李 康， 黃之杰， 朱 倩

(1. 95877部隊， 甘肅 酒泉 735300； 2. 空軍勤務學院航空四站系， 江蘇 徐州 221000)

使用可用度作為裝備可靠性、維修性和保障性的綜合評價參數(shù)，不僅與裝備的設計特性有關，而且與裝備的使用要求和任務特點密切相關，是影響裝備保障效能和使用保障費用的重要因素。目前，諸多研究者對裝備使用可用度評估問題進行了研究。張曉虹等[1]結合地空導彈武器系統(tǒng)的任務特點，利用維修數(shù)據，建立了地空導彈武器系統(tǒng)使用可用度的解析計算模型；周亮等[2]運用邊際算法對艦船裝備的使用可用度進行了研究，并進行了實例驗證；畢紅葵等[3]給出了雷達系統(tǒng)使用可用度的仿真評價模型；文獻[4]、[5]作者分別研究了混聯(lián)系統(tǒng)中使用可用度的分配和使用可用度指標分解問題。上述研究多是以裝備自身影響因素為研究重點，或以使用可用度的定義和概率論為基礎，對使用可用度進行靜態(tài)評估，難以反映裝備使用可用度隨時間變化的情況，也沒有全面考慮裝備保障過程中的動態(tài)影響因素。航空地面空調車主要用于在飛機發(fā)動機停機狀態(tài)下，輔助完成機載設備升溫、降溫、通風、除濕等保障工作，其使用可用度評價需要考慮系統(tǒng)結構、任務特點、維修活動等多種影響因素，現(xiàn)階段對其使用可用度的評價多采用統(tǒng)計學方法，其周期長且部分數(shù)值誤差較大。因此，筆者從實際保障過程出發(fā)，在給定任務要求、保障資源和維修條件的情況下，評價航空地面空調車的使用可用度，分析其主要影響因素，為航空地面空調車的使用管理工作提供決策依據。

1 使用可用度

使用可用度(Operational Availability，Ao)、固有可用度和可達可用度統(tǒng)稱為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度，用于描述當有任務需要時，系統(tǒng)能夠投入使用或執(zhí)行任務的程度[4]。其中：固有可用度僅考慮系統(tǒng)的修復性維修時間和工作時間，易度量且常作為合同指標；可達可用度考慮系統(tǒng)工作時間、修復性維修時間和預防性維修時間，多用于評估裝備研制階段的系統(tǒng)效能；使用可用度則綜合考慮系統(tǒng)的任務待命時間、任務執(zhí)行時間、延誤時間和維修時間等，因而能夠較為全面地描述系統(tǒng)的可用程度[5]。使用可用度是與系統(tǒng)能工作時間和不能工作時間密切相關的可用性參數(shù)，其典型計算公式為[6]

(1)

對于航空地面空調車，使用可用度可理解為裝備服役后，在保障資源、使用條件和任務要求既定的條件下，當有保障需求時裝備能夠投入使用的能力。根據實際使用保障情況，航空地面空調車不能工作時間主要包括修復性維修時間(TCM)、預防性維修時間(TPM)、保障延誤時間(TLD)和管理延誤時間(TAD);能工作時間包括任務待命時間(TS)和任務執(zhí)行時間(TO)。航空地面空調車服役后的總日歷時間構成如圖1所示。因此以時間表示的航空地面空調車的使用可用度

(2)

在不考慮航空地面空調車停用時間的條件下，從執(zhí)行任務的角度來看，則預期工作時間可采用總任務時間來表示，能工作時間可采用裝備能夠完成任務的時間來表示，則航空地面空調車使用可用度

(3)

2 使用可用度仿真評價模型

2.1 任務模型

2.1.1 任務剖面模型

航空地面空調車用于在飛機發(fā)動機停機狀態(tài)下，當對機載電子、電器設備進行通電調試或維修時，為設備艙提供符合要求的冷風、熱風或通風，或在飛機處于飛行等待狀態(tài)下，為駕駛艙提供空調氣源。由于駕駛艙的供風保障具有不確定性，這里僅研究設備艙供風保障任務(不考慮環(huán)境條件，將提供熱風、冷風和通風統(tǒng)稱為供風)。根據任務執(zhí)行過程，簡化后的航空地面空調車任務剖面如圖2所示。

