基于OpenBlock的飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 強(qiáng)， 嚴(yán)盛文， 劉曉東

（1.空軍工程大學(xué) 裝備管理與安全工程學(xué)院，陜西 西安710051； 2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710038）

隨著航空裝備現(xiàn)代化水平不斷提高，特別是三代機(jī)大量裝備部隊(duì)，飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)的需求越來越大，供需矛盾日顯突出。飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)的粗放型經(jīng)驗(yàn)管理模式缺乏定量預(yù)測(cè)方法，與裝備精確保障要求存在差距［1］。飛機(jī)維修經(jīng)費(fèi)計(jì)劃管理關(guān)心的是維修經(jīng)費(fèi)總額（重點(diǎn)是維修器材費(fèi)和大修費(fèi)）、總的飛行時(shí)間和裝備總體的完好率，屬于戰(zhàn)略層次的問題。以往研究的微觀預(yù)測(cè)模型由于缺乏對(duì)裝備維修流程的全面考慮，難以為管理部門提供精確決策?；诜抡娴募夹g(shù)能夠描述飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)產(chǎn)生與消耗過程中的諸多不確定因素［2－3］，避免了嚴(yán)格數(shù)學(xué)形式和定量分析難以實(shí)現(xiàn)的問題［4］。

文中首先研究裝備數(shù)據(jù)管理方法，構(gòu)建飛行訓(xùn)練維修保障基本模型，采用過程的形式化描述［5］和統(tǒng)計(jì)平均值方法，對(duì)維修經(jīng)費(fèi)這一復(fù)雜消耗過程進(jìn)行抽象描述；然后基于框圖建模［6］和柔性建模環(huán)境OpenBlock［7］設(shè)計(jì)仿真模型，進(jìn)行維修經(jīng)費(fèi)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［8－11］，為飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)計(jì)劃提供量化支持，以提高維修經(jīng)費(fèi)使用效益，達(dá)到保障有力的目的。

1 仿真環(huán)境

1.1 面向框圖的建模

面向框圖的建模方法實(shí)質(zhì)上是基于功能的建模方法。功能以及輸入和輸出的結(jié)合體經(jīng)常被描述成模塊的形式，特別當(dāng)模塊以仿真物理設(shè)備的圖標(biāo)再現(xiàn)時(shí)，此時(shí)模塊的描述形式就叫做框圖。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的功能模型，需要為模塊網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由一套輸入、一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置和一套簡(jiǎn)單的輸出來描述。當(dāng)單個(gè)圖形節(jié)點(diǎn)與圖形中的其他節(jié)點(diǎn)相連接的時(shí)候，通過計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前輸入得到輸出結(jié)果值來對(duì)模型進(jìn)行仿真，然后在指定的仿真時(shí)間內(nèi)重復(fù)這個(gè)過程。面向框圖的仿真模型執(zhí)行機(jī)制如圖1所示。

圖1 面向框圖的仿真模型執(zhí)行機(jī)制

框圖建模方法強(qiáng)調(diào)從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，以及模型對(duì)象內(nèi)部狀態(tài)的改變。因而，基于這種方法的建模依賴于功能的提取，以確定模型框架的模塊組成。建模時(shí)只需將模塊類實(shí)例化，并按一定的關(guān)系將各個(gè)模塊連接起來，即可以完成模型框架的構(gòu)造。

1.2 OpenBlock柔性仿真環(huán)境

OpenBlock仿真建模環(huán)境是國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)的一個(gè)柔性仿真建模環(huán)境，它是采用JDK1.2開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的一個(gè)開放性很強(qiáng)的、支持框圖建模的仿真環(huán)境，具有可移植性、集成性、開放性和支持層次化建模等特點(diǎn)。

本文借助這個(gè)平臺(tái)，按照OpenBlock的框圖模塊規(guī)范，通過對(duì)OpenBlock二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)裝備維修經(jīng)費(fèi)仿真系統(tǒng)的建模。

2 維修經(jīng)費(fèi)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用柔性仿真環(huán)境OpenBlock建模，進(jìn)行飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)計(jì)劃管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)詳細(xì)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)飛行和維修保障過程中功能劃分，系統(tǒng)主要包括6個(gè)基本組件。

