航空地面空調(diào)車使用可用度建模仿真

李 康， 黃之杰， 朱 倩

(1. 95877部隊(duì)， 甘肅 酒泉 735300； 2. 空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系， 江蘇 徐州 221000)

使用可用度作為裝備可靠性、維修性和保障性的綜合評價(jià)參數(shù)，不僅與裝備的設(shè)計(jì)特性有關(guān)，而且與裝備的使用要求和任務(wù)特點(diǎn)密切相關(guān)，是影響裝備保障效能和使用保障費(fèi)用的重要因素。目前，諸多研究者對裝備使用可用度評估問題進(jìn)行了研究。張曉虹等[1]結(jié)合地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)，利用維修數(shù)據(jù)，建立了地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用可用度的解析計(jì)算模型；周亮等[2]運(yùn)用邊際算法對艦船裝備的使用可用度進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證；畢紅葵等[3]給出了雷達(dá)系統(tǒng)使用可用度的仿真評價(jià)模型；文獻(xiàn)[4]、[5]作者分別研究了混聯(lián)系統(tǒng)中使用可用度的分配和使用可用度指標(biāo)分解問題。上述研究多是以裝備自身影響因素為研究重點(diǎn)，或以使用可用度的定義和概率論為基礎(chǔ)，對使用可用度進(jìn)行靜態(tài)評估，難以反映裝備使用可用度隨時(shí)間變化的情況，也沒有全面考慮裝備保障過程中的動(dòng)態(tài)影響因素。航空地面空調(diào)車主要用于在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，輔助完成機(jī)載設(shè)備升溫、降溫、通風(fēng)、除濕等保障工作，其使用可用度評價(jià)需要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、任務(wù)特點(diǎn)、維修活動(dòng)等多種影響因素，現(xiàn)階段對其使用可用度的評價(jià)多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，其周期長且部分?jǐn)?shù)值誤差較大。因此，筆者從實(shí)際保障過程出發(fā)，在給定任務(wù)要求、保障資源和維修條件的情況下，評價(jià)航空地面空調(diào)車的使用可用度，分析其主要影響因素，為航空地面空調(diào)車的使用管理工作提供決策依據(jù)。

1 使用可用度

使用可用度(Operational Availability，Ao)、固有可用度和可達(dá)可用度統(tǒng)稱為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度，用于描述當(dāng)有任務(wù)需要時(shí)，系統(tǒng)能夠投入使用或執(zhí)行任務(wù)的程度[4]。其中：固有可用度僅考慮系統(tǒng)的修復(fù)性維修時(shí)間和工作時(shí)間，易度量且常作為合同指標(biāo)；可達(dá)可用度考慮系統(tǒng)工作時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間和預(yù)防性維修時(shí)間，多用于評估裝備研制階段的系統(tǒng)效能；使用可用度則綜合考慮系統(tǒng)的任務(wù)待命時(shí)間、任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、延誤時(shí)間和維修時(shí)間等，因而能夠較為全面地描述系統(tǒng)的可用程度[5]。使用可用度是與系統(tǒng)能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間密切相關(guān)的可用性參數(shù)，其典型計(jì)算公式為[6]

(1)

對于航空地面空調(diào)車，使用可用度可理解為裝備服役后，在保障資源、使用條件和任務(wù)要求既定的條件下，當(dāng)有保障需求時(shí)裝備能夠投入使用的能力。根據(jù)實(shí)際使用保障情況，航空地面空調(diào)車不能工作時(shí)間主要包括修復(fù)性維修時(shí)間(TCM)、預(yù)防性維修時(shí)間(TPM)、保障延誤時(shí)間(TLD)和管理延誤時(shí)間(TAD);能工作時(shí)間包括任務(wù)待命時(shí)間(TS)和任務(wù)執(zhí)行時(shí)間(TO)。航空地面空調(diào)車服役后的總?cè)諝v時(shí)間構(gòu)成如圖1所示。因此以時(shí)間表示的航空地面空調(diào)車的使用可用度

(2)

在不考慮航空地面空調(diào)車停用時(shí)間的條件下，從執(zhí)行任務(wù)的角度來看，則預(yù)期工作時(shí)間可采用總?cè)蝿?wù)時(shí)間來表示，能工作時(shí)間可采用裝備能夠完成任務(wù)的時(shí)間來表示，則航空地面空調(diào)車使用可用度

(3)

