航空四站装备保障效能仿真评估模型框架研究

李康 黄之杰 朱倩 吴潇洁

（空军勤务学院航空四站系徐州221000）

航空四站装备保障效能仿真评估模型框架研究

李康 黄之杰 朱倩 吴潇洁

（空军勤务学院航空四站系徐州221000）

在对国外先进效能仿真平台研究的基础上，借鉴SIMLOX系统能力评估和保障仿真平台的建模思想，结合航空四站装备的使用保障特点，以使用可用度和任务成功度为顶层评估指标，建立了包含想定模型、任务模型、实体模型和子模型在内的仿真评估模型框架，设计了仿真程序并对仿真流程进行了初步说明，为开发航空四站装备保障效能仿真评估系统提供了参考。

航空四站装备；保障效能；评估；模型框架

Class NumberTP391.9

1 引言

现阶段，效能评估、费效分析与风险分析已成为武器装备寿命周期管理不可缺少的环节，作为提高装备使用可用度和降低使用维修费用的重要手段，装备效能评估一直是以美军为首的外军所研究的重点［1］。鉴于传统解析计算方法的局限性，仿真建模逐渐成为装备效能评估的主流方式。作为飞机地面保障装备的重要组成部分，航空四站装备是飞机在执行训练作战任务之前完成电、气、环控及肼燃料等各项保障工作的物质基础，其效能水平直接影响飞机的使用可用性水平。为对航空四站装备保障效能进行科学评估，有针对性地采取措施解决影响保障效能的主要因素，根据航空四站装备的使用保障特点，借鉴SIMLOX仿真平台的建模思想构建了仿真评估模型框架，重点介绍了框架的基本组成及仿真流程设计。

2 国外主要效能仿真评估平台与特点介绍

2.1 国外主要效能仿真评估平台介绍

国外对效能评估的研究起步较早，各国根据装备发展需要相继建立了多种仿真评估模型，其中比较有影响主要有SIMLOX模型、OPUS10模型、SCOPE模型、LCOM模型和LOGAM模型等，而在装备效能评估方面又以SIMLOX和OPUS10最具代表性。

OPUS10是SYSTECON开发的用于备件分配和保障方案优化的仿真模型［2］，能够根据装备系统的详细分解结构建立维修和保障活动模型，将优化配置的备件分配到保障组织中，以抵消保障活动时间的影响，保证不同的可用度指标需求。其主要特点有：

1）具有强大的可扩展性，建模之初不要求输入大量数据，复杂的系统和保障组织可随着输入的增加而不断完善；

2）算法快速准确，可以处理数量巨大的备件优化问题，通过该模型可以节省20%～30%的备件费用；

3）具备LORA XT分析功能，可对维修级别和地点进行优化，包括多级站点中的备件分配、确定最佳维修站点等［3］；

4）能够灵活地进行横向补给并具有缺货通知优先级模型。

SIMLOX是在OPUS10的实践经验和其他先进的仿真模型的基础上发展而来的，具有强大的建模能力和系统评估能力，其主要特点为

1）模型采用基于动态Monte Carlo的事件仿真技术；

2）在给定任务剖面、保障结构和保障资源下，可以精确仿真系统可用性随事件变化情况［2］；

3）具有通用的建模参数特性和开放的数据库结构，可对多类型系统配合使用、多种比率和多个地点进行评估；

4）可以模拟复杂系统运行过程中的各种流程，并以图形化的形式显示仿真结果、置信限和保障组织。

2.2 国外装备效能仿真评估平台的特点

1）输出指标多样化

整体来看，国外先进的装备效能仿真评估模型输出结果不局限于某一单一指标，而是可以根据用户的需求有选择地进行输出［4］，例如使用可用性、任务成功率、资源利用率等，且多以系统总体指标作为评估参数。

2）保障系统的作用更加突出

目前，国外先进的仿真模型在装备效能评估过程中不仅考虑装备自身的性能参数，而且还将维修体制、维修结构、维修站点级别、多级维修、横向保障等保障问题综合起来考虑［5～8］，更加贴近装备的实际保障过程。

3）灵活的数据输入与交换能力

为方便用户使用，国外先进的仿真模型充分考虑了标准化问题，具有灵活高效的数据输入与数据交换功能，可以方便地从其他应用程序导入数据，实现模型间的互联互通和可互操作性。

