王進(jìn)才

（陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載設(shè)備系，北京 101123）

1 引言

武器系統(tǒng)的可用度是軍用直升機(jī)保障性的重要參數(shù)之一，綜合地反映了直升機(jī)的可靠性、維修性和保障性，是對(duì)直升機(jī)可工作狀態(tài)的綜合描述[1]。實(shí)際上，對(duì)于使用可用度的計(jì)算很難單純地以數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)加以描述，而僅僅依靠主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定又容易受人為因素的影響。但是，如果依靠實(shí)際驗(yàn)證來(lái)估算，又會(huì)耗費(fèi)太多的人力、物力和財(cái)力。因此，借助仿真模型就要科學(xué)且方便得多，并能通過(guò)改變相關(guān)的變量，可生成不同的模擬結(jié)果，以供決策參考。

文中作者采用系統(tǒng)仿真方法，利用計(jì)算機(jī)仿真語(yǔ)言來(lái)構(gòu)建武器裝備可用性與維修保障的仿真模型。以直升機(jī)為研究對(duì)象，探討當(dāng)維修資源 （零部件、維修人力、維修時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間）受限時(shí)，其可用性的變化情形，以提供相關(guān)決策的參考。

2 系統(tǒng)可用性

如何確保復(fù)雜的武器裝備發(fā)揮出應(yīng)用的效能以及如何度量其質(zhì)量的優(yōu)劣，一直是武器裝備研發(fā)、維修和使用部門所關(guān)心的問(wèn)題。綜合來(lái)看，可用性代表了武器裝備在壽命周期內(nèi)可立即投入使用的概率[2]?？捎眯缘亩勘磉_(dá)就是可用度，可作為完好性 (Readiness)的指標(biāo)，以概率值來(lái)評(píng)估任務(wù)需要時(shí)某個(gè)系統(tǒng)可用的程度?？捎眯钥煞譃橄铝?種：

a） 固有可用性 （Inherent Availability）

當(dāng)系統(tǒng)在僅考慮修復(fù)性維修 （Corrective Maintenance）的理想支持條件下，而能滿足在某特定時(shí)刻系統(tǒng)可正常運(yùn)行的概率，被稱為固有可用性。其數(shù)學(xué)式可表示如下：

式 （1）中：MTBF——平均失效間隔；

MCT（或MTTR）——平均修復(fù)性維修時(shí)間。

這里所提到的理想支持環(huán)境是指保障延遲時(shí)間與行政延遲時(shí)間均為零的狀況。

b） 可達(dá)可用性 （Achieved Availability）

當(dāng)系統(tǒng)在同時(shí)考慮修復(fù)性維修及預(yù)防性維修（PM）的理想支持環(huán)境下，而能滿足在某特定時(shí)間系統(tǒng)可開(kāi)始正常功能操作的概率，被稱為有效可用性。其數(shù)學(xué)式可表示如下：

式 （2）中：MTBM——平均維修間隔；

M——平均有效 （即修復(fù)性與預(yù)防性）維修時(shí)間。

c） 使用可用性 （Operational Availability）

當(dāng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)作環(huán)境及指定狀況條件下，因任務(wù)需要，而能滿足在某特定時(shí)間，系統(tǒng)可開(kāi)始正常功能操作的概率，被稱為使用可用性。其數(shù)學(xué)表示如下：

式 （3）中：MDT——平均維修與停頓時(shí)間，表示因執(zhí)行有效維修及消耗于無(wú)效維修 （如保障等待及行政延遲）的平均時(shí)間值。

3 模型的建立與仿真

3.1 基本想定

a）某一單發(fā)動(dòng)機(jī)直升機(jī)中隊(duì)準(zhǔn)備換裝

該單位首次使用的改進(jìn)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，如果測(cè)試換裝情況良好，則其余中隊(duì)也將換裝此種發(fā)動(dòng)機(jī)。測(cè)試在地面進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)不造成重大的飛行安全問(wèn)題。

b）因該型直升機(jī)的機(jī)體與航電設(shè)備經(jīng)多年使用，結(jié)果證明其可靠度高，所以文中假設(shè)直升機(jī)故障的原因均因發(fā)動(dòng)機(jī)故障所致。

c）發(fā)生故障的發(fā)動(dòng)機(jī)由維修分隊(duì) （MSRD，Mobile Servicing and Repair Detachment）執(zhí)行拆卸工作，并以備用的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行替換。

d）故障的發(fā)動(dòng)機(jī)一經(jīng)拆卸即送往修理廠，并由其專業(yè)工程師進(jìn)行維修；而維修分隊(duì)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的維修工作內(nèi)容只限于拆卸及安裝作業(yè)。