2 使用可用度仿真評價(jià)模型

2.1 任務(wù)模型

2.1.1 任務(wù)剖面模型

航空地面空調(diào)車用于在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)對機(jī)載電子、電器設(shè)備進(jìn)行通電調(diào)試或維修時(shí)，為設(shè)備艙提供符合要求的冷風(fēng)、熱風(fēng)或通風(fēng)，或在飛機(jī)處于飛行等待狀態(tài)下，為駕駛艙提供空調(diào)氣源。由于駕駛艙的供風(fēng)保障具有不確定性，這里僅研究設(shè)備艙供風(fēng)保障任務(wù)(不考慮環(huán)境條件，將提供熱風(fēng)、冷風(fēng)和通風(fēng)統(tǒng)稱為供風(fēng))。根據(jù)任務(wù)執(zhí)行過程，簡化后的航空地面空調(diào)車任務(wù)剖面如圖2所示。

2.1.2 任務(wù)生成模型

在仿真中，任務(wù)執(zhí)行模式可分為固定任務(wù)、擴(kuò)展任務(wù)、持續(xù)任務(wù)、再生任務(wù)和隨機(jī)任務(wù)5種。根據(jù)單次任務(wù)的執(zhí)行特點(diǎn)，航空地面空調(diào)車的供風(fēng)保障任務(wù)屬于固定任務(wù)，其任務(wù)計(jì)劃是以單個(gè)任務(wù)為基礎(chǔ)制定的，并按照任務(wù)剖面中定義的數(shù)據(jù)獨(dú)立地重復(fù)執(zhí)行多次，各次任務(wù)之間完全相同，每項(xiàng)預(yù)設(shè)任務(wù)至多引起1個(gè)任務(wù)進(jìn)程[6- 7]。任務(wù)周期可分為出發(fā)、執(zhí)行和返回3個(gè)階段，如圖3所示。

仿真任務(wù)按照任務(wù)單元中任務(wù)剖面定義的開始時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)建及觸發(fā)，如圖4所示。

任務(wù)從出發(fā)階段開始，直到其到達(dá)任務(wù)區(qū)域后才轉(zhuǎn)換為執(zhí)行狀態(tài)，任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后即開始準(zhǔn)備返回部署點(diǎn)，返回部署點(diǎn)的過程屬于返回階段。因此，不同任務(wù)階段所需時(shí)間可通過各任務(wù)階段時(shí)間占整個(gè)任務(wù)時(shí)間的百分比來描述，則任一任務(wù)階段耗時(shí)百分比都可以為0，但整個(gè)任務(wù)階段的耗時(shí)百分比必須為1。在出發(fā)階段和任務(wù)執(zhí)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)由于故障或損傷而被異常中止的情況，其造成的部分或整個(gè)任務(wù)階段任務(wù)時(shí)間減少的程度取決于故障或損傷發(fā)生的時(shí)間。

2.1.3 任務(wù)配置模型

任務(wù)一旦被調(diào)用就需要進(jìn)行系統(tǒng)配置工作，該過程需要考慮多種影響因素，如系統(tǒng)狀態(tài)、任務(wù)適合度、任務(wù)優(yōu)先級和系統(tǒng)數(shù)目等[8]。裝備系統(tǒng)狀態(tài)可分為處于空閑狀態(tài)、近似空閑狀態(tài)(處于維修或周轉(zhuǎn)狀態(tài))和處于其他任務(wù)狀態(tài)(任務(wù)級別比需要進(jìn)行系統(tǒng)配置的任務(wù)低)3類。為了簡化模型，筆者僅考慮系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)適合度2個(gè)因素，且優(yōu)先考慮系統(tǒng)狀態(tài)，即認(rèn)為系統(tǒng)狀態(tài)比任務(wù)適合度更重要。

相同任務(wù)適合度的任務(wù)配置順序?yàn)椋禾幱诳臻e狀態(tài)的系統(tǒng)優(yōu)先，處于近似空閑狀態(tài)的系統(tǒng)次之，最后是處于其他任務(wù)狀態(tài)的系統(tǒng)。不同任務(wù)適合度條件下，以系統(tǒng)狀態(tài)為主導(dǎo)進(jìn)行任務(wù)配置，如：對于處于近似空閑狀態(tài)且任務(wù)適合度高的系統(tǒng)和處于空閑狀態(tài)但任務(wù)適合度低的系統(tǒng)，盡管后者的任務(wù)適合度低于前者，但由于后者處于空閑狀態(tài)，前者處于近似空閑狀態(tài)，在配置任務(wù)時(shí)后者優(yōu)先。當(dāng)系統(tǒng)數(shù)量滿足任務(wù)執(zhí)行所需的最少系統(tǒng)數(shù)量時(shí)，任務(wù)配置過程結(jié)束。

