顧實

艦載機起降過程是連接航母與艦載機的重要一環(huán),該環(huán)節(jié)的優(yōu)化將提高艦載機的起降效能,因此,找到影響艦載機起降的關鍵因素,進而優(yōu)化其起降過程具有重大現實意義[1].近年來國內有關艦載機起降的研究逐漸開展,并取得了一定的成果.岳奎志通過分析動力學理論,建立了艦載機動態(tài)調運模型[2];趙遠征分析了航母關鍵系統對架次率的影響[3];楊炳恒等進行了對艦載機甲板作業(yè)流程的優(yōu)化研究[4];崔博等根據改進的自適應遺傳算法進行了保障人員配置仿真系統[5];陳成等建立了艦載機出動回收仿真模型[6].由于艦載機起降過程是復雜離散事件系統,本文將采用排隊論模型進行仿真分析、找到影響艦載機起降效能的關鍵環(huán)節(jié),為后續(xù)提高艦載機起降效能打下基礎.

1 艦載機起降過程分析

艦載機起降過程包括眾多連續(xù)環(huán)節(jié).通常大部分艦載機停在機庫,當作戰(zhàn)任務下達時,首先將機庫中艦載機通過升降機提升至甲板技術站位,或將臨時停機位的艦載機牽引至甲板技術站位.艦載機經過一系列保障活動后才能起飛.在某架飛機起飛準備過程中,飛行甲板的其他場所也在為已經著艦的艦載機進行檢查、加油和退彈或掛彈作業(yè).一般而言,艦載機起飛出動過程的順序為:升降→牽引、系留→飛行前檢查→電燃氣液保障→掛彈→起飛.艦載機再次起飛出動過程的順序為: 牽引、系留→退彈→排除故障→飛行前檢查→電燃氣液保障→掛彈→起飛[7].

由于艦載機數量龐大且甲板面積有限,因此艦載機著艦后,必須將其及時移動到合適的位置,并進行飛行后的保障工作,如卸載彈藥、飛行后檢查、排除故障和保養(yǎng)工作,若無后續(xù)任務,則下降至機庫進行保養(yǎng).對于駐留保養(yǎng)的艦載機來說,飛行后檢查也是十分重要的環(huán)節(jié),及時檢測出存在故障的艦載機并維護整修[8-9].

艦載機飛行后活動過程的順序可總結為:

牽引→退彈→飛行后檢查→升降→排除故障→附加設備→保養(yǎng).

綜上,一次完整的艦載機起降流程如圖1所示.

圖1 艦載機起降流程圖

艦載機著艦過程依然存在很大的風險,一旦艦載機沒鉤住阻攔索,艦載機必須立即在有限的區(qū)域加速到安全起飛的離艦速度,并在空中盤旋等待下一次著艦的機會.這一過程被稱為“逃逸復飛”[10],目的是為了提高艦載機安全著艦的概率.

2 艦載機甲板保障活動分析

為了方便描述,首先引入幾個概念: 技術站位、臨時停機位.技術站位是指艦載機接受各項保障服務時的站位.由于艦載機較大且甲板空間有限,一般將艦載機系留固定在技術站位,通過保障人員移動服務設備來進行服務,而不是艦載機不斷轉場到各個服務的技術站位.臨時停機位是指已完成全部保障活動、只等待起飛的艦載機臨時?？康臋C位,不影響其他艦載機接受服務.

在機庫中的艦載機首先通過升降機升至甲板,并牽引到服務機位,由保障人員將艦載機進行系留固定.固定后,保障人員需要對艦載機進行飛行前檢測[11-12].在確定艦載機的狀態(tài)性能達標后,機務人員將對艦載機進行相應的電燃氣液的補充工作,包括充氣服務、換胎服務、充電服務及加油服務[13].通常艦載機停在服務機位,由保障人員牽引油管在服務機位為艦載機進行加油服務.有時加油服務會不得已停止,這是因為其他艦載機的轉場作業(yè)可能會壓壞油管,這時需要將油管暫時移除,等待其他艦載機轉場作業(yè)結束后再繼續(xù)加油.

除了以上提到的確保艦載機安全飛行的保障工作外,為了完成作戰(zhàn)任務,艦載機還需要裝備相應的武器彈藥.當艦載機達到掛彈服務機位后,由保障人員組成的掛彈小組負責將彈藥運送到掛彈服務機位.在掛載彈藥之前,艦載機需要先關閉引擎,并將艦載機上的引信(cad)移除.之后掛彈小組將武器彈藥裝載至艦載機的相應位置,并將引信重新安裝.在安裝好之后,為了確保安全還需要進行武器安全檢查.以上是一架艦載機起飛前完整的保障過程.將上述甲板保障過程用程序框圖如圖2所示.

武器安全檢查完畢后就進入準備起飛步驟,如果有艦載機正在起飛就讓其先到臨時停機位排隊等待,如果臨時停機位排隊的艦載機達到上限,武器安全檢查的艦載機就在原地駐留,等待臨時停機位有空位或者可以直接起飛就可以起飛,其中先進入排隊先起飛.武器安全檢測到準備起飛,如果空中有艦載機準備降落或者空中有艦載機駐留,那么艦載機降落優(yōu)先.艦載機降落時,根據艦載機是否故障或油料耗盡,為不同艦載機賦予不同的降落優(yōu)先級,降落順序為:油料耗盡＞故障＞空中駐留.另外,降落時也會存在復飛的可能性.