3 仿真评估模型的构建

3.1 评估参数体系

装备保障效能的发挥不仅受装备固有特性的影响，很大程度上还取决于备件、维修等外围保障系统的保障能力［10］。通常情况下，其效能可通过顶层参数使用可用度和任务成功度进行表征，决定上述两个顶层指标参数的基础参数基本相同，结合航空四站装备的保障特点，可从装备固有特性参数、保障系统参数两方面进行分析确定，详细的参数列表如表1所示。

表1 装备保障效能评估参数体系

3.2 模型框架组成

为将航空四站装备使用阶段的RMS基础参数与其顶层参数相关联，在建模过程中综合考虑了任务剖面、维修保障体制以及自身通用特性等因素对顶层参数的影响。结合航空四站装备的使用保障特点，模型所涉及的基本仿真元素主要包括：使用任务、装备系统或子系统、装备的故障模式、维修工作及其类型、备品备件、保障设备、人力人员及其他保障资源，整个仿真模型框架由想定模型、任务模型、实体模型及子模型构成。模型的基本组成如图1所示。

3.2.1 想定模型

想定模型主要建立与真实或假想的保障系统相对应的仿真组成方案，用来描述仿真建模中使用的所有实体模型类型及其关联关系，想定模型结构如图2所示。

3.2.2 实体模型

实体模型主要描述保障系统中的仿真实体，航空四站装备保障效能仿真评估建模中，主要涉及两类实体：装备和设施。单体装备的效能仿真只包含一种装备实体，而多装备的综合保障仿真则包含多种装备实体。设施实体根据其功能主要分为：任务单位实体、维修单位实体和供应单位实体。这些实体模型都是由多个子模型按照一定的层次关系组合而成。

3.2.3 任务模型

任务模型是根据任务元素的属性信息（任务元素及其属性是任务分析的结果）建立的，任务模型结构组成如图3所示。

3.2.4 子模型

建模过程中，将多个元素模型根据层次关系和逻辑联系组织在一起的关系模型定义为子模型，主要包括航空四站装备的结构模型、可靠性模型和维修网络模型等，子模型组成及模型之间的关联如图4所示。

1）装备结构模型

装备结构模型主要对装备各个功能单元的层次关系进行描述，包括装备组成单元间的从属关系和各个单元的数量。装结构模型以产品树的形式进行描述，从保障性的观点来看，每个装备都是由许多可修或可更换产品组成，每个产品又可以分解为更小的可更换单元，由此逐层分解便可对装备定义出一个完整的系统层次结构［3］，如图5所示。根据航空四站装备的组成特点，其组成产品可分为外场可更换单元（LRU）、车间可更换单元（SRU）、部分可修单元（PRU）、子单元部分可修单元（SPRU）、可废弃单元（DU）和可废弃部件（DP）六类。装备结构树每个节点具有0或多个故障节点，每个故障可以包含多个维修工序节点，子系统节点、故障节点和维修工序节点成为装备结构模型与其他子模型联系的纽带。

2）可靠性模型

装备的可靠性模型反映了装备的各个功能单元对整个装备可靠性的影响。从可靠性模型与装备结构模型的关系可以看出：每个子系统节点根据其可靠性分类组成一个完整的装备系统可靠性模型。由于子系统节点具有层次性，因此可靠性模型也具有层次性。

3）维修网络模型

维修网络建模是针对某一故障模式所进行的维修工作的详细步骤，以及各工序所需的保障资源的描述。通过维修任务分析工作能够获取故障维修所需的各类资源，包括人员类别及数目、维修设备的类别及数目、维修所需的时间等。

维修网络的模型元素主要包括故障名称、标识、保障资源和维修工序。保障资源是进行装备使用和维修等保障工作的物质基础，包括物质资源（如保障设备、保障设施、备品备件等）、人力资源（如人员数量、专业技术等级）和信息资源（如技术资料、计算机资源保障等）。维修工序包括工序名称、标识、紧前工序、时间等元素，模型组成如图6所示。

