蘇明，王守敏

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

軍用飛機戰(zhàn)備值班能力是衡量裝備實際戰(zhàn)斗力的重要標志，是在編裝備戰(zhàn)斗力的體現(xiàn)，其高低在一定程度上決定了裝備執(zhí)行任務(wù)的能力[1]。國外軍方十分重視作戰(zhàn)值班能力，建立了專門的作戰(zhàn)能力信息系統(tǒng)，用于收集裝備使用中的作戰(zhàn)值班能力信息，為發(fā)現(xiàn)和改進作戰(zhàn)值班能力的缺陷提供幫助，實現(xiàn)提升作戰(zhàn)值班能力的目標[2～5]。在F-35項目中，美軍成立的JSF型號辦公室制定的聯(lián)合使用要求文件（JORD）中規(guī)定了6個決定項目成敗的關(guān)鍵參數(shù)，其中一個即為作戰(zhàn)值班能力[6]。長期以來，國內(nèi)對軍用飛機作戰(zhàn)能力研究方面的工作還沒有完全開展起來，仍主要集中于軍用飛機的技術(shù)性能、空戰(zhàn)與對地攻擊的各種戰(zhàn)術(shù)，而忽略了作戰(zhàn)值班能力這一關(guān)鍵因素對作戰(zhàn)能力的影響。因此，如何構(gòu)建合適的評估方法對軍用飛機作戰(zhàn)值班能力進行評估，從而發(fā)現(xiàn)制約軍用飛機作戰(zhàn)值班能力的關(guān)鍵因素，提高軍用飛機的實際戰(zhàn)斗力，成為亟待解決的問題。

本文通過分析軍用飛機作戰(zhàn)值班能力的影響因素，建立了作戰(zhàn)值班能力的評估模型，并進行了仿真評估，驗證了所提出的分析方法的可行性，為后續(xù)軍用飛機型號開展作戰(zhàn)值班能力評估提供參考和借鑒。

1 影響因素分析

《北約可靠性與維修性要求文件編寫指南》（ARMP-4）及AGARD對作戰(zhàn)值班能力的定義是：在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時，軍用飛機處于可用狀態(tài)的程度，即作戰(zhàn)值班能力是指軍用飛機在接到作戰(zhàn)或訓(xùn)練命令，在規(guī)定時間內(nèi)時響應(yīng)作戰(zhàn)或訓(xùn)練任務(wù)的能力。軍用飛機的作戰(zhàn)值班能力受多個因素的影響，主要包括三大類：

（1）軍用飛機系統(tǒng)的構(gòu)成及其可靠性、維修性參數(shù)，包括裝備系統(tǒng)的構(gòu)成方式、組成裝備系統(tǒng)的各單元的可靠性參數(shù)、裝備各組成部分的維修性等。若設(shè)計的可靠性水平不高，則在實際使用中裝備就會故障頻出，影響裝備的使用和干擾任務(wù)的執(zhí)行，使得作戰(zhàn)值班能力低下。

（2）軍用飛機保障系統(tǒng)的屬性。裝備投入使用就需維修保障，產(chǎn)生修理時間、保障延誤時間等。修理時間是指實施修復(fù)性維修所用的時間，反映了可靠性、維修性設(shè)計對作戰(zhàn)值班能力的影響；延誤時間反映了保障系統(tǒng)的屬性（如保障體制等）對作戰(zhàn)值班能力的影響，多由備件延誤引起。

（3）軍用飛機系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)信息，包括任務(wù)的持續(xù)時間、裝備系統(tǒng)的任務(wù)強度和單次任務(wù)的執(zhí)行時間等。

由此可見，軍用飛機的作戰(zhàn)值班能力與其可靠性、維修性、保障性及具體的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)具有緊密的聯(lián)系，可以利用軍用飛機在過去一段時間內(nèi)的試飛統(tǒng)計數(shù)據(jù)對其作戰(zhàn)值班能力的特征參數(shù)進行估計，進而評估軍用飛機的作戰(zhàn)值班能力。