圖2 飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)計(jì)劃管理系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 裝備數(shù)據(jù)管理組件

維修經(jīng)費(fèi)仿真中的數(shù)據(jù)主要包括不同部隊(duì)的飛行訓(xùn)練任務(wù)、飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)、各類維修器材的可靠性和價(jià)格數(shù)據(jù)等，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)，統(tǒng)稱為裝備數(shù)據(jù)。裝備數(shù)據(jù)涉及的數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，具有層次化、非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)。為確保系統(tǒng)繼承性和仿真結(jié)果可追溯性，采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理方法對(duì)裝備數(shù)據(jù)及其使用信息進(jìn)行分類管理，建立仿真與裝備數(shù)據(jù)之間的接口，以便在仿真過程中統(tǒng)一調(diào)用，減少仿真復(fù)雜度。設(shè)計(jì)中 以 可 擴(kuò) 展 標(biāo) 記 語 言（extensible markup language，XML）為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝備數(shù)據(jù)管理。將飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)分析所涉及的每一個(gè)對(duì)象及其主要性能參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)定義為一個(gè)列表。根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和嵌套引用，將列表分為基本列表和關(guān)聯(lián)列表?；玖斜碇笇?duì)象及其自身的數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，不引用其他對(duì)象的數(shù)據(jù)，其內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系相對(duì)比較簡(jiǎn)單；關(guān)聯(lián)列表指對(duì)象及其自身的數(shù)據(jù)可能不獨(dú)立，存在引用其他對(duì)象的數(shù)據(jù)，當(dāng)引用對(duì)象的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，它自身的數(shù)據(jù)也要隨之發(fā)生變化。比如，當(dāng)一個(gè)基本列表中的對(duì)象刪除時(shí)，則要?jiǎng)h除所有引用此基本列表對(duì)象的關(guān)聯(lián)列表中所有相應(yīng)數(shù)據(jù)，以保證整個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。如圖3是包括部隊(duì)、飛機(jī)類型、部隊(duì)飛機(jī)和保障活動(dòng)列表等的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖（其中箭頭尾指示被引用的列表）。

圖3 列表及其關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

2.2 模型生成組件

通過分析飛機(jī)維修保障過程，可以確定該系統(tǒng)的基本構(gòu)成要素和要素間的關(guān)系，抽象出基本的功能模塊，利用模塊的組合、設(shè)置來建立飛機(jī)維修保障過程仿真模型。根據(jù)飛機(jī)飛行保障和維修保障過程分析，系統(tǒng)的基本要素包括飛機(jī)實(shí)體、決策活動(dòng)、各種保障活動(dòng)和統(tǒng)計(jì)等。

模塊間的關(guān)系主要包括實(shí)體流動(dòng)關(guān)系和狀態(tài)傳遞關(guān)系。實(shí)體是各個(gè)模塊的處理對(duì)象，模塊在接收到實(shí)體后會(huì)引發(fā)該模塊隊(duì)實(shí)體的處理過程。系統(tǒng)中流動(dòng)的實(shí)體是飛機(jī)，引發(fā)的活動(dòng)是飛機(jī)維修保障過程的一些基本活動(dòng)。仿真過程中，模塊間會(huì)互相需要一些狀態(tài)信息，用來實(shí)現(xiàn)決策、處理或顯示數(shù)據(jù)等功能，因而需要進(jìn)行狀態(tài)信息的傳遞。

飛機(jī)實(shí)體是維修保障過程仿真的基本構(gòu)成要素，每個(gè)飛機(jī)實(shí)體產(chǎn)生于實(shí)體生成模塊，隨著仿真時(shí)鐘的推進(jìn)在不同的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)流動(dòng)，直到仿真結(jié)束。

狀態(tài)對(duì)象包括各個(gè)活動(dòng)處理模塊的狀態(tài)信息，如處理時(shí)間、費(fèi)用值、故障數(shù)量和類型等用于分析的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。仿真結(jié)束后，利用計(jì)算模塊統(tǒng)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到指標(biāo)值。

