王 強， 嚴盛文， 劉曉東

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

隨著航空裝備現(xiàn)代化水平不斷提高，特別是三代機大量裝備部隊，飛行訓練維修經(jīng)費的需求越來越大，供需矛盾日顯突出。飛行訓練維修經(jīng)費的粗放型經(jīng)驗管理模式缺乏定量預測方法，與裝備精確保障要求存在差距［1］。飛機維修經(jīng)費計劃管理關(guān)心的是維修經(jīng)費總額（重點是維修器材費和大修費）、總的飛行時間和裝備總體的完好率，屬于戰(zhàn)略層次的問題。以往研究的微觀預測模型由于缺乏對裝備維修流程的全面考慮，難以為管理部門提供精確決策。基于仿真的技術(shù)能夠描述飛行訓練維修經(jīng)費產(chǎn)生與消耗過程中的諸多不確定因素［2－3］，避免了嚴格數(shù)學形式和定量分析難以實現(xiàn)的問題［4］。

文中首先研究裝備數(shù)據(jù)管理方法，構(gòu)建飛行訓練維修保障基本模型，采用過程的形式化描述［5］和統(tǒng)計平均值方法，對維修經(jīng)費這一復雜消耗過程進行抽象描述；然后基于框圖建模［6］和柔性建模環(huán)境OpenBlock［7］設計仿真模型，進行維修經(jīng)費仿真系統(tǒng)設計［8－11］，為飛行訓練維修經(jīng)費計劃提供量化支持，以提高維修經(jīng)費使用效益，達到保障有力的目的。

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，特別當模塊以仿真物理設備的圖標再現(xiàn)時，此時模塊的描述形式就叫做框圖。要實現(xiàn)一個基本的功能模型，需要為模塊網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點設置一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由一套輸入、一個轉(zhuǎn)換裝置和一套簡單的輸出來描述。當單個圖形節(jié)點與圖形中的其他節(jié)點相連接的時候，通過計算每個節(jié)點的當前輸入得到輸出結(jié)果值來對模型進行仿真，然后在指定的仿真時間內(nèi)重復這個過程。面向框圖的仿真模型執(zhí)行機制如圖1所示。

圖1 面向框圖的仿真模型執(zhí)行機制

框圖建模方法強調(diào)從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，以及模型對象內(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。建模時只需將模塊類實例化，并按一定的關(guān)系將各個模塊連接起來，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)境是國防科學技術(shù)大學開發(fā)的一個柔性仿真建模環(huán)境，它是采用JDK1.2開發(fā)環(huán)境設計和實現(xiàn)的一個開放性很強的、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。

本文借助這個平臺，按照OpenBlock的框圖模塊規(guī)范，通過對OpenBlock二次開發(fā)，實現(xiàn)裝備維修經(jīng)費仿真系統(tǒng)的建模。

2 維修經(jīng)費仿真系統(tǒng)設計

用柔性仿真環(huán)境OpenBlock建模，進行飛行訓練維修經(jīng)費計劃管理系統(tǒng)設計，系統(tǒng)詳細功能結(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個基本組件。

圖2 飛行訓練維修經(jīng)費計劃管理系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 裝備數(shù)據(jù)管理組件

維修經(jīng)費仿真中的數(shù)據(jù)主要包括不同部隊的飛行訓練任務、飛機狀態(tài)數(shù)據(jù)、各類維修器材的可靠性和價格數(shù)據(jù)等，是整個系統(tǒng)運行基礎，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)系復雜，具有層次化、非結(jié)構(gòu)化等特點。為確保系統(tǒng)繼承性和仿真結(jié)果可追溯性，采用標準化數(shù)據(jù)管理方法對裝備數(shù)據(jù)及其使用信息進行分類管理，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，減少仿真復雜度。設計中 以 可 擴 展 標 記 語 言（extensible markup language，XML）為標準進行裝備數(shù)據(jù)管理。將飛行訓練維修經(jīng)費分析所涉及的每一個對象及其主要性能參數(shù)指標數(shù)據(jù)定義為一個列表。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ο蠹捌渥陨淼臄?shù)據(jù)是獨立的，不引用其他對象的數(shù)據(jù)，其內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系相對比較簡單；關(guān)聯(lián)列表指對象及其自身的數(shù)據(jù)可能不獨立，存在引用其他對象的數(shù)據(jù)，當引用對象的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，它自身的數(shù)據(jù)也要隨之發(fā)生變化。比如，當一個基本列表中的對象刪除時，則要刪除所有引用此基本列表對象的關(guān)聯(lián)列表中所有相應數(shù)據(jù)，以保證整個數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。如圖3是包括部隊、飛機類型、部隊飛機和保障活動列表等的關(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、設置來建立飛機維修保障過程仿真模型。根據(jù)飛機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實體、決策活動、各種保障活動和統(tǒng)計等。