2.1.2 任務生成模型

在仿真中，任務執(zhí)行模式可分為固定任務、擴展任務、持續(xù)任務、再生任務和隨機任務5種。根據單次任務的執(zhí)行特點，航空地面空調車的供風保障任務屬于固定任務，其任務計劃是以單個任務為基礎制定的，并按照任務剖面中定義的數(shù)據獨立地重復執(zhí)行多次，各次任務之間完全相同，每項預設任務至多引起1個任務進程[6- 7]。任務周期可分為出發(fā)、執(zhí)行和返回3個階段，如圖3所示。

仿真任務按照任務單元中任務剖面定義的開始時間進行創(chuàng)建及觸發(fā)，如圖4所示。

任務從出發(fā)階段開始，直到其到達任務區(qū)域后才轉換為執(zhí)行狀態(tài)，任務執(zhí)行結束后即開始準備返回部署點，返回部署點的過程屬于返回階段。因此，不同任務階段所需時間可通過各任務階段時間占整個任務時間的百分比來描述，則任一任務階段耗時百分比都可以為0，但整個任務階段的耗時百分比必須為1。在出發(fā)階段和任務執(zhí)行過程中，可能會出現(xiàn)系統(tǒng)由于故障或損傷而被異常中止的情況，其造成的部分或整個任務階段任務時間減少的程度取決于故障或損傷發(fā)生的時間。

2.1.3 任務配置模型

任務一旦被調用就需要進行系統(tǒng)配置工作，該過程需要考慮多種影響因素，如系統(tǒng)狀態(tài)、任務適合度、任務優(yōu)先級和系統(tǒng)數(shù)目等[8]。裝備系統(tǒng)狀態(tài)可分為處于空閑狀態(tài)、近似空閑狀態(tài)(處于維修或周轉狀態(tài))和處于其他任務狀態(tài)(任務級別比需要進行系統(tǒng)配置的任務低)3類。為了簡化模型，筆者僅考慮系統(tǒng)狀態(tài)和任務適合度2個因素，且優(yōu)先考慮系統(tǒng)狀態(tài)，即認為系統(tǒng)狀態(tài)比任務適合度更重要。

相同任務適合度的任務配置順序為：處于空閑狀態(tài)的系統(tǒng)優(yōu)先，處于近似空閑狀態(tài)的系統(tǒng)次之，最后是處于其他任務狀態(tài)的系統(tǒng)。不同任務適合度條件下，以系統(tǒng)狀態(tài)為主導進行任務配置，如：對于處于近似空閑狀態(tài)且任務適合度高的系統(tǒng)和處于空閑狀態(tài)但任務適合度低的系統(tǒng)，盡管后者的任務適合度低于前者，但由于后者處于空閑狀態(tài)，前者處于近似空閑狀態(tài)，在配置任務時后者優(yōu)先。當系統(tǒng)數(shù)量滿足任務執(zhí)行所需的最少系統(tǒng)數(shù)量時，任務配置過程結束。

任務配置和任務前準備工作結束后，即進入執(zhí)行階段。任務執(zhí)行過程如圖5所示。系統(tǒng)在1次任務中可能會出現(xiàn)故障，當任務結束后系統(tǒng)即進入周轉階段，以確定系統(tǒng)是否發(fā)生了故障：對于失效系統(tǒng)將進行送修，這樣就產生了維修任務；對于未失效系統(tǒng)將被送回任務單元等待執(zhí)行下一個任務。根據維修保障策略，系統(tǒng)既可在任務單元所在站點維修，也可在其他保障站點維修。

2.2 系統(tǒng)結構模型

系統(tǒng)結構模型描述各功能單元之間的層次關系，包括裝備- 子系統(tǒng)- 單元之間的數(shù)量和從屬關系，以及子單元與父單元的運行比、環(huán)境影響因子等。航空地面空調車主要由電源動力系統(tǒng)、通風氣源系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，各部分又由眾多基本單元組成，如此層層分解可得航空地面空調車的系統(tǒng)層次結構，依據航空地面空調車各單元的基本特性，基本單元可分為以下6類[9]：

