基于使用试飞的飞机作战值班能力评估方法

苏明，王守敏

中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089

军用飞机战备值班能力是衡量装备实际战斗力的重要标志，是在编装备战斗力的体现，其高低在一定程度上决定了装备执行任务的能力[1]。国外军方十分重视作战值班能力，建立了专门的作战能力信息系统，用于收集装备使用中的作战值班能力信息，为发现和改进作战值班能力的缺陷提供帮助，实现提升作战值班能力的目标[2～5]。在F-35项目中，美军成立的JSF型号办公室制定的联合使用要求文件（JORD）中规定了6个决定项目成败的关键参数，其中一个即为作战值班能力[6]。长期以来，国内对军用飞机作战能力研究方面的工作还没有完全开展起来，仍主要集中于军用飞机的技术性能、空战与对地攻击的各种战术，而忽略了作战值班能力这一关键因素对作战能力的影响。因此，如何构建合适的评估方法对军用飞机作战值班能力进行评估，从而发现制约军用飞机作战值班能力的关键因素，提高军用飞机的实际战斗力，成为亟待解决的问题。

本文通过分析军用飞机作战值班能力的影响因素，建立了作战值班能力的评估模型，并进行了仿真评估，验证了所提出的分析方法的可行性，为后续军用飞机型号开展作战值班能力评估提供参考和借鉴。

1 影响因素分析

《北约可靠性与维修性要求文件编写指南》（ARMP-4）及AGARD对作战值班能力的定义是：在任一随机时刻需要和开始执行作战任务时，军用飞机处于可用状态的程度，即作战值班能力是指军用飞机在接到作战或训练命令，在规定时间内时响应作战或训练任务的能力。军用飞机的作战值班能力受多个因素的影响，主要包括三大类：

（1）军用飞机系统的构成及其可靠性、维修性参数，包括装备系统的构成方式、组成装备系统的各单元的可靠性参数、装备各组成部分的维修性等。若设计的可靠性水平不高，则在实际使用中装备就会故障频出，影响装备的使用和干扰任务的执行，使得作战值班能力低下。

（2）军用飞机保障系统的属性。装备投入使用就需维修保障，产生修理时间、保障延误时间等。修理时间是指实施修复性维修所用的时间，反映了可靠性、维修性设计对作战值班能力的影响；延误时间反映了保障系统的属性（如保障体制等）对作战值班能力的影响，多由备件延误引起。

（3）军用飞机系统所执行的任务信息，包括任务的持续时间、装备系统的任务强度和单次任务的执行时间等。

由此可见，军用飞机的作战值班能力与其可靠性、维修性、保障性及具体的作战训练任务具有紧密的联系，可以利用军用飞机在过去一段时间内的试飞统计数据对其作战值班能力的特征参数进行估计，进而评估军用飞机的作战值班能力。

2 建模

飞行任务周期如图1所示，整个飞行周期分为地面维护阶段、地面等待阶段、接到命令后的紧急准备阶段、空中阶段。地面维护阶段受军用飞机上一飞行任务阶段的状态影响，以及其地面维护阶段是否会增加新故障的影响，等待及接到命令后的紧急准备阶段的状态取决于地面维修及排故保障的效果。据此，可建立稳定状态下军用飞机作战值班能力计算模型。

图1 飞行任务周期Fig. 1 Flight mission cycle

由图2的决策树可知，经过维修流程后，军用飞机处于不能作战值班状态主要有三种情况。结合每种情况的发生概率，可以得到军用飞机不能作战值班能力的评估模型为：

式中：Pnk为军用飞机处于不能作战值班状态的概率；Pk为军用飞机空中发生故障的概率；Pd为军用飞机地面发生故障的概率；tmk为因故障而发生的维修时间；tmd为因修理而发生的延误时间；td为规定的候机等待时间。

图2 地面决策树Fig. 2 Ground decision tree

定义非工作状态为：飞机因发生故障不能恢复到正常状态的阶段。据此，式（1）可以合并写为：

军用飞机的状态仅有作战值班状态与不可作战值班状态两类情况。依据概率论中集合的相关定义，军用飞机的作战值班能力是不可作战值班能力的补集。因此，军用飞机处于作战值班状态的概率为Pok，即：

3 某型机作战值班能力仿真评估

3.1 仿真思路

以某型军用飞机的实际工作过程为依据，即装备的首次故障应为仿真中首次发生故障时间tRmin最小的系统。对于未发生故障的系统，应在其预计的应发生故障时间内扣除tRmin后，作为该系统的首次发生故障时间，依次类推，直至各次发生故障前工作时间（工作时间）与超过规定时间的修复时间的总和达到要求的仿真时间。