2 建模

飛行任務(wù)周期如圖1所示，整個飛行周期分為地面維護階段、地面等待階段、接到命令后的緊急準備階段、空中階段。地面維護階段受軍用飛機上一飛行任務(wù)階段的狀態(tài)影響，以及其地面維護階段是否會增加新故障的影響，等待及接到命令后的緊急準備階段的狀態(tài)取決于地面維修及排故保障的效果。據(jù)此，可建立穩(wěn)定狀態(tài)下軍用飛機作戰(zhàn)值班能力計算模型。

圖1 飛行任務(wù)周期Fig. 1 Flight mission cycle

由圖2的決策樹可知，經(jīng)過維修流程后，軍用飛機處于不能作戰(zhàn)值班狀態(tài)主要有三種情況。結(jié)合每種情況的發(fā)生概率，可以得到軍用飛機不能作戰(zhàn)值班能力的評估模型為：

式中：Pnk為軍用飛機處于不能作戰(zhàn)值班狀態(tài)的概率；Pk為軍用飛機空中發(fā)生故障的概率；Pd為軍用飛機地面發(fā)生故障的概率；tmk為因故障而發(fā)生的維修時間；tmd為因修理而發(fā)生的延誤時間；td為規(guī)定的候機等待時間。

圖2 地面決策樹Fig. 2 Ground decision tree

定義非工作狀態(tài)為：飛機因發(fā)生故障不能恢復(fù)到正常狀態(tài)的階段。據(jù)此，式（1）可以合并寫為：

軍用飛機的狀態(tài)僅有作戰(zhàn)值班狀態(tài)與不可作戰(zhàn)值班狀態(tài)兩類情況。依據(jù)概率論中集合的相關(guān)定義，軍用飛機的作戰(zhàn)值班能力是不可作戰(zhàn)值班能力的補集。因此，軍用飛機處于作戰(zhàn)值班狀態(tài)的概率為Pok，即：

3 某型機作戰(zhàn)值班能力仿真評估

3.1 仿真思路

以某型軍用飛機的實際工作過程為依據(jù)，即裝備的首次故障應(yīng)為仿真中首次發(fā)生故障時間tRmin最小的系統(tǒng)。對于未發(fā)生故障的系統(tǒng)，應(yīng)在其預(yù)計的應(yīng)發(fā)生故障時間內(nèi)扣除tRmin后，作為該系統(tǒng)的首次發(fā)生故障時間，依次類推，直至各次發(fā)生故障前工作時間（工作時間）與超過規(guī)定時間的修復(fù)時間的總和達到要求的仿真時間。

3.2 某型機組成

某型機是典型的三代機，該型機主要系統(tǒng)主要有動力裝置、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等構(gòu)成，主要系統(tǒng)的可靠性框圖如圖3所示。

3.3 仿真假設(shè)

仿真假設(shè)及要求如下：系統(tǒng)的修復(fù)是完全修復(fù)，即修復(fù)如新，即系統(tǒng)的故障僅與故障率有關(guān)且故障率不隨修復(fù)次數(shù)的變化而變化；各子系統(tǒng)的失效相互獨立，即一個子系統(tǒng)的故障不引起另一個子系統(tǒng)的故障；誤操作引起的軍用飛機故障不予以統(tǒng)計，即僅考慮系統(tǒng)本身的責(zé)任故障，不考慮外界引入的非責(zé)任故障；試驗設(shè)施及測試儀表故障引起的受測試產(chǎn)品故障不予以統(tǒng)計。

圖3 某型機可靠性框圖Fig. 3 Reliability block diagram of a certain type of aircraft

3.4 模型的輸入

仿真模型的輸入由作戰(zhàn)值班能力的影響因素決定。依據(jù)前文的作戰(zhàn)值班能力影響因素分析，仿真模型的基本輸入如下：

（1）該型機的試飛可靠性因素。統(tǒng)計前期該型機的試飛數(shù)據(jù)并進行處理，得到該型機的7個系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)及維修分布類型，見表1。由于機體、起落架、剎車三系統(tǒng)的可靠性較高，試飛階段沒有該型號三者的數(shù)據(jù)。因此，本文對這三者系統(tǒng)不予考慮。