2.3 過程仿真組件

過程仿真主要通過模型調(diào)度算法調(diào)用建立的過程模型，如利用基于事件或基于時(shí)間片的時(shí)間調(diào)度方法進(jìn)行過程仿真。它需要通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置（時(shí)間、步長(zhǎng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和表現(xiàn)等）驅(qū)動(dòng)這些模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并為統(tǒng)計(jì)分析準(zhǔn)備仿真數(shù)據(jù)。

2.4 仿真數(shù)據(jù)管理及實(shí)時(shí)顯示組件

在過程仿真中，需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方法對(duì)仿真產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。仿真數(shù)據(jù)管理主要管理過程仿真中產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。此外，仿真數(shù)據(jù)管理還應(yīng)可以通過圖標(biāo)和曲線的方式顯示和分析相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)。

2.5 過程追溯組件

過程追溯可以復(fù)現(xiàn)仿真過程，即記載整個(gè)仿真過程中的飛行活動(dòng)和各類維修保障活動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)，供追溯組件調(diào)用，以重現(xiàn)整個(gè)仿真過程。通過過程追溯，可對(duì)整個(gè)仿真過程進(jìn)行全面分析，更加直觀地分析和研究各項(xiàng)費(fèi)用產(chǎn)生情況和影響完好率的因素等。

過程追溯需分2步完成：①仿真運(yùn)行中數(shù)據(jù)的保存和實(shí)時(shí)顯示；②數(shù)據(jù)的事后回放。

2.6 結(jié)果分析組件

在飛行保障過程仿真結(jié)束后，要獲取關(guān)于飛行保障過程的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)費(fèi)用消耗情況進(jìn)行分析。采用集成化的仿真結(jié)果評(píng)估組件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)和分析功能。通過結(jié)果分析，分析人員可以了解各項(xiàng)費(fèi)用產(chǎn)生的詳細(xì)原因。仿真結(jié)果分析組件主要包括：?jiǎn)渭茱w機(jī)仿真結(jié)果分析、多架（部隊(duì)機(jī)群）仿真結(jié)果分析。

3 維修經(jīng)費(fèi)仿真基本模型構(gòu)建

飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)的產(chǎn)生與飛機(jī)的飛行訓(xùn)練和維修保障過程緊密相關(guān)。飛行訓(xùn)練任務(wù)是維修經(jīng)費(fèi)仿真的關(guān)鍵要素，依賴于對(duì)部隊(duì)所有飛機(jī)的協(xié)調(diào)安排，按照飛行訓(xùn)練任務(wù)，可以建立飛機(jī)飛行訓(xùn)練維修保障的基本模型，如圖4所示。

圖4 飛機(jī)飛行訓(xùn)練維修保障過程的基本模型

仿真開始后，首先由實(shí)體生成模塊生成飛機(jī)實(shí)體對(duì)象，并流入決策模塊，由決策模塊決定各項(xiàng)處理過程。決策模塊根據(jù)實(shí)體對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)、年度飛行計(jì)劃等決策信息，確定飛機(jī)實(shí)體對(duì)象應(yīng)流向哪項(xiàng)處理過程（如飛行日、維修日、專檢、周檢和大修等活動(dòng)）。在每一項(xiàng)具體活動(dòng)中，應(yīng)檢查是否有故障發(fā)生，有則統(tǒng)計(jì)費(fèi)用和時(shí)間等信息。某項(xiàng)活動(dòng)完成后，飛機(jī)實(shí)體再流回決策模塊，重新判斷飛機(jī)實(shí)體應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)處理過程，直到飛行任務(wù)完成或者仿真時(shí)間結(jié)束為止。仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到指標(biāo)值。

下面分別對(duì)飛行計(jì)劃生成、決策、大修、飛行前檢查和定檢（包括特檢、定檢、維護(hù)日和周檢）模塊進(jìn)行建模。

3.1 基于動(dòng)態(tài)梯次控制的飛行計(jì)劃生成

仿真一開始，根據(jù)總飛行時(shí)間和仿真長(zhǎng)度生成年度飛行計(jì)劃，年度飛行計(jì)劃確定出仿真區(qū)間內(nèi)的飛行日。仿真過程中，如果是飛行日，仿真算法根據(jù)飛機(jī)的使用狀態(tài)，按照梯度控制思想有選擇性地挑選飛機(jī)進(jìn)行飛行，被選擇的飛機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的相關(guān)信息。同時(shí)，在仿真過程中，飛行日可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保證部隊(duì)的完好率要求。

