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        基于OpenBlock的飛行訓練維修經(jīng)費仿真系統(tǒng)設計

        2013-12-31 07:09:28嚴盛文劉曉東
        裝備學院學報 2013年3期
        關(guān)鍵詞:大修列表決策

        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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