1) 現(xiàn)場可更換單元(Line Replaceable Unit，LRU)，在系統(tǒng)上可直接修理或更換；

2) 站點可更換單元(Station Replaceable Unit， SRU)，在維修站點可修或更換；

3) 現(xiàn)場部分可修單元(Partial Repairable Unit，PRU)，在系統(tǒng)上部分可修或更換后具有一定的修復概率；

4) 站點部分可修單元(Station Partial Repair-able Unit，SPRU)，在維修站點部分可修或更換后具有一定的修復概率；

5) 現(xiàn)場可報廢單元(Discard Unit， DU)，在系統(tǒng)上不可修復；

6) 站點報廢單元(Discard Partial Uni t，DP)，從(部分)可修單元上直接更換的不可修件。

以各單元的裝機數(shù)量、故障率、維修時間、運行比和環(huán)境影響因子等數(shù)據信息作為輸入，結合各子系統(tǒng)和組成單元之間的串、并聯(lián)關系，可定義裝備結構模型。

2.3 維修活動模型

2.3.1 修復性維修活動模型

根據保障組織中各級維修站點的維修能力及備件儲存能力，可將其分為以下4類：

1) 保障現(xiàn)場(Operational Site，OS)，沒有備件，也沒有維修資源和備件庫存;

2) 倉庫(STORE，ST)，有備件庫存，但無修理能力；

3) 維修車間(Work Shop，WS)，具備維修能力，但沒有備件庫存；

4) 基地(DEPOT，DE)，可維修產品，也有備件庫存。

(4)

式中：n為維修站點數(shù)量。

設單元k在第r級維修站點修復的概率為Pk(x=r)，則

(5)

x為可能的維修級別數(shù)量，其分布函數(shù)

(6)

定義Hk(x)為單元k在第r級維修站點的累計修復比，可用來描述保障組織中各級站點的維修能力。對于最高級維修站點，其可修故障單元的累計修復比必然為1，這樣可避免出現(xiàn)可修故障單元無法修復的問題。

對于航空地面空調車中的不可更換單元，可通過直接原位維修或更換下級故障單元進行修復，其修復過程如圖6所示[9]。但不論采用何種維修方式，都有時間和資源需求，可能會出現(xiàn)因多個單元同時提出維修需求而導致資源競爭的情況，因此仿真時，應設定當保障資源有限時維修耗時最短的作業(yè)具有優(yōu)先調用權。

2.3.2 預防性維修活動模型

影響預防性維修活動的關鍵因素主要是預防性維修間隔時間和預防性維修周轉時間。其中：預防性維修間隔時間可采用裝備運行時間、執(zhí)行任務次數(shù)和日歷時間3種方式來確定[11]，航空地面空調車的預防性維修一般根據日歷時間展開，且由于受保障任務的影響，實際的預防性維修間隔時間一般在使用維護手冊規(guī)定的間隔時間點上下浮動。為提高預防性維修作業(yè)的靈活性，仿真時為各作業(yè)項目設置最大允許前拓比Df和最大允許滯后比Da。

圖7為預防性維修任務執(zhí)行時間構成。

可以看出：若在首次預防性維修開始時，系統(tǒng)處于不執(zhí)行任務狀態(tài)，則系統(tǒng)預防性維修時間被提前；若仿真運行至預防性維修規(guī)定的開始時間，而系統(tǒng)處于執(zhí)行任務狀態(tài)，但能在最后一次預防性維修開始之前結束，則系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行任務，預防性維修任務推后執(zhí)行[12]。

設TM為規(guī)定的預防性維修周轉時間，te為規(guī)定的開始時間，則航空地面空調車預防性維修作業(yè)實際開始時間

Te=te-DfTM或Te=te-DfTM+Tme，

(7)

式中：Tme為預防性維修任務執(zhí)行結束時間，te-DfTM≤Tme≤te+DaTM。

2.4 使用可用度仿真統(tǒng)計模型

在仿真過程中，設TMi為第i個任務的要求執(zhí)行時間，Mi為第i個任務序列，i=1,2,…，n;Tsi為實際任務執(zhí)行時間;任務成功點為α(0<α≤1)，則只有當Tsi≥αTMi時，第i個任務才會被記錄為成功[6]。如果在任務執(zhí)行過程中因系統(tǒng)故障而導致任務執(zhí)行時間未達到αTMi，則第N次仿真的任務累計時間將疊加到第i-1個任務執(zhí)行完成時刻，第N次仿真任務累計時間為

(8)

式中：NT為仿真總次數(shù)。

由此可得航空地面空調車使用可用度(Ao)的仿真統(tǒng)計模型為

(9)