3.2 決策模型

決策模塊主要任務(wù)是：按照部隊(duì)實(shí)際情況，協(xié)調(diào)并安排飛機(jī)的各種保障活動(dòng)，以完成仿真跨度內(nèi)的飛行總?cè)蝿?wù)［11］。其決策流程和算法如圖5所示，其中每一個(gè)方框代表一種保障活動(dòng)。

在決策模塊判斷飛機(jī)下一個(gè)保障活動(dòng)時(shí)，不同的保障活動(dòng)有不同的優(yōu)先級(jí)。大修和特檢優(yōu)先級(jí)最高，因?yàn)楫?dāng)飛機(jī)總的飛行時(shí)間達(dá)到閥值時(shí)，必須大修或特檢；其次是飛行活動(dòng)，如果仿真當(dāng)前時(shí)刻是飛行日則不安排周檢或維修日活動(dòng)等保障活動(dòng)。

圖5 決策模塊功能流程圖

圖5中List為飛機(jī)隊(duì)列，仿真中根據(jù)想定設(shè)置的維修日、專檢、周檢、定檢、大修等活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間（或分布規(guī)律）按照設(shè)定規(guī)則進(jìn)行決策。如飛機(jī)到壽規(guī)則如下：

計(jì)算飛機(jī)剩余壽命，List［i］.TotaFlyHour≥Ts時(shí)，則飛機(jī)到壽進(jìn)行報(bào)廢，并需從隊(duì)列中移除，其中Ts為到壽閾值，TotalFlyHour為總飛行時(shí)間。

決策模型在仿真過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整飛行計(jì)劃，負(fù)責(zé)將飛機(jī)實(shí)體按照決策規(guī)則發(fā)送到各保障活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并接收從各保障節(jié)點(diǎn)返回的飛機(jī)實(shí)體。

3.3 大修模型

大修包括飛機(jī)大修和發(fā)動(dòng)機(jī)大修，決策模塊掃描飛機(jī)列表PlaneList和發(fā)動(dòng)機(jī)列表Engine－List，判斷大修類型。令TDp為飛機(jī)大修規(guī)定時(shí)間，當(dāng)飛機(jī)i滿足PlaneList［i］.Date≥TDp時(shí)進(jìn)行飛機(jī)大修；令TDe為發(fā)動(dòng)機(jī)大修規(guī)定時(shí)間，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)j滿足EngineList［j］.Date≥TDe時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)大修。飛機(jī)大修時(shí)需停留較長(zhǎng)時(shí)間，而發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，可在可用發(fā)動(dòng)機(jī)列表中尋找合適發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行換發(fā)，更換后飛機(jī)繼續(xù)完成任務(wù)。大修時(shí)根據(jù)大修類型更新相應(yīng)的飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)列表，同時(shí)根據(jù)想定設(shè)置記錄產(chǎn)生的相應(yīng)費(fèi)用和時(shí)間等。飛機(jī)完成大修后，修改飛機(jī)相應(yīng)狀態(tài)，并返回飛機(jī)列表繼續(xù)進(jìn)行仿真，發(fā)動(dòng)機(jī)大修后存到發(fā)動(dòng)機(jī)列表中等待使用。

3.4 飛行前檢查模型

飛行前檢查是指在飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)前，檢查飛機(jī)是否完好，其模型算法如下：

FInputList表示某個(gè)飛行日需要執(zhí)行任務(wù)的飛機(jī)，F(xiàn)Data.m＿i MaxTime表示飛機(jī)不完好修復(fù)最大允許時(shí)間。

