王 赟,齊 樂,溫國誼
(空軍工程大學(xué) 航空機務(wù)士官學(xué)校, 河南 信陽 464000)
戰(zhàn)傷飛機進(jìn)行應(yīng)急搶修對于彌補戰(zhàn)爭損耗,補充戰(zhàn)斗實力,滿足作戰(zhàn)任務(wù)需要等方面具有決定性意義。在實際工作中,應(yīng)急搶修前通常要求先評估戰(zhàn)傷飛機對于當(dāng)前特定作戰(zhàn)任務(wù),處于可工作或可使用狀態(tài)的程度,即戰(zhàn)傷飛機可用度,以此來輔助決策后續(xù)如何高效地開展搶修工作。因此研究戰(zhàn)傷飛機可用度模型,對于指導(dǎo)搶修工作合理開展、提升戰(zhàn)傷飛機任務(wù)完成率具有非常重要的意義。
可用度的概念最早由美國電子設(shè)備可靠性咨詢組(AGREE)在1956年發(fā)表的《軍用電子設(shè)備可靠性》中提出,伴隨著美軍將飛機可用度作為衡量軍用飛機作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵參數(shù),飛機可用度愈發(fā)受到重視,為此,美軍先后提出了戰(zhàn)斗機和預(yù)警機可用度分析模型、以可用度為中心的NAVSEA Tiger分析模型及機動飛機可用度預(yù)測模型等多種可用度模型,以此幫助作戰(zhàn)人員精準(zhǔn)掌握武器裝備的可使用狀態(tài),同時在2020年9月,美軍發(fā)布了最新的飛機可用度提升計劃(Aircraft availability improvement plans,AAIP),旨在實現(xiàn)美軍eLog21目標(biāo),提升20%飛機可用度,并且降低10%飛機全壽命周期費用。除了美軍之外,國內(nèi)外學(xué)者針對系統(tǒng)可用度同樣開展了大量研究,文獻(xiàn)[8]針對美軍指揮官對KC-135R空中加油及空運的需求,利用歷史飛機維護(hù)數(shù)據(jù)和飛行指標(biāo)對飛機可用度進(jìn)行了預(yù)測,并驗證了機器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測飛機可用度;文獻(xiàn)[9]針對當(dāng)前可修復(fù)系統(tǒng)的平均可用度計算必須受局限于一些特殊情況的問題,采用離散化時間變量的方法,計算了更為普遍情況下的極限平均可用度;文獻(xiàn)[10]針對復(fù)雜系統(tǒng)中不同組件的重要性不同,提出一種可用性度量分析方法,以確定對系統(tǒng)性能改進(jìn)更重要或?qū)ο到y(tǒng)故障/修復(fù)環(huán)節(jié)更關(guān)鍵的組件;文獻(xiàn)[11]針對復(fù)雜可修裝備群穩(wěn)態(tài)可用度解析計算困難的問題,提出一種通過構(gòu)建多個相關(guān)連續(xù)時間馬爾科夫鏈來求解穩(wěn)態(tài)可用度的方法;文獻(xiàn)[12]基于修理延遲下單部件三狀態(tài)可修系統(tǒng)的更新模型,提出了帶有故障小修的三狀態(tài)更新模型,從而使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度得以提升;文獻(xiàn)[13]基于作戰(zhàn)任務(wù)和飛機技術(shù)狀態(tài)構(gòu)建了隨機維修網(wǎng)絡(luò),在計算過程中設(shè)計了一種新方法,不僅能夠提高瞬時可用度的計算效率,而且可以較好地反映任務(wù)準(zhǔn)備期內(nèi)裝備瞬時可用度的波動規(guī)律。
