能力，主要指在轉(zhuǎn)移、安裝、維修和使用過程中航材在非正常情況下受到損壞的可能性。這種因素是指因人為操作失誤、裝配技能差、使用設計不方便等原因發(fā)生事故性質(zhì)的損耗，與航材自身的失效率無關(guān)，是偶發(fā)的“事故率”，如更換失效航材時維修員拆卸用力過大造成周圍備件受損，又如電子器件不小心被烙鐵熔毀等。

1.4 可更換性

可更換性是指對航材拆裝的難易程度。飛機處于特殊任務環(huán)境或維修條件受限制等情況下若發(fā)生故障，在無法判斷其維修后能否正常使用時，需考慮該航材能否分解為外場可更換單元級別，對其直接更換。此外，可更換性還受維修員的技術(shù)水平、維修設備、場地等條件的影響。

1.5 可獲得性

可獲得性主要是指航材獲得的難易程度，用以說明航材失效后是否能夠被替代，即通用性。可用航材的可獲得性一般通過是否為標準件、通用件、專用件來表征，一般特設航材都是專用件，專用性越強，通用性越差，越要重點關(guān)注。航材在攜行空間有限時，體型會受到限制，可通過專人專車、郵寄等方式配送，視為可攜行，因此需進一步判斷不損壞航材性能的同時能否被運送，即可儲運性。此外，如果在任務現(xiàn)場購買或者周轉(zhuǎn)，需考慮是否會發(fā)生延期交貨。

1.6 故障關(guān)聯(lián)性

故障關(guān)聯(lián)性是指多重故障，即當某個航材發(fā)生故障或失效時，可能引起其他正在工作的航材也發(fā)生故障或失效。此外，失效航材被替換后，新舊同時使用，相互間也可能因為磨合或其他原因引發(fā)故障。通常當故障發(fā)生時，引起的條件變化和相互作用比較復雜，且隨機性強，需結(jié)合故障辨識技術(shù)、故障模式判斷和故障關(guān)聯(lián)圖等進行分析。

2 影響航材消耗的任務因素分析

飛機執(zhí)行不同任務，決定了任務模式、具體科目、地理環(huán)境等幾乎所有外部影響的不同。

2.1 任務類型

區(qū)分飛機執(zhí)行任務有很多原則，本文按照不同的任務模式簡單分為作戰(zhàn)任務、艦載機護航任務、日常訓練任務、戰(zhàn)備巡邏任務、聯(lián)合演習任務等5 類任務。每種任務也可根據(jù)需要細分，任務情況差別較大，如同為作戰(zhàn)任務的進攻作戰(zhàn)和防御作戰(zhàn)，前者的航材消耗遠多于后者。

2.2 任務強度

任務強度是指飛機執(zhí)行任務時航材的使用強度對航材損耗的影響程度，是表征任務類型不同的重要因素。任務強度可以通過飛機起落次數(shù)、啟動次數(shù)、出動強度、任務時間等特征量來表征。

2.3 任務等級

執(zhí)行任務的等級決定了航材保障等級，任務等級越高，保障等級越高，保障規(guī)劃的資源供應就越多，包括參與任務保障人員的能力和可以使用的所有保障資源。因保障資源有限，同一任務中會對航材進行區(qū)分，給予不同的保障資源。保障等級采用平均保障時間和平均延誤時間來表征。平均保障時間是指航材失效后進行限時維修或更換備件的時間[4]。

2.4 工作強度

航材工作強度用以表征任務中航材的工作狀態(tài)，包括其負載量和使用率。與故障關(guān)聯(lián)相似，航材如果超出原有設計的正常使用次數(shù)和連續(xù)工作時間，不但影響自身的失效率，也將影響其他航材。與之相反，有的航材可能因為工作次數(shù)過少或從未工作而引起自身或其他航材性能下降或變質(zhì)失效。

2.5 任務損傷

任務損傷是指任務中飛行器損傷的程度，尤其是在具有對抗性的任務如作戰(zhàn)任務中，任務損傷可視為戰(zhàn)斗損傷，需考慮戰(zhàn)斗條件、敵我力量對比等相關(guān)特征。

3 影響航材消耗的環(huán)境因素分析

不同任務的環(huán)境因素既包含溫度、濕度、鹽度、生物作用等自然環(huán)境因素，也包含誘發(fā)環(huán)境因素。

3.1 溫度

溫度環(huán)境因素分為低溫、高溫、變溫等3 種情況。如表1 所示。

3.2 濕度

表1 溫度的影響

濕度環(huán)境因素分為高濕、干燥、干濕交替3 種情況，如表2 所示。

3.3 鹽度

鹽度對航材的腐蝕作用在飛機于沿海、海島和艦船等地執(zhí)行任務時尤為明顯，主要是鹽霧和海水噴濺沾染，會發(fā)生嚴重的銹蝕與腐蝕，各類備件都會受到影響，尤其對金屬材質(zhì)和電子類零件影響較大，還會增大磨損，使機械強度下降，致使絕緣材料失效等。

3.4 生物作用

生物作用在這里主要指霉菌，霉菌對航材的影響包括腐蝕和吸水含水作用，霉菌分泌物具有腐蝕作用，可侵蝕表面薄膜，尤其是光學透鏡和傳感器，菌體吸水含水可促生電化學腐蝕，加速金屬氧化等。