任務(wù)配置和任務(wù)前準(zhǔn)備工作結(jié)束后，即進(jìn)入執(zhí)行階段。任務(wù)執(zhí)行過程如圖5所示。系統(tǒng)在1次任務(wù)中可能會(huì)出現(xiàn)故障，當(dāng)任務(wù)結(jié)束后系統(tǒng)即進(jìn)入周轉(zhuǎn)階段，以確定系統(tǒng)是否發(fā)生了故障：對于失效系統(tǒng)將進(jìn)行送修，這樣就產(chǎn)生了維修任務(wù)；對于未失效系統(tǒng)將被送回任務(wù)單元等待執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。根據(jù)維修保障策略，系統(tǒng)既可在任務(wù)單元所在站點(diǎn)維修，也可在其他保障站點(diǎn)維修。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型描述各功能單元之間的層次關(guān)系，包括裝備- 子系統(tǒng)- 單元之間的數(shù)量和從屬關(guān)系，以及子單元與父單元的運(yùn)行比、環(huán)境影響因子等。航空地面空調(diào)車主要由電源動(dòng)力系統(tǒng)、通風(fēng)氣源系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，各部分又由眾多基本單元組成，如此層層分解可得航空地面空調(diào)車的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，依據(jù)航空地面空調(diào)車各單元的基本特性，基本單元可分為以下6類[9]：

1) 現(xiàn)場可更換單元(Line Replaceable Unit，LRU)，在系統(tǒng)上可直接修理或更換；

2) 站點(diǎn)可更換單元(Station Replaceable Unit， SRU)，在維修站點(diǎn)可修或更換；

3) 現(xiàn)場部分可修單元(Partial Repairable Unit，PRU)，在系統(tǒng)上部分可修或更換后具有一定的修復(fù)概率；

4) 站點(diǎn)部分可修單元(Station Partial Repair-able Unit，SPRU)，在維修站點(diǎn)部分可修或更換后具有一定的修復(fù)概率；

5) 現(xiàn)場可報(bào)廢單元(Discard Unit， DU)，在系統(tǒng)上不可修復(fù)；

6) 站點(diǎn)報(bào)廢單元(Discard Partial Uni t，DP)，從(部分)可修單元上直接更換的不可修件。

以各單元的裝機(jī)數(shù)量、故障率、維修時(shí)間、運(yùn)行比和環(huán)境影響因子等數(shù)據(jù)信息作為輸入，結(jié)合各子系統(tǒng)和組成單元之間的串、并聯(lián)關(guān)系，可定義裝備結(jié)構(gòu)模型。

2.3 維修活動(dòng)模型

2.3.1 修復(fù)性維修活動(dòng)模型

根據(jù)保障組織中各級維修站點(diǎn)的維修能力及備件儲(chǔ)存能力，可將其分為以下4類：

1) 保障現(xiàn)場(Operational Site，OS)，沒有備件，也沒有維修資源和備件庫存;

2) 倉庫(STORE，ST)，有備件庫存，但無修理能力；

3) 維修車間(Work Shop，WS)，具備維修能力，但沒有備件庫存；

4) 基地(DEPOT，DE)，可維修產(chǎn)品，也有備件庫存。

(4)

式中：n為維修站點(diǎn)數(shù)量。

設(shè)單元k在第r級維修站點(diǎn)修復(fù)的概率為Pk(x=r)，則

(5)

x為可能的維修級別數(shù)量，其分布函數(shù)

(6)

定義Hk(x)為單元k在第r級維修站點(diǎn)的累計(jì)修復(fù)比，可用來描述保障組織中各級站點(diǎn)的維修能力。對于最高級維修站點(diǎn)，其可修故障單元的累計(jì)修復(fù)比必然為1，這樣可避免出現(xiàn)可修故障單元無法修復(fù)的問題。