以上這些研究大多是針對不同分布條件下如何提升系統(tǒng)瞬時可用度、穩(wěn)態(tài)可用度及平均可用度計算效率的研究,或是對如何提高或預(yù)測系統(tǒng)可用度參數(shù)進(jìn)行了研究,而對于如何基于具體任務(wù)有針對性地評定戰(zhàn)傷裝備的狀態(tài)以及在此基礎(chǔ)上科學(xué)評估戰(zhàn)傷裝備執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險程度用于風(fēng)險決策的相關(guān)方法仍少見報道。在此方面,一些學(xué)者從方法上做出了有實際意義的嘗試,但對象上僅限于單個系統(tǒng),并未有效針對最小作戰(zhàn)單位即一架飛機做出有效的研究成果。然而在錯綜復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境中,空軍更加關(guān)注的是作戰(zhàn)飛機在戰(zhàn)傷狀態(tài)下執(zhí)行當(dāng)前關(guān)鍵任務(wù)的評估結(jié)果,以方便一線指揮員依據(jù)評估結(jié)果快速、有根據(jù)地做出科學(xué)的出動決策,降低經(jīng)驗決策給任務(wù)完成和裝備使用及維修帶來的巨大不確定性。
針對上述問題,本研究從實際決策需求出發(fā),結(jié)合戰(zhàn)傷搶修面向任務(wù)的基本功能項目分析構(gòu)建了整機可用度模型;借鑒模糊風(fēng)險理論,將戰(zhàn)傷科學(xué)評估輸出作為模糊評價輸入,使綜合風(fēng)險評價融合了飛機各層級部件的真實狀態(tài)信息,以減少以此為依據(jù)的風(fēng)險決策的不確定性,提高戰(zhàn)場決策的準(zhǔn)確度。
一方面,新的可用度模型需要能夠表征戰(zhàn)傷飛機當(dāng)下的狀態(tài),即描述戰(zhàn)傷飛機對于當(dāng)前作戰(zhàn)任務(wù)的可用程度,即模型需要包含戰(zhàn)傷飛機戰(zhàn)時可用程度;另一方面,若戰(zhàn)傷飛機能夠勝任當(dāng)前任務(wù),但這并不代表當(dāng)前戰(zhàn)傷飛機沒有任何危險因素,故新的可用度模型還需對戰(zhàn)傷飛機各層級進(jìn)行風(fēng)險評價,給出執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)的風(fēng)險程度,即模型需要包含戰(zhàn)傷飛機戰(zhàn)時風(fēng)險程度。因此,本文提出的戰(zhàn)傷飛機可用度模型包含戰(zhàn)時可用程度和戰(zhàn)時風(fēng)險程度兩方面內(nèi)容。
飛機整機任務(wù)可用性度量依賴于具體的飛機系統(tǒng)構(gòu)成,而飛機地面維護(hù)是以外場可更換單元為基本的檢測單元來判斷戰(zhàn)損和可用、可修理程度,因此必須找到一種以此為基礎(chǔ)且能夠囊括整機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可用程度傳導(dǎo)遞推方式,才能將整機可用度評價建立在測量和推理的堅實基礎(chǔ)之上。為了解決這個問題,首先要解決有效數(shù)學(xué)模型的問題。考慮飛機機件之間的連接關(guān)系可以很好的用串并聯(lián)關(guān)系表示,且每個飛機部件任務(wù)可用性判據(jù)分為3個類別“需要、不需要和降級”,需要和不需要是2個離散的狀態(tài),而降級則可以視為是一個定量判斷的連續(xù)狀態(tài)。因此,為了將問題簡化便于數(shù)學(xué)處理,針對最基礎(chǔ)級使用1和0描述其功能是否失效,而對于其他層級使用0、0、1、1四種離散狀態(tài)描述不可用、可串件、任務(wù)可用和全任務(wù)4種狀態(tài)。由此便在飛機戰(zhàn)傷評估的部分結(jié)論上實現(xiàn)了整機任務(wù)可用程度的離散狀態(tài)建模,解決了戰(zhàn)傷飛機再次出動決策中是否可以完成作戰(zhàn)任務(wù)的問題。
軍用飛機一般分為組件級、部件級、分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級和全機級5級,因此戰(zhàn)傷飛機可用程度也可依次分為組件級戰(zhàn)時可用程度、部件級戰(zhàn)時可用程度、分系統(tǒng)級戰(zhàn)時可用程度、系統(tǒng)級戰(zhàn)時可用程度和全機級戰(zhàn)時可用程度5級。
組件級戰(zhàn)時可用程度