1）對(duì)每個(gè)飛機(jī)FInputList［i］判斷其是否完好；

2）當(dāng)FInputList［i］不完好，判斷故障發(fā)生和排除時(shí)間FInputList［i］.usedTimes，如果FInputList［i］.usedTimes≥FData.m＿i MaxTime則用備用飛機(jī)替換該飛機(jī)完成飛行任務(wù)，并對(duì)故障飛機(jī)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后返回可用飛機(jī)列表中；

3）如果FInputList［i］usedTimes＜FData.m＿i MaxTime則排除故障，并執(zhí)行飛行任務(wù)；

4）將完成任務(wù)后的飛機(jī)FInputList［i］和排除了故障的飛機(jī)返回到?jīng)Q策模塊。

3.5 定檢模型

系統(tǒng)中的保障活動(dòng)，如特檢、定檢、維護(hù)日、周檢等對(duì)應(yīng)的保障模塊都可視為一個(gè)“工作臺(tái)”，接收到飛機(jī)實(shí)體后進(jìn)行相應(yīng)的維修保障活動(dòng)，然后把飛機(jī)送回到?jīng)Q策模塊。

仿真中記錄單架飛機(jī)上次定檢時(shí)間，當(dāng)決策模塊檢測(cè)到某架飛機(jī)到達(dá)定檢時(shí)間時(shí)，就將該飛機(jī)送入定檢模塊。定檢模塊根據(jù)零部件壽命分布函數(shù)為每架飛機(jī)的N個(gè)零部件隨機(jī)生成零部件故障發(fā)生時(shí)刻Ti（i＝1，2，…，N）。當(dāng)零部件i的工作時(shí)間TWi滿足TWi＞Ti時(shí)，則零部件發(fā)生故障，對(duì)其進(jìn)行維修，直到飛機(jī)所有零部件檢查并維修完成則將飛機(jī)返回決策模塊。

其中電子類零部件通常服從指數(shù)分布，λ表示故障率，則其可靠度分布密度為

機(jī)械類零部件通常服從威布爾分布，n為形狀參數(shù)，t0為尺寸參數(shù)，則其可靠度分布密度為

則對(duì)累積工作了時(shí)間TWi的零部件可以隨機(jī)抽樣生成。

4 維修經(jīng)費(fèi)仿真案例分析

以某團(tuán)為對(duì)象，進(jìn)行年度飛行任務(wù)計(jì)劃與維修經(jīng)費(fèi)仿真，首先按照部隊(duì)實(shí)力對(duì)飛機(jī)屬性、維修保障活動(dòng)、故障分布函數(shù)和有壽機(jī)件等基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。保密起見文中不給出詳細(xì)數(shù)據(jù)。

圖6為隨仿真時(shí)間推進(jìn)，飛機(jī)總飛行時(shí)間和完好率隨時(shí)間的變化情況。圖7為3次仿真各飛機(jī)飛行的時(shí)間情況。

圖6 總飛行時(shí)間和完好率隨時(shí)間變化曲線

圖7 3次仿真飛行時(shí)間

表1為設(shè)置總經(jīng)費(fèi)置信度為0.975時(shí)的仿真結(jié)果。

表1 某團(tuán)維修經(jīng)費(fèi)仿真結(jié)果 萬元

通過對(duì)往年經(jīng)費(fèi)情況對(duì)比分析和專家評(píng)定，認(rèn)為仿真結(jié)果符合該團(tuán)飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)實(shí)際情況。

5 結(jié) 論

本文從飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)管理實(shí)際現(xiàn)狀和存在問題出發(fā)，提出利用仿真技術(shù)描述飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)消耗過程的方法，研究了面向仿真的裝備數(shù)據(jù)管理問題，建立了維修保障基本模型，基于OpenBlock柔性建模環(huán)境設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了維修經(jīng)費(fèi)定量評(píng)價(jià)和分析。通過對(duì)某團(tuán)年度維修經(jīng)費(fèi)仿真，驗(yàn)證了文中方法的有效性和實(shí)用性，解決了維修經(jīng)費(fèi)難以精確預(yù)測(cè)的難題，提高了空軍飛行訓(xùn)練維修經(jīng)費(fèi)計(jì)劃管理的前瞻性和決策的準(zhǔn)確性。

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