表1 各系統(tǒng)的分布及其故障率情況Table 1 Distribution of each system and its failure rate

（2）該型機的使用因素。假設(shè)該型機計劃執(zhí)行作戰(zhàn)值班持續(xù)時間為90天（每天8h），在持續(xù)時間內(nèi)一直處于執(zhí)行作戰(zhàn)值班的狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)因飛機發(fā)生故障需要進行維修工作時才停止任務(wù)進入維修狀態(tài)。一旦飛機完成維修立即進入執(zhí)行作戰(zhàn)值班狀態(tài)。每次任務(wù)時間1h，自收到命令到執(zhí)行任務(wù)時間為0.5h。

（3）執(zhí)行任務(wù)因素。軍用飛機在執(zhí)行不同任務(wù)時，選擇不同的設(shè)備工作，為考慮最嚴酷的情況，本文選擇戰(zhàn)斗狀態(tài)，即所有設(shè)備均全部開機工作。

3.5 仿真程序構(gòu)成及仿真流程

仿真程序一共有4個模塊構(gòu)成，分別完成如下功能：（1）參數(shù)輸入模塊。完成從數(shù)據(jù)文件中讀入仿真參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。（2）過程數(shù)據(jù)存儲模塊。完成仿真時中間數(shù)據(jù)的存放，便于后續(xù)計算。需要存儲的數(shù)據(jù)有：裝備的狀態(tài)（包括：正常、停機維修中）、裝備中現(xiàn)場可更換單元（LRU）的狀態(tài)（包括工作、非工作）和當(dāng)前仿真停機總時長等。（3）數(shù)據(jù)處理模塊。完成對仿真中產(chǎn)生的大量中間數(shù)據(jù)進行處理，并計算得出每個仿真采樣點的作戰(zhàn)值班能力。（4）結(jié)果輸出模塊。完成仿真結(jié)果的輸出。

仿真流程如圖4所示，具體流程為：（1）讀入仿真參數(shù)。包括表1中的數(shù)據(jù)及給定的任務(wù)數(shù)據(jù)；確定仿真采樣周期。每一次仿真任務(wù)持續(xù)90天，每天8h，采樣間隔時間為1h，共進行720次采樣和10次仿真。（2）確定軍用飛機狀態(tài)。（3）若軍用飛機此時處于維修狀態(tài)，則此次采樣軍用飛機的作戰(zhàn)值班能力為0，同時剩余維修時間Trm=Trm-1，非工作狀態(tài)時間Td=Td+1；反之，進行下一步。（4）確定各系統(tǒng)狀態(tài)。對軍用飛機各系統(tǒng)進行檢查，確定各系統(tǒng)是否處于工作狀態(tài)。（5）發(fā)生故障時，通過故障檢測率判定故障是否被檢測出。未被檢出時，則產(chǎn)生維修時間Tm的同時產(chǎn)生保障延誤時間Tld。（6）若故障被檢測出，則進一步判定故障是否被隔離。若沒被隔離，則產(chǎn)生維修時間Tm的同時產(chǎn)生保障延誤時間Tld；反之，若被隔離，則僅產(chǎn)生維修時間Tm。（7）計算Td=Td+Tm+Tld。（8）進行下一次采樣。（9）判定仿真是否結(jié)束。（10）仿真結(jié)束后，依據(jù)仿真數(shù)據(jù)，計算該型機的作戰(zhàn)值班能力。（11）改變仿真參數(shù)重新進行仿真，依據(jù)仿真結(jié)果，進行參數(shù)的敏感性分析。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 仿真結(jié)果分析