3.2 某型机组成

某型机是典型的三代机，该型机主要系统主要有动力装置、液压系统、环控系统、通信系统、武器系统和导航系统等构成，主要系统的可靠性框图如图3所示。

3.3 仿真假设

仿真假设及要求如下：系统的修复是完全修复，即修复如新，即系统的故障仅与故障率有关且故障率不随修复次数的变化而变化；各子系统的失效相互独立，即一个子系统的故障不引起另一个子系统的故障；误操作引起的军用飞机故障不予以统计，即仅考虑系统本身的责任故障，不考虑外界引入的非责任故障；试验设施及测试仪表故障引起的受测试产品故障不予以统计。

图3 某型机可靠性框图Fig. 3 Reliability block diagram of a certain type of aircraft

3.4 模型的输入

仿真模型的输入由作战值班能力的影响因素决定。依据前文的作战值班能力影响因素分析，仿真模型的基本输入如下：

（1）该型机的试飞可靠性因素。统计前期该型机的试飞数据并进行处理，得到该型机的7个系统的可靠性数据及维修分布类型，见表1。由于机体、起落架、刹车三系统的可靠性较高，试飞阶段没有该型号三者的数据。因此，本文对这三者系统不予考虑。

表1 各系统的分布及其故障率情况Table 1 Distribution of each system and its failure rate

（2）该型机的使用因素。假设该型机计划执行作战值班持续时间为90天（每天8h），在持续时间内一直处于执行作战值班的状态，当且仅当因飞机发生故障需要进行维修工作时才停止任务进入维修状态。一旦飞机完成维修立即进入执行作战值班状态。每次任务时间1h，自收到命令到执行任务时间为0.5h。

（3）执行任务因素。军用飞机在执行不同任务时，选择不同的设备工作，为考虑最严酷的情况，本文选择战斗状态，即所有设备均全部开机工作。

3.5 仿真程序构成及仿真流程

仿真程序一共有4个模块构成，分别完成如下功能：（1）参数输入模块。完成从数据文件中读入仿真参数，并将数据存入内存。（2）过程数据存储模块。完成仿真时中间数据的存放，便于后续计算。需要存储的数据有：装备的状态（包括：正常、停机维修中）、装备中现场可更换单元（LRU）的状态（包括工作、非工作）和当前仿真停机总时长等。（3）数据处理模块。完成对仿真中产生的大量中间数据进行处理，并计算得出每个仿真采样点的作战值班能力。（4）结果输出模块。完成仿真结果的输出。

仿真流程如图4所示，具体流程为：（1）读入仿真参数。包括表1中的数据及给定的任务数据；确定仿真采样周期。每一次仿真任务持续90天，每天8h，采样间隔时间为1h，共进行720次采样和10次仿真。（2）确定军用飞机状态。（3）若军用飞机此时处于维修状态，则此次采样军用飞机的作战值班能力为0，同时剩余维修时间Trm=Trm-1，非工作状态时间Td=Td+1；反之，进行下一步。（4）确定各系统状态。对军用飞机各系统进行检查，确定各系统是否处于工作状态。（5）发生故障时，通过故障检测率判定故障是否被检测出。未被检出时，则产生维修时间Tm的同时产生保障延误时间Tld。（6）若故障被检测出，则进一步判定故障是否被隔离。若没被隔离，则产生维修时间Tm的同时产生保障延误时间Tld；反之，若被隔离，则仅产生维修时间Tm。（7）计算Td=Td+Tm+Tld。（8）进行下一次采样。（9）判定仿真是否结束。（10）仿真结束后，依据仿真数据，计算该型机的作战值班能力。（11）改变仿真参数重新进行仿真，依据仿真结果，进行参数的敏感性分析。

4 仿真结果及分析

4.1 仿真结果分析

每次仿真720h，每1h进行1次采样，共720个样本点，仿真共进行10次。将每次仿真的数据分为10评估段，取每评估段的平均值，作为仿真的结果，见表2。以仿真结果为纵轴、仿真组数为横轴，仿真结果如图5所示。

