任务构型转换对军用飞机保障效能影响的仿真研究

袁锴　曾照洋　周扬　周岩

【摘 要】军用飞机任务构型转换与保障效能有着直接而紧密的联系，为了定量研究任务构型转换对军用飞机保障效能的影响，进而为军用飞机武器系统挂架通用化提供决策支持，在基于离散事件仿真的军用飞机保障效能评估的环境中，构建了任务构型转换仿真模型，参考某型飞机外场使用数据进行了应用案例分析，仿真结果表明：武器系统挂架不通用带来的过长的任务构型转换时间会显著降低军用飞机的保障效能，需要基于仿真研究开展武器系统挂架通用化工作。

【关键词】军用飞机；保障效能；任务构型转换；离散事件仿真

中图分类号： V271.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）29-0001-004

【Abstract】In order to quantitatively study the effect of task configuration transformation on military aircraft's safeguard effectiveness，and to provide decision support for the generalization of military aircraft's weapon system pylons，based on the direct and close relationship between mission configuration transformation and security effectiveness，Discrete event simulation military aircraft security effectiveness assessment environment，the task configuration transformation simulation model is constructed，the reference to a certain type of aircraft field data is used to analyze the application case，the simulation results show that：The task configuration transition time will significantly reduce the military aircraft's safeguard effectiveness.It is necessary to carry out the generalization of the hanger of weapon system based on the simulation research.

【Key words】Military aircraft；Safeguard effectiveness；Task configuration transformation；Discrete event simulation

0 引言

保障效能是指保障系統保障主装备在预期的使用环境和条件下经济有效地满足平时战备完好和战时任务持续能力的度量，综合体现了保障系统和主装备设计的协调统一。军用飞机有很多的武器系统，不同的武器系统又需要使用不同的挂架，在执行多种对空、对地任务时，由于需要携带不同武器系统，任务构型转换频繁，而且任务构型转换花的时间很长，是机务保障中的一项很复杂、影响保障效率的工作。在出动任务强度较低的情况下，相邻任务间的间隔时间较长，完好飞机多，任务构型转换并不会对飞机保障效能造成太大影响；但在高出动任务强度下，任务构型转换时间过长的话将严重影响到飞机的出动水平，影响作战能力的形成。为解决上述问题，需要开展军用飞机武器系统挂架通用化工作，而开展这项工作的前提是要能定量分析任务构型转换对军用飞机保障效能的影响，以确保通用化工作的问题针对性和经济有效性。

研究任务构型转换对军用飞机保障效能的影响本质上仍属于装备保障效能评估的一种应用，目前，国内外普遍采用基于离散事件仿真的方法对装备保障效能进行评估[1-7]，并开发了很多成熟的软件工具如后勤复合模型（LCOM）、飞机综合保障效能评估模型（CASEE）、OPUS10、SIMLOX和ILS-Sims等等。其中，美国空军后勤司令部和兰德公司联合开发的仿真工具LCOM得到了最为普遍的认可，而由中国航空综合技术研究所基于LCOM原理开发的国产保障效能仿真评估系统ILSLab-Sims，则在多型国产军用飞机上得到了广泛应用。本文正是在基于离散事件仿真的保障效能仿真评估方法的基础上，通过引入任务构型转换仿真模型，开展任务构型转换对军用飞机保障效能影响的仿真分析。

1 基于离散事件仿真的军用飞机保障效能评估方法

1.1 基本原理

基于离散事件仿真的军用飞机保障效能评估方法的核心是采用离散事件仿真方法对飞机使用维护保障过程进行抽象描述，由任务和随机模拟的故障驱动这些过程活动的执行，并将执行结果统计运算得到相应的效能指标，通过对使用和保障活动的长时间或者多次模拟执行，可以统计计算出整个保障体系的效能[8-9]。

1.2 评估指标

综合考虑军用飞机的平时战备完好和战时任务持续能力，构建出保障效能评估的参数体系如图1所示。

由图1可见，使用可用度Ao、出动架次率SGR、再次出动准备时间TTA、能执行任务率MCR、寿命周期费用LCC和任务成功概率MCSP是对装备系统的顶层度量，这些参数受装备以及保障系统特性的影响，是装备及保障系统特性参数的综合体现，基于离散事件仿真的军用飞机保障效能评估一般选用上述参数中的一个或多个进行评估。由于本文应用案例分析主要分析任务构型转换对出动架次率的影响，因此，对出动架次率的含义进行具体说明：endprint