對最基礎(chǔ)級進(jìn)行簡化處理,假定組件級戰(zhàn)時可用程度一般有2種狀態(tài):若其功能有效,則定義其組件戰(zhàn)時可用程度為1;若其功能失效,則定義其組件戰(zhàn)時可用程度為0。組件級戰(zhàn)時可用程度如式(1)所示:
(1)
部件級戰(zhàn)時可用程度
(2)
分系統(tǒng)級戰(zhàn)時可用程度
同理,分系統(tǒng)級戰(zhàn)時可用程度如式(3)所示:
(3)
系統(tǒng)級戰(zhàn)時可用程度
同理,系統(tǒng)級戰(zhàn)時可用程度如式(4)所示:
(4)
全機級戰(zhàn)時可用程度
同理,全機級戰(zhàn)時可用程度如式(5)所示:
(5)
對于一架軍用飛機而言,若其戰(zhàn)時可用程度為0,則表明它所有功能系統(tǒng)都失效,不能完成當(dāng)前特定任務(wù);若為0,則表明它雖然不能完成當(dāng)前特定任務(wù),但部分功能系統(tǒng)有效,后續(xù)可用于串件;若為1,則表明它能夠完成當(dāng)前特定任務(wù),但仍然存在部分功能系統(tǒng)失效;若為1,則當(dāng)前飛機為全任務(wù)狀態(tài)。
戰(zhàn)傷飛機各層級的戰(zhàn)時可用程度若為1,則表明戰(zhàn)傷飛機各層級可完成當(dāng)前指派的任務(wù),但對于指揮員而言,要想對非全任務(wù)狀態(tài)的飛機做出再次出動的決策,僅僅掌握完成任務(wù)可用程度是不夠的,還需要掌握任務(wù)執(zhí)行風(fēng)險的大小,這和“病人即將進(jìn)行手術(shù),醫(yī)生不僅需要告訴病人家屬手術(shù)是可行的,還有義務(wù)告知家屬手術(shù)的風(fēng)險程度”是同樣的道理。同時若各層級戰(zhàn)時可用程度若為1,則表明飛機各層級是全任務(wù)狀態(tài),但由于組件在使用過程中會發(fā)生性能退化,因此也具有一定的風(fēng)險,只不過此時飛機的風(fēng)險程度降到最低。因此戰(zhàn)傷飛機可用度量模型不僅需要包含戰(zhàn)傷飛機戰(zhàn)時可用程度,還需要包含戰(zhàn)時風(fēng)險程度。
風(fēng)險評價是對危險進(jìn)行評估的過程,主要從危險的2個方面展開:危險轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿实目赡苄砸约皫頁p失的嚴(yán)酷度。人們通常對于概念的認(rèn)知存在模糊性,導(dǎo)致很難對危險事件發(fā)生的概率及其影響給出明確的量化判斷,文獻(xiàn)[24]提出一種基于模糊理論的風(fēng)險評價方法,運用層次分析理論中的成對比較方式來確定嚴(yán)酷度和可能性對于風(fēng)險的影響權(quán)重,本文采用基于模糊理論的風(fēng)險評價方法,對戰(zhàn)傷可用飛機各層級風(fēng)險程度進(jìn)行評價,最終得出戰(zhàn)傷可用飛機的風(fēng)險率。
由于飛機外場修理以最小可更換單元為基本單位,而最小可更換單元屬于部件級,因此戰(zhàn)時風(fēng)險程度考慮由部件級構(gòu)成的的分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級及全機級3個層級,具體分析步驟如下:
1) 計算戰(zhàn)傷可用飛機分系統(tǒng)級風(fēng)險率
① 確定戰(zhàn)傷可用飛機分系統(tǒng)的模糊風(fēng)險評估矩陣,將可能性和嚴(yán)酷度置于同一尺度下分析
基于模糊風(fēng)險矩陣的構(gòu)建方法,本文針對戰(zhàn)傷可用飛機分系統(tǒng)級的危險轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿实目赡苄院蛶頁p失的嚴(yán)酷度進(jìn)行分析,得出飛機分系統(tǒng)級使用的模糊風(fēng)險矩陣元素見表1。在此基礎(chǔ)上確定了風(fēng)險的5個基準(zhǔn)值,如表1所示。
表1 模糊風(fēng)險評估矩陣元素和風(fēng)險水平Table 1 Fuzzy risk assessment matrix and risk levels