飛行檢測完成后,如果艦載機有任務并且無故障,看艦載機能否牽引至技術站位,這取決于升降機是否還有艦載機在排隊,以及技術站位所容納的艦載機是否達到上限,升降機有排隊或者技術站位容納的艦載機達到上限,那么飛行檢測完成后就下降到機庫再排隊,如果艦載機有故障或者任務已完成,那么就牽引至機庫不再出動.

在艦載機起降過程中,惡劣海況環(huán)境將會對甲板保障任務產生影響,在某個時間段內艦載機會不能起飛,或者所有服務全部停止,只有等待氣象影響結束后,才能正常運作[14].這也是在仿真建模時需要考慮的問題.

3 基于排隊論的艦載機起降過程建模

通過前文的分析,可看出艦載機起降過程是典型的離散事件系統.這種系統存在較大的隨機因素,變化關系較為復雜,很難找到一般數學方程類模型對該系統進行定量描述,而采用流程圖或網絡圖的形式則能更好地描述該系統,在圖2流程圖的基礎上,確定出各環(huán)節(jié)相關的時間參數,就得到描述艦載機甲板保障作業(yè)的離散事件系統模型.排隊論模型就是用于建立離散事件系統模型的主要方法.艦載機在航母甲板上接受起飛前和降落后的各項保障工作,就是一個排隊系統: 艦載機相當于顧客,保障人員與各種資源結合構成服務機構.由于艦載機到達及服務時間存在隨機性,以及甲板資源有限,當作戰(zhàn)任務需要較多數量艦載機時,就會產生排隊現象.為了解決排隊現象,排隊論應運而生.

圖2 艦載機甲板保障作業(yè)流程圖

排隊論主要應用于解決隨機因素導致的排隊現象.排隊現象反映了顧客與服務機構之間的服務關系,兩者共同構成了一個排隊系統.一般的排隊系統如圖3所示.顧客作為輸入流隨機到達服務機構,并根據服務機構的狀態(tài),按照一定規(guī)則排隊等待接受服務.接受服務后,顧客作為輸出流離開服務機構.排隊規(guī)則和服務規(guī)則將決定隊列中的顧客接受服務的順序.

圖3 排隊系統

在作戰(zhàn)任務的驅動下,以及有限的甲板面積和有限的航空保障資源(保障人員和設備資源)的約束條件下,艦載機甲板保障活動存在大量的隨機因素,如艦載機到達時間和各環(huán)節(jié)的保障時間都具有隨機性.因此,甲板保障活動的這種不確定性可以運用排隊論來研究.若把艦載機甲板保障活動看作是一個排隊系統,則艦載機相當于顧客,保障人員與保障設備看作是該排隊系統的服務機構,稱作服務臺,如加油服務臺、掛彈服務臺等.結合前文介紹的排隊論的相關知識,分析艦載機甲板保障排隊系統如下.

在排隊系統中包含3 個基本組成部分,即輸入過程、排隊規(guī)則和服務機構,對此進行分析,需要確定每種顧客到達模式、保障活動的服務臺數量、排隊數、排隊規(guī)則、服務規(guī)則、完成一種保障活動需要的時間分布等[15-16].這樣得到排隊論模型后便可運用模擬仿真的方法進行仿真,計算出艦載機航空保障中甲板活動的保障效率.

3.1 輸入過程

艦載機出動的順序作為排隊系統的輸入流,且需要的艦載機數量是有限的.艦載機一般停留在空間有限的機庫,艦載機從機庫單獨到達升降機,且艦載機相互之間的到達時間是隨機的,并將其簡化為負指數分布過程,即艦載機到達時間符合負指數分布.

3.2 排隊規(guī)則

由于各個保障環(huán)節(jié)的保障時間不同,當艦載機到達服務站位時,服務臺可能正在為其他艦載機服務.這時就產生了排隊現象,艦載機需要按照排隊規(guī)則排隊等待,符合等待制的排隊規(guī)則.一般情況下,在排隊隊列中的艦載機為單隊排列,且按照到達服務站位的先后順序接受服務,優(yōu)先到達服務站位的艦載機會優(yōu)先接受服務,即為先到先服務.

當然艦載機起飛和降落環(huán)節(jié)有所不同,需要特殊說明: 為了最大程度地保證艦載機的安全,艦載機的起飛和降落不能同時進行.如果有空中有艦載機準備降落或者空中有艦載機駐留,那么應當優(yōu)先艦載機降落,而待起飛艦載機需等待著艦機著艦完成后再起飛.

3.3 服務機構

艦載機起降過程所需要的各個保障環(huán)節(jié)中涉及的服務人員和服務設備即為該排隊系統的服務臺,如升降、加氣、加油、加電、掛彈等等環(huán)節(jié),不同服務臺的數量有所不同,一般為多個.單隊多服務臺類型的意思是在某一環(huán)節(jié)中,服務臺與服務臺之間組成并聯關系;在整個排隊系統中,如果環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間組成串聯關系就稱為多個單隊多服務臺模型串聯模型.