出动架次率（Sortie Generation Rate，SGR）是对飞机在任务期间连续出动能力的度量，具体算法为：SGR=

式中，NSG表示任务期间飞机的总出动架次，ND表示任务天数，NA表示飞机架数。

1.3 仿真评估模型架构

为了利用离散事件仿真对军用飞机使用和保障进行完整的抽象描述和评估，需要按照图2所示的军用飞机保障效能仿真评估模型架构进行仿真建模和分析，如下图所示。

根据建模对象的分类，军用飞机保障效能评估仿真模型可划分为飞机平台模型、任务模型、使用和维修活动网络图模型、保障系统模型以及辅助优化模型。

1.3.1 飞机平台模型

飞机平台模型用于对飞机的功能结构进行建模，是描述飞机及其组成单元特性的模型，包括飞机部署、各功能单元的RMS属性、与任务相关的各单元的关键度特性、基本可靠性、任务可靠性等模型。

1.3.2 任务模型

任务模型用于对基本作战单元所需执行的任务进行建模，它围绕飞机在一个基本作战单元的任务剖面，以基本作战单元的作战、训练想定、飞机使用方案为建模对象，描述和组织任务发生、任务时序、任务结构以及任务之间的逻辑关系等内容的模型，模型中包括飞机数量、任务时间、任务强度等内容。

1.3.3 使用和维修活动网络图模型

使用和維修活动网络图模型是保障效能仿真评估的核心模型，它将飞机使用维护过程中的各类工作进行建模，将飞行任务、保障资源、自主保障系统、计划维修、非计划维修等有机的联系在一起。具备灵活性的使用和维修活动网络图可以描述飞行前检查、飞行后检查、飞行活动、故障修理等工作，主要分为主飞行网、修复性维修网、周专检定检网等子模型。

1.3.4 保障系统模型

保障系统模型用于对基本作战单元所在的保障系统进行建模，是描述基本作战单元中保障系统属性的模型，包括人员的构成、备件的供应、工具设备配置、设施配置等。由于资源约束对于保障效能的影响至关重要，所以资源的变化情况被考虑进模型中，保障系统模型通过资源冲突策略和资源轮换策略来模拟保障资源使用的真实情况。

1.3.5 评估优化模型

评估优化模型是保障效能计算与分析优化部分，可以为决策分析提供参考依据。评估优化包括各种保障效能指标统计计算、辅助备件优化配置、飞机最小保障需求分析、保障规模分析、保障资源补给策略分析等。

在以上五种模型划分中，飞机平台模型描述了飞机的整体结构及其属性，整机及其结构单元的RMTS特性参数是影响飞机系统保障效能的关键因素之一，也是保障效能评估优化的对象之一；任务模型建立了飞机所需执行的飞行任务剖面，驱动着整个仿真进行，并由此引发飞机故障；保障系统模型描述了军用飞机的整个保障系统，建立了飞机的使用环境，是影响飞机系统保障效能的另一关键因素和保障效能评估优化的另一对象；使用和维修活动网络模型描述了使用和维修作业的内容，是仿真运行的主要内容，包括了由故障引起的修复性维修作业和计划的预防性维修作业；评估优化模型充分利用计算机启发式搜索的能力，为决策分析提供有用参考。

2 军用飞机任务构型转换仿真模型

军用飞机的任务构型与任务密切相关，在离散事件仿真四大基本构成要素：实体、活动、资源以及控制中，任务属于控制的一种，即规定活动由何人在何时何地实施（即how，when，where），是强制系统接受指令。基于离散事件仿真原理，一次军用飞机出动任务模型一般由以下各属性定义：