e）直升機(jī)中隊(duì)編配十架同型直升機(jī)，外加二臺(tái)備用發(fā)動(dòng)機(jī)。

f）直升機(jī)中隊(duì)只編配一個(gè)維修分隊(duì)，而維修分隊(duì)不論在執(zhí)行拆卸或安裝發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)時(shí)，其作業(yè)時(shí)間均要求為0.5個(gè)工作日，并且為了提升直升機(jī)中隊(duì)的可用性，安裝正常發(fā)動(dòng)機(jī)的作業(yè)應(yīng)優(yōu)先于拆卸故障的發(fā)動(dòng)機(jī)。

g）發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠將設(shè)置多個(gè)維修小組 （由專業(yè)工程人員組成），而每一維修小組同一時(shí)間只能維修一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，維修小組的維修或保養(yǎng)時(shí)間符合均勻概率分布。

h）不論是將失效的發(fā)動(dòng)機(jī)送至制造廠或制造廠將維修好的發(fā)動(dòng)機(jī)送回機(jī)動(dòng)維修分隊(duì)均需0.5個(gè)工作日，并假設(shè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)絕對(duì)可靠。

i）研究的目的是在直升機(jī)中隊(duì)，使用可用性（AO）保持7架以上的概率在80%以上的條件下，各項(xiàng)保障資源均經(jīng)濟(jì)可行。

3.2 模型的構(gòu)建

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的失效數(shù)據(jù)記錄 （限于論文篇幅具體數(shù)據(jù)未在文中給出），采用Matlab仿真語(yǔ)言，將上述的想定模型寫成計(jì)算機(jī)程序，以構(gòu)建符合仿真的模型[3]。相關(guān)的作業(yè)流程圖如圖1所示。

圖1 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)維修作業(yè)流程圖

文中模擬初始條件如下：

1）直升機(jī)中隊(duì)有十架直升機(jī)；

2）所有直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的失效時(shí)間均依表1的數(shù)據(jù)隨機(jī)發(fā)生；

3）二具供周轉(zhuǎn)用的備用發(fā)動(dòng)機(jī)均為正?？捎?，且均尚未被使用；

4）假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠的維修小組現(xiàn)編制為三個(gè)組；

5）維修分隊(duì)MSRD及三組制造廠的維修小組均處于閑置狀態(tài)；

6）在模擬中，分別針對(duì)維修保障資源及仿真時(shí)間長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)作不同程度的改變，并進(jìn)行多次的模擬實(shí)驗(yàn)，以了解個(gè)別變化對(duì)直升機(jī)中隊(duì)可用性的影響。

3.3 仿真程序的結(jié)構(gòu)

本文仿真程序分成五個(gè)部分：

a）程序模塊

包含GENERATOR、CYCLE、FAIL、REPAIR四個(gè)過(guò)程以及一個(gè)QUEUE集合、并分別針對(duì)相關(guān)的全局變量及屬性給出明確的定義。

b） 主程序 （MAIN）

用來(lái)控制仿真的起始、進(jìn)程與結(jié)束，每次均將作業(yè)時(shí)間歸零，啟動(dòng)GENERATOR PROCESS，并在模擬結(jié)束后輸出模擬的結(jié)果。

c） 過(guò)程 （PROCESS）

其中，GENERATOR負(fù)責(zé)產(chǎn)生每架直升機(jī)初次故障的時(shí)間；CYCLE負(fù)責(zé)產(chǎn)生每架直升機(jī)下一次發(fā)生故障的時(shí)間；FAIL負(fù)責(zé)控制整個(gè)直升機(jī)的完好程度；REPAIR則是負(fù)責(zé)控制整個(gè)維護(hù)過(guò)程。

d）集合 (QUEUE)

該集合是排隊(duì)等候安裝備用發(fā)動(dòng)機(jī)然后恢復(fù)直升機(jī)的完好狀態(tài)。

e）子程序 (SUBROUTINE)

子程序SUBROUTINE，主要功能是判別是否有備用發(fā)動(dòng)機(jī)可安裝于故障的直升機(jī)上。如果當(dāng)前無(wú)備用發(fā)動(dòng)機(jī)，則將該非正常的直升機(jī)置入QUEUE集合內(nèi)等候處理。