對于航空地面空調(diào)車中的不可更換單元，可通過直接原位維修或更換下級故障單元進(jìn)行修復(fù)，其修復(fù)過程如圖6所示[9]。但不論采用何種維修方式，都有時(shí)間和資源需求，可能會(huì)出現(xiàn)因多個(gè)單元同時(shí)提出維修需求而導(dǎo)致資源競爭的情況，因此仿真時(shí)，應(yīng)設(shè)定當(dāng)保障資源有限時(shí)維修耗時(shí)最短的作業(yè)具有優(yōu)先調(diào)用權(quán)。

2.3.2 預(yù)防性維修活動(dòng)模型

影響預(yù)防性維修活動(dòng)的關(guān)鍵因素主要是預(yù)防性維修間隔時(shí)間和預(yù)防性維修周轉(zhuǎn)時(shí)間。其中：預(yù)防性維修間隔時(shí)間可采用裝備運(yùn)行時(shí)間、執(zhí)行任務(wù)次數(shù)和日歷時(shí)間3種方式來確定[11]，航空地面空調(diào)車的預(yù)防性維修一般根據(jù)日歷時(shí)間展開，且由于受保障任務(wù)的影響，實(shí)際的預(yù)防性維修間隔時(shí)間一般在使用維護(hù)手冊規(guī)定的間隔時(shí)間點(diǎn)上下浮動(dòng)。為提高預(yù)防性維修作業(yè)的靈活性，仿真時(shí)為各作業(yè)項(xiàng)目設(shè)置最大允許前拓比Df和最大允許滯后比Da。

圖7為預(yù)防性維修任務(wù)執(zhí)行時(shí)間構(gòu)成。

可以看出：若在首次預(yù)防性維修開始時(shí)，系統(tǒng)處于不執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)，則系統(tǒng)預(yù)防性維修時(shí)間被提前；若仿真運(yùn)行至預(yù)防性維修規(guī)定的開始時(shí)間，而系統(tǒng)處于執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)，但能在最后一次預(yù)防性維修開始之前結(jié)束，則系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，預(yù)防性維修任務(wù)推后執(zhí)行[12]。

設(shè)TM為規(guī)定的預(yù)防性維修周轉(zhuǎn)時(shí)間，te為規(guī)定的開始時(shí)間，則航空地面空調(diào)車預(yù)防性維修作業(yè)實(shí)際開始時(shí)間

Te=te-DfTM或Te=te-DfTM+Tme，

(7)

式中：Tme為預(yù)防性維修任務(wù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)間，te-DfTM≤Tme≤te+DaTM。

2.4 使用可用度仿真統(tǒng)計(jì)模型

在仿真過程中，設(shè)TMi為第i個(gè)任務(wù)的要求執(zhí)行時(shí)間，Mi為第i個(gè)任務(wù)序列，i=1,2,…，n;Tsi為實(shí)際任務(wù)執(zhí)行時(shí)間;任務(wù)成功點(diǎn)為α(0<α≤1)，則只有當(dāng)Tsi≥αTMi時(shí)，第i個(gè)任務(wù)才會(huì)被記錄為成功[6]。如果在任務(wù)執(zhí)行過程中因系統(tǒng)故障而導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行時(shí)間未達(dá)到αTMi，則第N次仿真的任務(wù)累計(jì)時(shí)間將疊加到第i-1個(gè)任務(wù)執(zhí)行完成時(shí)刻，第N次仿真任務(wù)累計(jì)時(shí)間為

(8)

式中：NT為仿真總次數(shù)。

由此可得航空地面空調(diào)車使用可用度(Ao)的仿真統(tǒng)計(jì)模型為

(9)

3 仿真原理與流程

航空地面空調(diào)車使用可用度仿真評估著眼于裝備的可靠性、維修性和保障性，從保障任務(wù)出發(fā)，利用蒙特卡羅法模擬航空地面空調(diào)車的任務(wù)、故障和維修等事件，以航空地面空調(diào)車的基本數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、保障組織及保障資源數(shù)據(jù)等為輸入，根據(jù)任務(wù)剖面、維修活動(dòng)和系統(tǒng)狀態(tài)等，統(tǒng)計(jì)輸出使用可用度仿真結(jié)果。其仿真原理和仿真流程分別如圖8、9所示。