（1）任务ID：某次出动任务在仿真中的标识

（2）任务优先级：当出现资源竞争时是否优先保证某次出动任务执行

（3）飞机类型：某次出动任务需要的机型

（4）最少飞机数：某次出动任务最少需要的飞机数

（5）最多飞机数：某次出动任务最多需要的飞机数

（6）备用飞机数：某次出动任务需要的备用飞机数

（7）仿真第几天执行：某次出动任务被安排在整个仿真周期中的第几天执行

（8）指定时间：某次出动任务飞机起飞时刻

（9）起飞前准备时间：仿真在起飞时刻之前的多长时间开始搜索满足某次出动任务需要的飞机

（10）取消时间：仿真在起飞时刻之后多长时间内还没有搜到满足最小飞机数要求的飞机，则取消该任务

（11）任务间隔：每隔多长时间重复执行某次出动任务

（12）结束时间：整个仿真结束时间

（13）飞行时间：某次出动任务飞机飞行时间

（14）活动网络图：某次出动任务从飞行前准备到飞行后检查整个过程的活动

基于上述任务模型的建模思路，可以在任务模型中增加任务构型属性，包括：

（1）飞行前外部配置：某次出动任务的执行需要飞机具有的外部任务构型，例如挂弹架、发射架、导弹、副油箱等等

（2）飞行后外部配置：某次出动任务执行完后飞机的外部任务构型变化结果，例如导弹在飞行中被发射出去了，则此次飞行后飞机的任务构型相比飞行前就只剩下了挂弹架

（3）飞机分配搜索模式：针对某次出动任务所需的某种任务构型，仿真在搜索飞机执行出动任务时按照怎样的顺序搜索不同状态、不同外部任务构型的飞机，其中，状态主要指飞机是否完成了飞行前准备，对于同一种任务构型转换，例如从任务构型A转换到任务构型B，仿真应优先选择已做完飞行前准备且具有任务构型A的飞机做任务构型转换。

任务构型转换仿真建模[10]的核心在于如何构建飞机分配搜索模式列表，针对整个仿真过程中飞机飞行前可能携带的每个任务构型都需要建立一个搜索模式，在每个搜索模式下，综合考虑飞行前准备时间和整个仿真中飞机可能具有的任务构型向该飞行前任务构型转换的时间，建立搜索顺序。其中，任务构型转换时间以任务构型转换活动网络图的形式进行建模[11]，这种建模方法能够反映任务构型转换作业及所需资源，可以为分析作业流程、资源配置对任务构型转换的影响提供模型支撑。此外，飞机分配搜索模式列表还需要针对每种可选的任务构型转换前飞机状态和任务构型组合设置一个截止时间，如果当前时间距离任务取消时间小于截止时间，意味着已经没有可能赶得上任务的执行，那么该模式的飞机将不参与该任务。如果任务的最少飞机数量已经满足了，那么就应该检查当前时间距离任务的起飞时间是否大于截止时间，如果大于，参与任务分配，如果小于，该模式的飞机将不参与任务。endprint

以ILSLab-Sims建模环境为例，具体建模方法如下：

（1）设置任务构型ID，如图3序号1）椭圆框内所示

（2）构建任务构型ID之间转换的活动网络图，如图3序号2）方框内所示

（3）设置与飞行前任务构型ID对应的搜索模式ID，如图3序号3）椭圆框内所示

（4）在搜索模式ID下关联转换前飞机状态属性、转换前任务构型ID及相应的转换活动网络图，如图3序号4）椭圆框内所示

（5）在搜索模式ID下关联该状态、该转换前任务构型的飞机的搜索次序和搜索截止时间，如图3序号5）椭圆框内所示

（6）从设置的任务构型ID中选择飞行前任务构型和飞行后任务构型如图3序号6）椭圆框内所示

3 应用案例分析

在参考某型飞机外场使用数据构建的保障效能仿真基准模型[12]基础上，假设作战周期为30天，共24架飞机，战时在每天的7：00、9：00、11：00、19：00和21：00共执行5个波次的任务，其中各波次分别执行5次起飞任务，每次任务需要2架飞机（任务时长为1个小时，起飞前准备时间60分钟，取消时间30分钟），并参考某型飞机外场任务构型转换数据确定每个飞行前任务构型对应的搜索模式列表（数据略），保障效能评估参数选用出动架次率和与计算出动架次率密切相关的总出动架次。每天的详细任务编排及所需任务构型如下表所示：