3 仿真原理與流程

航空地面空調車使用可用度仿真評估著眼于裝備的可靠性、維修性和保障性，從保障任務出發(fā)，利用蒙特卡羅法模擬航空地面空調車的任務、故障和維修等事件，以航空地面空調車的基本數(shù)據、任務數(shù)據、保障組織及保障資源數(shù)據等為輸入，根據任務剖面、維修活動和系統(tǒng)狀態(tài)等，統(tǒng)計輸出使用可用度仿真結果。其仿真原理和仿真流程分別如圖8、9所示。

4 算例

裝備使用可用度評估多以基本保障單元(由一定數(shù)量的同型裝備及其保障資源所構成的，能夠執(zhí)行預定保障任務的軍事單位)為研究對象[11]，通過計算基本保障單元的使用可用度，折算得到單裝的使用可用度。本文實例驗證部分以單裝為研究對象，但任務次數(shù)、單次任務時間和裝備故障率等是基于基本保障單元的實際保障過程統(tǒng)計得到的，已經依據裝備數(shù)量進行了折算處理。以K型空調車為例，其由K-01、K-02、K-03和K-04四個子功能系統(tǒng)組成，利用所建立的模型對其使用可用度進行評估。

4.1 輸入數(shù)據與仿真參數(shù)設置

仿真所需的任務數(shù)據、任務剖面數(shù)據、基本數(shù)據、保障組織及資源數(shù)據分別如表1-4所示。

表1 任務數(shù)據

表2 任務剖面數(shù)據

表3 基本數(shù)據

表4 保障組織及資源數(shù)據

仿真參數(shù)設置如下：

1) 仿真周期87 600 h(10 a)；

2) 仿真次數(shù)100次；

3) 初始隨機種子數(shù)(RSEED)123 456 789；

4) 預防性維修間隔時間前拓比20%；

5) 預防性維修間隔時間滯后比10%；

6) 結果收集間隔期24 h。

4.2 仿真結果

K型空調車服役后的使用可用度隨時間變化的情況如圖10所示，仿真周期內使用可用度累計結果如圖11所示。

可以看出：裝備整體使用可用度呈下降趨勢，這與實際是相吻合的，因為隨著裝備服役年限的增長，組件逐漸磨損老化，裝備故障率和維修頻率增大，由此導致裝備使用可用度降低。

根據圖11中的數(shù)據和式(3)，可得仿真周期內K型空調車使用可用度

仿真周期內K型空調車的狀態(tài)仿真統(tǒng)計結果如圖12所示。可以看出：除了任務執(zhí)行和任務準備2種狀態(tài)，影響K型空調車使用可用度的主要因素是備件短缺，這與實際調研結果也是相符的。

K型空調車各級保障站點備件短缺情況仿真統(tǒng)計結果如圖13所示?？梢钥闯觯簜浼倘奔畜w現(xiàn)在站點1和站點2。經調研了解到，站點1的備件庫存主要是K型空調車服役時配備的，所配備的備件主要是少數(shù)關鍵部件，站點2是備件中轉單位，基本無備件庫存，主要負責備件的周轉與調配工作。由此可知，若要提高K型空調車的使用可用度，需提高站點1和站點2的備件庫存水平，以減少備件等待時間。

5 結論

筆者從任務出發(fā)，綜合考慮維修、保障組織及資源等因素，對航空地面空調車的使用可用度進行建模仿真研究，通過實例驗證了模型的可行性。仿真結果較好地反映了航空地面空調車使用可用度隨服役年限的變化情況及主要影響因素，可為裝備的使用管理提供決策參考。但與K型空調車的實際統(tǒng)計情況相比，仿真數(shù)值稍偏理想化，主要有以下3個原因：1) 航空地面空調車為自行式保障裝備，整車分為車體部分和特設部分，建模重點放在了特設部分，對車體部分僅作了粗略描述；2) 建模時未考慮維修人員的在位率，仿真過程默認裝備或故障件運轉到維修站點一定有人員進行維修作業(yè)；3) 裝備在上級站點進行預防性維修時，可能存在排隊等候的情況，由于這種情況的不確定性，仿真過程默認裝備到達維修站點便可開展預防性維修作業(yè)。下一步需要對模型中未考慮的影響因素進行深入研究，以使結果更貼合裝備的使用保障實際。