3.5 氣壓

氣壓對航材的影響分為高壓和低壓，如表3 所示。

3.6 誘發(fā)環(huán)境因素

誘發(fā)環(huán)境因素包括振動、沖擊、核輻射、電磁輻射和大氣污染等方面。其中，振動和沖擊對航材的影響較大，其他情況較少見，如表4 所示。

表2 濕度的影響

表3 氣壓的影響

表4 振動和沖擊的影響

3.7 機場環(huán)境

除了上述各類自然因素和誘發(fā)環(huán)境因素外，飛機的機場工作環(huán)境也可歸為環(huán)境因素，包括飛機起落的跑道鋪面、指示設備、整體布局等，如航母艦載機的起落對部分航材的消耗影響很大。

3.8 綜合作用

航材受到環(huán)境因素的影響是綜合作用的結(jié)果，如艦載護航任務、駐島、邊境巡邏等海上任務，處在高溫、高濕、高鹽、生物生長繁殖快的環(huán)境中，且溫度變化大，各因素互相作用明顯，濕氣浸透、銹蝕速率、生物作用、堿性鹽霧侵蝕、電化學作用、沖擊或振動等都會加劇增幅。因此，可將執(zhí)行任務處的地理環(huán)境與氣候情況相結(jié)合來表征其綜合作用[5]，也可以用環(huán)境嚴酷度區(qū)分等級來表示。此外，環(huán)境因素不僅直接作用于航材，還影響飛行員、維修員、管理員等的工作狀態(tài)，反過來也會影響航材消耗。

4 影響航材消耗的人員因素分析

4.1 飛行員能力

飛行員是航空兵最重要的戰(zhàn)斗力之一，飛行員的能力對航材消耗有很大的影響，包含參與任務飛行的時間和次數(shù)、人為失誤次數(shù)、技術(shù)等級、心理素質(zhì)等。例如，在遇到繁重而艱巨甚至危險系數(shù)很高的任務時，初級飛行員的操作經(jīng)驗和能力都有所不足，心理壓力也會增大，人為錯誤增多，導致航材需求量增多。

4.2 維修員能力

維修員能力與飛行員的類似，包括參與任務的次數(shù)、人為失誤次數(shù)、技術(shù)等級、心理素質(zhì)等，維修過程中人為錯誤操作所造成的損耗與用于說明損耗敏感度的“事故率”有密切聯(lián)系。

4.3 管理因素

管理因素主要指貫穿于整個任務前后的管理工作和管理員能力，一方面包括在封裝、運輸、保養(yǎng)等流程中出現(xiàn)航材損傷和因指揮調(diào)度不當造成的航材供應延誤，另一方面包括管理員的能力所涵蓋的失誤次數(shù)、技術(shù)等級、心理素質(zhì)等。

4.4 維修資源

維修資源包括所能調(diào)動的所有資源，如維修人員、方案、設備、工具和參考資料等，而維修方案中規(guī)定了攜行保障的全部內(nèi)容，包括預防性和修復性維修、維修間隔期、維修級別及修理策略等，這些都會不同程度地影響航材消耗。儲運保養(yǎng)費包含運輸和保養(yǎng)兩部分，通常該費用較低，遠低于重新購買的成本。因此，經(jīng)濟因素對航材攜行品種確定的影響比重更大。

6 影響航材消耗的其他因素

通常將很難確定或短時間無法查明原因的突發(fā)因素歸為其他影響因素。

7 提取特征

5 影響航材消耗的經(jīng)濟因素分析

經(jīng)濟因素主要包括購置、封裝、存儲、運輸、保養(yǎng)和維修等各環(huán)節(jié)的費用。一方面，維修設備、工具、場地等因資金充足會提升等級。另一方面，有關(guān)購置費和儲運費，若任務中航材可周轉(zhuǎn)或購買，則可不必攜帶，但若該航材購置費很高，需通過運輸郵遞等方式攜帶。

7.1 提取原則

特征選取是建立模型的重要部分，特征選擇不好會增大分類和預測偏差。特征選取的關(guān)鍵在于對消耗影響因素展開分析，應遵循全面系統(tǒng)、鮮明穩(wěn)定、科學簡明、操作靈活、數(shù)據(jù)可靠等5 個原則[6]選擇和構(gòu)建特征體系。

7.2 構(gòu)建體系

按照以上原則，通過問卷調(diào)查并咨詢該領(lǐng)域?qū)＜液凸ぷ魅藛T，結(jié)合相關(guān)文獻資料，最終分析得出用于攜行品種確定和數(shù)量預測的兩個特征體系，如表5、表6 所示。

表5 用于航材品種確定的特征

表6 用于航材數(shù)量預測的特征

8 結(jié)論

通過對任務中航材消耗影響因素的分析，遵循特征選取原則，構(gòu)建了面向任務攜行航材品種確定和數(shù)量預測特征體系，這些特征可根據(jù)不同任務模式取值，為多維變量分類和預測模型諸如RF、GВDT、Adaboost、ХGboost 等 在航材需求預測研究中的應用做了特征分析和提取工作，必要時可采取灰色關(guān)聯(lián)、SHAP、DEMATEL 等方法進一步排序篩選。