根据想定任务编排，每天的飞行时间为50个小时，在30天的仿真周期内，共计安排了30*50=1500个飞行小时的任务。在当前任务编排下，目标出动架次率=50/24=2.08次？天/架。

设置5种任务构型转换对军用飞机保障效能影响的仿真分析方案：

仿真方案1：每次任务仿真在飞机起飞前60分钟开始搜索飞机，不考虑任务构型，此方案为基准方案

仿真方案2：每次任务仿真在飞机起飞前60分钟开始搜索飞机，考虑任务构型

仿真方案3：每次任务仿真在飞机起飞前160分钟开始搜索飞机，考虑任务构型

仿真方案4：每次任务仿真在飞机起飞前190分钟开始搜索飞机，考虑任务构型

仿真方案5：每次任务仿真在飞机起飞前250分钟开始搜索飞机，考虑任务构型

其中，考虑任务构型时，在第1天作战开始前，将12架飞机的任务构型初始化为CONFIG7，将另外12架飞机的任务构型初始化为CONFIG8-1。不同仿真方案的24架飞机在30天内的累计飞行次数和出动架次率对比如下表：

通过对比可知，在不延长每次任务仿真提前搜索飞机时间的条件下，考虑任务构型转换后，累计飞行次数和飞行出动架次率均出现了约50%的大幅下滑，至于考虑任务构型的飞机出动架次率在30天作战周期内均能保持同一水平，究其原因，是在飞机总数不变的情况下，任务构型转换时间过长导致每天能执行的任务变少导致的。

根据每个飞行前任务构型对应的搜索模式列表，当每次任务仿真在飞机起飞前60分钟开始搜索飞机时，實际上每天只能飞“前两个波次或前10个任务”。因为“波次3或任务11～15”和“波次4～5或任务16～25”所需外部配置只能从状态为未开展飞行前准备、外部配置为CONFIG7或8-1转换而来，而相应的截止时间=（任务构型转换时间+飞行前准备时间）×1.1>（起飞前准备时间+取消时间），任务取消导致的。例如，“作战11”要求2架飞机在11点起飞，起飞飞机外部配置为CONFIG12，根据“提前搜索飞机时间（分钟）：60”的设置，仿真在10点开始搜索可用飞机，根据“搜索模式”设置，2架状态为Available、外部配置为CONFIG7的飞机进入任务构型转换和飞行前准备活动，经过204min，这些活动完成，此时时间为13：24，早已过了“作战11”的取消时间11：30，因此，在实际仿真过程中“作战11”取消。以此类推，“任务11～15或波次3”和“任务16～25或波次4～5”都取消了。

而大幅延长每次任务仿真提前搜索飞机时间，可以显著增加累计飞行次数和飞行出动架次率，甚至能够接近不考虑任务构型时的水平，但上述应对措施仅是从仿真参数（提前搜索飞机时间）的设置上来确保任务的按时执行，在实际作战中并不可行，因为需要提前四五个小时选定飞机为相应的作战任务开展使用保障和任务构型转换工作，工作效率太低，而且作战人员在为期30天的高强度作战任务压力下，体力和心理都承受不了这样长时间的保障工作，必将影响战斗力的持续形成。故更需要采取的改进措施应该是基于任务构型转换对军用飞机保障效能影响的仿真分析，有针对性地对当前武器系统挂架不通用、挂架种类太多等问题进行设计改进，从源头上大幅减少任务构型转换所需时间，真正提升军用飞机保障效能。

4 总结

针对任务构型转换对军用飞机保障效能的影响分析缺乏定量方法的问题，提出了基于离散事件仿真的分析方法。首先分析了基于离散事件仿真的军用飞机保障效能评估的基本原理，然后基于该原理给出了依托任务模型、以飞机分配搜索模式列表为核心的任务构型转换仿真建模方法，最后参考某型飞机外场使用数据进行仿真想定，完成了应用案例分析。后续可在本研究的基础上，开展各种任务构型转换方案对军用飞机保障效能影响的敏感性分析，进而确定优先需要开展的武器系统挂架型号，为挂架通用化工作提供决策支持。此外，还可用于战时军用飞机保障效能仿真分析建模。

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