② 采用AHP理論中的成對比較方式確定可能性和嚴(yán)酷度相對于風(fēng)險的權(quán)重
根據(jù)AHP理論因素對比過程中的9個標(biāo)度等級,結(jié)合戰(zhàn)傷檢測和戰(zhàn)傷評估結(jié)果,按照成對比較的方式,構(gòu)建對比矩陣:
式中:和是它們與自身的對比,==1;是可能性與嚴(yán)酷度對比的標(biāo)度;是嚴(yán)酷度與可能性對比的標(biāo)度,=1。構(gòu)建對比矩陣后,按照下列公式計算可能性和嚴(yán)酷度相對于風(fēng)險的影響權(quán)重:
其中,和分別代表可能性和嚴(yán)酷度相對于風(fēng)險的影響權(quán)重。
③ 依據(jù)模糊風(fēng)險評價矩陣,對危險的可能性和嚴(yán)酷度進(jìn)行評價
(6)
式中和分別是可能性和嚴(yán)酷度的模糊風(fēng)險矩陣。
④ 通過步驟②確定的權(quán)重,在初始評價結(jié)果的基礎(chǔ)上計算模糊風(fēng)險
通過式(7)結(jié)合綜合評價結(jié)果計算模糊風(fēng)險:
(7)
⑤ 將模糊風(fēng)險進(jìn)行去模糊化,得出風(fēng)險值
(8)
其中=(,,,)是梯形模糊數(shù)。
⑥ 利用風(fēng)險值計算分系統(tǒng)級風(fēng)險率
利用式(9)結(jié)合去模糊化后的風(fēng)險值,計算分系統(tǒng)級風(fēng)險率
(9)
其中和分別是非常高風(fēng)險值的模糊風(fēng)險和非常低風(fēng)險值的模糊風(fēng)險去模糊化的風(fēng)險值。
2) 計算戰(zhàn)傷可用飛機系統(tǒng)級風(fēng)險率
一般情況下任何一個復(fù)雜系統(tǒng)都可以轉(zhuǎn)化成等價的串、并聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)軍用飛機層次劃分,軍用飛機可視為多個串、并聯(lián)系統(tǒng)組成,簡化后如圖1所示。
從區(qū)塊整體壓裂統(tǒng)計分析:濱660塊大型壓裂單井壓后日產(chǎn)量較常規(guī)壓裂有明顯提高;典型單井對比表明大型壓裂增油效果顯著,但由于采油速度較快,地層能量下降較快,表現(xiàn)為遞減趨勢較為明顯,應(yīng)加強能量補充措施。
圖1 軍用飛機串并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematic diagram of series-parallel system of military aircraft
若各部件之間有串并聯(lián)關(guān)系,則可以等效為串、并聯(lián)系統(tǒng);若各部件之間無任何關(guān)聯(lián),則取各部件中風(fēng)險率最大的作為系統(tǒng)的風(fēng)險率。因此,通過式(10)和式(11)計算系統(tǒng)的風(fēng)險率:
(10)
=max{1,2,…,}
(11)
式中:為系統(tǒng)的風(fēng)險率;1,2,…,為系統(tǒng)中各無關(guān)聯(lián)等效分系統(tǒng)的風(fēng)險率。
3) 計算戰(zhàn)傷可用飛機全機級風(fēng)險率
若各系統(tǒng)之間有串并聯(lián)關(guān)系,則可以等效為串、并聯(lián)系統(tǒng);若各系統(tǒng)之間無任何關(guān)聯(lián),則取各系統(tǒng)中風(fēng)險率最大的作為全機的風(fēng)險率。因此通過式(12)和式(13)計算全機的風(fēng)險率:
(12)
=max{1,2,…,}
(13)
式中:為全機的風(fēng)險率;1,2,…,為全機中各無關(guān)聯(lián)等效系統(tǒng)的風(fēng)險率。
由于飛機作戰(zhàn)任務(wù)完成和裝備使用維護(hù)以最小可更換單元為基本單位,屬于部件級。因此,通過以下步驟對戰(zhàn)傷飛機分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級及全機級的戰(zhàn)時可用進(jìn)行分析,具體分析流程見圖2:
圖2 戰(zhàn)傷飛機戰(zhàn)時可用度分析流程框圖Fig.2 Wartime availability analysis process of war wounded aircraft
1) 接收指揮部對此架戰(zhàn)傷飛機指派的任務(wù);
2) 對戰(zhàn)傷飛機進(jìn)行檢測及評估,反饋部件狀態(tài);
3) 調(diào)用當(dāng)前機型的戰(zhàn)時可用度準(zhǔn)則庫(準(zhǔn)則庫樣式見表2),確定完成指派任務(wù)所必需的部件:
表2 軍用飛機戰(zhàn)時可用度準(zhǔn)則庫樣式Table 2 Military aircraft wartime availability criteria library style
① “損傷模式”依據(jù)LRU實際情況從“松脫、表面損傷、變形、損毀、斷路”等模式中選??;
② “搶修措施”從“延遲修理、原位修復(fù)、更換、外場不可修復(fù)”等措施中選??;
③ “修后使用限制” 從“全壽、僅當(dāng)次飛行、禁飛”等限制中選??;
④ “是否為當(dāng)前任務(wù)必需部件”根據(jù)LRU對于當(dāng)前任務(wù)的需求來確定是否必需。
4) 對某一分系統(tǒng)的戰(zhàn)時可用程度進(jìn)行分析;
5) 若分系統(tǒng)戰(zhàn)時可用,對其進(jìn)行風(fēng)險評價,否則風(fēng)險率置為0;
6) 得出戰(zhàn)傷飛機分系統(tǒng)對于指派任務(wù)的戰(zhàn)時可用度;
7) 分析分系統(tǒng)戰(zhàn)時可用度后同理得出飛機系統(tǒng)的戰(zhàn)時可用度;
8) 分析系統(tǒng)戰(zhàn)時可用度后同理得出飛機整機的戰(zhàn)時可用度。
通過戰(zhàn)傷飛機戰(zhàn)時可用度分析流程可知,戰(zhàn)時可用度表達(dá)式如式(14):
(14)
式中:表示戰(zhàn)時可用度;為戰(zhàn)時可用程度;為風(fēng)險率。
某型軍用飛機經(jīng)歷一次戰(zhàn)役后帶傷返航,落地后指揮部要求其6 h后進(jìn)行空空格斗任務(wù),現(xiàn)需評估其戰(zhàn)時可用度,用于再次出動決策支持。
按照建立戰(zhàn)傷飛機可用度量模型的步驟:
1) 明確指揮部對此架戰(zhàn)傷飛機指派的任務(wù)為空空格斗任務(wù);
2) 對戰(zhàn)傷飛機進(jìn)行檢測與評估,得出各部件(LRU)當(dāng)前狀況見表3(以武器系統(tǒng)為例);
表3 武器系統(tǒng)各部件(LRU)狀況Table 3 Weapon system component (LRU) status
3) 調(diào)用戰(zhàn)時可用度準(zhǔn)則庫,確定完成空空格斗任務(wù)下武器系統(tǒng)所必須的LRU見表4;
表4 空空格斗任務(wù)下武器系統(tǒng)所必需的LRUTable 4 The LRUs necessary for the weapon system in the air combat mission
4) 以武器系統(tǒng)外掛物管理分系統(tǒng)為例,按照飛機5層級可用程度評價模型體系,對其戰(zhàn)時可用程度進(jìn)行分析,得出結(jié)果為1;
5) 對武器系統(tǒng)外掛物管理分系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評價:
① 確定可能性和嚴(yán)酷度相對于風(fēng)險的權(quán)重
嚴(yán)格根據(jù)戰(zhàn)傷現(xiàn)場檢測及評估結(jié)果分析后確定可能性和嚴(yán)酷度相對于風(fēng)險的權(quán)重,建立對比矩陣,見表5。
表5 可能性和嚴(yán)酷度的成對比較矩陣和影響權(quán)重Table 5 Pairwise comparison matrix and impact weights for likelihood and severity