图4 仿真流程图Fig. 4 Simulation fl ow chart

表2 仿真评估结果表Table 2 Simulation evaluation results table

图5 仿真结果图Fig. 5 Simulation result diagram

由图5可以看出，初始阶段，作战值班能力的评估值较低且波动较大，表明作战值班能力的统计随机性较强，随着时间的推移，样本取样增多，作战值班能力逐渐稳定，最终达到0.65左右，可见，该型机的成熟阶段作战值班能力为0.65。得到该型机单机的战备值班能力后，即可在保证作战值班能力的情况下进行部署决策（如保证出动能力不变，应部署飞机的数目）。

4.2 仿真结果的敏感性分析

4.2.1 单因素分析

在仿真过程中，在给定的参数基线下通过改变单个因素的取值得到单一因素对装备可用度的影响变化曲线，得到军用飞机使用可用度对每个独立因素变化的敏感程度，从而可以确定影响航空装备可用度的主要因素。每个输入数值仿真10次，取平均值，其余未改变的参数去输入中值，仿真结果如图6所示。

从图6中可以看出，每一个变量对给定任务情况下，提升或减小对军用飞机作战值班能力的影响。其中，平均故障间隔时间（MTBF）、故障检测率（FDR）和故障隔离率（FIR）对作战值班能力均具有提升作用，且MTBF的提升效果最为明显，初期提升MTBF能够迅速提升作战值班能力，虽然后期增长比较平缓，但作战值班能力仍有可能趋近于1，所以军用飞机的可靠性是影响作战值班能力的主要因素之一。

同时，从图6中可以看出，军用飞机的故障维修时间Tm、延迟时间Tld对作战值班能力有很强的弱化作用。因此，提升军机系统的检测/隔离能力，对维修人员进行积极培训，提升维护人员的维修能力以减少维修时间，同时合理优化军用飞机的备件种类和数量，以减少保障延误时间的方式提升军用飞机作战值班能力也是可行的。

图6 单因素仿真结果图Fig. 6 Single factor simulation result diagram

4.2.2 耦合因素分析

通过单变量仿真分析，确定了MTBF为影响军用飞机作战值班能力的主要因素。通过耦合影响分析，两两对比上面提出的主要因素，可以确定影响因素之间的关系，进一步确定各主要影响因素的敏感度程度的大小。MTBF与FDR、FIR耦合仿真结果如图7所示。由图7可知，军用飞机可靠性较低时，提高军用飞机系统测试性的准确度可以将作战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给定任务条件下军用飞机的作战值班能力，并且这一增益过程将在MTBF增长为600h时呈现边际效应。

图7 MTBF-FDR-FIR耦合因素影响图Fig. 7 MTBF-FDR-FIR coupling factor inf l uence diagram

5 结论

本文根据作战值班能力与可靠性、维修性、保障性及具体的作战训练任务所具有紧密联系，提出了作战值班能力的评估方法，并利用某型机在过去一段时间内的统计数据和仿真的方式评估了该型机的作战值班能力。分析表明，该模型具有良好的评估和分析能力，并可应用于其他军用飞机作战值班能力评估。

[1] 陈立强，杨策.鱼雷装备系统战备完好性探讨[J].鱼雷技术，2007，15（2）：57-59.CHEN Liqiang， YANG Ce. Discussion on readiness of torpedo equipment system [J]. Torpedo Technology， 2007，15（2）：57-59. （in Chinese）

[2] 防务系统管理学院.试验评定与管理[Z].北京：军用标准化中心，2000.School of Defense System Management. Test evaluation and management [Z]. Beijing： Military Standardization Center，2000. （in Chinese）

[3] 谢红胜，熊雄，李晶，等.美国衡量典型编队综合作战能力参数分析[J].舰船电子工程，2009（6）：9-16.XIE Hongsheng， XIONG Xiong， LI Jing， et al. Analysis of the parameters of integrated operational capability of typical formation of United States [J]. Ship Electronic Engineering，2009 （6）： 9-16. （in Chinese）

[4] 王传胜.美国空军未来能力及其航空关键技术分析[J].航空科学技术，2012（1）：22-25.WANG Chuansheng. Analysis of the future capabilities of the United State Air Force and its key aviation technologies [J].Aeronautical Science & Technology， 2012 （1）：22-25. （in Chinese）

[5] 美国空军战略规划局.美国空军转型飞行计划[Z].美国空军战略规划局，2002.United States Air Force Strategic Planning Bureau. United States Air Force transformation flight program [Z]. United States Air Force Strategic Planning Bureau， 2002. （in Chinese）

[6] 魏钢. F-35“闪电II”战斗机[M].北京：航空工业出版社，2008：38-40.WEI Gang. F-35 lightning II fighter [M].Beijing： Aviation Industry Press， 2008：35-40.（in Chinese）