服務時間是指艦載機接受各種保障活動的時間.艦載機接受保障服務的時間是隨機的,通常用概率分布來描述其時間規(guī)律,且各個艦載機接受服務的時間是相互獨立的.根據實際情況,艦載機接受服務臺的服務時間服從均值為1/μi的負指數分布,其中μi為某一服務器的服務率,表示單位時間內可以服務的艦載機數.以加油服務為例,若加油服務臺的服務率μi= 3.6,則表示加油服務臺每小時可服務3.6架艦載機,也就是每架艦載機的加油時間為1 000/s(16.7 min).其他服務臺類似.由于在一段時間內艦載機到達數量是有限的,因此認為該過程是穩(wěn)定的.

所以,綜上所述,建立的艦載機起降甲板保障活動模型按分類屬于M/M/C 排隊系統模型,且為多個單隊多服務臺串聯模型.以艦載機接受升降機服務為例,艦載機通過升降機由機庫升至甲板的過程即為典型的M/M/1 排隊系統模型.

艦載機到達升降機的時間服從參數為λ 的負指數分布,升降機的服務時間服從參數為μ 的負指數分布.M/M/1 排隊模型的各類參數求解如下:

1) 系統中等待升降機服務的平均艦載機數Ls(正在接受升降的艦載機與等待升降的艦載機總和):

2) 由Little 公式得艦載機在系統內的平均滯留時間Ws:

3) 系統中等待升降機服務的平均艦載機數Lq=Ls-Lf,Lf為正在接受升降機服務的平均艦載機數,其取值為0 或1,對應的概率分別為1-ρ 和ρ,則Lf=0×(1-ρ)+1×ρ,由此得到:

4) 由Little 公式得艦載機在系統內的平均排隊時間Wq:

艦載機后續(xù)其他保障活動服務臺的事件到達時間,需要根據前一項保障活動的結束時間而定,因此難以建立類似的定量模型,只能在確定其排隊規(guī)則和服務機構的參數后,仿真計算.

4 仿真實現

4.1 案例想定與參數設置

1) 情況想定: 計劃訓練時間為8 時～18 時,計劃起降總架次為40 架.其搭載艦載機組成為J-001型艦載機和J-002 型艦載機各10 架.裝載的武器為A、B、C、D 4 種類型武器.

2)訓練環(huán)境:9 時～11 時的氣象名稱qx-1.該氣象會導致艦載機存在30%的幾率不能一次阻攔著艦成功,即需要復飛.

3)資源數量及服務臺參數設定

通常海上訓練任務在開始之前需要制定訓練計劃,包括起降計劃參數、訓練時間與環(huán)境參數、艦載機數量與類型、服務臺數量與類型等.表1為各服務平臺參數信息與缺省時間[17].

4.2 仿真實現與結果分析

由于仿真中存在概率事件,因此一組仿真實際是連續(xù)仿真10 次,得到的結果即所獲得的平均值.獲得定量指標數據值如圖4所示.

為了找到影響艦載機起降效能的關鍵環(huán)節(jié),對每個服務臺的數據進行分析,并以條形圖的形式給出,對比不同服務臺之間的服務時間、排隊時間和滯留時間.如圖5所示,黃色代表服務時間,藍色代表排隊時間,紅色代表滯留時間.

從仿真結果來看,在艦載機起降過程中掛載武器服務臺位的排隊時間較長、加油服務臺位的滯留時間較長,是影響艦載機起降環(huán)節(jié)的關鍵因素.艦載機掛載武器的服務時間過長,而加油服務可以與掛載武器服務并行開展,在加油服務結束后,武器還沒有掛載完畢,從而導致了加油服務臺滯留時間過長,這些都是影響艦載機起降過程的重要因素,增加掛載武器或加油服務臺位對艦載機起降流程時間的影響方式需要經過多次仿真.在后續(xù)工作中可以采用控制變量法,在本次仿真(即初始狀態(tài))基礎上,每次改變一種服務臺的數量,根據獲得的數據指標變化情況,來找到最佳的服務臺位設置方式,從而提高艦載機起降效能.

表1 甲板保障時間實例

圖4 初始仿真數據

5 結論

本文指出了艦載機完成起降過程中的輔助設施與甲板面積的局限,反映了該過程的復雜性與危險性;根據航空機務工作規(guī)定,明確了艦載機整個起降過程的基本流程,以程序框圖的方式給出,并在對艦載機起降涉及到的具體環(huán)節(jié)進行詳細描述的基礎上,建立了基于排隊論的艦載機起降過程模型,最后進行了仿真分析.從仿真結果來看排隊論模型對分析艦載機起降過程具有較好的效果,能夠直觀分析出各個保障環(huán)節(jié)服務時間、排隊時間和滯留時間,對于排隊時間和滯留時間較長的保障環(huán)節(jié)可以嘗試增加服務臺位等措施,其可行性有待后續(xù)工作論證.

圖5 服務臺數據分析