② 對危險的可能性和嚴(yán)酷度進(jìn)行評價
嚴(yán)格依據(jù)軍用飛機戰(zhàn)傷檢測與評估系統(tǒng)輸出的結(jié)果,結(jié)合模糊風(fēng)險矩陣對當(dāng)前危險進(jìn)行評價,得出初始評價結(jié)果,見表6和表7。
表6 可能性的初始評價結(jié)果Table 6 Initial evaluation of likelihood
表7 嚴(yán)酷度的初始評價結(jié)果Table 7 Initial assessment of severity
③ 在初始評價結(jié)果的基礎(chǔ)上計算風(fēng)險值
將可能性初始評價結(jié)果記作向量形式(0,0.8,0.2,0,0),同樣的將嚴(yán)酷度的初始評價結(jié)果記作向量形式(0.1,0.6,0.3,0,0),通過式(6)和式(7)得出可能性和嚴(yán)酷度的綜合評價結(jié)果,如表8所示,可用看出武器系統(tǒng)外掛物管理分系統(tǒng)的風(fēng)險是在低和中等之間。
表8 評價結(jié)果和風(fēng)險值Table 8 Evaluation results and value at risk
④ 將模糊風(fēng)險進(jìn)行去模糊化,得出風(fēng)險值
利用式(8)對模糊風(fēng)險進(jìn)行去模糊化:
⑤ 利用風(fēng)險值計算分系統(tǒng)級風(fēng)險率
通過式(8)計算和分別為0.667和8.833,再利用式(9)結(jié)合去模糊化后的風(fēng)險值,計算武器系統(tǒng)外掛物管理分系統(tǒng)的風(fēng)險率:
6) 得出武器系統(tǒng)外掛物管理分系統(tǒng)對于指派任務(wù)的戰(zhàn)時可用度為(1,28.36%),同理得出武器系統(tǒng)各分系統(tǒng)的戰(zhàn)時可用度,見表9;利用式(10)和式(11)計算得出飛機各系統(tǒng)的戰(zhàn)時可用度,見表10,最后用式(12)和式(13)得出飛機整機的戰(zhàn)時可用度為(1,38.92%)。
表9 武器系統(tǒng)各分系統(tǒng)的戰(zhàn)時可用度Table 9 Wartime availability of weapon system subsystems
表10 飛機各系統(tǒng)的戰(zhàn)時可用度Table 10 Wartime availability of aircraft systems
由以上實例分析可知,通過現(xiàn)場戰(zhàn)傷檢測與評估,利用本文提出的可用度模型,決策者可以清晰判斷出當(dāng)前飛機的任務(wù)可用程度情況;通過戰(zhàn)場評估信息基礎(chǔ)上的模糊風(fēng)險評估,可以得到戰(zhàn)傷飛機執(zhí)行該項任務(wù)的量化風(fēng)險度量值,該度量值綜合了全機各相關(guān)部件的戰(zhàn)傷評估信息以及當(dāng)前任務(wù)可用程度分析,將當(dāng)前分析結(jié)果用于再次出動輔助決策,置信度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的經(jīng)驗風(fēng)險評估決策,是真正的風(fēng)險量化分析。
提出可用程度4狀態(tài)離散數(shù)學(xué)表示法,構(gòu)建飛機5層級可用程度評價體系,解決了從外場可更換單元到整機,從檢測結(jié)果到科學(xué)出動的決策邏輯問題。采用模糊風(fēng)險評價方法,充分利用戰(zhàn)傷檢測、評估結(jié)論,計算出各層級的風(fēng)險率,構(gòu)建了戰(zhàn)傷飛機戰(zhàn)時可用度模型,便于指揮員依據(jù)任務(wù)全局做出最佳出動決策。
同時也需要指出,用以產(chǎn)生風(fēng)險評估輸入的戰(zhàn)斗損傷評估輸出結(jié)論帶有經(jīng)驗成分,增加了最終獲取風(fēng)險率的不確定性,后續(xù)的研究工作將著力減小戰(zhàn)傷評估的不確定性,進(jìn)一步提高本模型對出動決策支持的置信度。