4 算例

裝備使用可用度評估多以基本保障單元(由一定數(shù)量的同型裝備及其保障資源所構(gòu)成的，能夠執(zhí)行預(yù)定保障任務(wù)的軍事單位)為研究對象[11]，通過計(jì)算基本保障單元的使用可用度，折算得到單裝的使用可用度。本文實(shí)例驗(yàn)證部分以單裝為研究對象，但任務(wù)次數(shù)、單次任務(wù)時(shí)間和裝備故障率等是基于基本保障單元的實(shí)際保障過程統(tǒng)計(jì)得到的，已經(jīng)依據(jù)裝備數(shù)量進(jìn)行了折算處理。以K型空調(diào)車為例，其由K-01、K-02、K-03和K-04四個(gè)子功能系統(tǒng)組成，利用所建立的模型對其使用可用度進(jìn)行評估。

4.1 輸入數(shù)據(jù)與仿真參數(shù)設(shè)置

仿真所需的任務(wù)數(shù)據(jù)、任務(wù)剖面數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)、保障組織及資源數(shù)據(jù)分別如表1-4所示。

表1 任務(wù)數(shù)據(jù)

表2 任務(wù)剖面數(shù)據(jù)

表3 基本數(shù)據(jù)

表4 保障組織及資源數(shù)據(jù)

仿真參數(shù)設(shè)置如下：

1) 仿真周期87 600 h(10 a)；

2) 仿真次數(shù)100次；

3) 初始隨機(jī)種子數(shù)(RSEED)123 456 789；

4) 預(yù)防性維修間隔時(shí)間前拓比20%；

5) 預(yù)防性維修間隔時(shí)間滯后比10%；

6) 結(jié)果收集間隔期24 h。

4.2 仿真結(jié)果

K型空調(diào)車服役后的使用可用度隨時(shí)間變化的情況如圖10所示，仿真周期內(nèi)使用可用度累計(jì)結(jié)果如圖11所示。

可以看出：裝備整體使用可用度呈下降趨勢，這與實(shí)際是相吻合的，因?yàn)殡S著裝備服役年限的增長，組件逐漸磨損老化，裝備故障率和維修頻率增大，由此導(dǎo)致裝備使用可用度降低。

根據(jù)圖11中的數(shù)據(jù)和式(3)，可得仿真周期內(nèi)K型空調(diào)車使用可用度

仿真周期內(nèi)K型空調(diào)車的狀態(tài)仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯觯撼巳蝿?wù)執(zhí)行和任務(wù)準(zhǔn)備2種狀態(tài)，影響K型空調(diào)車使用可用度的主要因素是備件短缺，這與實(shí)際調(diào)研結(jié)果也是相符的。

K型空調(diào)車各級保障站點(diǎn)備件短缺情況仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13所示。可以看出：備件短缺集中體現(xiàn)在站點(diǎn)1和站點(diǎn)2。經(jīng)調(diào)研了解到，站點(diǎn)1的備件庫存主要是K型空調(diào)車服役時(shí)配備的，所配備的備件主要是少數(shù)關(guān)鍵部件，站點(diǎn)2是備件中轉(zhuǎn)單位，基本無備件庫存，主要負(fù)責(zé)備件的周轉(zhuǎn)與調(diào)配工作。由此可知，若要提高K型空調(diào)車的使用可用度，需提高站點(diǎn)1和站點(diǎn)2的備件庫存水平，以減少備件等待時(shí)間。

5 結(jié)論

筆者從任務(wù)出發(fā)，綜合考慮維修、保障組織及資源等因素，對航空地面空調(diào)車的使用可用度進(jìn)行建模仿真研究，通過實(shí)例驗(yàn)證了模型的可行性。仿真結(jié)果較好地反映了航空地面空調(diào)車使用可用度隨服役年限的變化情況及主要影響因素，可為裝備的使用管理提供決策參考。但與K型空調(diào)車的實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況相比，仿真數(shù)值稍偏理想化，主要有以下3個(gè)原因：1) 航空地面空調(diào)車為自行式保障裝備，整車分為車體部分和特設(shè)部分，建模重點(diǎn)放在了特設(shè)部分，對車體部分僅作了粗略描述；2) 建模時(shí)未考慮維修人員的在位率，仿真過程默認(rèn)裝備或故障件運(yùn)轉(zhuǎn)到維修站點(diǎn)一定有人員進(jìn)行維修作業(yè)；3) 裝備在上級站點(diǎn)進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)，可能存在排隊(duì)等候的情況，由于這種情況的不確定性，仿真過程默認(rèn)裝備到達(dá)維修站點(diǎn)便可開展預(yù)防性維修作業(yè)。下一步需要對模型中未考慮的影響因素進(jìn)行深入研究，以使結(jié)果更貼合裝備的使用保障實(shí)際。