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

飛機實體是維修保障過程仿真的基本構(gòu)成要素，每個飛機實體產(chǎn)生于實體生成模塊，隨著仿真時鐘的推進在不同的活動節(jié)點流動，直到仿真結(jié)束。

狀態(tài)對象包括各個活動處理模塊的狀態(tài)信息，如處理時間、費用值、故障數(shù)量和類型等用于分析的統(tǒng)計參數(shù)。仿真結(jié)束后，利用計算模塊統(tǒng)計仿真實驗數(shù)據(jù)得到指標值。

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間片的時間調(diào)度方法進行過程仿真。它需要通過相應的實驗設置（時間、步長、數(shù)據(jù)存儲和表現(xiàn)等）驅(qū)動這些模型進行仿真試驗，并為統(tǒng)計分析準備仿真數(shù)據(jù)。

2.4 仿真數(shù)據(jù)管理及實時顯示組件

在過程仿真中，需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方法對仿真產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行管理。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)管理還應可以通過圖標和曲線的方式顯示和分析相應的仿真數(shù)據(jù)。

2.5 過程追溯組件

過程追溯可以復現(xiàn)仿真過程，即記載整個仿真過程中的飛行活動和各類維修保障活動的運行狀態(tài)，供追溯組件調(diào)用，以重現(xiàn)整個仿真過程。通過過程追溯，可對整個仿真過程進行全面分析，更加直觀地分析和研究各項費用產(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仿真運行中數(shù)據(jù)的保存和實時顯示；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)計數(shù)據(jù)，并對費用消耗情況進行分析。采用集成化的仿真結(jié)果評估組件自動完成數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計和分析功能。通過結(jié)果分析，分析人員可以了解各項費用產(chǎn)生的詳細原因。仿真結(jié)果分析組件主要包括：單架飛機仿真結(jié)果分析、多架（部隊機群）仿真結(jié)果分析。

3 維修經(jīng)費仿真基本模型構(gòu)建

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

圖4 飛機飛行訓練維修保障過程的基本模型

仿真開始后，首先由實體生成模塊生成飛機實體對象，并流入決策模塊，由決策模塊決定各項處理過程。決策模塊根據(jù)實體對象的當前狀態(tài)、年度飛行計劃等決策信息，確定飛機實體對象應流向哪項處理過程（如飛行日、維修日、專檢、周檢和大修等活動）。在每一項具體活動中，應檢查是否有故障發(fā)生，有則統(tǒng)計費用和時間等信息。某項活動完成后，飛機實體再流回決策模塊，重新判斷飛機實體應該進行哪項處理過程，直到飛行任務完成或者仿真時間結(jié)束為止。仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊統(tǒng)計仿真實驗數(shù)據(jù)得到指標值。

下面分別對飛行計劃生成、決策、大修、飛行前檢查和定檢（包括特檢、定檢、維護日和周檢）模塊進行建模。

3.1 基于動態(tài)梯次控制的飛行計劃生成

仿真一開始，根據(jù)總飛行時間和仿真長度生成年度飛行計劃，年度飛行計劃確定出仿真區(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)飛機的使用狀態(tài)，按照梯度控制思想有選擇性地挑選飛機進行飛行，被選擇的飛機動態(tài)調(diào)整自身的相關(guān)信息。同時，在仿真過程中，飛行日可以進行動態(tài)調(diào)整，以保證部隊的完好率要求。

3.2 決策模型

決策模塊主要任務是：按照部隊實際情況，協(xié)調(diào)并安排飛機的各種保障活動，以完成仿真跨度內(nèi)的飛行總?cè)蝿眨?1］。其決策流程和算法如圖5所示，其中每一個方框代表一種保障活動。

在決策模塊判斷飛機下一個保障活動時，不同的保障活動有不同的優(yōu)先級。大修和特檢優(yōu)先級最高，因為當飛機總的飛行時間達到閥值時，必須大修或特檢；其次是飛行活動，如果仿真當前時刻是飛行日則不安排周檢或維修日活動等保障活動。