3.4 結(jié)果分析

a）在前述的想定資料及計(jì)算機(jī)仿真下，直升機(jī)中隊(duì)保持七架以上的可用性為84.49%；如果改變備用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量為10臺(tái)、維修小組為2組再進(jìn)行模擬，則上述可用性驟降為66.29%。接下來(lái)的b）至h）是文中針對(duì)保障資源及模擬時(shí)間發(fā)生改變后再進(jìn)行仿真以揭示對(duì)完好率的影響。

b）由圖2可以很清楚地看到，當(dāng)維修分隊(duì)增加后，直升機(jī)中隊(duì)保有7架以上的可用性僅能提升約千分之幾，甚至維修分隊(duì)增加到4個(gè)以上，可用性幾乎沒(méi)有明顯的增加，由此可知維修分隊(duì)的數(shù)量對(duì)提高直升機(jī)可用性并無(wú)顯著的影響。

圖2 直升機(jī)架數(shù)對(duì)可用性的影響

c）由圖3可以清楚地看出，發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠的維修小組數(shù)量在一至四組間，每增加一組均能大幅提升直升機(jī)的可用性，但在第五組以后，卻明顯地呈現(xiàn)停滯的現(xiàn)象。

圖3 維修小組數(shù)量的改變對(duì)直升機(jī)中隊(duì)可用性的影響

d）由圖4可以了解到，中隊(duì)所保有的備用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量在一至四臺(tái)間，增加一臺(tái)，直升機(jī)的可用性均有明顯的提升，但是到第五臺(tái)以上，卻無(wú)顯著地提升直升機(jī)的可用性。

圖4 更換備用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)直升機(jī)可用性的影響

e）由圖5可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠維修小組的維護(hù)時(shí)間在其概率分布的上限值變化下，其可用性的曲線呈現(xiàn)明顯的變化，可見(jiàn)對(duì)可用性的影響是具有決定性的作用。

圖5 維修時(shí)間均勻分布上界值的改變對(duì)直升機(jī)可用性的影響

f）由圖6可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)輸時(shí)間原為0.5天，變化后，直升機(jī)中隊(duì)的可用性也有緩慢的變化。

圖6 運(yùn)輸時(shí)間的改變對(duì)直升機(jī)中隊(duì)可用性的影響

g）由圖7可以發(fā)現(xiàn)，維修分隊(duì)的作業(yè)時(shí)間（發(fā)動(dòng)機(jī)拆卸與安裝）原為0.5天，變化后，直升機(jī)中隊(duì)的可用性雖呈緩慢的變化，但在極端值下，可用性的變化相當(dāng)明顯。

圖7 維修作業(yè)分隊(duì)MSRD作業(yè)時(shí)間的改變對(duì)直升機(jī)中隊(duì)可用性的影響

h）由圖8可以清楚地發(fā)現(xiàn)，模擬時(shí)間越長(zhǎng)，直升機(jī)中隊(duì)的可用性就越呈現(xiàn)收斂的狀態(tài)，代表可用性逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 模擬時(shí)間對(duì)直升機(jī)中隊(duì)可用性的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文中所建立的武裝直升機(jī)可用性仿真模型與分析可知，直升機(jī)的原有性能，如故障率、可靠度、維修度，雖然可以決定直升機(jī)在使用中的可用性，但是，如果相關(guān)的保障資源能夠配合適當(dāng)，對(duì)于可用性的提升就將會(huì)有很大的幫助。其中發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠的維修人力數(shù)量及維護(hù)時(shí)間均勻分布的上限值對(duì)于直升機(jī)中隊(duì)可用性的影響最大。在資源有限的情況下，決策者應(yīng)考慮在這兩個(gè)方面優(yōu)先分配置充足的資源，這將會(huì)明顯地提升直升機(jī)系統(tǒng)的整體效能。另外，武器系統(tǒng)在服役階段，如能完整地收集分析各項(xiàng)操作、維護(hù)和補(bǔ)給等信息，就有利于發(fā)揮武器系統(tǒng)的作用。

當(dāng)然，限于武器系統(tǒng)各項(xiàng)保障資源參數(shù)與操作模型的資料不易獲得，所以研究的模型未能將成本因素、武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、維修級(jí)別、維修人力、零附件供給、維修設(shè)備數(shù)量、測(cè)試設(shè)備數(shù)量、甚至作戰(zhàn)需求納入模型考慮范疇，這些是今后進(jìn)一步研究時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加以考慮的問(wèn)題。

[1] 劉冰，朱小冬，王小魏.裝備戰(zhàn)備完好性的模型預(yù)測(cè)研究 [J].兵工自動(dòng)化，2005，24（3）：8-9.

[2] 莊景釗.直升機(jī)飛行性能和可靠性的仿真與評(píng)估研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2002.

[3] 袁立峰，王浚.可靠性數(shù)字仿真方法及其應(yīng)用 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005，23（2）：17-20.