每次仿真720h，每1h進行1次采樣，共720個樣本點，仿真共進行10次。將每次仿真的數(shù)據(jù)分為10評估段，取每評估段的平均值，作為仿真的結(jié)果，見表2。以仿真結(jié)果為縱軸、仿真組數(shù)為橫軸，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真流程圖Fig. 4 Simulation fl ow chart

表2 仿真評估結(jié)果表Table 2 Simulation evaluation results table

圖5 仿真結(jié)果圖Fig. 5 Simulation result diagram

由圖5可以看出，初始階段，作戰(zhàn)值班能力的評估值較低且波動較大，表明作戰(zhàn)值班能力的統(tǒng)計隨機性較強，隨著時間的推移，樣本取樣增多，作戰(zhàn)值班能力逐漸穩(wěn)定，最終達到0.65左右，可見，該型機的成熟階段作戰(zhàn)值班能力為0.65。得到該型機單機的戰(zhàn)備值班能力后，即可在保證作戰(zhàn)值班能力的情況下進行部署決策（如保證出動能力不變，應(yīng)部署飛機的數(shù)目）。

4.2 仿真結(jié)果的敏感性分析

4.2.1 單因素分析

在仿真過程中，在給定的參數(shù)基線下通過改變單個因素的取值得到單一因素對裝備可用度的影響變化曲線，得到軍用飛機使用可用度對每個獨立因素變化的敏感程度，從而可以確定影響航空裝備可用度的主要因素。每個輸入數(shù)值仿真10次，取平均值，其余未改變的參數(shù)去輸入中值，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，每一個變量對給定任務(wù)情況下，提升或減小對軍用飛機作戰(zhàn)值班能力的影響。其中，平均故障間隔時間（MTBF）、故障檢測率（FDR）和故障隔離率（FIR）對作戰(zhàn)值班能力均具有提升作用，且MTBF的提升效果最為明顯，初期提升MTBF能夠迅速提升作戰(zhàn)值班能力，雖然后期增長比較平緩，但作戰(zhàn)值班能力仍有可能趨近于1，所以軍用飛機的可靠性是影響作戰(zhàn)值班能力的主要因素之一。

同時，從圖6中可以看出，軍用飛機的故障維修時間Tm、延遲時間Tld對作戰(zhàn)值班能力有很強的弱化作用。因此，提升軍機系統(tǒng)的檢測/隔離能力，對維修人員進行積極培訓(xùn)，提升維護人員的維修能力以減少維修時間，同時合理優(yōu)化軍用飛機的備件種類和數(shù)量，以減少保障延誤時間的方式提升軍用飛機作戰(zhàn)值班能力也是可行的。

圖6 單因素仿真結(jié)果圖Fig. 6 Single factor simulation result diagram

4.2.2 耦合因素分析

通過單變量仿真分析，確定了MTBF為影響軍用飛機作戰(zhàn)值班能力的主要因素。通過耦合影響分析，兩兩對比上面提出的主要因素，可以確定影響因素之間的關(guān)系，進一步確定各主要影響因素的敏感度程度的大小。MTBF與FDR、FIR耦合仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，軍用飛機可靠性較低時，提高軍用飛機系統(tǒng)測試性的準確度可以將作戰(zhàn)值班能力提高到可接受的水平。而提升可靠性水平可以快速提升給定任務(wù)條件下軍用飛機的作戰(zhàn)值班能力，并且這一增益過程將在MTBF增長為600h時呈現(xiàn)邊際效應(yīng)。

圖7 MTBF-FDR-FIR耦合因素影響圖Fig. 7 MTBF-FDR-FIR coupling factor inf l uence diagram

5 結(jié)論

本文根據(jù)作戰(zhàn)值班能力與可靠性、維修性、保障性及具體的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)所具有緊密聯(lián)系，提出了作戰(zhàn)值班能力的評估方法，并利用某型機在過去一段時間內(nèi)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和仿真的方式評估了該型機的作戰(zhàn)值班能力。分析表明，該模型具有良好的評估和分析能力，并可應(yīng)用于其他軍用飛機作戰(zhàn)值班能力評估。

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