圖5 決策模塊功能流程圖

圖5中List為飛機隊列，仿真中根據(jù)想定設置的維修日、專檢、周檢、定檢、大修等活動的持續(xù)時間（或分布規(guī)律）按照設定規(guī)則進行決策。如飛機到壽規(guī)則如下：

計算飛機剩余壽命，List［i］.TotaFlyHour≥Ts時，則飛機到壽進行報廢，并需從隊列中移除，其中Ts為到壽閾值，TotalFlyHour為總飛行時間。

決策模型在仿真過程中動態(tài)調(diào)整飛行計劃，負責將飛機實體按照決策規(guī)則發(fā)送到各保障活動節(jié)點，并接收從各保障節(jié)點返回的飛機實體。

3.3 大修模型

大修包括飛機大修和發(fā)動機大修，決策模塊掃描飛機列表PlaneList和發(fā)動機列表Engine－List，判斷大修類型。令TDp為飛機大修規(guī)定時間，當飛機i滿足PlaneList［i］.Date≥TDp時進行飛機大修；令TDe為發(fā)動機大修規(guī)定時間，當發(fā)動機j滿足EngineList［j］.Date≥TDe時進行發(fā)動機大修。飛機大修時需停留較長時間，而發(fā)動機大修時，可在可用發(fā)動機列表中尋找合適發(fā)動機對飛機進行換發(fā)，更換后飛機繼續(xù)完成任務。大修時根據(jù)大修類型更新相應的飛機或發(fā)動機列表，同時根據(jù)想定設置記錄產(chǎn)生的相應費用和時間等。飛機完成大修后，修改飛機相應狀態(tài)，并返回飛機列表繼續(xù)進行仿真，發(fā)動機大修后存到發(fā)動機列表中等待使用。

3.4 飛行前檢查模型

飛行前檢查是指在飛機執(zhí)行任務前，檢查飛機是否完好，其模型算法如下：

FInputList表示某個飛行日需要執(zhí)行任務的飛機，F(xiàn)Data.m＿i MaxTime表示飛機不完好修復最大允許時間。

1）對每個飛機FInputList［i］判斷其是否完好；

2）當FInputList［i］不完好，判斷故障發(fā)生和排除時間FInputList［i］.usedTimes，如果FInputList［i］.usedTimes≥FData.m＿i MaxTime則用備用飛機替換該飛機完成飛行任務，并對故障飛機進行修復，修復后返回可用飛機列表中；

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

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

3.5 定檢模型

系統(tǒng)中的保障活動，如特檢、定檢、維護日、周檢等對應的保障模塊都可視為一個“工作臺”，接收到飛機實體后進行相應的維修保障活動，然后把飛機送回到?jīng)Q策模塊。

仿真中記錄單架飛機上次定檢時間，當決策模塊檢測到某架飛機到達定檢時間時，就將該飛機送入定檢模塊。定檢模塊根據(jù)零部件壽命分布函數(shù)為每架飛機的N個零部件隨機生成零部件故障發(fā)生時刻Ti（i＝1，2，…，N）。當零部件i的工作時間TWi滿足TWi＞Ti時，則零部件發(fā)生故障，對其進行維修，直到飛機所有零部件檢查并維修完成則將飛機返回決策模塊。

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

則對累積工作了時間TWi的零部件可以隨機抽樣生成。

4 維修經(jīng)費仿真案例分析

以某團為對象，進行年度飛行任務計劃與維修經(jīng)費仿真，首先按照部隊實力對飛機屬性、維修保障活動、故障分布函數(shù)和有壽機件等基本參數(shù)進行設置。保密起見文中不給出詳細數(shù)據(jù)。

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

圖6 總飛行時間和完好率隨時間變化曲線

圖7 3次仿真飛行時間

表1為設置總經(jīng)費置信度為0.975時的仿真結(jié)果。

表1 某團維修經(jīng)費仿真結(jié)果 萬元

通過對往年經(jīng)費情況對比分析和專家評定，認為仿真結(jié)果符合該團飛行訓練維修經(jīng)費實際情況。

5 結(jié) 論

本文從飛行訓練維修經(jīng)費管理實際現(xiàn)狀和存在問題出發(fā)，提出利用仿真技術(shù)描述飛行訓練維修經(jīng)費消耗過程的方法，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)境設計仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了維修經(jīng)費定量評價和分析。通過對某團年度維修經(jīng)費仿真，驗證了文中方法的有效性和實用性，解決了維修經(jīng)費難以精確預測的難題，提高了空軍飛行訓練維修經(jīng)費計劃管理的前瞻性和決策的準確性。

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