4 仿真程序设计

仿真程序主要包括评估模型、控制程序、时间和事件序列表、随机数发生器、仿真数据统计、排队论分析等，程序具体构成如图7所示。

4.1 仿真控制程序

仿真控制程序完成对整个仿真进程的控制。根据仿真流程，仿真控制程序为其它程序模块分配任务并交换数据，在时间和事件序列表中读取和记录数据，并将最终结果输出。

4.2 时间和事件序列表

时间和事件序列表是仿真程序中的一张数据表。仿真控制程序根据任务模型在时间和事件序列表中建立仿真过程的时间坐标。仿真过程中，若装备系统、维修系统、保障系统中的任何一个系统的状态发生改变，即产生事件，则仿真控制程序在时间和事件序列表中记录该事件以及系统状态的改变情况，并由该事件驱动下一事件发生。

例如：在t0时刻（仿真开始），事件——装备（由子系统A1、A2、A3组成）开始工作；驱动事件——t1时刻装备故障（按照A1、A2、A3的各LRU元件的故障率产生一组随机数，其中最小的一个，就是t1-t0），如：A1的LRU——a1故障；驱动下一个事件A1修复。

4.3 随机数发生器

随机数发生器按照仿真控制程序指令，产生满足指定分布的随机数。这种需求发生在需要对故障时间、修复时间等随机变量进行模拟的情况下。

4.4 仿真数据统计

每一次遍历任务过程的仿真，仿真程序可以得到并记录下装备系统、维修系统、保障系统在任务过程中的状态。如图8所示，对每个系统，将多次遍历任务过程仿真的系统状态数据进行统计计算，以得到系统参数的估计。

以装备系统的可用度参数为例，每一次遍历任务的仿真可得到如图8所示的分段函数。将多次仿真所得分段函数叠加并除以装备数量，即得到装备可用度函数的估计曲线。

4.5 排队论分析

对于维修系统在任务过程中的状态，可以用排队论模型进行描述。每次遍历任务过程的仿真，产生排队过程的一组样本。利用多次仿真所产生的多组样本，估计排队过程的过程参数，以确定维修系统在任务过程中的排队过程。对于上述确定的排队过程，可以输出“队长”、“等待时间”和“忙期”，分别对应维修系统中的“等待维修的LRU数”、“待修LRU的等候时间”和“维修系统的利用率”。

5 仿真流程说明

仿真流程如图9所示。在建立好装备的任务、系统模型以及维修保障等模型并完成仿真初始化后，系统将按照想定建立未来时间表及事件排序，并且根据产生的随机种子数随机触发产品故障以及确定故障发生后所应执行的维修任务安排，同时根据设定的数据收集时间间隔，定期统计仿真过程数据，以输出所需的仿真结果。

6 结语

针对航空四站装备保障效能的评估问题，借鉴国外先进的仿真平台的建模思想，根据航空四站装备的使用保障特点，建立了仿真评估模型框架，重点讨论了框架组成及模型关联、仿真程序和仿真流程，目前已初步实现了基于该仿真框架的原型系统的开发工作，下一步需要对具体的方案设计、仿真数据的输入与处理等进行深入研究，以满足航空四站装备保障效能评估的需要。

［1］王赟，蔡帆.国外武器装备体系仿真技术综述［J］.兵工自动化，2015，34（7）：15-20.

［2］运通恒达科技有限公司.产品综合保障仿真分析和优化平台［Z］.北京：北京运通恒达科技有限公司，2013.

［3］夏旻，阎晋屯，刘磊.装备保障仿真模型框架及仿真平台研究［J］.系统仿真学报，2006，18（02）：210-213.

［4］雷永林，李群，杨峰，等.武器装备效能仿真的可组合建模框架研究［J］.系统工程理论与实践，2013，33（11）：2954-2965.

［5］彭春光，邓建辉，张博.基于多视图的武器装备仿真模型体系研究［J］.系统仿真学报，2015，27（08）：1861-1868.

［6］于永利，康锐.装备综合保障基础理论及技术的若干问题［J］.装甲兵工程学院学报，2013，24（03）：1-8.

［7］陈强华.特种装备效能仿真与评估软件系统研究［D］.南京：南京理工大学，2012.

［8］姚伟召，赵军，孙逊，等.基于仿真的防化装备作战效能评估研究［J］.国防科技，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，硕士研究生，研究方向：航空四站保障技术与信息化。